СПОСОБ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С ТОПЛИВНО-ЭМИТТЕРНЫМ УЗЛОМ Российский патент 2001 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 

Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке твэлов, в частности электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), термоэмиссионная сборка которых называется электрогенерирующим каналом (ЭГК).

Важнейшим этапом разработки термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) является подтверждение ресурсно-энергетических характеристик электрогенерирующих каналов, образующих активную зону ТРП. ЭГК может состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенную сборку ЭГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания термоэмиссионных электрогенерирующих элементов в реакторе (в составе петлевого канала в исследовательском реакторе или в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [1].

Большинство испытанных в реакторах экспериментальных термоэмиссионных ЭГЭ имели оболочечные эмиттеры, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД), воспринимается эмиттерной оболочкой. В связи с этим для анализа результатов испытаний, поведения материалов, а также факторов, влияющих на ресурсные характеристики ЭГЭ, представляют интерес расчетно-теоретические исследования поведения топливно-эмиттерного узла (ТЭУ). Причем за ресурс работы ЭГЭ будем принимать время до короткого замыкания эмиттера с коллектором, характеризующим прекращение генерации электроэнергии.

ТЭУ представляет собой цилиндрическую эмиттерную оболочку (ЭО) с находящимся внутри нее топливным материалом (ТМ) и системой вывода ГПД. Системы вывода ГПД могут представлять, например, центральный канал в топливном сердечнике с системой сепарации в торцевой крышке ЭГЭ или в виде специального газоотводного устройства (ГОУ), выполненного в виде осесимметричной трубки с капиллярным наконечником (жиклером) [2]. В процессе работы реактора ГПД (Xe, Kr [3] ) выходят из ТМ в систему вывода ГПД и тем самым разгружают ЭО. Особенно актуальна надежная работа системы вывода ГПД в высокотемпературных термоэмиссионных ЭГК, использующих в качестве ТМ высоколетучий диоксид урана.

В процессе работы ЭГЭ происходит переконденсация ТМ, его перераспределение по объему ТЭУ, уплотнение с перестройкой исходной структуры. В результате чего со временем в ТЭУ может образоваться центральная газовая полость. Объем газовой полости равен сумме объемов исходной технологической пористости ТМ и объема исходного зазора между ТМ и ЭО. В зависимости от режима работы ЭГЭ, его конструкции и соотношения геометрических размеров отдельных элементов, характеристик используемых материалов, возможна ситуация когда высоколетучий ТМ в результате переконденсации забивает каналы вывода ГПД. В этот временной период ТЭУ представляет собой герметичную цилиндрическую оболочку, воспринимающую нагрузку создаваемую давлением ГПД. Поэтому ресурс работы (R) термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ можно разбить как бы на два временных периода: первый период (τ₁) характеризуется работоспособной системой вывода ГПД из ТЭУ снимающей нагрузку с ЭО ЭГЭ от ГПД; второй период (τ₂) определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ. Очевидно остаточный ресурс работы ЭГЭ будет максимальным (τ₂ = τm2

^ax), когда величина межэлектродного зазора (МЭЗ) в начале второго периода соответствует исходному значению.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с ТЭУ, включающий его установку в составе ЭГК в реактор, измерение тепловой мощности ЭГЭ при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из ЭГК, описанный в [4]. В петлевом канале ЭС-6-3 испытывались на ресурс ЭГЭ с герметичными ТЭУ, ресурс которых определяется вторым периодом, соответствующим максимальному остаточному ресурсу для вентилируемых ЭГЭ (τ₁ = 0; R = τ₂ = τm2

