tvel (А. А. Дорофеев - Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактора ядерного ракетного двигателя)

ОглавлениеСОКРАЩЕНИЯ .................................................................................................................................2ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .................................................................................3ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................................4ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................6Цели и задачи проведения лабораторной работы...........................................................................82. Методические указания и рекомендации по проведению и выполнению лабораторнойработы ...............................................................................................................................................112.1.

Потенциально опасные факторы и техника безопасности ...............................................112.2. Характеристика рабочих процессов в ТВЭЛ и ТВС ЯРД .................................................122.3. Принципы и методика систематизации ТВЭЛ ..................................................................203. Описание экспонированных объектов .......................................................................................253.1. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) ................................................................................253.2. Нагревные секции (блоки) ТВЭЛ ........................................................................................403.3.

Опорные решетки .................................................................................................................403.4. Обоймы нагревных секций (блоков) ТВЭЛ с функцией теплоизоляции ........................413.5. ТВС, сопла и элементы торцевого отражателя нейтронов ...............................................484. Особенность работы ТВЭЛ в ТВС с радиально-осевой структурой течения охладителя....495. Методика оценки выполнения лабораторной работы .............................................................51ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................................53Приложение А.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ..........................................................................55Приложение Б. Характерные значения теплофизических характеристик твердых материалови газов ..............................................................................................................................................59Приложение В. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И ВОПРОСЫ .....................................................61ОглавлениеА.А.

Дорофеев «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»2СОКРАЩЕНИЯАЗ − активная зонаГПД − газообразные продукты деленияДУ− двигательная установкаЛА − летательный аппаратСУЗ − система управления и защиты (ядерного реактора)ТВС − тепловыделяющая сборкаТВЭЛ − тепловыделяющий элемент«Ф – К – М – Т» − системная тетрада «функция – конструкция – материал - технология»ЭРД − электрический ракетный двигательЯРД − ядерный ракетный двигательЯРДУ − двигательная установка с ядерным ракетным двигателемЯЭДУ − ядерная энергодвигательная установка (ядерный бортовой источник электрическойэнергии и использующий ее электрический ракетный двигатель)ОглавлениеДорофеев А.А.

«Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»3ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯa − скорость звука [м/c]d − диаметр [м]F − площадь [м2]; поток нейтронный [1/c]H, h − линейный размер, высота [м]I − плотность тока нейтронов [1/(см2с), вектор]J − флюенс (перенос) нейтронов [1/см2]k − показатель адиабаты идеального газа; характеристика неравномерностиK− коэффициент; характеристика неравномерности, модуль всестороннего сжатия [Па]L − характерный линейный размер, длина [м]m − массовый расход [кг/с]М=w/a− число Махаn − концентрация нейтронов, плотность нейтронов [1/см3] ; показатель изоэнтропы; числолопастей стерженькового винтового ТВЭЛ (заходность)Pr − критерий Прандтляp − давление [Па], вероятностьР – тяга ракетного двигателя [Н], вероятность избежать утечки за границу активной зоныr − радиус [м]R − радиус [м]; газовая постоянная [Дж/(кг·К)]Re=wd/ν −число РейнольдсаS − шаг винтовой линии [м], площадь [м2]t − время [с]v − удельный объем [м3/кг]w − скорость потока [м/с]q − объемное тепловыделение, объемная тепловая мощность [Вт/м3]Z − число протонов в ядре, номер элемента в таблице Д.И.

Менделееваδ − линейный размер, толщина [м]Ф − плотность нейтронного потока [1/(см2с), скаляр]ОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»4ПРЕДИСЛОВИЕВ традициях «русской школы подготовки инженеров», созданной в нашем университете и развиваемой в рамках московской школы подготовки специалистов в области ракетных двигателей (основатели доктора технических наук, профессора В.М. Кудрявцев и В.М.Поляев), лабораторный практикум лежит в основе закрепления и практического освоениятеоретических знаний, получаемых студентами при прохождении лекционной части курса(дисциплины), по которому не выполняется домашних заданий и не ведется курсового проектирования. Практическое освоение означает здесь закрепление и включение знаний в систему ранее приобретенных знаний и умений их оперативного применения для ответа на возникающие вопросы в ранее известной или новой совокупности факторов современного иперспективного, прогнозируемого профессионального информационно-деятельностногопространства, т.е.

формирование компоненты профессиональной компетентности с элементами эвристики как когнитивной основы креативности будущей гуманитарно и экологическиответственной инженерной деятельности.Такой и является дисциплина «Основы теории, расчета и проектирования ядерныхракетных двигателей (ЯРД) и установок», программой которой предусмотрено изучениеконструкции тепловыделяющих сборок (ТВС) и входящих в её состав как основа нагревныхсекций (блоков) тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) на примере экспонатов коллекции,собранной в зале конструкций кафедры «Ракетные двигатели».Наличие современного учебного пособия [5], публикаций последних лет [3, 4, 6, 7, 10и вышедших из печати еще в прошлом веке методических указаний [2, 8] привело к необходимости фактологически и методически согласовать приведенную в них информацию сучетом измененных дидактических целей, формулируемых теперь в категориях компетентностного подхода, притом что апробированные образовательные технологии применительнок названной дисциплине практически не изменились.

