Методы и техника исследований и измерений характеристик ТЭП, ЭГЭ, ЭГК на предреакторной и реакторной экспериментальных базах

обоснование проектных характеристик

Предреакторные

Реакторные

В составе петлевых каналов

В реакторах «нулевой» мощности
(в критстендах)

Наземные испытания прототипа

Летно-конструкторские испытания

ГНЦ РФ-ФЭИ

а – аналитическая установка «Поверхность» для исследования свойств электродов и конструкционных материалов в модельных условиях;
б – электрофизическая установка для измерений характеристик лабораторного термоэмиссионного преобразователя с плоской геометрией электродов (3 рабочих места, ВАХ, базы данных);
в – электровакуумные стенды (2 рабочих места) для испытания термоэмиссионных ЭГЭ.

а

б

в

систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ (продолжение)

процессов на поверхности конструкционных и электродных материалов в вакууме как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.

Основные характеристики:
Вакуум в аналитической камере, мм.рт.ст. до 10-10
Мощность нагревателей, кВт до 5
Температура материалов, К до 2500

Методическое обеспечение: масс-спектрометрия остаточных газов аналитической камеры; электронная Оже - спектроскопия для определения элементного состава поверхности материалов, спектроскопия полного тока для определения кристаллографической ориентации приповерхностных слоёв атомов материала, контактная разность потенциалов для определения работы выхода электронов с поверхности материала.

Действующие основные стенды предреакторных исследований и испытаний термоэмиссионных систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ (продолжение)

ресурсоограничивающих процессов, протекающих на поверхности конструкционных и электродных материалов непосредственно при их контакте с рабочей паргогазовой средой как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.

Основные характеристики:
Вакуум в аналитической камере, мм.рт.ст. до 10-10
Давление рабочей парогазовой среды в имеющемся рабочем участке, атм до 1
Мощность нагревателей, кВт до 5
Температура материалов, К до 2500

Методическое обеспечение: масс-спектрометрия остаточных газов аналитической камеры; электронная Оже - спектроскопия для определения элементного состава поверхности материалов, электронная микро-скопия для визуализации поверхности материалов, спектроскопия полного тока для определения кристалло-графической ориентации приповерхностных слоёв атомов материала, контактная разность потенциалов для определения работы выхода электронов с поверхности материала.

Действующие основные стенды предреакторных исследований и испытаний термоэмиссионных систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ (продолжение)

и испытания лабораторных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) с плоскими электродами площадью 1,5 см2 при электро-нагреве, а также взаимодействия материалов электродов с парогазовой рабочей средой межэлектродного зазора как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.

Основные характеристики:
Вакуум в рабочей полости ТЭП, мм.рт.ст. до 10-6
Мощность нагревателей, кВт до 10
Температура электродов, К до 2200

Методическое обеспечение: масс-спектрометрия откачиваемых газов; оптическая спектроскопия излучения межэлектродной среды и материалов электродов; измерение полного тока термоэлектронной эмиссии материалов электродов; информационно-измерительный комплекс сбора и обработки информации, высокоточные системы регулирования и поддержания температуры материалов электродов.

Действующие основные стенды предреакторных исследований и испытаний термоэмиссионных систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ (продолжение)

полномасштабных макетов термоэмиссионных и термоэлектрических электрогенерирующих элементов, термоэмиссионных и термоэлектрических модулей прямого преобразования с электронагревом как самостоятельно, так и в ходе НИОКР.

Основные характеристики:
Вакуум, мм.рт.ст. в рабочей полости ТЭП до 10-6 в системе защитного вакуума до 10-5
Мощность нагревателей, кВт до25
Температура электродов, К до 2200

Методическое обеспечение: масс-спектрометрия откачиваемых газов; измерение полного тока термоэлектронной эмиссии материалов электродов; экспресс-система сбора и обработки информации высокоточные системы регулирования и поддержания температуры материалов электродов.

Действующие основные стенды предреакторных исследований и испытаний термоэмиссионных систем экспериментальной базы ГНЦ РФ-ФЭИ (продолжение)

электронов

КСА

в)

б)

а)

а): 1 - образец; 2 - электронная пушка; 3, 4 - внешний и внутренний цилиндр анализатора; 5 - коллектор оже - электронов.
б): 1 - анализирующий керамический блок; 2 - 6 - коллекторно-сеточная анализирующая система; 7-9, 12, 20, 24 – МКУ - компоненты; 10-14, 16-23 - элементы крепления, экраны и коммутирующие выводы; 15 - электронная пушка.
в): внешний вид 4-х сеточного КСА.