^ax). Тепловая мощность, выделяемая в ТЭУ, измерялась двумя независимыми способами: методом авторадиографии детекторов, дающим пространственную картину распределения тепловыделения по объему сердечника, и калориметрическим методом с помощью радиационно-термического дивергатора теплового потока. С использованием полученных данных по распределению тепловыделения были рассчитаны распределения температур эмиттеров элементов испытанной сборки [5]. В процессе испытаний ЭГК в ЭС-6-3 ресурс - время до короткого замыкания электродов ЭГЭ - при снижении электрической мощности ЭГК фиксировался изменением вольт-амперных характеристик при постоянной тепловой мощности. Короткое замыкание электродов ЭГЭ фиксировалось практически эквидистантным сдвигом вольт-амперной характеристики. Однако наряду с короткими замыканиями ЭГЭ основной причиной снижения электрической мощности ЭГК при эквидистантном сдвиге вольт-амперных характеристик следует считать увеличение температуры коллектора значительно выше оптимальной величины [4] , что связано с изменениями термического сопротивления многослойного коллекторного пакета. В результате чего достоверность данного способа определения ресурса ЭГЭ по фактору короткого замыкания электродов ЭГЭ фиксированием изменения вольт-амперных характеристик при постояной тепловой мощности существенно снижается.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения максимального остаточного ресурса термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ по фактору короткого замыкания электродов в ЭГЭ.

Указанный технический результат достигается способом ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из электрогенерирующего канала, в качестве электрогенерирующего элемента использован электрогенерирующий элемент с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, и измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента и оценку температуры эмиттера производят в момент скачкообразного падения активности газов, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению

где τm2

^ax - максимальный остаточный ресурс [с];
ε_п - относительный объем газовой полости в топливно-эмиттерном узле электрогенерирующего элемента;
δ_э - отношение толщины эмиттерной оболочки к его диаметру;
q_F- тепловая мощность, поступающая из топлива на эмиттерную оболочку электрогенерирующего элемента [Вт/м²];
T_э - температура эмиттера электрогенерирующего элемента [K];
D - диаметр эмиттера [м];
m - показатель ползучести материала эмиттерной оболочки;
B₁ - коэффициент ползучести материала эмиттерной оболочки [(Па)^-m· c^-1];
d - величина межэлектродного зазора в электрогенерирующем элементе [м];
ΔT - перепад температуры по топливу в топливно-эмиттерном узле [K];
размерность коэффициента 4,14 · 10^-13 [1/град].

Измерение тепловой мощности ЭГЭ и оценку температуры эмиттера можно проводить по методам, изложенным в [6], в частности контроль тепловой мощности с помощью датчиков теплового потока.

На фиг. 1 представлена конструкционная схема реактора. На фиг. 2 представлен общий вид электрогенерирующего элемента (ЭГЭ). На фиг. 3,4,5 представлены типичные конструкционные варианты вентилируемых топливно-эмиттерных узлов (ТЭУ), а на фиг. 6 - график, поясняющий способ.

На фиг. 1 обозначено: 1 - реактор; 2 - активная зона; 3 - электрогенерирующий канал (ЭГК); 4 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 5 - боковой отражатель; 6 - органы системы управления и защиты (СУЗ); 7 - торцевой отражатель; 8 - торцевой отражатель; 9 - трубка для вывода газообразных продуктов деления (ГПД); 10 - датчик активности; 11 - резервуар-отстойник; 12 - датчик активности.

На фиг. 2-5 обозначено: 4 - ЭГЭ; 13 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ); 14 - коллектор ЭГЭ; 15 - коллекторная изоляция; 16-чехловая труба ЭГК; 17 - датчик тепловой мощности выделяемой в ТЭУ; 18 - дистанционатор; 19 - изоляция; 20 - топливный материал (ТМ); 21 - эмиттер; 22 - эмиттерная оболочка (ЭО) ТЭУ; 23 - центральный канал в ТМ; 24 - газопоглощающий фильтрующий материал или лабиринтные экраны; 25 - теплопередающие прокладки из тугоплавкого металла; 26 - трубка газоотводного устройства (ГОУ); 27 - жиклер.

