СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ВЫНОСА ОКСИДНОГО ТОПЛИВА ЧЕРЕЗ СИСТЕМУ ВЕНТИЛЯЦИИ ТОПЛИВНО-ЭМИТТЕРНОГО УЗЛА ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссонному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и реакторной теплофизике и может быть использовано в программе создания энергонапряженных термоэмиссонных электрогенерирующих каналов (ЭГК).

Рассматриваемые ЭГК представляют сборку с последовательной коммутацией цилиндрических электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), при которой расположенные вдоль оси эмтитеры соединены с коллекторами соседних элементов (фиг. 1), а коллекторы изолированы друг от друга. Токосъем осуществляется с эмиттера одного и коллектора другого, крайнего, элемента сборки. В электрогенерирующих элементах происходит термоэмиссионное преобразование тепловой энергии, поступающей к эмиттеру, в электрическую. Термоэмиссионные преобразователи, как показано на фиг.1, являются одновременно и тепловыделяющими элементами, образующими активную зону атомного реактора. Топливно-эмиттерные узлы (ТЭУ) включают цилиндрические сердечники из высокотемпературного ядерного горючего, помещенные в оболочку из конструкционного материала, являющуюся одновременно и эмиттерром.

Одним из факторов, определяющих ресурс ЭГК с оксидным топливом, является вынос топлива через систему вентиляции газообразных продуктов деления топливно-эмиттерного узла с конденсацией топлива на торце соседнего электрогенерирующего элемента с появлением соответствующих утечек тока, снижения мощности и КПД, т.е. возникновением отказа типа "деградация характеристик". Поэтому определение скорости выноса топлива через систему вентиляции ТЭУ, а следовательно и ресурса работы ЭГК по этому процессу, является важнейшей задачей при создании энергонапряженных ЭГК [1]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения скорости выноса из ТЭУ через систему вентиляции, использующий уравнение Пуазейля для течения через газоотводное устройство, выполненное в виде прямой трубы круглого сечения [2] Данный способ заключается в расчете потока топливного материала из твэла через систему вентиляции, выполненную в виде трубки при известных значениях тепловой мощности, температуры эмиттера ТЭУ и давления парогазовой смеси в межэлектродных зазорах. Сложность данного способа заключается в необходимости достаточно знания максимальной температуры в ТЭУ и температуры на поверхности конденсата топлива, вышедшего из ЭГЭ. Поскольку только зная эти температуры можно провести оценку давления пара P топливного материала. В частности, для стехиометричной UO₂ выражение для равновесия между паровой и адсорбированной фазой имеет вид [3]
lg P [мм рт. ст. -32258/T + 12,183
Соотношение (1), верное для стехиометричной UO₂, может давать большую погрешность в определении P и соответственно скорости выноса топлива, при неизвестной стехиометричности топлива, наличии в топливе примесей и тому подобного.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности в определении скорости выноса топлива, поскольку не требуется предварительного определения температуры топлива и результаты не зависят от состояния топлива.

Указанный технический результат достигается предложенным способом определения скорости выноса оксидного топлива через систему вентиляции топливно-эмиттерного узла термоэмиссионного ЭГК, включающий в процессе реакторных испытаний измерение или оценку рабочих значений тепловой мощности и оценку скорости выноса топлива, отличающийся тем, что в процессе реакторных испытаний измеряют зависимости от времени тепловыделения (Q) в топливно-эмиттерном узле и тепловыделения (q) конденсата топлива, вышедшего через систему вентиляции и сконденсировавшегося вне топливно-эмиттерного узла, по этим зависимостям оценивают для момента времени τ_i скорость изменения тепловыделения в ТЭУ dQ/dτ и в конденсате топлива dq/dτ, а скорость выноса топлива m_i через систему вентиляции в момент времени t_i оценивают по выражению

где M₀ начальная масса топлива в топливно-эмиттерном узле;
Q_i тепловыделение в ТЭУ в момент времени τ = τ_i;
q_i тепловыделение конденсата топлива, вышедшего из ТЭУ через систему вентиляции в момент времени τ = τ_i.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы топливно-эмиттерного узла ЭГК и график, поясняющий сущность способа.

