Введение к работе
На современном этапе развития энергетики особое место занимают нетрадиционные методы производства электроэнергии, основой которых являются способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
В настоящее время наиболее широко изучены три способа получения электрической энергии непосредственно из тепла без использования машин с движущимися частями: магнитогидродинами-ческий, термоэмиссионный и термоэлектрический. Из них наиболее разработан термоэлектрический метод, в основе которого лежит эффект Зеебека.
По удельным характеристикам для получения электроэнергии мощностью >10Квт термоэлектрический метод наиболее перспективен. Основой этого метода являются полупроводниковые сплавы, из которых изготовляются соответствующие ветви термоэлементов, определяющие коэффициент полезного действия термогенератора в целом.
В качестве источников тепла в подобных системах могут быть использованы: ядерный реактор, радиоактивные нуклиды, тепловые котлы, излучение солнца, тепловые коммуникации металлургического производства и тепловых электростанций, термальные воды и т.д.
Среди источников тепла преимущество ядерных энергетических установок обусловлено их уникальными свойствами, каковыми являются: высокая энергоемкость, автономность, большой ресурс работы, малый вес и габариты в широком диапазоне генерируемой мощности электроэнергии (от нескольких ватт до десятков киловатт). Они незаменимы в специфических условиях (космос, подводное и подземное пространства, об'екты, удаленные от линий электропередач), где применение традиционных источников электроэнергии не представляется возможным.
Одним из хорошо изученных и перспективных материалов для высокотемпературных термоэлектрических установок, являются полупроводниковые сплавы на основе кремния и германия. Они
имеют высокую температуру плавления (950-г1420С), приемлемую ширину запрещенной зоны (0,75+1,1 эв), возможность получения высоких концентраций носителей заряда (>1020см3), "металлический" ход электропроводности (102-Ю,5 102 ом"' см') до относительно высоких температур (<1000С), низкое давление насыщенных паров, хорошие электрофизические и физико-механические свойства, позволяющие создание электрической коммутации термоэлементов металлургическим способом.
Работы, выполненные в Сухумском Физико-Техническом институте им. И.Векуа, в области технологии термоэлектрических материалов по созданию термоэлектрических генераторов, позволили впервые в мире создать термоэлектрический ядерно-энергетический преобразователь "Ромашка". В последствии были созданы радио-нуклидные термогенераторы "Лимон" и "Эфир" для автоматических метеостанций и навигационных радиомаяков, "Бук"- для питания бортовой аппаратуры космических аппаратов и другие, которые нашли применение в области "малой энергетики" как надежные источники электроэнергии в разных сферах науки и техники. Термоэлектрические генераторы, в комбинации с ядерным реактором разрабатываются, обычно, в двух вариантах: выносной и встроенный. В первом варианте, тепловая энергия, полученная в результате ядерной реакции деления, передается термоэлектрическому преобразователю с помощью специального устройства для теплопередачи - жидкометаллического контура (ЖМК), в котором теплоносителями являются шелочные металлы. В этом варианте, между термоэлектрогенератором и ядерным реактором располагается, так называемая, теневая зашита, снижающая мощность дозы реакторного излучения, действующая на материал термоэлемента. Необходимо отметить, что в случае выносного варианта и радио-нуклидного преобразователя, термоэлектрические элементы находятся относительно в слабом поле ядерного излучения. Однако, в случае нарушения герметичности жидкометаллического контура, имеется опасность экологического загрязнения окружающей среды веществами, содержащими, шелочные металлы. Кроме этого, разгерметизация ЖМК может повлечь за собой возникновение аварийной ситуации на
реакторе. Поэтому, для ранней диагностики и предупреждения аварий на ядерно-энергетической установке, необходимо разработать экспресс-методы контроля герметичности жидкометаллического контура и температурного режима.
При встроенном варианте, термоэлектрический преобразователь непосредственно примыкает к источнику тепла реактора. Такая конструкция является более перспективной, с точки зрения технического оформления - уменьшает габариты и вес установки, исключает жидкометаллический контур, повышая при этом, стабильность теплового потока в течение длительного ресурса и, создавая возможность его регулирования в достаточно широком интервале. Кроме того, такое сочетание повышает надежность установки, удлиняет компанию ядерного реактора и приводит к удешевлению выработанной электроэнергии. При этом, необходимо отметить, что, в случае встроенных вариантов, термоэлектрические материялы находятся в более сильных полях ядерного излучения реактора в процессе эксплуатации, где флюенсы нейтронов могут достигать >1020см2. В результате воздействия ядерного излучения, в сплавах могут происходить изменения термоэлектрических параметров и физико-химической природы материяла, снижающие коэффициент полезного действия термобатареи.
