Атомная энергетика Конструкционный расчет Технология проведения вибрационных испытаний ТВС РУ ВВЭР-1000 Анализ опасных и вредных производственных факторов, имеющих место при работе цехов по производству ТВС

Атомная промышленность и атомная энергетика

Разработка и создание системы воздушного охлаждения силовой электроники протонных ускорителей

В настоящее время актуальной и достаточно сложной является задача замены водяного охлаждения силовой электроники на воздушное охлаждение. В результате решения такой задачи повышается ресурс, надежность и экономичность эксплуатации электронной аппаратуры, что особенно важно для систем управления ускорительной техники.

Тепловые трубы (ТТ) – высокоэффективные теплопередающие устройства. Способность ТТ к трансформации тепловых потоков с высокой плотностью в сочетании с изотермичностью, малыми размерами и массой дает возможность использовать их для отвода и транспортировки тепла в различных термостабилизирующих системах, в том числе и в электрорадиоизделиях.

Цель работы – исследование возможности применения низкотемпературных ТТ для воздушного охлаждения водоохлаждаемого модуля тиристорных ключей при работе в пакетно-импульсном режиме, а также разработка, изготовление и натурная эксплуатация опытной партии ТТ при работе кольцевого ускорителя У-70 ГНЦ ИФВЭ. При решении подобных задач предлагались различные виды ТТ с медными, алюминиевыми и стальными корпусами [Дульнев Г.Н., Беляков А.П. Тепловые трубы в электронных системах стабилизации температуры. - М.: Радио и связь, 1985]. Опыт показывает, что для обеспечения высокой теплопередающей способности при минимальных размерах и массе перспективными для практического применения являются ТТ, изготавливаемые на основе алюминиевых профилей с внутренней капиллярной структурой в виде аксиальных канавок. Разнообразные конструкции ТТ с канавочными структурами широко используются для обеспечения заданных тепловых режимов сотовых панелей электронных приборов космических аппаратов [Savage C.J. European Heat Pipes for Space/ 5th IHPC, Tsukuba, Japan, 1984].

Для обеспечения эксплуатационных требований работы тиристорного модуля выполнена разработка и изготовление двух вариантов канавочных ТТ на основе профиля АЦ-КРА7.3-Р2 (одноканального) и профиля ТР50-13 (двухканального). Материалом профилей является алюминиевый сплав АД31 ГОСТ 4784-97.

Основные теплотехнические характеристики разработанных и изготовленных ТТ лежат в пределах:

- термическое сопротивление, К/Вт 0,02 – 0,1;

- плотность подводимого потока, Вт/см2 до 18;

- диапазон рабочих температур, К 80 – 400.

В качестве теплоносителя для ТТ выбран ацетон ГОСТ 2768-84. Теплоноситель заправлялся в ТТ после специальной глубокой очистки для полного удаление остатков воды и других примесей. Особенностью данной работы являлось обеспечение возможности воздушного охлаждения тиристоров Т353-800-32, входящих в состав модуля тиристорных ключей (состоящего из шести последовательно соединенных тиристоров) в условиях пакетно-импульсного нагружения и пространственных ограничений.

Тепловая мощность, выделяемая тиристорами при натурной эксплуатации, должна восприниматься ТТ и рассеиваться в условиях свободной конвекции, обеспечивая температуру стыка «ТТ – тиристор» не более 333 К.

Физическая модель теплового баланса ТТ и тиристора для импульсного режима представлялась следующей системой уравнений:

mTT·CPTT·dTTT/dτ + α∙FTT∙(TTT – TB) = (TT – TTT)/R1-2

mT∙CPT∙dTT/dτ + α·FT·(TT – TB) + (TT – TTT)/R1-2 = Q(τ),

где mTT и mT – масса ТТ и имитатора тиристора соответственно, кг; CPTT и CPT – удельная теплоемкость материала корпуса ТТ и тиристора соответственно, Дж/кг∙К; TTT – обобщенная температура ТТ в зоне теплового контакта с тиристорами, К; TT – обобщенная температура тиристора, К; TB - температура окружающего воздуха, К; α – среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/м2·К; R1-2 – термическое сопротивление стыка «ТТ-тиристор», К/Вт; FTT – площадь поверхности ТТ, омываемая воздухом, м2; FT – площадь поверхности тиристора, омываемая воздухом, м2; Q(τ) – импульсная тепловая мощность, τ, Вт.

Коэффициент теплоотдачи α, использованный в системе уравнений и величины термических сопротивлений RТТ ,RК , RТТ получены расчетно- экспериментальным способом [Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общ. ред. В.А.Григорьева и А.М.Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982].

С целью отработки режимов эксплуатации системы «ТТ-тиристор» была разработана и создана экспериментальная установка, моделирующая эксплуатационные режимы и условия работы тиристоров.

Для формирования эквивалентной рабочей мощности, выделяющейся в пакетно-импульсном режиме работы штатных тиристорных модулей, была применена схема циклического питания имитаторов. Программа импульсного режима подачи мощности реализована на языке QBASIC.

Расчеты были выполнены для интервала времени от 0 до 5000 с. Анализ численного решения показывает, что результаты в значительной степени зависят от величины коэффициента теплоотдачи a при свободной конвекции и термического сопротивления R1-2 между ТТ и тиристором.

Проведенные экспериментальные работы позволили определить границы применимости разработанных конструкций ТТ в условиях свободной и вынужденной конвекции при постоянно включенном состоянии тиристоров, а также установить, что разработанные ТТ обладают многократным запасом по своим термическим характеристикам по отношению к заданным условиям.

Экспериментальная отработка работоспособности ТТ при импульсной подачи тепловой мощности в условиях свободной и вынужденной конвекции показала, что ТТ могут успешно применяться для поддержания необходимого температурного режима работы тиристоров. По результатам работы следует отметить удовлетворительное согласование экспериментальных данных и данных натурной эксплуатации ТТ.

В целом, полученные результаты работы свидетельствуют об адекватности разработанной тепловой модели натурным условиям и позволяют использовать данный подход при проектировании охладителей на основе ТТ для силовой электроники, работающей в пакетно-импульсных режимах.

Проведенные в ГНЦ ИФВЭ сеансы работы сборок тиристорных ключей в комплекте с тепловыми трубами на протяжении более 5000 ч. эксплуатации кольцевого протонного ускорителя У-70 показали стабильный температурный режим не выше 333 К.

 

Стенд прямого контроля электронной аппаратуры при воздействии высокоэнергетических частиц космического пространства

Проблема отказов элементов микроэлектроники, вызванных одиночными частицами спектра космических излучений, становится в последнее время доминирующей проблемой обеспечения надежности аппаратуры космических аппаратов

Характеристики источников ионизирующих излучений космического пространства: внутренний и внешний радиационные пояса Земли (ЕРПЗ), солнечные (СКЛ) и галактические (ГКЛ) космические лучи достаточно хорошо изучены. Низкоэнергетические протоны в составе естественных радиационных поясов Земли обуславливают дозовые радиационные эффекты, которые приводят к параметрическим и функциональным отказам. Ионы и высокоэнергетические протоны в составе космических лучей, как солнечных, так и галактических, и высокоэнергетические протоны ЕРПЗ обуславливают одиночные радиационные эффекты, вызывающие обратимые (сбои) и необратимые (катастрофические) отказы. Анализ отказов показывает, что доля одиночных радиационных эффектов составляет 25-35% от их общего числа. С уменьшением проектных топологических норм электронной компонентной базы до субмикронных и наноуровней чувствительность ЭКБ к одиночным радиационным эффектам увеличивается, следовательно, создание испытательного стенда прямого контроля ЭКБ является крайне важной задачей. За рубежом вся ЭКБ космического назначения в обязательном порядке проходит сертификационные прямые испытания на воздействие отдельных высокоэнергетических частиц (протонов и ионов), вызывающие отказы, в специализированных центрах (в США их более 10, в Европе – более 4).

В нашей стране проблема проведения прямых испытаний электронной компонентной базы на одиночные отказы может эффективно решаться с использованием внешних протонных и тяжелоионных пучков, получаемых на уникальном тяжелоионном ускорительно-накопительном комплексе – ТераВаттный Накопитель (проект ТВН-ИТЭФ). В состав ускорительного комплекса входят:

Внешнее кольцо У-10 для ускорения протонов и ионов до максимальной энергии;

Внутреннее кольцо УК для предварительного ускорения ионов;

Инжектор протонов И-2;

Лазерный инжектор ионов И-3;

Внешние пучки вывода протонов и ионов (БЭЗ – ядерная физика, облучения ЭКБ; корп. 120 физика высоких плотностей энергий, облучение ЭКБ; корп. 103 – протонная радиотерапия).

Введение в эксплуатацию лазерного инжектора ионов И-3 с СО2 лазерами мощностью 10 Дж и 100 Дж обеспечит возможность ускорения широкого спектра ионов. Кроме того, для создания испытательного стенда планируется создать специализированный транспортный канал, обеспечивающий вывод протонов и тяжелых ионов с следующими значениями основных параметров:

Энергия протонов: 10, 15, 20, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 100, 150, 200, 400МэВ;

Плотность потока протонов: 1·104, 5·104, 1·105, 5·105, 1·106, 5·106 p/c/см2 (для всех энергий) и 1·107 p/c/см2 (для энергий 10-100МэВ);

Энергия ионов (режим №1): 12C - 45 МэВ/А, 27Al - 70 МэВ/А, 56Fe - 90 МэВ/А, 120Sn - 120 МэВ/А, 209Bi -150 МэВ/А, 238U -150 МэВ/А;

Энергия ионов (режим №2): 12C – 18 МэВ/А, 27Al - 32 МэВ/А, 56Fe - 23 МэВ/А, 120Sn - 33 МэВ/А, 209Bi - 41 МэВ/А, 238U - 32 МэВ/А;

Плотность потока ионов: 1·102, 5·102, 1·103, 5·103, 1·104ион/c/см2.

Пучки с указанными параметрами будут формироваться путем перевода ускоренных частиц из кольца ускорителя в транспортный канал с помощью системы медленного вывода, обеспечивающей вывод частиц в диапазоне энергий от 25 МэВ/нуклон до 400 МэВ/нуклон и с интенсивностями ~1011частиц/сброс для протонов, и от ~104 до ~106 частиц/сброс для ионов. Энергия протонов менее 25 МэВ достигается за счет применения клинового тормозителя.

В состав транспортного канала входят следующие магнитные элементы, обеспечивающие «оптику» заряженных частиц: Q1, Q2, Q4, Q5 – квадрупольные линзы типа 20К100Б, назначение которых формирование I и II фокусов тракта (или дефокусировка I-го фокуса); Q3 – квадрупольная линза типа МЛ15; М1 и М2 - поворотные магниты типа СП12. Кроме того, транспортный канал будет модифицирован специализированными комплектами диагностического оборудования, необходимого для функционирования стенда:

Аппаратура контроля исходного пучка (АКИП)

Аппаратура манипулирования пучком (АМП)

Аппаратура контроля действующего пучка (АКДП)

Аппаратура манипулирования объектом (АМО)

Аппаратура контроля электрических характеристик (АКЭХ)

Аппаратура смены типа ионов (АСТИ)

Аппаратура контроля вторичных факторов (АКВФ)

Рабочее место оператора (РМО)

Радиационная защита

Оборудование для настройки аппаратуры.

Разрабатываемое методическое обеспечение регламентирует порядок проведения облучений и обеспечивает средства для выбора типа ионов, их энергий, углов падения пучка и интегральных потоков частиц для испытаний ЭКБ и модулей РЭА.

Структура методического обеспечения содержит:

Методику проведения испытаний ЭКБ на стойкость к одиночным радиационным эффектам;

Методику проведения испытаний модулей РЭА на стойкость к одиночным радиационным эффектам;

Методику обработки результатов испытаний ЭКБ и модулей РЭА на стойкость к одиночным радиационным эффектам.

Методика регламентирует и обеспечивает техническими средствами статистическую обработку результатов и аппроксимацию зависимостей от ЛПЭ ионов и энергий протонов сечений ОРЭ следующих типов:

одиночный мягкий сбой – SEU (single event upset);

одиночный тиристорный эффект («защелка») – SEL (single event latchup);

одиночная «транзисторная защелка» ‑ SES (single event snapback);

одиночный «пережог» в мощных МОП и биполярных транзисторах – SEB(single event burnout);

одиночный пробой диэлектрика в мощных МОП транзисторах – SEGR (single event gate rupture);

одиночный пробой диэлектрика в DRAM и FPGA – SEGR;

микродозовый эффект ‑ SHE (single hard errors);

одиночные сбои в конфигурационном ОЗУ ПЛИС.

Методику расчета вероятностей отказов и частот сбоев в ЭКБ и модулях РЭА по результатам их испытаний на стойкость к одиночным радиационным эффектам.

Моделирование эквивалентности радиационных условий в космическом аппарате и при облучении протонными и ионными пучками будет осуществляться с использованием программы COSRAD.

Испытательный стенд прямого контроля стойкости электронной компонентной базы (в части цифровых сверхбольших интегральных схем) к одиночным радиационным эффектам от воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства будет введен в эксплуатацию 2007-2009 гг. в рамках подпрограммы «Развитие электронной компонентной базы» Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база на 2007-2011 годы»

Энергетика представляет собой очень устойчивую и инерционную систему. В этой связи прогнозирование во многом сводится к анализу Неизбежного будущего, то есть к изучению данной системы выводов. Нефть сохранит свое значение ключевого ресурса в кратко- и среднесрочной перспективе.
Создание библиотеки нейтронно-физических констант