ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Применение молибдена в ядерных энергетических установках из "Молибден в ядерной энергетике " Известно, что существует несколько методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, среди которых в настоящее время наиболее разработаны электрохимический (топливные элементы), термоэлектрический (полупроводниковый), магнитогидродипамический и термоэмиссионный метод с подводом тепла от обычного, (органического) и ядерного топлива. [c.18] Принцип работы термоэмиссионного преобразователя. Рассмотрим действие простейшего ТЭП [142, 150, 151, 159] (рис. 2.1). На катод, изготавливаемый обычно из тугоплавкого материала (например, молибдена), от источника тепла поступает тепловая энергия Q, достаточная для возникновения термоэмиссии электронов с поверхности этого металла. Электроны, увеличив свою кинетическую энергию, преодолевают межэлектродное пространство и попадают на поверхность металлического анода. При этом электроны отдают ему часть своей кинетической энергии и нагревают его, а с другой стороны, создают избыток отрицательных зарядов па поверхности этого металла, увеличивая его отрицательный потенциал. Избыток зарядов стекает по внешней электрической цепи, проходя по сопротивлению нагрузки в виде полезного тока, и вновь попадает на катод. Если в этой модели обеспечить непрерывное подведение тепла Q, достаточное для термоэмиссии — испарения электронов, то во внешней цепи по сопротивлению нагрузки будет протекать непрерывный электрический ток. [c.18] Для эффективного осуществления поверхностной ионизации на нагретой поверхности из щелочных металлов наиболее подходящим оказался цезий, потенциал ионизации которого равен 3,88 В. Давление паров цезия в преобразователях регулируется, как правило, температурой специального цезиевого резервуара, сообщающегося с межэлектродной областью. [c.19] Работа ТЭП может осуществляться в следующих основных режимах вакуумном, т. е. без заполнения внутреннего объема парами цезия и в трех режимах с парами цезия — прямопролетном (квазивакуумном), диффузионном и дуговом. Результаты многочисленных экспериментальных исследований [44, 108, 111, 118, 130, 142, 144, 150, 151, 159] показывают, что наиболее перспективным и легко осуществимым является дуговой режим. При достаточно высокой температуре катода генерация ионов в межэлектродном пространстве происходит не только на поверхности катода, ко и во всем объеме межэлектродного пространства. Высокая электропроводность плазмы, образуемой в межэлектродном пространстве, позволяет значительно увеличить плотность тока, генерируемого ТЭП, и, следовательно, повысить удельную электрическую мощность ТЭП. [c.19] Из истории создания ТЭП. В начале 90-х годов прошлого столетия при исследовании причин выхода из строя ламп накаливания было установлено, что, если между горячей и холодной нитями включить амперметр, он зарегистрирует небольшой ток, протекающий через пространство между нитями. В 1899 г. Томсон показал, что носителями заряда в этом случае являются электроны, а само явление испускания электронов нагретыми металлами было названо термоэлектронной эмиссией. [c.20] Переломным моментом в истории создания ТЭП считают 1958 г., когда советский ученый Н. Д. Моргулис предложил для нейтрализации пространственного заряда применить ионизованные пары щелочного металла — цезия. [c.20] В 1959 г. в Лос-Аламосской лаборатории впервые на лабораторной установке было осуществлено прямое преобразование атомной энергии реактора в электрическую с помощью ТЭП при этом была получена суммарная электрическая мощность 30 Вт при КПД преобразования 15%. К 1965 г. в лабораторных условиях была достигнута удельная электрическая мощность 80 Вт/см2 и КПД выше 25% [106]. [c.20] В 1970 г, в Советском Союзе впервые в мире был испытан реактор-преобразователь атомной энергии в электрическую (ТЭП) Топаз-1 (рис. 2.2) [115]. Электрическая мощность в этом реакторе-преобразователе изменялась от 3,6 до 7,2 кВт. [c.20] Современные достижения и перспективы использования молибдена в ТЭП. Разрабатываемые в настоящее время реакторные термоэмиссионные энергетические установки можно условно подразделить на стационарные — Для выработки электри- А ческой энергии на Земле, и 1 автономные — для обеспечения энергией космических и подводных аппаратов. На современном этапе оценки темпов роста потребления в мире энергии дают значения 3—4% в год [129, 130]. Учитывая, что запасы органического природного топлива (уголь, нефть, газ) быстро уменьшаются, предполагают, что доля атомной энергии в общем балансе потребляемой энергии будет возрастать. Наглядно это иллюстрируется на примере баланса энергии США (рис. 2.3). [c.21] Темпы производства ядерного топлива по сравнению со всеми другими видами топлива будут