Исследование этих изменений и установление их механизмов является важнейшей задачей для выяснения природы радиационных нарушений в термоэлектрическом матеряле и при разработке ядерно-энергетических установок прямого преобразования и прогнозирования их поведения в сильных радиационных полях (условиях максимально приближенных к реальным условиям работы ядерной энергетической установки).
Целью диссертации является:
- Разработка и создание комплекса экспериментальных методов, приборов и устройств техники физического эксперимента для исследования электрофизических, теплофизических, сорбционных и
других свойств материалов, используемых в преобразователях тепловой энергии в электическую - до облучения, в процессе облучения в активной зоне ядерного реактора и после термической оброботки вслед за облучением.
Исследование влияния реакторного излучения и температуры на термоэлектрические свойства сильнолегированных сплавов кремний-германий, используемых в термоэлектрических преобразователях тепловой энергии в электическую в ядерных энергетических установках для обоснования их работоспособности.
Установление основных закономерностей и механизмов деградации термоэлектрических параметров сильнолегированных сплавов кремний-германий, облученных флюенсами нейтронов ~10'9 см2 в интервале температур 1000-^700С и способов устранения деградации свойств этих материалов.
Исследование влияния реакторного излучения на удельное электросопротивление и теплороводность окиси алюминия.
В задачу диссертации входило:
Разработка и создание импульсного генератора нейтронов.
Разработка и создание гравиметрического прибора и методики для исследования сорбиионных свойств материялов к агрессивным парам щелочных металлов.
Исследование возможности использования германида цезия в качестве твердотельного источника паров рабочего тела.
Разработка и создание гибкого сенсора шелочных металлов на основе двухкомпонентной системы высокотемпературная органика-германий.
Разработка и создание макета температурного сенсора на основе додекаборида аллюминия.
- Впервые на реакторе ВВР создан вертикальный переносной петлевой материаловедческий канал и внутриканальные устройства оригинальной конструкции для исследования электрофизических
свойств материялов до облучения и в промессе облучения в активной зоне реактора.
В первые проведено комплексное исследование электрофизических и теплофизических свойств сильнолегированных термоэлектрических сплавов кремний-германий элекронной и дырочной проводимости с различним содержанием поглошаюших нейтроны нуклида бора - В10 в условиях сопряженного воздействия излучения ядерного реактора и температуры.
Установлены основные закономерности и механизмы деградации параметров и рекомендированы способы их устранения. Впервые исследовано влияние реактирного излучения на тепло-электрофизические параметры окиси аллюминия изготовленного плазменным нанесением и холодным прессованием. В первые в бывшем СССР создан импульсный генератор нейтронов с искровым источником ионов дейтерия, используюшии в качестве рабочего вешества твердое соединение гидрида лития. Генератор дает регулируемый поток быстрых нейтронов с энегрией 2,5 мэв и 14 мэв (106н/имп и 109н/имп соответственно) в импульсе длительностью 100+250 мк.сек. при ускоряющем напряжении —110 кв на мишенях из дейтерия и трития.
Разработан метод и создан прибор гравиметрического контроля сорбиии шелочных металлов.
Подтверждено существование бинарного соединения германия с цезнем Cs2Ge - самого богатого цезием германида цезия. Впервые предложен и разработан гибкий сенсор шелочных металлов на основе двухкомпонентной композиции: высокотемпературная органика-активный слой германия.
Разработана методика определения временного распределения и интегрального выхода быстрых нейтронов импульсных источников. Датчик собран на умножителе ФЭУ-24 с пластмассовым с иинтил-лятором (состав: 3% п-терфенила и 0,04% трифенилпирозолина в полистилоре.
Впервые разработан и создан макет температурного сенсора на основе додекаборида алюминия.
Полученные в диссертаиии результаты комплексных исследований имеют большое практическое значение.