На фиг. 6 обозначено: N_A-характерная кривая изменения активности газообразых продуктов деления (ГПД), выходящих из вентилируемого ТЭУ ЭГЭ; q_F- тепловая мощность, поступающая из ТМ на ЭО ЭГЭ; R - ресурс работы ЭГЭ; τ₁ - первый период работы ЭГЭ с работоспособной системой вентилями ГПД разгружающей ЭО; τm2

^ax - максимальный остаточный ресурс, соответствующий второму периоду работы ЭГЭ с вышедшей из строя системой вентиляции ГПД (как в случае герметичного ТЭУ).

Выражение (1) получено расчетом деформации ЭО ЭГЭ в модели цилиндрической оболочки деформируемой внутренним давлением ГПД, накапливающихся в процессе работы ЭГК. ЭО работает в режиме установившейся ползучести в области упругих напряжений. Предполагается неизменность свойств ползучести материала ЭО на всем протяжении срока службы. Цилиндрические ЭО предполагаются длинными (рассматриваются сечения, удаленные от торцев).

Предполагается, что ТМ работает в условиях сжатия, причем напряжения практически не изменяются по радиусу, так как ТМ вследствие относительно малой прочности при рабочих температурах нагрузки не несет, а передает ее подобно жидкости. Нагрузка воспринимается ЭО, находящейся в условиях растягивающих напряжений.

Для описания деформации ползучести ЭО принята степенная зависимость вида [7]
ζ_II = B₁·σ^m, (2)
где ζ_II = dε/dτ - скорость ползучести материала ЭО во втором периоде;
m - показатель ползучести материала ЭО;
B₁ - коэффициент ползучести материала ЭО;
σ - напряжение в ЭО;
ε - относительное удлинение ЭО ЭГЭ в окружном направлении.

В соответствии с принятыми выше допущениями по соотношению, известному под названием уравнения Далласа [8], определим напряжение в ЭО
σ = P·(D-δ)/(2·δ) = P·(1-δ_э)/(2·δ_э), (3)
где δ - толщина ЭО;
δ_э = δ/D;
P - давление ГПД оказываемое на ЭО ЭГЭ от ГПД накапливающихся в ТЭУ после закупорки газовыводных каналов конденсатом ТМ и определяемое из уравнения Менделеева-Клапейрона.

P = n(τ)·k·T₀, (4)
где n(τ) - концентрация ГПД, накапливающихся в газовых полостях ТЭУ;
T₀ = T_э+ΔT - абсолютная температура газа, соответствующая максимальной температуре в ТЭУ ЭГЭ;
ΔT - перепад температуры по ТМ;
k - постоянная Больцмана.

Зная, что число атомов Xe и Kr на один разделившийся атом U²³⁵ составляет 0,25 [3] и 3·10¹⁰ делений/с примерно соответствует 1 Вт тепловой мощности, выделяемой в ТМ [9], можно получить выражение (4) в виде
P = 4,14·10^-13·q_F·(T_э+ΔT)·τ/(ε_п·D·(1-2δ_э)). (5)
Выражая относительное удлинение ЭО ЭГЭ в окружном направлении (ε) через увеличение радиуса Δr(τ) эмиттера, получим
ε = 2·Δr/(D·(1-δ_э)). (6)
Подставляя в (2) выражение (3) с учетом (5) и (6), после интегрирования (2) по τ, учитывая, что максимальное увеличение радиуса эмиттера до заикания его с коллектором Δr(τ) соответствует величине межэлектродного зазора (d) ЭГЭ, получим выражение (1).

Для определения ΔT - перепада температуры по ТМ в ТЭУ - можно воспользоваться частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [10]

где t(r) - распределение температуры по радиусу полого цилиндра;
R_в - внутренний радиус полого цилиндра;
R_н - наружный радиус полого цилиндра;
Т_н - температура на наружной поверхности полого цилиндра;
q_v - плотность объемного тепловыделения;
λ - теплопроводность материала полого цилиндра.