значительно больше. [c.21] С 1985 г. основными видами топлива для выработки электроэнергии будут уголь и ядер-ное топливо. Это приведет к увеличению строительства и эксплуатации атомных электростанций (АЭС) [17, 98]. [c.21] Важным методом повышения КПД и снижения стоимости электроэнергии АЭС является создание термоэмиссионной надстройки электростанции. Термоэмиссионная надстройка атомной электростанции может иметь три схемы встроенные ТЭП выносные ТЭП ТЭП, размещенные на наружной части активной зоны реактора. [c.21] В наиболее распространенных встроенных системах ТЭП совмещаются с твэлами и полностью окружают топливо, так что все тепло, генерируемое в ядерном топливе, проходит через преобразователи. Тепло, отводимое от коллекторов ТЭП, подводится к обычной паровой системе. [c.22] По этой встроенной системе были созданы отечественные ядерные ТЭП Топаз [115]. Испытания реактора Топаз-1Ь подтвердили воспроизводимость характеристик первого образца установки Топаз-1 [115]. Однако было замечено, что после 1200 ч работы реактора наблюдалось небольшое снижение его электрической мощности. Это явление и сравнительно низкий КПД преобразования в реакторах Топаз-1 и Топаз-П обусловлены, прежде всего, отравлением эмиссионной поверхности окислами титана и циркония, в незначительных количествах входящих в состав молибденового сплава ВМ-1, из которого был изготовлен катод электрогенерирующего канала (ЭКГ). Окислы образуются при дегазации в условиях недостаточного вакуума и обладают малой работой выхода, что ухудшает сорбцию цезия н препятствует образованию металлопленочного катода. [c.22] ЭГК и увеличению тепловых утечек по микроизоляторам. Эти явления могут быть устранены применением специальных конструктивных мер (усовершенствованием дистанционирования, нанесением вольфрамового покрытия на катоды и др.). Таким образом, достигнутая в ядерном термоэмиссионном преобразователе Топаз полезная электрическая мощность (5—7 кВт) не является предельной и в дальнейшем может быть существенно увеличена путем применения перспективных катодных материалов и других мер по улучшению термоэмиссионных характеристик. [c.24] В работах [109, 113] рассмотрен сравнительный экономический расчет большой АЭС с термоэмиссионной надстройкой и без нее с реакторами (табл. 2.1). [c.24] Расчетная стоимость электроэнергии АЭС с ТЭП составляет примерно 2/3 стоимоспи электроэнергии обычной АЭС с машинным преобразованием энергии. [c.24] С этой точки зрения целесообразно в ЭГК ТЭП применять монокристаллические эмиттеры из чистого молибдена, поли-кристаллические текстурированные эмиттеры из молибдена или молибденовые эмиттеры с вольфрамовым текстурированным покрытием. Этого можно достигнуть путем нанесения вольфрамового покрытия на поли- или монокристаллическую молибденовую подложку. При этом покрытие вольфрама должно быть как можно более тонким для уменьшения захвата тепловых нейтронов с другой стороны, оно должно быть достаточно толстым для сохранения высокой работы выхода в течение всего ресурса работы преобразователя. Весьма серьезной является проблема чистоты молибдена, поскольку она имеет непосредственное отношение к ресурсу преобразователя вследствие возможного освобождения кислорода из окисных включений. Коллекторным материалом является молибден или сплав Nb + +1 % Zr, причем молибден предпочтителен из-за его большей продолжительности службы и меньшей стоимости. Однайо установлено, что окисные примеси, содержащиеся в молибдене и выделяющиеся в межэлектродный зазор во время испытаний, ухудшают эффективность ТЭП и обусловливают меньший ресурс. По-видимому, большие ресурсы, полученные экспериментально с Nb-b 1 %2г-коллектором, обусловлены его геттерирую-. щей способностью, вследствие чего (Кислород выводится из зазора [65, 115]. [c.25] После 9000 ч работы атомы молибдена в результате объемной диффузии-все же не затронули эмиссионной поверхности. Молибден был обнаружен вблизи поверхности по границам зерен вольфрама, но при этом оказалось, что из-за малой скорости поверхностной диффузии работа выхода не изменилась. Отмечается также интенсивный рост зерна молибденового эмиттера в процессе работы преобразователей [65]. [c.26] Современные достижения и перспективы использования молибдена в радиоизотопных генераторах. Увеличение электрической мощности энергетических установок и массы ИСЗ приведет к возрастанию числа передающих каналов спутников связи и к созданию новых типов ИСЗ, в частности, спутников контроля и ) правления движением самолетов и морских судов, телевизионных и радиоспутников [142]. Для энергетического обеспечения этих новых типов ИСЗ получили применение радио-изоюпные тепловые источники, которые представляют собой герметичную капсулу с радионуклидом в качестве топлива. [c.27] Вернуться к основной статье