Способ снижения давления остаточных газов в полостях ядерной энергетической установки

 

Использование: в ядерной энергетике, в частности в технологических процессах подготовки к эксплуатации ядерных энергетических установок. Сущность: полости установки вакуумируют до статического давления от 10^-2 Па до 10^-3 Па вакуумной системой. При достижении указанного давления полости заполняют парами цезия до давления от 400 до 600 Па, которые удаляют в вакуумную систему посредством конденсации после выдержки в течение 1-2 ч. Сравнивают полученное давление с исходным и повторяют процесс до выравнивания последних.

Изобретение относится к ядерной энергетике, конкретно к технологическим процессам подготовки к эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ), преобразующих тепловую энергию деления ядерного топлива в электрическую непосредственно.

Одной из особенностей таких ЯЭУ является то, что их системы преобразования тепла в электричество имеют сильно развитые поверхности. Сформированы они из материалов, имеющих различные сорбционно-десорбционные свойства (металлы, керамика, полупроводники), а полости, которые они образуют (особенно в термоэмиссионных преобразователях тепла в электричество), имеют малые зазоры и достаточно сложную форму. Для эффективного преобразования эти поверхности должны быть абсолютно чистыми, материалы должны иметь низкое газовыделение.

При современных методах производства материалов, технологии сборки невозможно получить их абсолютно чистыми. Как бы чисто они не были подготовлены, после сварки, пайки и сборки узлов на их поверхностях остаются посторонние примеси в виде газов, органических и неорганических соединений. Поэтому, при разогреве ЯЭУ в процессе вывода ее на номинальный режим, когда температуры рабочих поверхностей достигают величин от 300 до 1700^oC, из конструкционных материалов в рабочие полости выделяется большое количество продуктов термического разложения поверхностных загрязнений и десорбции газов из материалов, которые отрицательно влияют на КПД ЯЭУ, ресурс, стабильность выходных характеристик, а иногда приводят к выходу из строя всей ЯЭУ. Так например, при испытании первых образцов ЯЭУ "Топаз" ее КПД оказался ниже ожидаемого из-за образования окислов титана и циркония, образовавшихся при дегазации межэлектродного зазора в условиях недостаточного вакуума, а после 1000-1200 ч работы реактора наблюдалось плавное снижение электрической мощности [1] Этот и другие примеры показывают, что задача получения низкого остаточного давления газов в полостях ЯЭУ при рабочих температурах является важной технической проблемой.

В практике производства и изготовления изделий электронной промышленности известны способы получения высокого вакуума в откачиваемых полостях, включая откачку и обезгаживание при рабочих температурах в условиях вакуума или атмосфере инертных газов [2] Недостатками таких устройств является следующее.

Все эти методы оказались малоэффективными при подготовке космических ЯЭУ типа "Топаз 11" из-за особенностей ЯЭУ (отмеченных ранее) и стендов для их подготовки (трубопроводы стендовой вакуумной системы длинные, поперечные сечения их ограничены, а средства откачки находятся далеко, иногда в других помещениях в десятках метров от вакуумируемого объема).

Все это затрудняет процесс удаления газов из полости. Для полного их удаления требуется время порядка тысячи часов, что нежелательно в технологических процессах подготовки ЯЭУ к эксплуатации.

Кроме того, из-за разнообразия вакуумных свойств конструкционных материалов, формирующих рабочие полости ЯЭУ и полости стендовой системы откачки и заполнения цезием, которые в процессе обезгаживания находятся в различных температурных условиях, протекают сорбционно-десорбционные процессы, приводящие к перераспределению десорбированных газов из стендовой системы в рабочие полости ЯЭУ, вследствие чего газосодержание в них не снижается и остается на достаточно высоком уровне.

Цель изобретения получение более низкого давления остаточных газов в полостях ЯЭУ и повышение эксплуатационной надежности ЯЭУ.

Цель достигается тем, что в известном способе снижения давления остаточных газов в полостях ядерной энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем посредством нагрева ядерной энергетической установки до рабочих температур и откачки полостей до требуемого давления известными средствами вакуумирования, в том числе и введением сорбента, согласно изобретению когда давление в полостях через час после прекращения откачки установится в диапазоне от 10^-2 до 10^-3 Па, в них вводят сорбент в парообразном состоянии при давлении паров сорбента от 400 до 600 Па, затем выдерживают сорбент в полостях в течение 1-2 ч, после чего сорбент удаляют конденсацией его в охлаждаемом месте вакуумной системе, сравнивают вновь полученное в полостях давление с исходным и повторяют процесс до выравнивания последних, причем в качестве сорбента выбран цезий.

Пары цезия взаимодействуют химически с остаточными газами в объеме и на поверхностях. Поскольку концентрация молекул остаточных газов во много раз меньше, чем концентрация паров цезия, а температуры поверхностей высокие, то образовавшиеся соединения при открытии полости на вакуумную систему вместе с парами цезия и нейтральными газами направленным потоком удаляются из полости. На прореагировавшие пары цезия конденсируются на стенках стендовой системы откачки, увеличивая ее сорбиционную способность, что препятствует перераспределению потока газов из стендовой части в полости ЯЭУ. Все это приводит к снижению давления остаточных газов и следовательно, повышению эксплуатационных характеристик ЯЭУ. Кроме того, сокращается время достижения высокого вакуума.

Способ снижения давления остаточных газов реализуют следующим образом.

ЯЭУ устанавливают в вакуумную камеру, ее полости соединяют со стендовой вакуумной системой откачки, ЯЭУ нагревают до температур близких к рабочим и одновременно откачивают вакуумную камеру и полости вакуумной системы обычными средствами вакуумной откачки. При давлении в полостях порядка (10^-2-10^-3) Па, например, через 1 ч после прекращения откачки, ее заполняют парами цезия до давления от 400 до 600 Па. Дают выдержку 1-2 ч, после чего открывают клапан на откачку полости. После откачки остаточных газов и конденсации паров цезия в стендовой системе откачки (например, через 1-3 ч) измеряют новое значение статического давления остаточных газов в полости посредством закрытия клапана откачки (статическое давление через 1 ч после прекращения откачки). Сравнивают полученное давление с измеренным ранее. Цикл операций (заполнение выдержка откачка измерение давления) повторяют до тех пор, пока давления двух последних циклов сравниваются (будут находиться в пределах погрешности измерения).

Изобретение разработано применительно к ЯЭУ "Топаз-2" и было использовано при подготовке опытных образцов ЯЭУ и при изготовлении электрогенерирующих каналов. Способ показал свою эффективность. Так например, на Я-81 был достигнут ресурс более года при хорошей стабильности во время выходных характеристик, которая сохранялась и после длительного хранения ЯЭУ.

Предложенный способ может быть использован при получении более низкого остаточного давления в полостях высокотемпературных вакуумных установок, испытательных камер и других устройствах, материалы которых допускают контакт с парами цезия.

Формула изобретения

Способ снижения давления остаточных газов в полостях ядерной энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем посредством нагрева ядерной энергетической установки до рабочих температур и откачки полостей до требуемого давления известными средствами вакуумирования, в том числе и введением сорбента, отличающийся тем, что когда давление в полостях через час после прекращения откачки установится в диапазоне 10^-2 10^-3 Па, в них вводят сорбент в парообразном состоянии при давлении паров сорбента 400 600 Па, затем выдерживают сорбент в полостях в течение 1 2 ч, после чего сорбент удаляют конденсацией его в охлаждаемом месте вакуумной системы, сравнивают вновь полученное в полостях давление с исходным и повторяют процесс до выравнивания последних, причем в качестве сорбента выбран цезий.