Введение к работе
Актуальность темы диссертации и ее практическая значимость связаны с интенсивно проводимыми в нашей стране и за рубежом исследованиями в области термоэмиссионного преобразования энергии. Перспективность ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с термоэмиссиок-ным пребразованием энергии подтверждается результатами работ по программам "Топаз". Требованию обеспечения длительности эксплуатации таких энергоустановок 3-5 и более лет должен соответствовать уровень понимания как технологических проблем, так и физики термоэмиссионного преобразования, включающей взаимодействие поверхности электродов со средой межэлектродного зазора. В этой связи актуальной задачей является изучение процессов, влияющих на стабильность эмиссионных параметров электродов, которая в значительной степени определяет неизменность выходных характеристик ЭГК. В числе таких процессов воздействие активных компонентов остаточных газов (ОГ), испарение вещества электродов и транспорт его через МЭЗ, диффузия и сегрегация примесей, взаимодействие поверхности электродов с цезие-вой средой, возможное влияние газообразных продуктов деления, развитие поверхности и ее перестройка.
Существующая технология ЭГК не позволяет избежать процесс массопереноса вещества эмиттера и он, по-видимому, является доминирующим фактором взаимодействия среды МЭЗ и электродов преобразователей. Поэтому уже на ранней стадии работы ЭГК возможно существенное изменение эмиссионно-адсорбционных свойств электродов. Однако исследования, связанные, в частности, с изучением влияния массопе-ренесенных осадков на эмисионно-адсорбционные свойства коллекторов и взаимодействие их поверхности со средой МЭЗ на момент начала диссертационной работы не проводились. Не выяснена также ресурсная стабильность свойств коллекторов, работающих в условиях массопере-*оса.
Технология эмиттеров ЭГК на основе монокристаллических вольфрамовых покрытий газофазного осаждения (ГФО), обеспечивает достаточно высокие свойства таких электродов с точки зрения эмиссии, [изкой скорости испарения, стабильности эмиттирующей поверхности. іднако эмиссионные и ресурсные свойства эмиттеров в условиях воз-іействия среды МЭЗ также были изучены недостаточно,
Целью диссертационной работы являлось исследование влияния реды межэлектродного зазора и процесса массопереноса вещества с миттера на коллектор на эмиссионно-адсорбционные свойства электро-ов ТЭП и ЭГК а также ресурсной стабильности эмиссионных свойств лектродов в этих условиях. Программа исследовании включала изуче-
- 2 -ниє вопросов, связанных с моделированием процессов взаимодействш электродов с химически активными компонентами ОГ, цезиевой средой ростом на поверхности коллекторов массоперенесенных осадков, иссле дованием изменений эниссионно-адсорбционных свойств поверхности ] ресурсного изменения эмиссионных параметров электродов ЭГК, работающих как в составе прототипов с электронагревом, так и ядерньо энергетических установок, Объектом исследования служили электрод! лабораторных модельных ТЭП и одноэлементных ЭГК, используемых в установках типа "Топаз - 2 ".
Для достижения поставленной цели была создана методика изучения эмиссионных свойств электродов как лабораторных модельных ТЭП, так и натурных ЭГК, в условиях воздействия на их поверхность основных составляющих среды МЭЗ,
Научная новизна работы:
Выявлена физическая сущность воздействия процесса массопе-реноса ка эмиссионно-адсорбционные свойства электродов.
Впервые показано, что эмиссионные свойства коллекторов ЭГ1-существенно меняются уже в процессе термовакуумной подготовки (ТВП) и формируются в результате последующего взаимодействия поверхности с цезиевой средой МЭЗ, что ранее не учитывалось.
показано, что цезий эффективно проникает в приповерхностный слой вольфрамового конденсата, существенно уменьшая адсорбционную способность поверхности коллекторов.
Впервые предложена физическая модель формирования эмиссионных свойств коллекторов термоэмиссионных преобразователей в условиях массопереноса.
