СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ ПРИ ПЕТЛЕВЫХ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 G21D7/04 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с термоэмиссионным реактором преобразователем (ТРП) с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС).

Тепловыделение и соответственно тепловая мощность термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), из которых набран ТРП, являются важнейшими параметрами ЭГС, которые определяют как энергетические, так и ресурсные ее характеристики и их определение является важнейшей задачей при экспериментальной отработки ЭГС и прежде всего при петлевых реакторных испытаниях.

Существует несколько как прямых, так и косвенных методов определения тепловыделения и, следовательно, тепловой мощности ЭГС.

Известен способ определения тепловыделения в топливных сердечниках ЭГС и соответственно тепловой мощности путем создания и предварительных реакторных испытаний специального макета с моделью ЭГС [1]
Однако реализация этого способа требует больших финансовых и материальных затрат на создание и испытания макета.

Известен способ определения тепловыделения и тепловой мощности из сравнения экспериментальных и расчетных вольт-амперных характеристик (ВАХ) испытываемой ЭГС. Он заключается в выводе испытательного реактора на рабочий уровень мощности, подаче в ЭГС пара цезия, съеме статической ВАХ, расчете серии ожидаемых ВАХ для разных уровней тепловой мощности и определения ее из сравнения рассчитанных и экспериментальных ВАХ [2]
Однако этот способ не может быть использован в случае искажения ВАХ, например, токами утечек или при нерасчетных режимах испытаний, например при появлении тепло-и электропроводящих мостиков в межэлектродном зазоре.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения тепловыделения в топливно-эмиттерных узлах термоэмиссионной ЭГС при петлевых испытаниях, предложенный в [3] Он включает вывод исследовательского реактора на рабочий уровень термовакуумного обезгаживания, измерение установившегося значения тока насыщения и оценку тепловыделения и, следовательно, тепловой мощности по полученному выражению.

Однако результаты определения тепловой мощности существенно зависят от известных с большой погрешностью эмиссионных свойств и приведенной степени черноты электродов ЭГС. Кроме того, режим термовакуумного обезгаживания реализуется лишь на начальном этапе испытаний и недопускает повторного определения тепловой мощности на следующих этапах испытаний.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения тепловой мощности и возможность обеспечения определения тепловой мощности в основном цезиевом режиме испытаний.

Указанный технический результат достигается в способе определения тепловой мощности термоэмиссионной ЭГС при реакторных испытаниях, включающем вывод исследовательского реактора на рабочий уровень мощности N, термовакуумного обезгаживания и измерение тока I ЭГС, в котором после окончания режима термовакуумного обезгаживания регистрируют значение вакуума на выходе из ЭГС, производят напуск пара цезия в ЭГС с одновременным измерением вакуума на выходе из ЭГС, после достижения давления пара цезия рабочего значения и фиксации стабилизации вакуума на выходе из ЭГС поднимают тепловую мощность исследовательского реактора с одновременным измерением вакуума на выходе из ЭГС, регистрируют мощность исследовательского реактора N₂ при вакууме на выходе из ЭГС, равном зарегистрированному после окончания термовакуумного обезгаживания, а оценку тепловой мощности ЭГС Q при любой мощности реактора N производят по соотношению
Q m[N/N₂ N₁)][nI(Ф_с + 2kT_е) + W + nI²R + aS(T_е T_с)]
где m коэффициент; n число ЭГЭ в ЭГС; I ток ЭГС; Ф_с работа выхода коллектора; k постоянная Больцмана; W выходная электрическая мощность ЭГС; R электрическое сопротивление коммутационной перемычки; a - коэффициент теплопередачи через пар цезия; S площадь эмиттеров ЭГС; T_е и T_с средние температуры эмиттера и коллектора соответственно.

На чертеже приведена экспериментальная зависимость относительного изменения вакуума (давления откачиваемых из МЭЗ ЭГС газов кривая 1) и изменения мощности реактора (кривая 2) в зависимости от мощности реактора, пропорциональной измеряемому току датчика I_дпз.

