Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 12

В табл.2 были приведены результаты "идеального" теплового расчета, без учета неравномерностей разного рода. Согласно этому расчету максимальная температура материала твэла в выходном сечении ТВС равна 1466 К.

Однако в действительности из-за неравномерностей тепловыделения по радиусу, оси и азимуту ТВС максимальные температуры твэлов будут значительно выше средних, т.е. неизбежно возникнут перегревы. Эти перегревы по мере выгорания топлива будут только увеличиваться, поскольку профили тепловыделения из-за неравномерного выгорания урана по объему активной зоны будут более неравномерными, чем в начале кампании. Это связано, прежде всего, с тем, что систему распределения и подачи расходов теплоносителя по нагревным секциям и ТВС подбирают оптимальной только для одной какой-нибудь временной отметки в работе реактора, например, на начало или середину кампании.

В проведенном анализе максимальный перегрев равен половине подогрева, который составляет 446 К. Это предположение довольно правдоподобно, поскольку коэффициент неравномерности тепловыделения, вероятно, где-то около 2,5. В этом случае максимальная температура поверхности твэла возрастет до 1688 К. и для дальнейших оценочных расчетов будем основываться на этой цифре, округлив ее до 1700 К.

Особенности шариковых твэлов.

Исходной базой для выбора основных конструкционных материалов шарикового твэла является накопленный опыт разработки и результаты экспериментальных исследований высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов ВТГР [3], в том числе и перспективного газового реактора на шариковых твэлах с вольфрамовым покрытием.

Разработанные для ВТГР микротвэлы (МТ) представляют собой топливный сферический керн, окруженный многослойным защитным покрытием. Для защитных покрытий в настоящее время, в основном, используется пиролитический углерод (Р_УС) и карбид кремния (SiC). Использование пиролитического углерода при температуре 1700 К в контакте с диоксидом урана ограничивается их химическим взаимодействием с образованием СО и СО2.

Использование карбида кремния на внешней поверхности твэла ограничивается испарением кремния при температурах выше 1700 К. В табл. 3 приведены данные по испарению кремния из карбида кремния при различных температурах. Представленные данные показывают, что при использовании Р_УС и SiC в качестве конструкционных материалов и UO2 в качестве топлива необходимо снизить максимальную температуру твэла. Однако если мы заменим UO2 на карбид или карбонитрид урана, то проблема взаимодействия топлива с пирографитовым слоем снимается. Испарение 7 мкм кремния при температуре 1700 К при его исходной толщине 300 мкм также, вероятно, допустимо.

Таким образом, создание реактора для рассматриваемой ЭУ на основе микро- твэлов типа ВТГР представляется возможным с точки зрения рассмотренных рабочих процессов при температуре газа на выходе из реактора, равной 1422 К (~1150 °С).

Для твэла с вольфрамовым покрытием испарение вольфрама не является процессом, ограничивающим его работоспособность, даже при температурах поверхности 2000 К. Ее будет ограничивать взаимодействие оболочки твэла с топливом. Для простоты рассмотрим топливный керн из UC или UC-UN с покрытием, но без буферного подслоя. В этом случае через покрытие будут диффундировать уран, углерод и их со единения.

При температуре 1850 К величина урана, продиффундировавшего через слой покрытия на поверхность оболочки составит 48мкм [4], а при 1750 К фронт диффузии урана вообще не выйдет на поверхность (см. табл. 3). Таким образом, на основе твэлов с вольфрамовым покрытием возможно создание более высокотемпературного реактора (с температурой нагрева примерно на 100 К выше), чем на основе микротвэлов типа ВТГР.

Таблица 3