Разработаны и созданы петлевые переносные материяловедческие каналы и экспериментальные устройства, удовлетворяющие необ-ходимим методическим требованиям испытания материялов в условиях сопряженного воздействия ядерного излучения и температуры в активной зоне атомного реактора.
Разработан способ повышения термоэлектрической эффективности сплавов кремний-германий дырочной проводимости легированием нуклидом В"(99%) или экранированием кадмием.
Основные результаты диссертации использованны для обоснования работоспособности термоэлектрических электрогенерируюших элементов на основе сплавов кремний-германий для ядерных-энергетических установок "Ромашка", "Орион", "Костер", "Бук", а также в радионуклидных термогенераторах "Лимон", "Эфир" и др.
Созданный малогабаритный импульсный генератор нейтронов используется для исследования радиационных повреждений в материялах ядерных и термоядерных установок, полупроводниковых приборов, а также для исследования короткоживуших изотопов в ядерной физике.
Предложен малогабаритный вариант запаянной нейтронной рубки, применяемой для каротажа нефтяных скважин.
Создан гравиметрический прибор и методика контроля процессов сорбиия-десорбиия в гетерогенных системах активный сорбент (Графит, германий и др.) - пар щелочного металла (цезий, натрий, калий).
Полученное бинарное соединение германид цезия используется в качестве твердотельного источника паров иезия в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии, в электрическую.
Предложена конструкция гибкого сенсора щелочных металлов на основе двухкомпонентной системы высокотемпературная органика-
германий, применяемого для контроля герметичности жидкоме-таллических контуров с шелочним металлом на ядерном реакторе и других установках.
Создан макет сенсора на основе полупроводникового материала додекаборида аллюминия для измерения температуры газообразной и жидкой среды и поверхностей твердых тел в интервале (-100)о(+100)С
Разработана методика определения временного распределения и интегрального выхода быстрых нейтронов в импульсных источниках - на основе датчика с пластмассовым шинтиллятором, нечувствительного к рентгеновскому излучению и электромагнитным наводкам.
Материяловядческий канал, созданный для проведения исследования влияния реакторного излучения на электрофизические свойства материялов в процессе облучения в активной зоне ядерного реактора.
Комплекс экспериментальных устройств, методов и приборов для внутриканального исследования образиов с заданними условиями в смешанных полях радиации и температуры и пострадиационных термических испытаний.
Импульсный, малогабаритный генератор нейтронов с искровым источником ионов дейтерия с рабочим веществом из гидрида лития.
Результаты исследований влияния излучения атомного реактора на электрофизические параметры сильнолегированных термоэлектрических сплавов кремний-германий в диапазоне флюенсов нейтронов 1015-г10|9см-2 и температуры 100+700С.
Основные закономерности и механизмы изменения электрофизических свойств сплавов кремний-германий при реакторном облучении.
Способ повышения радиайиионной стойкости сплава кремний-
германий, легированного бором.
Результаты исследования влияния реакторного излучения на удельное электросопротивление и теплопроводность окиси амониния.
Гравиметрический прибор и методика исследования, позволяющая изучать сорбиионные свойства материялов к парам агрессивных щелочных металлов без контакта атомов сорбата с чувствительным элементом микровесов.
Гибкий сенсор шелочных металлов на основе системы органика-германий для контроля герметичности жидкометаллических контуров ядерных реакторов и других энергетических установок.
Сенсор температуры с чувствительным элементом из полупроводникового материяла додекабориды алюминия.
Резултаты диссертации докладивались: на Всесоюзном совещании по высокотемпературным термоэлектрическим материялам (Москва, 1972г.); на рабочем совещании по радиационной технологии (Обнинск, 1981, 1984г); на всесоюзной конференций по материялам ТЭП (Москва, 1978г.); на всесоюзной конференций по проблемам измерения низких давлений (Ленинград, 1984г.); на заседаний научного совета АН Украины по пролеме "Физика твердого тела" (Киев, 1988г.); на второй международной конференций "Ядерная энергетика в космосе" (Сухуми, 1991г.); на международном симпозиуме по вопросам о разработке проектов и конверсии (Тбилиси, 1995 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 23 статьях и 3-х авторских свидетельствах СССР на изобретение.
Аиссертаиионная работа состоит из введения и четырех глав, заключения и 143 наименования иитированной литературы. Обший обьем 154 страницы, из них 6 таблиц и 64 рисунка.
