СПОСОБ ПЕТЛЕВЫХ 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 термоэмиссионного реактора - преобразователя (ТРП) с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими 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, в том числе при разгерметизации цезий-вакуумного тракта 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. 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.

Однако этот способ не позволяет обнаружить и соответственно продолжить испытания при другом типе отказа вспомогательной системы ПК, а именно: разгерметизации цезий-вакуумного тракта. Такая разгерметизация чаще всего наблюдается в районе переходника одного металла на другой, например ниобиевого чехла ЭГС и цезиевого тракта из нержавеющей стали. Разгерметизация также возможна в районе гермовывода токовывода из внутренней полости цезиевого тракта в наружную страховочную полость ПК. При появлении негерметичности тракта цезиевый пар попадает в страховочную полость ПК, где конденсируется. В результате возможен отказ типа "обрыв цепи" из-за потери всего цезия в результате его ухода в страховочную полость. Возможен также отказ типа "короткое замыкание" в результате конденсации пленки цезия на изолирующих деталях токовыводов в страховочной полости. В итоге испытания приходится прекращать при работоспособной ЭГС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности продолжения испытаний при появлении негерметичности цезия-вакуумного тракта и предотвращение попадания цезия в страховочную полость ПК.

Указанный технический результат достигается в способе петлевых реакторных испытаний термоэмиссионной сборки, включающем вакуумирование ЭГС и подачу пара цезия из источника пара в МЭЗ ЭГС через размещенный в вакуумной страховочной полости ПК и обогреваемый цезий-вакуумный тракт, периодическую проверку герметичности путем подачи нейтрального газа при давлении, выше рабочего давления пара цезия, и регистрации негерметичности при кратковременном повышении температуры чехлов термоэмиссионной ЭГС после подачи нейтрального газа, отличающемся тем, что для проверки негерметичности нейтральный газ подают в страховочную полость ПК, при обнаружении негерметичности тракта испытания продолжают при непрерывной подаче в страховочную полость ПК нейтрального газа при давлении равном или большем рабочего давления пара цезия.

На чертеже приведена схема ПК, поясняющая суть предложенного способа.

ПК 1 содержит систему теплосброса 2, источник пара цезия 3, размещенные в страховочной вакуумируемой полости 4 обогреваемые тракты 5 подачи пара цезия в ЭГС 6. ЭГС 6 состоит из последовательно-соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), содержащих топливоэмиттерный узел 7, коллектор 8, МЭЗ 9, коммутационную перемычку 10 и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию 11 и наружный корпус (чехол) 12, на котором установлены термопары 13. В состав ПК входят также устройство 14, предотвращающее выход пара цезия в вакуумные систему, например, в виде обогреваемого клапана (как это показано на чертеже) или охлаждаемого конденсатора пара, узел 15 подсоединения тракта к внешней системе вакуумирования МЭЗ ЭГС, узел 16 подсоединения страховочной полости 4 к системе вакуумирования страховочной полости или заполнения ее нейтральным газом.

Способ испытания реализуется следующим образом.

После загрузки ПК 1 в ячейку ЯР 17 производится вакуумное обезгаживание ЭГС 6 путем подключения ПК 1 через устройство 14 для предотвращения выноса цезия через узел 15 к внешней системе вакуумирования и нагрева ЭГС 6 при постепенном подъеме тепловой мощности ЯР 17. При этом страховочная полость 4 вакуумируется через узел 16 подсоединения к вакуумной системе. После завершения обезгаживания повышают температуру источника пара цезия 3 до значения, при котором давление пара цезия равно рабочему. При попадании пара цезия из источника 3 через обогреваемый выше температуры источника пара цезия тракт 5 в МЭЗ 9 ЭГС генерируется электроэнергия, которая измеряется на электрической нагрузке 18. В таком режиме проводятся ресурсные испытания с анализом энергетических характеристик и работоспособности испытываемой ЭГС.

Во время ресурсных испытаний проводятся периодические остановы ЯР 17, которые могут быть как плановые, так и в результате сбросов стержней аварийной защиты ЯР 17. В результате возможно появление негерметичности тракта 5, обычно в местах соединения неоднородных материалов или герметичных электроизолированных выводов. Появление негерметичности может привести к отказу типа "обрыв цепи" из-за потери всего цезия в результате его ухода в страховочную полость. Возможен также отказ типа "короткое замыкание" в результате конденсации пленки цезия на изолирующих деталях токовыводов в страховочной полости. В итоге испытания прекращают при работоспособной ЭГС.

Поэтому периодически в страховочную полость 4 через узел 16 подают нейтральный высокотеплопроводный газ, например гелий или смесь гелия с азотом или другим газом, при давлении выше рабочего давления пара цезия, желательно при 130-1000 ГПа, когда коэффициент теплопроводности не зависит от давления. Если цезиевый тракт 5 остался герметичным, то никаких изменений в энергетических характеристиках и температурных полях ЭГС 6 не произойдет. Если же появилась негерметичность тракта 5, то теплопроводящий газ попадает в МЭЗ 6, теплопроводность межэлектродной среды увеличиться, что в свою очередь приведет к кратковременному увеличению теплового потока от топливно-эмиттерного узла 7 к коллектору 8 с соответствующим увеличением температуры чехла (корпуса) 12. Увеличенный тепловой поток через МЭЗ 6 и соответственно повышение температуры чехла 12 будут наблюдаться до нового установившегося температурного состояния топливно-эмиттерного узла 7 с более низкой температурой эмиттера. На фиг. 2 показано качественное изменение во времени температуры эмиттера T_Е и чехла T_C после подачи нейтрального газа при негерметичном тракте.

При обнаружении негерметичности тракта 5 для продолжения испытаний в режимах, соответствующих расчетным, температуру источника пара цезия 3 устанавливают соответствующей рабочему давлению пара цезия, давление нейтрального газа, подаваемого в страховочную полость 4, понижают до значения, равного рабочему давлению пара цезия (обычно не выше 10 ГПа) или чуть выше (на 5 - 15%), производят непрерывное вакуумирование тракта 5 через открытый клапан (или устройство конденсации) 14 и узел 15 подсоединения к вакуумной системе. В результате процессов массопереноса цезия в тракте 5 ниже места расположения негерметичности 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 9 ЭГС, а пары цезия - в систему вакуумирования 15. Проходящий через негерметичность нейтральный газ будет через устройство 14 и узел 15 непрерывно откачиваться в вакуумную систему. Поэтому испытания могут быть продолжены в режимах, полностью соответствующих штатным, т.е. при рабочем давлении пара цезия. Образующиеся в топливо - эмиттерных узлах 7 ГПД потоком пара цезия будут выносится за границу пар - газ, т.е. в таком режиме работы будет обеспечено непрерывное вакуумирование МЭЗ 9. 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 цезиевого тракта с одновременным обеспечением непрерывного вакуумирования МЭЗ ЭГС и исключения попадания пара цезия в страховочную полость петлевого канала.

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

2. RU 2068598 C1 H 01, J 45/00, 27.10.96.

Использование: при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками. Реакторные испытания электрогенерирующих сборок включают вакуумирование термоэмиссионной сборки, подачу пара цезия из источника пара в межэлектродные зазоры термоэмиссионной сборки через размещенные в вакуумной страховочной полости петлевого канала обогреваемый цезий-вакуумный тракт. Периодическую проверку герметичности осуществляют путем подачи нейтрального газа при давлении выше рабочего давления пара цезия. После подачи нейтрального газа осуществляют регистрацию негерметичности при кратковременном повышении температуры наружного корпуса термоэмиссионной сборки, для чего нейтральный газ подают в страховочную полость петлевого канала. При обнаружении негерметичности цезий-вакуумного тракта испытания продолжают при непрерывной подаче в страховочную полость нейтрального газа при давлении, равном или больше рабочего давления пара цезия. Технический результат заключается в возможности проведения испытаний при разгерметизации цезий-вакуумного тракта петлевого канала. 2 ил.

Способ петлевых реакторных испытаний термоэмиссионой сборки, включающий вакуумирование термоэмиссионной сборки, подачу пара цезия из источника пара в межэлектродные зазоры термоэмиссионной сборки через размещенный в вакуумной страховочной полости петлевого канала обогреваемый цезий-вакуумный тракт, периодическую проверку герметичности путем подачи нейтрального газа при давлении выше рабочего давления пара цезия и регистрации негерметичности при кратковременном повышении температуры наружного корпуса термоэмиссионной сборки после подачи нейтрального газа, отличающийся тем, что для проверки негерметичности нейтральный газ подают в страховочную полость петлевого канала, при обнаружении негерметичности цезий-вакуумного тракта испытания продолжают при непрерывной подаче в страховочную полость петлевого канала нейтрального газа при давлении равном или большем рабочего давления пара цезия.