МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МОЛИБДЕН-НИОБИЕВЫЕ ОБОЛОЧКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ

В соответствии с концепцией развития космической ядерной энергетики в Российской Федерации, одобренной Постановлением Правительства РФ от 02.02.1998г., одним из важнейших направлений является создание перспективных ядерных энергетических и двигательных установок, относящихся к базовым технологиям двойного назначения. Среди них важное место занимают установки на основе термоэмиссионных реакторов-преобразователей, к оболочкам твэлов которых предъявляется комплекс высоких требований: высокая рабочая температура (1500-1800°С), термоэмиссионная эффективность, совместимость с ядерным топливом, высокое сопротивление силовому воздействию топлива и газообразных продуктов деления в течение 3-10 лет.

За период с 1960 по 1990 года в нашей стране накоплен богатый опыт разработки и эксплуатации ядерных установок в составе целевых космических комплексов, создана и более 15 лет эксплуатировалась термоэлектрическая ядерная установка «Бук», успешно проведены летные испытания термоэмиссионной ядерной энергетической установки «Тополь» («Топаз») и наземные испытания установки «Енисей» («Топаз-2»), проведена наземная отработка активной зоны ядерного ракетного двигателя. Достигнут высокий уровень термоэмиссионных технологий, обеспечивающий приоритет России в этой области.

Рассмотрим принципиальную схему термоэмиссионного преобразователя энергии (рис.1). Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП) – преобразователь тепловой энергии в электрическую, на основе эффекта термоэлектронной эмиссии. На катод 1, изготовляемый обычно из тугоплавких металлов, от источника тепла поступает тепловая энергия Q1, достаточная для возникновения заметной термоэмиссии электронов с поверхности этого металла. Электроны, увеличив свою кинетическую энергию, преодолевают вакуумированное межэлектродное пространство 2 и попадают на поверхность металлического анода 3. Электроны, с одной стороны, отдают ему часть своей кинетической энергии, а с другой стороны, создают избыток отрицательных зарядов на поверхности этого металла, увеличивая его отрицательный потенциал. Избыток зарядов стекает по внешней электрической цепи, проходя по сопротивлению нагрузки 4 в виде полезного тока, и вновь попадет на катод. Если в этой модели обеспечить непрерывное подведение тепла Q1, достаточное для образования термоэмиссии, то во внешней цепи по сопротивлению нагрузки 4 будет протекать непрерывный ток.

В качестве топлива РТЭП используется диоксид урана UO2. Это связано с тем, что хорошо изучены его свойства, отлажена технология получения.

Диоксид урана совместим со многими материалами, что является его весьма ценным свойством.

Выбор материалов для электродов и других элементов энергетической конструкции ТЭП представляет собой сложную задачу. Для обеспечения значительного ресурса и высоких значений КПД к материалам, из которых изготавливают электроды, предъявляют определенные требования. Материал катода должен иметь высокую (свыше 2500 °С) температуру плавления и обладать хорошими механическими характеристиками при рабочих температурах. Также очень важен вопрос о работе выхода материала катода.

1)                 высокая вакуумная работа выхода;

 2)                 низкая степень черноты, для снижения тепловых потерь на коллектор и повышения КПД установки;

3)                 малое сечение поглощения тепловых нейтронов для минимизации массогабаритных характеристик реактора;

4)                 совместимость с материалом топливного сердечника и парами цезия;

 5)                 малая диффузионная проницаемость в нем компонентов топлива и продуктов деления для обеспечения стабильности эмиссионных характеристик и механических свойств во времени;

6)                 низкая упругость паров;

7)                 высокое сопротивление действующим со стороны топлива нагрузкам и, в первую очередь, низкая скорость ползучести при механических напряжениях, возникающих в нем за счёт взаимодействия с распухающим топливным сердечником;

8)                 низкая температура хрупко-пластического перехода и высокая технологичность; при рабочих температурах запас пластичности должен быть достаточным для обеспечения максимально допустимой деформации эмиттера без его разрушения;

9)                 низкое электросопротивление.

Исходя из требований видно, что кандидатными материалами для эмиттера являются тугоплавкие материалы, такие как W, Mo и их сплавы.

В таблице 1 показаны значения работы выхода некоторых катодных материалов, их испаряемость, степень черноты и температура плавления для оценки применимости их в энергетических конструкциях ТЭП.

Таблица 1 Данные для оценки применимости материалов в ТЭП

Практика разработки термоэмиссионных реакторов-преобразователей встроенного типа показывает, что основным ресурсоограничивающим фактором в конструкции вентилируемого твэла является деформация эмиттерной оболочки под действием распухающего топливного сердечника, в связи с чем возникает задача ее снижения для увеличения ресурса работы всей установки. Для решения этой задачи используют упрочненные монокристаллические Mo-Nb оболочки, способные перераспределять объемные изменения топлива во внутренний свободный объем твэла, сохраняя за счет этого рабочую величину межэлектродного зазора электрогенерирующего канала. Легирование молибдена ниобием приводит к увеличению характеристик кратковременной прочности в 3-4 раза и снижению скорости установившейся ползучести на 3-4 порядка по сравнению   с   нелегированным   монокристаллическим   молибденом   при   рабочей температуре оболочки 1700°C, при этом подавляется стадия мгновенной деформации и уменьшается деформация на стадии неустановившейся ползучести.

В соответствии с требованиями технического задания на ТЭП, для обеспечения всего ресурса работы многоэлементных электрогенерирующих каналов термоэмиссионных реакторов-преобразователей второго поколения, содержание Nb в эмиттерной оболочке должно находиться в определённом интервале концентраций ниобия (1 – 10) % масс при равномерном его распределении. Для достижения поставленной цели была проведена работа по измерению содержания Nb в сплаве Mo-Nb с помощью количественного рентгенофлуоресцентного анализа.

Статистическая обработка результатов измерений содержания Nb показала, что:

 1.                  систематические погрешности не значимы по сравнению со случайной погрешностью

2.                  случайная погрешность результата определения ниобия составляет 0,085 % при массовой доле ниобия (1–5) %, 0,153 % при массовой доле ниобия (5–8) % и 0,285 % при массовой доле (8–10) %

Список литературы

1.      Елисеев В.Б., Пятницкий А.П, Сергеев Д.И. Термоэмиссионные преобразователи энергии. АТОМИЗДАТ, 1970 – 90с.

2.      Савицкий Е.М., Бурханов Г.С. Металловедение тугоплавких металлов и сплавов.Наука, 1967 – 221с.

 3. Лосев Н.Ф. Количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ. Наука, 1969 – 336с.