СПОСОБ РЕАКТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ Российский патент 1999 года по МПК H01J45/00 

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 сборками (ЭГС).

Важнейшим этапом создания ТРП является отработка ЭГС при петлевых реакторных испытаниях.

Достаточно близким к изобретению является способ петлевых реакторных испытаний, описанный в [1]. Он включает загрузку испытательного устройства, называемого петлевым каналом (ПК), с испытываемой ЭГС в исследовательскую ячейку ядерного реактора (ЯР), вакуумное обезгаживание ЭГС при подъеме тепловой мощности ЯР, подачу пара цезия при рабочем давлении в межэлектродные зазоры (МЭЗ) ЭГС и ресурсные испытания с анализом энергетических характеристик и работоспособности ЭГС.

Однако при этом способе невозможно проведение испытаний при отказах отдельных систем испытательного устройства - ПК.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ реакторных испытаний ЭГС, предложенный в [2]. Он включает герметичное отделение полости термоэмиссионной ЭГС и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью клапана или другого герметизирующего устройства, измерение температуры чехлов термоэмиссионной ЭГС, периодическое вакуумирование МЭЗ ЭГС путем открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства, проверку герметичности после цикла открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства путем подачи со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства при кратковременном повышении температуры после подачи газа.

Предложенный способ позволяет обнаружить негерметичность клапана или другого герметизирующего устройства, после чего 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. Для этого снижают давление пара цезия ниже рабочего, очень часто одновременно требуется и снижение тепловой мощности ЯР и соответственно ЭГС. Таким образом испытания продолжают, если это целесообразно, не в штатных рабочих режимах. Кроме того, вследствие негерметичности происходит уход пара цезия в систему вакуумирования, в результате чего после испытаний требуется достаточно трудоемкая и дорогая очистка системы от сконденсировавшегося цезия.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности продолжения испытаний при негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства при рабочем давлении пара цезия и предотвращение попадания цезия в систему вакуумирования.

Указанный технический результат достигается в способе реакторных испытаний термоэмиссионной сборки, включающем герметичное отделение полости термоэмиссионной ЭГС и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью клапана или другого герметизирующего устройства, измерение температуры чехлов термоэмиссионной ЭГС, периодическое вакуумирование МЭЗ ЭГС путем открытия - закрытия клапана или другого герметизирующего устройства, проверку герметичности после цикла открытия-закрытия клапана или другого герметизирующего устройства путем подачи со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства при кратковременном повышении температуры чехлов после подачи газа, в котором после обнаружения негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства повышают давление пара цезия до рабочего значения, понижают давление нейтрального газа до значения, равного рабочему давлению пара цезия, а испытания продолжают при непрерывной подаче в полость со стороны вакуумной системы нейтрального газа при давлении, равном рабочему давлению пара цезия.

На чертеже приведена схема ПК, поясняющая суть предложенного способа.

ПК 1 содержит систему теплосброса 2, источник пара цезия 3, обогреваемый клапан 4, обогреваемые тракты 5 подачи пара цезия в МЭЗ ЭГС 6. ЭГС 6 состоит из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), содержащих топливно-эмиттерный узел 7, коллектор 8, МЭЗ 9, коммутационную перемычку 10 и общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию 11 и чехол 12, на котором установлены термопары 13.

Способ испытаний реализуется следующим образом.

После загрузки ПК 1 в ячейку ЯР 14 производится вакуумное обезгаживание ЭГС 6 путем подключения ПК 1 через открытый клапан 4 к внешней системе вакуумирования 15 и нагреве ЭГС 6 при постепенном подъеме тепловой мощности ЯР 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 МЭЗ 9 ЭГС 6 генерируется электроэнергия, которая измеряется на электрической нагрузке 16.