Способ реализуется следующим образом.

Изготовленная ЭГС в составе специального испытательного устройства, называемого обычно петлевым каналом (ПК) загружается в ячейку исследовательского ядерного реактора (ЯР), в котором проводятся испытания ЭГС. После подсоединения ЭГС к вакуумной системе начинается термовакуумная подготовка при обезгаживании ЭГС при постепенном ступенчатом подъеме мощности ЯР. Окончательный уровень мощности ЯР выбирается таким, чтобы температура эмиттеров ЭГС по предварительным оценкам была равна или несколько превышала рабочее значение. Регистрируют значение тепловой мощности реактора (или потока нейтронов в испытательной ячейке ЯР). Производят выдержку на этой мощности реактора с измерением вакуума (давления откачиваемых газов) на выходе из ЭГС, обычно стандартными системами (вакууметрами) петлевой установки ЯР. После стабилизации вакуума и регистрации его значения термовакуумная подготовка считается оконченной и начинается напуск пара цезия в межэлектродные зазоры ЭГС путем постепенного плавного или ступенчатого увеличения температуры цезиевого термостата или другого источника пара цезия петлевого канала. Подача пара цезия как рабочего тела термоэмиссионного преобразователя приводит к появлению генерируемого тока и напряжения. Вместе с током возникает электронное охлаждение эмиттера, в результате чего температура эмиттера снижается. Снижение температуры эмиттера и следовательно топлива в сердечнике в свою очередь приводит к уменьшению газовыделения и соответственно улучшению вакуума (уменьшению давления остаточных газов на выходе из ЭГС). Давление пара цезия устанавливается равным рабочему, обычно оптимальному, при котором генерируется максимальная мощность. После стабилизации электрических характеристик и вакуума на выходе из ЭГС производят дальнейший подъем тепловой мощности с одновременной регистрацией вакуума. В результате повышения мощности и следовательно температуры эмиттера и топлива газовыделение из последнего повышается, что приводит к росту давления откачиваемых газов (ухудшению вакуума). При определенном значении мощности вакуум становится равным зарегистрированному до начала подъема давления пара цезия. Зафиксировав это значение мощности по формуле (1) определяют тепловую мощность ЭГС.

Формула (1) получена из следующих соображений.

Выражение для тепловой мощности Q ЭГС в режиме обезгаживания (индекс 1) и в режиме преобразования (индекс 2) при мощности реактора N₁ и N₂ соответственно запишется в виде
Q₁ Q_и1 + Q_к, (2)
Q₂ Q_и2 + Q_к2 + Q_е + Q_с, (3)
где Q_и тепловая мощность, сбрасываемая с эмиттером излучением; Q_к тепловая мощность, переносимая с эмиттером на коллектор через коммутационную перемычку; Q_е тепловая мощность электронного охлаждения эмиттеров; Q_с тепловая мощность, уносимая с эмиттером теплопроводностью через цезиевый пар.

Вычтя (2) из (3), получим
Q₂ Q₁ Q_и2 + Q_к2 + Q_е + Q_с - Q_и1 Q_к1 (4)
Примем, что при мощности реактора N₁ и N₂ газовыделения, а следовательноб и значения давления остаточных газов одинаковы. Это означает, что с небольшой погрешностью и температуры эмиттеров одинаковы. Температуры коллекторов также могут быть приняты примерно одинаковыми. Тогда будут равны и значения тепловых мощностей, сбрасываемых с эмиттеров излучением и теплопроводностью через коммутационную перемычку
Q_и1 Q_и2 и Q_к1 Q_к2(5)
Тогда с учетом (5) из (4) получим
Q₂ Q₁ Q_е + Q_с (6)
Выражения для Q_е и Q_с упрощенно могут быть записаны в виде
Q_е nI(Ф_с + 2kT) + W + nIs²R (7)
Q_с aS(T_е T_с) (8)
где n число ЭГЭ в ЭГС; I ток ЭГС; Ф_с работа выхода коллектора; k постоянная Больцмана; W выходная электрическая мощность ЭГС; R электрическое сопротивление коммутационной перемычки; a коэффициент теплопередачи через пар цезия; S площадь эмиттеров ЭГС; T_е и T_с средние температуры эмиттера и коллектора соответственно.