Откуда перепад температуры по ТМ в ТЭУ ΔT из (7) для r = R_в

В нашем случае:

q_v = 4·q_F/(D·(1-ε_п)·(1-2δ_э)). (10)
Температура наружной поверхности Т_н соответствует температуре эмиттера Т_э ЭГЭ и может быть оценена одним из методов, описанных в [11].

Способ реализуется следующим образом.

ЭГК 3, состоящий из одного ЭГЭ 4 с вентилируемым ТЭУ 13 или представляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ 4 с вентилируемыми ТЭУ 13, с системой регистрации 17 тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 13, помещают в активную зону 2 реактора 1. В процессе работы реактора 1 на номинальной мощности устанавливается стационарный режим работы термоэмиссионного ЭГК 3. С помощью датчиков активности 12 и 10 регистрируют величины активности (N_A) газов (ГПД) на выходе из ЭГК 3 и на выходе из резервуара-отстойника 11 соответственно. Газ (ГПД) выходит из вентилируемых ТЭУ 13 ЭГЭ 4 из ЭГК 3 по трубке 9. Тепловую мощность (q_F), выделяемую в ТЭУ 13, регистрируют датчиком 17. В результате переконденсации ТМ 20 за период времени τ₁, определяемый интенсивностью процессов тепло-массопереноса в ТЭУ 13, происходит забивание каналов вывода ГПД (или центрального канала 23, или газопоглощающего фильтрующего материала, или лабиринтных экранов 24, или трубки ГОУ 26, или жиклера 27) конденсатом ТМ 20 и герметизация ТЭУ 13, что приводит к скачкообразному падению активности N_A газов (ГПД) на выходе из ЭГК 3, регистрируемому датчиком активности 12. В момент падения активности фиксируют с помощью датчика 17 тепловую мощность q_F, поступающую из ТМ 20 на ЭО 22 ЭГЭ 4, и оценивают температуру эмиттера 21 Т_э в ТЭУ 13, например, методом теплового баланса [11]. Затем по выражению (1) определяют максимальный остаточный ресурс ЭГЭ.

В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с ТЭУ для конструкционного варианта ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ, представленным на фиг. 3, где в качестве ТМ используется диоксид урана, а в качестве материала ЭО ЭГЭ используется монокристаллический сплав Mo-3XNb. Коэффициент теплопроводности диоксида урана при расчетах принимаем равным 2,6 Вт/(м.град). Показатель ползучести (m) и коэффициент ползучести (B₁) материала ЭО определяем из экспериментальных зависимостей скорости установившейся ползучести монокристаллического сплава Mo-3% Nb от напряжений по работе [12]. Примем следующие геометрические параметры, характерные для типичного ЭГЭ: ε_п = 0,3; δ_э = 0,1; D = 1,5 · 10^-2 м; d = 3 · 10^-4 м. Положим, что в момент скачкообразного падения активности ГПД, удаляемых из вентилируемых ТЭУ, зафиксировали тепловую мощность q_F, выделяемую в ТЭУ ЭГЭ, равной 9 · 10⁵ Вт/м² и оценили температуру эмиттера Т_э по одному из методов [10] равной 2173 К. При этом из [12] для монокристаллического сплава Mo-3% Nb, при Т_э = 2173 K, имеем m = 3,52 и B₁ = 1,58 · 10^-27 (Па)^-m · c^-1. Для оценки ΔT - перепада температуры по ТМ в ТЭУ - по выражению (8), с учетом (9) и (10), находим ΔT ≈ 500 К. Подставляя полученные значения в выражение (1), определяем максимальный остаточный ресурс ЭГЭ tm2

^ax ≈ 5·10⁵ с.
Таким образом, предложен способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, позволяющий:
1. Провести расчеты конечного инженерного эффекта: выход газообразных продуктов деления из топливного материала и деформацию эмиттерной оболочки топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента в зависимости от параметров эксплуатации. Такая модель имеет упрощения в детализации физических представлений и включает параметры, позволяющие нормировать модель на экспериментальный результат.

