РАСЧЁТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗОТОПОВ BA В ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕМ КАНАЛЕ ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Шумилов Алексей Андреевич

НИЯУ «МИФИ» г. Москва

E-mail: ttor@mail.ru

Освоение космоса всегда являлось передовым и инновационным направлением науки и техники. Развитие космических летательных аппаратов ставит многочисленные научные и технические задачи. Одной из основных задач является снабжение космического аппарата надежной и мощной энергетической установкой. Если для освоения околоземного пространства широкое распространение получили различные типы солнечных батарей, то для исследования солнечной системы очевидным фактом является необходимость компактного и независимого источника энергии. Наиболее широкое распространение в работах по созданию энергетических установок космического назначения получили термоэмиссионные реакторы-преобразователи (ТРП) [1].

При создании энергетических установок для космических аппаратов ключевой является задача обеспечения надёжности установки и, в частности, прогнозирования ресурса как установки в целом, так и отдельных её узлов. Электрогенерирующий канал (ЭГК) реактора-преобразователя вызывает повышенный интерес при исследованиях ресурсных изменений в реакторе, так как именно от его характеристик, в существенной степени, зависит выходная мощность установки.

На изменение вольтамперной характеристики ЭКГ в ресурсе влияют различные факторы, одним из основных можно назвать адсорбцию на поверхности электродов из поликристаллического вольфрама продуктов деления топлива на основе диоксида урана, так как некоторые из них существенным образом меняют работы выхода электронов в вакууме из электродов [4]. Для анализа такого влияния необходимо провести расчёты и дать оценку концентрации продуктов деления в газовой фазе ЭГК.

В данной статье приведена методика и результаты расчета давлений изотопов Ba в ЭГК. Ba и его изотопы выбраны исходя из следующих фактов: они оказывают наибольшее воздействие на работу выхода электронов в вакууме из вольфрамовых электродов [4] и имеют существенную концентрацию в облучённом топливе и в газовой фазе ЭГК [3]. При этом Ba не конденсируется в газоотводном устройстве и в ловушке [2], следовательно, он попадает в газовую среду межэлектродного зазора (МЭЗ).

Для расчета была выбрана конструктивная схема многоэлементного ЭГК с сообщающимися полостями МЭЗ и ТВЭЛ и односторонним выходом продуктов деления. Выбор изотопов осуществлялся исходя из анализа цепочек распада продуктов деления диоксида урана тепловыми нейтронами. В расчёты включались только те изотопы, которые не претерпевали распада за время диффузии в топливе, т. е. выходили в газовую фазу. Расчёт распределения концентраций изотопов Ba в парах цезия в МЭЗ ЭГК проводилось с использованием одномерного нестационарного уравнения диффузии (1), рассмотрен форсированный режим работы установки, при этом источники изотопов описывались точечно:

          (1),

где l — коэффициент b — распада рассчитываемого изотопа; x — координата; P — среднее давление рассчитываемого изотопа в МЭЗ; t — время; S — площадь сечения МЭЗ; D — коэффициент диффузии рассчитываемого изотопа в цезиевом паре; uk(t) — поток рассчитываемого изотопа из ЭГЭ с номером k; T — температура цезиевого пара; R — газовая постоянная; d — дельта функция; xk — координата точечного источника изотопа вдоль ЭГК.

Граничные условия для решения уравнения ставились следующим образом: полное отсутствие потоков компонентов в тупиковой части ЭГК; давление компонентов на срезе открытой части ЭГК принималось равным нулю; температура топлива при работе на форсированном режиме принималась равной 2400 К; температура цезиевого пара принималась постоянной и равной 1600 К. Поток изотопа в МЭЗ из каждого ЭГЭ задавался в соответствии с аппроксимационной зависимостью:          (2),

где aj,i,k и bj — коэффициенты аппроксимации; j — элемент (Ba, Sr, I); i — номер изотопа (i=1,2,…); k — номер ЭГЭ (k=1,2..9). При этом дельта функция записывалась следующим образом:  (3).

Результаты расчетов распределения парциального давления изотопов бария (¹³⁸Ba, ¹³⁹Ba и ¹⁴⁰Ba) вдоль МЭЗ во времени на форсированном режиме работы ЭГК представлены на рисунках 1—3.

Рис. 1. Распределение парциального давления стабильного изотопа ¹³⁸Ba вдоль МЭЗ во времени на форсированном режиме работы ЭГК

Рис.2 . Распределение парциального давления изотопа ¹³⁹Ba вдоль МЭЗ во времени на форсированном режиме работы ЭГК

Рис.3. Распределение парциального давления изотопа ¹⁴⁰Ba вдоль МЭЗ во времени на форсированном режиме работы ЭГК

Анализ рисунков 1—3 показывает, что максимальное давление стабильного изотопа ¹³⁸Ba, равное 5^.10^‑10 торр, достигается в МЭЗ в конце форсированного режима. Давление изотопа ¹⁴⁰Ba не превышает 4,6^.10^‑10 торр, а давление ¹³⁹Ba находится на уровне 2^.10^‑12 торр. Стоит отметить, что перегибы на графиках распределения парциального давления компонентов вдоль МЭЗ обусловлены его геометрией. А именно: односторонний выход продуктов деления естественным образом означает высокое парциальное давление в тупиковой части и в центре полости, при резком снижении давления компонентов газовой фазы на выходе.

Такие низкие давления не должны влиять на вольтамперную характеристику ЭГК, из чего можно сделать вывод, что наработка продуктов деления на форсированном режиме имеет незначительное влияние на ресурсные изменения ТРП. При комплексной оценки ресурсных изменений требуется уделить повышенное внимание переходным режимам и работе установке на номинальном режиме.

Список литературы:

1. Васильковский В.С., Андреев П.В., Зарицкий Г.А., и др. Проблемы космической энергетики и роль ядерных энергетических установок в их решении. Международная конференция "Ядерная энергетика в космосе—2005". Москва-Подольск 1—3 марта 2005г. Сборник докладов, т. 1, с. 20—25.ФГУП НИКИЭТ, М-Подольск, 2005.
2. Гонтарь А.С., Гриднев А.А., Любимов Д.Ю. Анализ физико-химических процессов в многоэлементном ЭГК с сообщающимися полостями ТВЭЛа и межэлектродного зазора. Атомная энергия, т.104, вып.4, апрель 2008, с. 216—224.
3. Любимов Д.Ю., Николаев Ю.В., Шумилов А.А. Влияние продуктов деления на фазовый состав достехиометрического диоксида урана в тепловыделяющих элементах термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. Материаловедение ((Materials Sciences Transactions) 2008, № 3(132), с. 34—42.
4. Любимов Д.Ю., Федик И.И., Шумилов А.А. Влияние продуктов деления на выходную мощность термоэмиссионных ЭГК с сообщающимися и разделенными полостями ТВЭЛа и межэлектродного зазора. Атомная энергия 2011 — Т. 110 — № 6 — С. 321—328