На фиг. 1 обозначено: 1-конденсат топлива, вышедшего из ТЭУ; 2-система вентиляции; 3-топливо; 4-эмиттерная оболочка ТЭУ; 5-коллектор ЭГЭ; 6-коллекторная изоляция; 7-чехловая труба ЭГК; 8-датчик тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ; 9-датчик тепловой мощности, выделяемой в конденсате топлива; 10-изоляция.

На фиг.2 обозначено: N_A характерная кривая вывода реактора на мощность; Q кривая изменения тепловой мощности в ТЭУ; q кривая изменения тепловой мощности, выделяемой в конденсате топлива; Q_i тепловыделение в ТЭУ в момент времени τ = τ_i; q_i тепловыделение конденсата топлива, вышедшего из ТЭУ через систему вентиляцию в момент времени τ = τ_i.

Способ реализуется следующим образом. ЭГК, предоставляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ (фиг.1) с системами регистрации (8 и 9) тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ и тепловой мощности, выделенной конденсатом топлива, вышедшего из ТЭУ и сконденсировавшегося в межкатодном пространстве, помещают в ячейку реактора. В процессе вывода реактора на мощность (N_A) и затем в процессе работы реактора, моделирующей этапы работы ЭГК (номинальных, форсированных и др.), регистрируют изменение во времени тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ Q(τ) и тепловой мощности q(τ) в вынесенной через систему вентиляции 2 и сконденсировавшемся топливе 1.

Поясним определение тепловыделения конденсата топлива, измеряемое с помощью элемента 9. При отсутствии конденсата топлива 1 калориметр регистрирует электрический сигнал (термо ЭДС Eγ с цепочки термоэлементов, из которых состоит калориметр 9) пропорциональный тепловыделению qγ = A•Eγ в элементах конструкции коллекторного пакета за счет g нагрева (Qγ) напротив калориметра (9). Здесь A торировочный коэффициент. После появления конденсата топлива 1 калориметр регистрирует сигнал E тепловыделения Σ = qγ+q = A•E.. Откуда тепловыделение в топливе, вышедшем через систему вентиляции ТЭУ сконденсировавшемся в межкатодном пространстве определяется выражением q = Σ - qγ = A•(E-Eγ)..

Практика разработки термоэмиссионных ЭГК показала, что неизбежный вынос топлива из ТЭУ через систему вентиляции при правильном конструировании ЭГК локализуется (конденсируется) в межкатодном пространстве (как показано на фиг. 1). При недостаточно оптимальном конструировании ЭГК возможно часть топлива конденсируется на перемычке у входа в межэлектродный зазор, оставаясь в межкатодном пространстве, что также регистрируется калориметром 9.

Для каждого моделируемого этапа работы ЭГК в интересующий нас момент времени τ_i (фиг. 2) по измеренной зависимости Q(τ) и q(τ) определяют dQ/dτ и dq/dτ, после чего по выражению (2) находим скорость выноса топлива m_i.

Выражение (2) получено следующим образом.

Скорость выноса топлива m(τ) через систему вентиляции ТЭУ определяем из соотношения:
m = ρ•dv/dτ, (3)
где v объем конденсата топлива, вышедшего из ЭГЭ;
ρ плотность топлива.

Тепловыделение конденсата топлива 1 определим из соотношения
q v•q_v, (4)
где q_v Q/V q/v (q+Q)/V₀; (5)
V₀ и V начальный объем топлива в ТЭУ и текущее значение объема топлива в ТЭУ соответственно.