2. Решить вопросы прогнозирования ресурса работы электрогенерирующего элемента, являющиеся ключевыми при конструировании термоэмиссионного реактора-преобразователя.

3. Сократить сроки экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и электрогенерирующего канала в целом при дорогостоящих реакторных испытаниях.

ЛИТЕРАТУРА
1. Испытания многоэлементных термоэмиссионных экспериментальных сборок/ В. И. Бержатый, Н.А.Грибоедов, В.П.Грицаенко и др. -Атомная энергия, т. 31, вып. 6, 1971, с. 585-588.

2. Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях /Е.С.Бекмухамбетов, А.С.Карнаухов, В.А.Корнилов и др. /Сб.: РКТ. Сер. ХII//РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2-3: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРД большой мощности. ч.2, с.116.

3. Дегальцев Ю.Г., Пономарев-Степной Н.Н., Кузнецов В.Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. Москва. Энергоатомиздат. 1987, с. 15.

4. Ресурсные испытания термоэмиссионного преобразователя /Е.С.Бекмухамбетов, В. И.Бержатый, В.П.Грицаенко и др. - Атомная энергия, т. 35, вып. 6., 1973, с. 387-390.

5. Некоторые результаты послереакторных исследований шестиэлементной термоэмиссионной сборки, проработавшей 2670 ч. /Г.А.Батырбеков, Е.С.Бекмухамбетов, В. И. Бержатый и др. - Атомная энергия, т. 40, вып. 5, 1976, с. 382-384.

6. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. -Москва. Энергоатомиздат, 1990, с. 39-95.

7. Л.М.Качанов. Теория ползучести. Физматгиз. Москва, 1960, с. 20.

8. В.И.Феодосьев. Сопротивление материалов. Физматгиз. Москва, 1962, с. 294.

9. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. Москва. Атомиздат. 1966, с. 9.

10. [9], с. 504.

11. [6], с.73.

12. Зубарев П. В., Тачкова Н.Г. Повышение жаропрочности монокристаллических тугоплавких металлов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомное материаловедение, выпуск 5(16). Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР. 1982, с. 28.

Использование: в атомной энергетике при создании космических установок для повышения точности определения максимального остаточного ресурса по факту короткого замыкания электродов. Сущность изобретения: в наземном реакторе или в составе термоэмиссионного реактора-преобразователя измеряют тепловую мощность электрогенерирующего элемента и оценивают температуру эмиттера в момент скачкообразного падения активности газов, затем рассчитывают максимальный остаточный ресурс по формуле, в которую входят следующие величины: относительный объем газовой полости в топливно-эмиттерном узле электрогенерирующего элемента, отношение толщины эмиттерной оболочки к его диаметру, тепловая мощность, поступающая из топлива на эмиттерную оболочку электрогенерирующего элемента, температура эмиттера электрогенерирующего элемента, диаметр эмиттера, показатель ползучести материала эмиттерной оболочки. 6 ил.

Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из электрогенерирующего канала, отличающийся тем, что в качестве электрогенерирующего элемента использован электрогенерирующий элемент с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, и измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента и оценку температуры эмиттера производят в момент скачкообразного падения активности газов, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению

где τm2

^ax - максимальный остаточный ресурс, с;
ε_п - относительный объем газовой полости в топливно-эмиттерном узле электрогенерирующего элемента;
δ_э - отношение толщины эмиттерной оболочки к его диаметру;
q_F - тепловая мощность, поступающая из топлива на эмиттерную оболочку электрогенерирующего элемента, Вт/м²;
Т_э - температура эмиттера электрогенерирующего элемента, К;
D - диаметр эмиттера, м;
m - показатель ползучести материала эмиттерной оболочки;
B₁ - коэффициент ползучести материала эмиттерной оболочки, (Па)^-m·с^-1;
d - величина межэлектродного зазора в электрогенерирующем элементе, м;
ΔT - перепад температуры по топливу в топливно-эмиттерном узле, К;
размерность коэффициента 4,14 · 10^-13[1/град].