При делении ядер урана в топливно-эмиттерном узле 7 одновременно с тепловыделением образуются продукты деления, в том числе газообразные (ГПД), которые через газоотводное устройство 17 попадают в МЭЗ 9. Накопление ГПД в МЭЗ 9 ухудшает энергетические характеристики ЭГС 6. Поэтому для удаления ГПД из МЭЗ периодически открывают клапан 4 для подключения полости МЭЗ 9 к системе вакуумирования 15. Для уменьшения потерь цезия, как правило, предварительно производят уменьшение давления пара цезия в источнике 3. После так называемого "проветривания" клапан 4 закрывают. Однако процесс открытия-закрытия клапана может сопровождаться потерей его герметичности. Поэтому после каждого цикла открытия-закрытия клапана со стороны системы вакуумирования 15 подают нейтральный газ с наибольшим значением коэффициента теплопроводности, т. е. гелий или смесь гелия с азотом или другим газом, при давлении 130-1000 ГПа. Если клапан остался герметичным, то никаких изменений в энергетических характеристиках и температурных полях ЭГС 6 не произойдет. Если же появилась негерметичность клапана 4 (или другого герметизирующего устройства), то теплопроводящий газ попадет в МЭЗ 6, теплопроводность межэлектродной среды увеличится, что в свою очередь приведет к кратковременному увеличению теплового потока от топливно-эмиттерного узла 7 к коллектору 8 с соответствующим увеличением 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 более низкой температурой эмиттера. На фиг. 2 показано качественное изменение во времени температуры эмиттера T_E и чехла T_C после подачи нейтрального газа при негерметичном клапане.

После обнаружения негерметичности клапана для продолжения испытаний в режимах, соответствующих расчетным, температуру источника пара цезия повышают до значения, соответствующего рабочему давлению пара цезия, давление нейтрального газа понижают до значения, равного рабочему давлению пара цезия (обычно не выше 10 ГПа). В результате процессов массопереноса цезия в тракте 5 образуется граница пар цезия - нейтральный газ, причем пар цезия будет ниже границы, а нейтральный газ - выше границы. Образуется система, аналогичная газорегулируемой тепловой трубе с цезием в качестве рабочего тела. В такой системе нейтральный газ не будет попадать в МЭЗ 6 ЭГС5, а пары цезия - в систему вакуумирования 15. Поэтому испытания могут быть продолжены в режимах, полностью соответствующих штатным, т.е. при рабочем давлении пара цезия. Образующиеся в топливно-эмиттерных узлах 7 ГПД потоком пара цезия будут выноситься за границу пар - газ, т.е. в таком режиме работы будет обеспечено непрерывное вакуумирование МЭЗ 6. Одновременно не будет и ухода пара цезия в систему вакуумирования 15.

Таким образом, предложенный способ реакторных испытаний позволяет продолжить испытания в штатных режимах при появлении негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства с одновременным обеспечением непрерывного вакуумирования МЭЗ ЭГС и исключения попадания пара цезия в систему вакуумирования.

1. Синявский В. В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 6-9.

2. Патент RU 2068598 C1 (заявка 94004074/07 от 04.02.94), МКИ 6 H 01 J 45/00. Способ петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. 27.10.96. Бюл. N 30.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с термоэмиссионным реактором-преобразователем с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС). Реакторные испытания ЭГС включают герметичное отделение полости ЭГС и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью герметизирующего устройства (ГУ), измерение температуры чехлов ЭГС, периодическое вакуумирование межэлектродных зазоров ЭГС путем открытия-закрытия ГУ при пониженном, относительно рабочего, давлении пара цезия, проверку герметичности ГУ путем подачи со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности ГУ при кратковременном повышении температуры чехла после подачи газа. После обнаружения негерметичности ГУ повышают давление пара цезия до рабочего значения, понижают давление нейтрального газа до значения, равного рабочему давлению пара цезия, а испытания продолжают при непрерывной подаче в полость со стороны вакуумной системы нейтрального газа при давлении, равном рабочему давлению пара цезия. Техническим результатом является обеспечение возможности продолжения испытаний при негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства. 2 ил.

Способ реакторных испытаний термоэмиссионной сборки, включающий герметичное отделение полости термоэмиссионной электрогенерирующей 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 при пониженном, относительно рабочего, давлении пара цезия, проверку герметичности клапана или другого герметизирующего устройства путем подачи в полость со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства при кратковременном повышении температуры чехла после подачи газа, отличающийся тем, что после обнаружения негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства повышает давление пара цезия до рабочего значения, понижают давление нейтрального газа до значения, равного рабочему давлению пара цезия, а испытания продолжают при непрерывной подаче в полость со стороны вакуумной системы нейтрального газа при давлении, равном рабочему давлению пара цезия.