Впервые проведено моделирование влияния массопереноса на свойства коллекторных электродов с помощью ионной имплантации (ИИ) электроположительных элементов и напыления пленок вольфрама, подтвердившее основные положения предложенной модели формирования эмиссионно -адсорбционных свойств коллекторов в условиях массопереноса,
Результаты моделирования открыли новое направление модификации поверхности коллекторов с целью создания электродов с низкой энергией адсорбции Cs, что может быть использовано для увеличения эффективности ТЭП.
Предложен способ формирования поверхности коллектора с низкой адсорбционной способностью, в частности, за счет имплантации электроположительных элементов.
Продемонстрировано сильное влияние на эмиссию электродов ЭГК таких химически активных газов, как кислород и монооксид углерода.
- Исследованы ресурсные эмиссионные свойства эмиттерных и
коллекторных электродов ЭГК с длительностью эксплуатации до полуто
ра лет в составе опытных ЯЭУ и до трех лет в составе прототипов с
электронагревом.
Практическая значимость. С помощью созданной методики определены локальные и интегральные эмиссионно-адсорбционные свойства электродов в условиях, характерных для среды МЭЗ натурных ЭГК. Показано , что свойства эмиттерных и коллекторных электродов существенно зависят от процессов в МЭЗ преобразователей во время термова-куумнои подготовки и характера взаимодействия поверхности электродов с цезиевой плазмой. Была выявлена физическая сущность воздействия процесса массопереноса на эмиссионные свойства электродов преобразователей и предложена физическая модель формирования свойств коллекторного электрода в условиях массопереноса, подтвержденная результатами моделирования свойств массоперенесенных осадков с помощью термического напыления тонких вольфрамовых пленок и ионной имплантации в приповерхностную область электродов электроположительных элементов.
Проведенные исследования электродов как лабораторных модельных ТЭП, так и натурных ЭГК, в том числе и после реакторных испытании, использованы при обосновании ресурсоспосОбности одноэлементных ЭГК в составе реактора-преобразователя "Топаз-2".
Результаты проведенного исследования также могут быть использованы при разработке эффективных коллекторов ТЭП, обладающих низкими величинами работы выхода и энергии адсорбции по отношению к цезию, что может позволить повысить эффективность термоэмиссконных преобразователей.
На защиту выносятся следующие положения:
- Методика исследования локальных и интегральных эмиссион
но -адсорбционных свойств образцов электродов ТЭП и ЭГК как в вакуу
ме, так и в среде, характерной для ЮЗ термоэмиссионных преобразо-
зателей.
Результаты изучения влияния химически активных газов на эмиссионные свойства эмиттерных и коллекторных электродов ЭГК.
Результаты исследования воздействия процесса массопереноса га эмиссионно-адсорбционные свойства и элементный состав поверхности и приповерхностного слоя электродов ЭГК.
Физическая модель формирования свойств коллекторов термоэ-шссионных преобразователей в условиях массопереноса.
Результаты моделирования влияния массопереноса вещества імиттера на эмиссионно-адсорбционные свойства коллекторов преобра-
- '1 -зователей путем нанесения тонких пленок вольфрама и имплантаци электроположительных элементов.
- Результаты изучения ресурсных эмиссионных свойств эмиттер ных и коллекторных электродов ЭГК.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы изложен! в 11 статьях и 17 научно-технических отчетах, 2 авторских свиде^ тельствах на изобретения, представлялись на всесоюзных конференция; по термоэмиссионному методу преобразования энергии в г.Обнинске (1979, 1984 гг.), Всесоюзном симпозиуме по физике поверхности твердых тел в г.Киеве (1983г.), межведомственных семинарах по физике, материалам и технологии ЭГК в г.Подольске (1983, 1985, 1986, 1988, 1989 гг.), межведомственном семинаре по физике ТЭП в г.Москве (1988 г.), а также международных конференциях по инженерным проблемам преобразования энергии в г.Кристал-Сити (США, 1989 г.), г.Рено (США, 1990 г.), г.Бостон (США, 1991 г.), по термоэмиссионному преобразованию энергии в г.Эиндховен (Нидерланды, 1989г.) и проблемам ядерной энергетики в космосе в г.Обнинск(1990г.)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 132 страницах, содержит 61 рисунок, 12 таблиц и список литературы из 157 наименований.
