Микроволновый СВЧ нагрев для спекания топливных таблеток для ядерных реакторов

Микроволновые СВЧ-технологии могут быть востребованы в атомной энергетике при спекании топливных таблеток в СВЧ-нагревателе. Сейчас 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 доказано, что диоксид урана имеет высокие показатели диэлектрической проницаемости и тангенс угла потерь. Это делает его удачным материалом с точки зрения воздействия на него микроволнового СВЧ-поля.

Конструктивные особенности микроволнового СВЧ нагревателя

Микроволновый СВЧ-нагреватель состоит из высокочастотного резонатора с водяным охлаждением, который изготавливается из металлического проводника, например, из меди, и питается от генератора постоянного тока. Выбор конструкции камеры резонатора и высокий уровень передачи микроволновой СВЧ-мощности нагреваемому материалу (до 80 – 90%) определяет экономичность и производительность нагревательной печи.

Нужную температуру нагреваемого материала можно получить, настраивая уровень мощности микроволнового СВЧ-генератора. Разработка технологической линии для промышленного применения требует специальных исследований с целью минимизации энергозатрат на производство единицы топлива.

Технологический процесс микроволнового СВЧ спекания

Ввиду того, что технология спекания продолжительна по времени, чтобы смоделировать процесс теплопередачи необходимо определить эффективный коэффициент отражения мощности от стенок резонатора. На его величину влияет форма, размер и взаимное расположение резонатора и нагреваемого материала.

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

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

Резонаторная камера 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 микроволновых СВЧ резонаторных камер обрабатываемым материалом

Тела, помещенные в резонаторную камеру, могут иметь различный объем, поэтому необходимо оценить зависимость эффективного коэффициента отражения от коэффициента заполнения резонаторной камеры. Расчеты показывают, что в цилиндрической резонаторной камере коэффициент отражения значительно снижается с увеличением коэффициента заполнения, а в сферическом – увеличивается.

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

Нагреваемый образец материала может быть расположен в разных местах относительно оси резонаторной камеры. Для цилиндрического резонатора оптимальным является расположение образца в центральной части, а в случае сферической формы резонатора изменение эффективного коэффициента отражения несущественно и не выходит за пределы погрешности расчетов нагрева.

Коэффициент отражения микроволновой СВЧ резонаторной камеры

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

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

Проблема обеспечения большого перепада температур при микроволновом СВЧ нагреве

При эксплуатации особого внимания требует проблема обеспечения большого перепада температур между нагретым материалом и стенками резонаторной камеры, которые желательно удерживать при температуре меньше 100°С. Применение керамических держателей тигля, на котором размещается образец, поможет избавиться от этой проблемы.

Тигель и держатели должны изготавливаться из тугоплавких сортов керамик, чтобы избежать потерь микроволновой 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 резонаторные камеры имеют более высокий КПД из-за низкого удельного расхода мощности. При этом резонаторы, работающие на рабочих частотах электромагнитных волн 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 в атомной энергетике, подвержены большим изменениям в процессе нагрева. В связи с этим необходимо обеспечить устойчивость работы микроволнового 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 резонаторную камеру нагревателя.

Микроволновый СВЧ нагрев для спекания топливных таблеток для ядерных реакторов