, ат.%) используется формула:

где

- регистрируемые амплитуды оже-линий;

- амплитуды эталонных оже-линий;

- нормированные амплитуды оже-линий;

- суммирование по всем k-линиям оже-спектров.

электронного тока на образец с помощью электронного пучка.

Принципиальная схема селектора электронов.
1, 2 – внешний и внутренний отклоняющие электроды;
3, 4 – входные щели;
5, 6 – выходные щели;
К – катодный узел.

1 - КЗ эталона (110);
2 - КЗ эталона (112).

Вакуумная работа выхода эталонных образцов:

- Мо (110), Ф0 = 5.0 ± 0.02 эВ;
- W (110), Ф0 = 5.3 ± 0.02 эВ;
- W (112), Ф0 = 4.8 ± 0.05 эВ,
А0 = 120,4 А/(см2К2)

- КЗ эталона (110);
2 - КЗ эталона (112);
3 - КЗ области ЭО с вольфрамовым покрытием, ориентированной по (110)-грани;
4 - КЗ области ЭО с вольфрамовым покрытием, ориентированной по (112)-грани.

в ТЭП (КИТ)
1 - анализатор вторичных электронов (ЦЗ или КСА); 2 - электронная пушка; 3 - образец;
4 - датчик масс-спектрометра; 5 - система напуска эмиссионно-активных газов;
6 - источник цезия; 7 - манипулятор образцов (x, y, z, Θ - координаты);
8 - рабочая полость ТЭП с образцами эмиттера и коллектора; 9 - резервуар с Сs;
10 - горячий вентиль; 11 - откачка/система напуска газов.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА, РАБОТЫ ВЫХОДА И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБРАЗЦОВ ЭЛЕКТРОДОВ ПЛОСКОЙ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

ее поперечное сечение, (в) – держатель образцов
1 - камера; 2 - манипулятор; 3 - анализатор (ЦЗ или КСА); 4 - сублимационный насос; 5 - титановый испаритель; 6 - вентиль предварительной откачки; 7 - электроразрядный насос; 8 - датчик вакуума; 9 - напуск газов; 10 – селектор электронов; 11 - датчик масс-спектрометра; 12 - источник цезия; 13 - образец; 14 - нагреватель; 15 - термопара; 16 - рамка-держатель; 17 - тяга привода качания образца; 18 - пружина возврата.

камера;
б - ТЭП в разгерметизированном состоянии (электроды разведены);
в - подвижный электрод (эмиттер или коллектор);
г - неподвижный электрод (коллектор или эмиттер).

нагреватель электронной пушки; 3- полость черного тела; 4- эмиттер; 6- коллектор; 7- нагреватель коллектора; 8- охлаждение коллектора; 9- тяги механизма перемещения; 10- смотровые окна; 11,14- горячие вентили; 12- загрузочный Cs-резервуар; 13- Cs-термостат; 15- вакуумно-цезиевый тракт; 16- геттер; 17- корпус ТЭП; 18- термопары; 19- электронагреватели.

Регистрация изотермических и эквипотенциальных ВАХ, формирование базы данных о ВАХ, измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов плоской геометрии

о ВАХ, измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов цилиндрической формы в составе ЭГЭ

1- эмиттерная оболочка;
2- коллектор;
3- термопары;
4- нагреватель эмиттера;
5- система нагрева/охлаждения коллектора;
6- система откачки;
7÷10- прогреваемые вентили (Ду50-10);
11- Cs-термостат;
12- система дистилляции Cs;
13- датчик масс-спектрометра;
14,15- защитная вакуумная камера и система ее откачки.

ресурсных испытаний ЭГЭ

ВАХ, измерение эмиссионно-адсорбционных характеристик электродов цилиндрической формы в составе ЭГЭ

а – ТЕ, ТС, d = const; TCs = var;
б – ТЕ, ТС, U, d = const; TCs = var;
в – ТЕ, ТС, d = const; RН = opt; TCs = var;
г – ТЕ, U, d = const; ТС и TCs = var.

в дуговом режиме

х - напряжение холостого хода;
s - ток насыщения диффузионного режим;
f - напряжение поджига;
о - напряжение гашения;
с - минимальный барьерный индекс VB;
w - плотность электрического тока в точке перегиба дуговой ВАХ эмиттерной ветви;
b - плотность электрического тока в точке перегиба дуговой ВАХ коллекторной ветви.