Тепловая мощность ЭГС практически линейно зависит от мощности реактора
Q bN,(9)
где b искомый коэффициент пропорциональности, который может быть определен как
b (Q₂ Q₁)/(N₂ N₁) (10)
Подставив (7) и (8) в (10), получим искомое значение коэффициента
b [nI(F_м + 2kT) + W + nI²R + aS(T_е - T_с)]/(N₂ N₁), (11)
откуда с учетом (9) с точностью до числовых коэффициентов следует (1).

При выводе (11) не учитывалось увеличение перепада температуры между топливом и эмиттером при увеличении тепловой мощности с Q₁ до Q₂, который зависит от идеальности этого контакта и который может быть учтен с помощью числовых коэффициентов, полученных из детальных расчетов температурных полей топливно-эмиттерных узлов ЭГС при разных условиях контакта топлива с эмиттерной оболочкой. При идеальном контакте поправочный коэффициент m равен 0,92, а с учетом реальной технологии он может быть равен 0,86. Отсюда в формулу (1) введен коэффициент m, равный (0,86 0,92).

Техническая реализуемость и эффективность предложенного способа были проверены экспериментально при реакторных испытаниях многоэлементной сборки. Результаты эксперимента приведены на графике. Коэффициент пропорциональности тепловой мощности ЭГС току датчика, с помощью которого производится измерение мощности реактора, составил 13,5-14,5 кВт/мкА. Полученное значение хорошо согласуется со значениями тепловой мощности, полученными в этих же испытаниях другими способами.

Назначение: изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую. Сущность изобретения: после окончания режима термовакуумного обезгаживания регистрируют значение давления остаточных газов P на выходе из электрогенерирующей сборки ЭГС, производят напуск пара цезия в ЭГС с одновременным измерением P, после достижения давления пара цезия рабочего значения и фиксации стабилизации P поднимают тепловую мощность Q исследовательского реактора с одновременным измерением давления P, регистрируют Q при P, равном зарегистрированному после окончания термовакуумного обезгаживания, а оценку тепловой мощности электрогенерирующей сборки производят по предложенному соотношению. 1 ил.

Способ определения тепловой мощности термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при реакторных испытаниях, включающий вывод исследовательского реактора на рабочий уровень термовакуумного обезглаживания и измерение тока электрогенерирующей сборки, отличающийся тем, что после окончания режима термовакуумного обезглаживания регистрируют значение давления остаточных газов на выходе из электрогенерирующей сборки, производят напуск пара цезия в электрогенерирующую сборку с одновременным измерением давления остаточных газов на выходе из сборки, после достижения давления пара цезия рабочего значения и фиксации стабилизации давления остаточных газов на выходе из электрогенерирующей сборки поднимают тепловую мощность исследовательского реактора с одновременным измерением давления остаточных газов на выходе из электрогенерирующей сборки, регистрируют мощность исследовательского реактора при давлении остаточных газов на выходе из электрогенерирующей сборки, равном зарегистрированному после окончания термовакуумного обезглаживания, а оценку тепловой мощности Q (Вт) электрогенерирующей сборки при мощности N (МВт) реактора производят по соотношению

где m (0,86 0,92) коэффициент;
N₁ и N₂ мощность реактора в режиме термовакуумного обезгаживания и при давлении остаточных газов, равном зарегистрированному, МВт;
n число ЭГЭ в ЭГС;
I ток ЭГС, А;
φ_c- работа выхода коллектора, эВ;
k постоянная Больцмана;
W выходная электрическая мощность ЭГС, Вт;
R электрическое сопротивление коммутационной перемычки, Ом;
a коэффициент теплопередачи через пар цезия, Вт/(см•К);
S площадь эмиттеров ЭГС, см²;
T_e и T_c средние температуры эмиттера и коллектора соответственно, К.