СВЧ нагрев для спекания топливных таблеток для ядерных реакторов атомной энергетики

СВЧ-технологии могут быть востребованы в ядерной энергетике при спекании топливных таблеток в СВЧ-нагревателе. На данный момент спекание топливных таблеток на основе диоксида урана для бланкетов ядерных энергетических установок происходит в муфельных печах, представляющих собой громоздкие протяженные многосекционные установки, в которых полный технологический цикл спекания составляет одни сутки при максимальной температуре, превышающей 2000 К.

Экспериментально установлено, что диоксид урана имеет высокие показатели диэлектрической проницаемости и тангенс угла потерь. Это делает его перспективным материалом с точки зрения воздействия на него СВЧ-поля.

Конструктивные особенности СВЧ нагревателя

СВЧ-нагреватель состоит из высокочастотного резонатора, охлаждаемого водой, который изготавливается из проводящего металла, например, из меди, и питается от генератора непрерывного режима работы. Выбор конструкции резонатора и высокий уровень передачи СВЧ-мощности обрабатываемому телу (до 80 – 90%) определяет экономичность и производительность нагревательной установки.

Необходимую температуру нагреваемого тела можно получить, регулируя уровень мощности СВЧ-генератора. Разработка технологической установки для промышленного использования требует специальных исследований с целью минимизации энергозатрат на производство единицы продукции.

Технологический процесс СВЧ спекания

Ввиду того, что процесс спекания длителен по времени, чтобы смоделировать процесс теплопереноса необходимо определить эффективный коэффициент отражения мощности от стенок резонаторной камеры. На его величину влияет форма, размер и взаимное расположение резонатора и нагреваемого тела.

В цилиндрическом резонаторе наибольшие эффективные коэффициенты отражения имеют тела в форме тонкого диска или длинного цилиндра, в сферическом резонаторе наибольшее значение коэффициента достигается при диаметре образца примерно равном его длине.

Близкой к оптимальной является цилиндрическая форма образца с минимальной площадью поверхности и длине, равной диаметру. Обуславливается это тем, что при отклонении формы тела от оптимальной его площадь изменяется значительно сильнее, чем эффективный коэффициент отражения.

Резонатор цилиндрической формы может иметь различную длину и диаметр. Расчеты показывают, что оптимальным отношением длины резонатора к его диаметру при постоянном коэффициенте заполнения является значение 0,5.

Заполнение СВЧ резонаторов обрабатываемым сырьем

Тела, помещенные в резонатор, могут иметь различный объем, поэтому необходимо оценить зависимость эффективного коэффициента отражения от коэффициента заполнения резонатора. Расчеты показывают, что в цилиндрическом резонаторе коэффициент отражения значительно снижается с увеличением коэффициента заполнения, а в сферическом – увеличивается.

Несмотря на то, что рост эффективного коэффициента отражения не слишком высокий, небольшое его увеличение при высоком собственном коэффициенте отражения стенок резонаторной камеры может привести к значительному увеличению предельно допустимой температуры или к снижению требуемой для нагрева СВЧ-мощности.

Нагреваемый образец может быть расположен в разных местах относительно оси резонатора. Для цилиндрической резонаторной камеры оптимальным является расположение образца в центре резонатора, а в случае сферической форма резонатора изменение эффективного коэффициента отражения несущественно и не выходит за пределы погрешности расчетов.

Коэффициент отражения СВЧ резонатора

Собственный коэффициент отражения стенок резонатора может иметь разные значения. В цилиндрическом резонаторе зависимость эффективного коэффициента отражения от собственного коэффициента отражения сильно уступает системе на основе сферического резонатора.

Небольшая разница в значениях эффективного коэффициента отражения приводит к существенному различию значений предельной температуры. Цилиндрической резонатор значительно уступает по своей эффективности сферической форме, но в плане технологии изготовления и эксплуатации является более предпочтительным.

Проблема обеспечения большого перепада температур при СВЧ нагреве

Особого внимания требует проблема обеспечения большого перепада температур между нагретым телом и стенками резонатора, которые желательно удерживать при температуре меньше 100°С. Использование керамических держателей тигля, на котором размещается образец, может решить эту проблему.

Тигель и держатели должны изготавливаться из тугоплавких керамик, чтобы избежать потерь СВЧ-мощности на их нагревание. При этом материал держателей должен обладать малым коэффициентом теплопроводности, иметь небольшое поперечное сечение и достаточно большую длину.

Важным является тот факт, что низкочастотные резонаторы имеют более высокий КПД из-за низкого удельного расхода мощности. При этом резонаторы, работающие на частотах 2450 и 945 МГц могут быть использованы в лабораторных исследованиях благодаря своей компактности и значительно более низкой стоимости, чем резонаторы, работающие на частоте 200 МГц.

Диэлектрические характеристики двуокиси урана, используемого в качестве топлива для ядерных реакторов, подвержены большим изменениям в процессе нагрева. В связи с этим необходимо обеспечить устойчивость работы СВЧ-генератора при нагрузке с переменным волновым сопротивлением. Для этого лучше работать на высших модах резонаторов, что будет полезным и для увеличения веса диоксида урана, одновременно загружаемого в резонатор.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании