СПОСОБ ПЕТЛЕВЫХ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СБОРОК Российский патент 1996 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования энергии и может быть использовано при лабораторных исследованиях ТЭП и стендовых и реакторных испытаниях термоэмиссионных сборок (электрогенерирующих каналов - ЭГК).

Достаточно близкими к изобретению по технической сущности являются методы петлевых реакторных испытаний, описанные в книге Синявского В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов, М. Энергоатомиздат, 1990, с. 6-9. Они включают загрузку испытательного устройства (петлевого канала) с ЭГК в ячейку ядерного реактора, вакуумное обезгаживание ЭГК при подъеме тепловой мощности реактора, подачу пара цезия в межэлектродные зазоры (МЗЗ) ЭГК, ресурсные испытания с анализом энергетических характеристик ЭГК.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является метод испытаний, рассмотренный в книге Синявский В.В. Бержатый В.И. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов, М. Атомиздат, 1981, с.27-28. Он включает герметичное отделение полости ЭГК с цезиевым термостатом от вакуумной системы с помощью клапана, нагрев термостата до температуры, при которой давление пара цезия равно рабочему, измерение температур чехла ЭГК, периодическое вакуумирование межэлектродных зазоров ЭГК путем открытия-закрытия клапана и анализ энергетических характеристик ЭГК.

Однако при таком способе испытаний ЭГК возможен отказ цезиевой системы и, соответственно, прекращение испытаний, при появлении негерметичности клапана и постепенного ухода цезия в вакуумную систему.

Если же в процессе испытаний будет известно о негерметичности клапана, то существуют способы проведения испытаний при негерметичном клапане, например, проведения испытаний при пониженном давлении пара цезия, когда его расход через негерметичность будет относительно небольшим.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является раннее обнаружение негерметичности клапана (или любого другого запорного устройства, отделяющего полость ЭГК источник пара цезия от внешней вакуумной системы), что позволяет оперативно изменять режим испытаний таким образом, чтобы испытания продолжались при отсутствии или допустимом расходе цезия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, включающем герметичное отделение полости термоэмиссионной сборки и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью клапана или другого герметизирующего устройства, измерение температуры чехлов термоэмиссионной сборки, периодическое вакуумирование межэлектродных зазоров термоэмиссионной сборки путем открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства и анализ энергетических характеристик термоэмиссионной сборки, после каждого цикла открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства производят проверку их герметичности путем подачи со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности при кратковременном повышении температуры чехла после подачи газа.

На фиг. 1 представлена схема петлевого канала, поясняющая суть предложенного способа.

Петлевой канал 1 содержит систему теплосброса 2, источник пара цезия 3, обогреваемый клапан 4, обогреваемые тракты 5 подачи пара цезия в ЭГК 6. ЭГК 6 состоит из электрогенерирующих элементов, содержащих топливно-эмиттерный узел 7, коллектор 8, межэлектродный зазор 9 и коммутационную перемычку 10 и общую для всех элементов коллекторную изоляцию 11 и чехол 12, на котором установлены термопары 13.

Способ испытаний реализуется следующим образом.

После загрузки петлевого канала 1 в ячейку ядерного реактора 14 производится вакуумное обезгаживание ЭГК 6 путем подключения ПК 1 через открытый клапан 4 к внешней системе вакуумирования 15 и нагреве ЭГК 6 при подъеме тепловой мощности реактора 14. После завершения обезгаживания клапан 4 закрывают и повышают температуру источника пара цезия 3 до значения, при котором давление пара цезия равно рабочему. При попадании пара цезия из источника 3 через тракт 5 в межэлектродные зазоры 9 ЭГК 6 последний генерирует электроэнергию, которая измеряется на электрической нагрузке 16.