эмиттера в парах цезия ФЕ используется значение плотности тока в точке перегиба дуговой ВАХ jw для текущих внешних параметров ТЕ, ТС, ТСs (PCs) и d:
(1)
где Ф(jw) - работа выхода в эВ, определяемая плотностью тока jw:
(2)
где k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, А0 =120.4 А⋅см-2 ⋅К-2 - постоянная Ричардсона.
Соотношение (1) получено по экспериментальным данным. С помощью этих же данных получено отношение для потоков электронов в точке излома ВАХ:
(3)
где jR - плотность тока электронной эмиссии с эмиттера. В рабочих режимах ТЭП результаты расчетов jR и ФЕ по выражениям (1) и (3) соответствуют друг другу.
Полученные по (1) значения ФЕ приводятся в соответствие вакуумной работой выхода эмиттера Ф0Е по соотношению ФЕ = ƒ (ТЕ/ТCs, Ф0Е), по кривым Рейзора.

режиме (d < 0,05 мм) по ричардсоновскому току насыщения с коллектора на «холодный» эмиттер. Корректное измерение в режимах с VB ≥ 2 эВ.
ФСэмис – в режимах с VB < 2 эВ по точке перегиба «b» плотности обратного тока (в коллекторной ветви):

где jR* - ричардсоновская плотность электронного тока с коллектора.

V в точке «с» на ВАХ с VBmin
(4)
где - предельное (Больцмановское) напряжение
для заданных j и ТЕ; Vd - потери напряжения, связанные с затратами энергии на поддержание дугового разряда; е - заряд электрона.
Vd = ΔVC + ΔVL,
где ΔVC - потери напряжения из-за обратной эмиссии с коллектора, ΔVL - остальные потери.

где jCR – ток эмиссии электронов с коллектора.
Для оптимального значения (PCs⋅d) ~ 0,5 мм.рт.ст.⋅мм ΔVL ≈ 0,48 В.

контроль температуры эмиттера может проводиться по результатам измерений тока насыщения jES в недокомпенсированном режиме (точка «s» на ВАХ) с помощью выражения
где М – эмпирический коэффициент учитывает вклад среднего по МЭЗ коэффициента диффузии электронов по сравнению с коэффициентом диффузии у эмиттера, а также уменьшение равновесной концентрации электронов при измерении jES.
Обычно М был равен 0,3 ÷ 0,4.

снятой плитой радиационной защиты;

а)

б)

б – схема а.з. с ячейками для петлевых
каналов:
1 – петлевой канал с ЭГК.

– эмиттер; 2 - коллектор; 3 – коллекторная изоляция;
4 – теплоноситель; 5 – охлаждающая вода;
6 – нагреватель; 7 – корпус ПК.

«ТОПАЗ»

Конструкционная схема одного из последних вариантов ПК, испытанных в реакторе АМ

1 – многоштырьковый герморазъем; 2 – силовой токовый герморазъем; 3 – ампула с
жидким цезием; 4 – устройство для вскрытия ампулы с цезием; 5 – конденсатор пара
цезия; 6 – электронагреватель; 7 – термоэмиссионная ЭГС; 8 – СТС; 9 – токовывод;
10 – источник пара цезия циркуляционного типа; 11 – трубка возврата
сконденсировавшегося цезия; 12 – теплообменник в виде трубки Фильда.

защиты;
2 – горизонтальный экспериментальный канал;
3 – система контроля герметичности оболочек;

4 – активная зона;
5 – облучательные устройства;
6 – теплообменник.

Схема реактора ИВВ-2М

– бериллиевые блоки, 3 – органы регулирования, 4 – топливные кассеты, 5 – петлевой канал, 6 – кассеты подсветки,7 – облучательные устройства

ЯЭУ 2-го поколения

Назначение стенда – исследование нейтронно-физических характеристик термоэмиссионных реакторов-преобразователей различного назначения и других малогабаритных транспортных реакторов.

Решенные задачи – обоснованы нейтронно-физические характеристики и ядерная безопасность проектов космических ЯЭУ с реакторами-преобразо-вателями на быстрых нейтронах мощностью от 500 до 1500 кВтэл.

Основные характеристики:

Критический стенд ФС-1М

определение эффективности гидридциркониевого замедлителя;
● определение эффективности органов регулирования;
● измерение свойств различных материалов;
● проведение интегральных спектральных измерений и оценка температурного коэффициента реактивности.