Разве что поменялись структура и контент профессионального информационного пространства и еще большее внимание уделяетсявопросам обеспечения локальной и глобальной ядерной безопасности в технологической иэкологической постановке при безусловном приоритете гуманитарных ценностей.Все это сделало целесообразным выпуск методических указаний по изучению материалов и конструкции ТВЭЛ и ТВС реактора ЯРД по когнитивной технологии лабораторнойработы с увеличенной долей самостоятельности студента. Это обусловило желательностьтак называемого качества модульности настоящего издания, т.е.

по возможности максиОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»5мальной «самодостаточности», когда лабораторную работу можно выполнить в минимальной связи (асинхронно, с опережением или после прохождения соответствующего теоретического изучения) с лекционной частью курса. С этой целью настоящее издание содержитпространное теоретическое описание, необходимое только незнакомым с теорией вопросачитателям, и снабжено приложением, в котором размещены глоссарий с элементами тезауруса (Приложение А.

Термины и определения), обширные таблицы со справочными данными по теплопроводности характерных для современной энергонасыщенной техники твердыхматериалов и газов (Приложение Б) и контрольные вопросы (Приложение В), полезные какстуденту для самостоятельного выполнения лабораторной работы, так и преподавателю,проводящему это занятие и принимающему зачет у студентов.При этом сопутствующей, но не менее важной задачей считалось отражение методического опыта основателей цикла ядерно-ракетных учебных дисциплин кафедры «Ракетные двигатели» разработчиков космической ядерной техники В.В. Талаквадзе и Н.М. Драчева, у которых довелось учиться автору настоящего методического издания.Автор А.

ДорофеевОглавлениеДорофеев А.А. «Материалы и конструкция тепловыделяющих элементов и тепловыделяющей сборки реактораядерного ракетного двигателя»6ВВЕДЕНИЕСамыми энергонасыщенными элементами ядерного ракетного двигателя (ЯРД),задающими в основном показатели эффективности собственно двигателя и двигательнойустановки с ЯРД в целом 1 (ЯРДУ), являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), числокоторых в активной зоне реактора (АЗ) составляет несколько тысяч. В ТВЭЛ в результатеделения235U генерируется до 94% всей тепловой мощности активной зоны реактора ЯРД.Условия работы ТВЭЛ ЯРД на двигательном режиме существенно более жесткие, чем всоставе стационарных реакторов.

При удельном энерговыделении в материале ТВЭЛ до 33кВт/см3 и плотности теплового потока до 8,5 МВт/м2 при температурах от 600 К до 3300 Кпредусматривается большое число запусков ЯРД (более 10 раз), т.е. циклов нагрева иостывания с соответсвующим изменением градиентов температуры и внутреннихтермических напряжений.В материале ТВЭЛ происходят интенсивные диффузионные течения продуктов радиоактивного распада. К числу диффундирующих продуктов относятся: цезий-137 (137Cs) ,барий-140 (140Ва), церий-141 (141Се) , лантан-140 ( 1 4 0 L a ) , цирконий-95 (95Zr), ниобий-95(95Nb), рутений-106 (106Ru), ксенон-135 (135Хе) и др. Материал ТВЭЛ со специальным уплотненным приповерхностным слоем или покрытием должен удерживать эти продукты, чтобыизбежать выноса радиоактивности в окружающую среду.При этом даже за относительно небольшое (по сравнению с работой стационарныхили транспортных наземных ядерных реакторов) суммарное время работы не более 1…2часов при плотности нейтронного потока до 1016…1018 1/(с·см2) флюенс достигает(3…5)·1018…21 см−2, что приводит к существенным изменениям свойств облученногоматериала, которые должны обеспечить нормальную работу ТВЭЛ на всех этапахжизненного цикла изделия, например, ЯРД в составе космического летательного аппарата(ЛА).Все это необходимо учитывать при проектировании собственно ТВЭЛ, собранных внагревные секции (блоки), входящие в состав основного модуля конструкции реактора ЯРД– тепловыделяющей сборки (ТВС), работоспособность которой во многом определяетДвигательная установка включает в себя собственно ЯРД и систему хранения и подачи рабочего тела, которые, в принципе, могут быть разными в зависимости от заданных времени работы двигателя, циклограммывключения, длительности пауз, что в свою очередь, определяется программой полета летательного аппарата(ЛА)ОглавлениеДорофеев А.А.