При делении ядер урана в топливе топливно-эмиттерного узла 7 одновременно с тепловыделением образуются осколки деления, в том числе газообразные, которые через газоотводное устройство 17 попадают в межэлектродные зазоры 9. Накопление газообразных продуктов деления (ГПД) в МЭЗ 9 ухудшает энергетические характеристики ЭГК 6. Для удаления ГПД из МЭЗ 9 периодически открывают клапан 4 для подключения полости МЭЗ 9 к системе вакуумирования 15. Для уменьшения потерь цезия предварительно возможно уменьшение рабочего давления пара цезия. После "проветривания" клапан закрывают. Однако процесс открытия-закрытия клапана может сопровождаться потерей его герметичности. Поэтому после каждого цикла открытия-закрытия клапана со стороны вакуумной системы подают нейтральный газ с наибольшей теплопроводностью, т.е. гелий, азот или смесь гелия с азотом или другим газом. Если клапан остался герметичным, то никаких изменений в характеристиках ЭГК не будет зарегистрировано. Если же появилась негерметичность клапана, то теплопроводящий нейтральный газ попадает в МЭЗ 6, теплопроводность межэлектродной среды увеличится, что в свою очередь приведет к кратковременному увеличению теплового потока через МЭЗ 6. Это соответственно вызовет увеличение температуры чехла 12. Увеличенный тепловой поток через МЭЗ 6 и соответственно повышение температуры чехла 12 будут наблюдаться до нового установившегося состояния топливно-эмиттерного узла 7 с новой более низкой температурой эмиттера. На фиг.2 показано качественное изменение во времени температур эмиттера T_E и чехла T_C после подачи нейтрального газа при негерметичном клапане.

После обнаружения негерметичности подачу газа прекращают, производят вакуумирование МЭЗ и продолжают испытания, изменив их режим таким образом, чтобы не допустить полного ухода цезия в вакуумную систему за требуемое время ресурсных испытаний.

Эффективность предложенного способа была проверена экспериментально при петлевых испытаниях многоэлементного ЭГК, когда в процессе испытаний отказало устройство закрытия клапана. В качестве нейтрального газа использовался гелий. Наибольший уровень регистрируемого сигнала (повышения температуры чехла), когда давление гелия было не ниже 100 ГПа, т.е. когда теплопроводндость газа переставала зависеть от давления. Выше атмосферного (примерно 1000 ГПа) поднимать давление газа нецелесообразно по прочностным соображениям.

Раннее обнаружение негерметичности клапана позволяет изменить режим испытаний и продолжить ресурсные испытания ЭГК без боязни полного ухода цезия в вакуумную систему.

Назначение: экспериментальные, включая реакторные, исследования термоэмиссионных преобразователей и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. Сущность изобретения: для раннего обнаружения негереметичности устройства, отделяющего цезиевую систему испытательного устройства от системы вакуумирования, после каждого цикла открытия-закрытия герметизирующего устройства в цезиевую систему со стороны вакуумной системы подают нейтральный газ и при фиксации кратковременного повышения температуры наружного чехла термоэмиссионной сборки регистрируют негерметичность герметизирующего устройства. В качестве нейтрального газа может быть выбран гелий, азот или смеси этих газов с другими. Газ подают при давлении от 130 до 1000 ГПа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, включающий герметичное отделение полости термоэмиссионной сборки и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью клапана или другого герметизирующего устройства, измерение температуры наружного чехла термоэмиссионной сборки, периодическое вакуумирование межэлектродных зазоров термоэмиссионной сборки путем открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства и анализ энергетических характеристик испытываемой термоэмиссионной сборки, отличающийся тем, что после каждого цикла открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства со стороны системы вакуумирования подают нейтральный газ и при фиксации после начала подачи газа кратковременного повышения температуры наружного чехла термоэмиссионной сборки регистрируют негерметичность клапана или другого герметизирующего устройства. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нейтрального газа выбран гелий, азот или смесь этих газов с другими газами. 3. Способ по п. 1 и 2, отличающийся тем, что подачу нейтрального газа осуществляют при давлении 130 1000 ГПа.