Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 13

В табл. 4 приведены основные технические характеристики шариковых твэлов диаметром 3 мм.

В рассматриваемом шариковом твэле плотные слои покрытия работают как сосуд под давлением. Величина этого давления определяется, прежде всего, температурой, количеством газа в свободном объеме (открытой пористости) буфера (слоя покрытия. находящегося в контакте с ядерным топливом) и микросферы ядерного топлива.

Относительная величина выхода Г1ТД (Хе, Кг) из сферы ядерного топлива при максимальной проектной температуре (1700 К) и глубине выгорания (15,5 % т.а.) может достигать величины, близкой к 100%. Используем оценку сверху о выходе 100 % ГПД из топлива. ГПД образуются в количестве около 0.25 атома на один разделившийся атом урана. Тогда количество атомов ГПД при работе реактора на мощности Q (Вт) в течение ресурса t (с) определяется по зависимости:

Nu = С Q t/4, где С = 3,1 10¹⁰ дел/(Вт-с), число делений урана в секунду, соответствующее выделению мощности, равной 1 Вт.

Оценочные расчеты показали, что при пористости 11,3% давление ГПД в твзле максимальной мощности в конце кампании составляет ~ 824 ат (80,8) МПа, а в твэле средней мощности - 285 ат (27,9 МПа). Объем пустот, соответствующий такой пористости, может быть создан в микросфере ядерного топлива и в слое покрытия, находящегося в контакте с ядерным топливом. Это достаточно большое давление и покрытие может раздуться за счет ползучести и перекрыть проходное сечение в местах наивысшей температуры, что приведет к дальнейшему перегреву. При использовании в качестве топлива нитрида (или карбида) урана объем твэлов может быть значительно меньше: всего 23,2 л. Однако при этом уменьшится и объем, занятый ГПД, а максимальное давление возрастет с 824 до 2725 ат. Поэтому в проведенном расчете в качестве топлива был использован не чистый нитрид, а твердый раствор нитридов урана и циркония при объемной доле нитрида циркония 70%. Для уменьшения давления в твэле нитрид циркония можно частично или полностью исключить, и тогда пористость в твэле соответственно возрастет. Если мы удалим из твэла нитрид циркония полностью, то при сохранении объема твэлов их пористость должна стать 39,1%. В этом случае максимальное давление в наиболее напряженном твэле составит 238 ат (23,4 МПа). Если всю пористость расположить в центре твэла, то нитрид урана будет представлять собой покрытие толщиной 100 мкм внутри вольфрамовой оболочки толщиной 300 мкм.

Если требуемая электрическая мощность 500 КВт, то при КПД>10% объем, занятый твэлами, уменьшается (например, при КПД = 20% и мощности реактора 2,5 МВт твэлы будут занимать 38,3 л), и тогда поперечный размер реактора уменьшится, но конструкция твэла при сохранении ресурса и выгорания остается той же самой. Соответственно сохранится и уровень давления. Можно рассмотреть также вариант, когда твэлы занимают тот же объем, что и при мощности 5 МВт, и тогда пропорционально мощности уменьшится и давление внутри твэлов за счет выхода ГПД.