Продифференцируем (4)
dq/dτ = dv/dτ•q_v+v•dq_v/dτ (6)
Подставляя в (6) выражение (5) находим

Подставляя (7) в (3), получаем

Из (5) получаем v q• V₀/(q+Q) (9)
Подставляя (9) в (8) и обозначая начальную массу топлива в ТЭУ через M_o= ρ•V_o, получаем

Откуда, используя выражение (10), для момента времени τ = τ_i получаем выражение (2).

Реализуемость и эффективность предлагаемого способа были проверены при испытаниях ЭГК в исследовательском реакторе. Характерные, полученные при испытаниях, зависимости тепловой мощности реактора N_A, тепловыделения в ТЭУ Q и в конденсате топлива, вышедшего из ТЭУ q, от времени приведены на фиг.2. Полагаем, что для момента времени τ_i тепловыделение в ТЭУ составило Q_i 900 Вт, в конденсате топлива q_i 0,2 Вт, скорость изменения тепловыделения Q в ТЭУ dQ/dτ = -7•10^-8 Вт/с и скорость изменения тепловыделения q в конденсате dq/dτ = -7•10^-8 Вт/с. Зная первоначальную скорость выноса топлива в момент времени τ_i по выражению (2) m_i 2,6•10^-9 г/с.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет:
1) обеспечить непрерывный контроль за скоростью выноса топлива из ТЭУ термоэмиссионного ЭГК в реакторных условиях;
2) моделировать рабочие режимы работы ЭГК для ТЭУ реальной конструкции и технологии изготовления;
3) тем самым повысить точность определения скорости выноса топлива через систему вентиляции ТЭУ.

В свою очередь, повышенная точность определения m_i позволяет оценить предельный ресурс работы ЭГЭ по фактору выноса топлива или дать рекомендации по улучшению конструкции системы вентиляции ТЭУ и режимов эксплуатации с целью повышения ресурса ЭГК.

Литература
1. Дегальцев Ю. Г. Пономарев-Степной Н. Н. Кузнецов В. Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. М. Энергоатомиздат, 1987, с.119.

2. Корнилов В. А. Юдицкий В. Д. Моделирование тепло и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного ТВЭЛа. Атомная энергия, 1982, вып.2.

3. Горбань Ю. А. Павлинов Л. В. Быков В. Н. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т.22, вып.6, с. 465-467.

Использование: термоэмиссионное преобразование энергии. Сущность изобретения: при испытаниях энергогенерирующего канала в реакторе измеряют тепловыделение (Q) в топливно-эмиттерном узле и тепловыделение (g) конденсата топлива, вышедшего через систему вентиляции и сконденсировавшегося вне топливно-эмиттерного узла, в зависимости от времени, определяют по этим зависимостям для интересующего момента времени τ = τ_i скорость dQ/dτ и dq/dτ, а скорость выноса топлива (m) оценивают по выражению

где M₀ - первоначальная масса топлива в топливно-эмиттерном узле. 2 ил.

Способ определения скорости выноса оксидного топлива через систему вентиляции топливно-эмиттерного узла термоэмиссионного электрогенерирующего канала, включающий в процессе реакторных испытаний измерение или оценку рабочих значений тепловой мощности и оценку скорости выноса топлива, отличающийся тем, что в процессе реакторных испытаний измеряют зависимости от времени тепловыделения Q в топливно-эмиттерном узле и тепловыделения q конденсата топлива, вышедшего через систему вентиляции и сконденсировавшегося вне топливно-эмиттерного узла, по этим зависимостям оценивают для момента времени τ_i скорость изменения тепловыделения в топливно-эмиттерном узле dQ/dτ и в конденсате топлива dq/dτ, а скорость выноса топлива m_i, через систему вентиляции в момент времени τ_i оценивают по выражению

где М₀ начальная масса топлива в топливно-эмиттерном узле;
Q_i тепловыделение в топливно-эмиттерном узле в момент времени τ = τ_i;
q_i тепловыделение конденсата топлива, вышедшего из топливно-эмиттерного узла через систему вентиляции в момент времени τ = τ_i.о