СПОСОБ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С СИСТЕМОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЕГО ТОПЛИВНО-ЭМИТТЕРНОГО УЗЛА Российский патент 2004 года по МПК G21C3/40 G21D7/04 

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 ЭГК, образующих активную зону ТРП. ЭГК может состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенную электрогенерирующую сборку 5ЕГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания ЭГЭ в реакторе (в составе петлевого канала (ПК) в исследовательском реакторе иди в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [1]. Экспериментальная отработка твэлов в наземных реакторах связана с большими экономическими затратами и чем длительнее планируемый эксперимент, тем выше затраты.

Большинство испытанных в реакторах экспериментальных ЭГЭ имели оболочечные термоэмиссионные твэлы, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД). воспринимается эмиттерной оболочкой. Причем качественным решением позволяющим снизить давление на оболочку твэла от ГПД является организованный вывод ГПД через систему вентиляции, что позволяет существенно поднять ресурс твэла. Особенно работоспособная система вентиляции важна при разработке термоэмиссионных твэлов, у которых оболочка твэла работает при высоких температурах (~2000 К и более [1]) и не может длительно выдерживать высокие давления от выделяющихся в процессе деления ядерного горючего ГПД, что приводит к короткому замыканию эмиттера с коллектором и прекращению генерации электроэнергии. Поэтому для высокотемпературных термоэмиссионных твэлов ресурс работы ЭГЭ будет во многом определяться надежным выводом ГПД, т.е. работоспособностью системы вентиляции.

Для оперативного анализа реакторных испытаний, при ресурсной отработке термоэмиссионных ЭГЭ, представляет интерес использование инженерных методик, отражающих расчетно-теоретические исследования поведения горючего в топливно-эмиттерном узле (ТЭУ).

Рассматриваем высокотемпературный ТЭУ (с температурой эмиттера ~2000 К и выше), состоящий из цилиндрической эмиттерной оболочки, с находящимся внутри нее высоколетучим ядерным горючим (типа диоксида урана), и системой вентиляции ГПД. Система вентиляции выполнена в виде осесимметричной центральной трубки из тугоплавкого металла (например сплавов на основе W иди Мо), пронизывающей топливный сердечник [2]. С целью снижения выхода из ТЭУ паров горючего, выходящих вместе с ГПД, конец трубки в горячей зоне ТЭУ выполнен в виде капиллярного наконечника. Для рассматриваемых высокотемпературных термоэмиссионных твэлов в топливном сердечнике происходят интенсивные процессы тепло- и массопереноса (десятки часов [3]), приводящие к перестройке исходной структуры ядерного горючего и образованию центральной газовой полости с изотермической поверхностью, куда стекаются газообразные продукты деления. Особенно интенсивные процессы массопереноса горючего наблюдаются для высоколетучих топливных материалов (ТМ), типа диоксида урана. Работоспособность системы вентиляции будет определяться возможностью беспрепятственного удаления ГПД за пределы ТЭУ и зависит от относительного геометрического положения поверхности центральной газовой полости и трубки с капиллярным наконечником. Очевидно, для беспрепятственного выхода ГПД из центральной газовой полости часть трубки с капиллярным наконечником должна находиться в зоне газовой полости, что является необходимым условием работоспособности системы вентиляции ТЭУ.

Известны способы ресурсных испытаний термоэмиссионных ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ при разработке реактора-термоэмиссионного преобразователя космического назначения "ТОПАЗ-2" [4]. Испытывались одноэлементные ЭГК с вентиляционным каналом в топливном сердечнике и оптимизированной структурой топливного материала (ТМ). Основной особенностью ресурсных испытаний данных ЭГК являлось то, что испытания проводились при относительно "низкой" максимальной температуре эмиттерной оболочки (~1600 К и менее), в результате чего наблюдался незначительный осевой массоперенос ТМ в вентиляционном канале и очень медленное зарастание его конденсатом ТМ не явилось основным фактором определяющим запланированный ресурс работы данных ЭГК. Более значительный вклад в ресурсные характеристики этих ЭГК, в данном температурном интервале, дает деформация эмиттерной оболочки от распухания "захоложенного" горючего в районе поясов дистанционаторов и, по-видимому, этот фактор будет определяющим в прогнозируемом ресурсе.

Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что он не охватывают высокотемпературный диапазон (с температурой эмиттерной оболочки более 1600 К), где с возрастанием температуры резко активизируются процессы перестройки структуры горючего в результате массопереноса. Особенно это касается высоколетучих топливных материалов, например, диоксида урана, в результате чего вклад в ресурсную составляющую таких факторов как исходная структура ТМ, нагрузки на эмиттерную оболочку от распухающего ТМ будут снижаться и резко увеличиваться процессы осевого массопереноса ТМ, приводящего к зарастанию вентиляционного канала, выходу его из строя, а значит и нарушению работоспособности ЭГЭ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции ТЭУ, включающий его установку в составе ЭГК в реактор, измерение тепловой мощности ЭГЭ при неизменной тепловой мощности реактора и оценку температуры эмиттера, изложенный в [5]. Суть способа заключается в том, что в процессе эксперимента измеряют тепловую мощность ЭГЭ и оценивают температуру эмиттера в момент скачкообразного падения активности ГПД, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного ЭГЭ по предлагаемому выражению, куда входят, кроме перечисленных выше параметров, геометрические характеристики ТЭУ и теплофизические характеристики материалов эмиттерной оболочки и ТМ. Ресурс работы термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ разбивают как бы на два временных интервала: первый интервал (τ₁) характеризуется работоспособной системой вентиляции ГПД из ТЭУ, снимающей нагрузку с эмиттерной оболочки ЭГЭ от ГПД; второй интервал (τ₂) определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ, когда оболочка твэла воспринимает давление от распухающего ТМ и от ГПД накапливающихся в центральном канале ТЭУ. Причем в данном способе определяют максимальный остаточный ресурс работы ЭГЭ (τ₂ = τmax2

), когда величина межэлектродного зазора (МЭЗ) в начале второго интервала соответствует исходному значению.

Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что в начале испытаний не анализируется необходимое условие работоспособности системы вентиляции ТЭУ, тем самым необоснованно продлеваются сроки дорогостоящих реакторных испытаний ЭГК.

Задачей является сокращение сроков экспериментальной отработки в реакторе термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции ТЭУ.

Задача достигается тем, что в способе ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности эдектрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера те, сразу после вывода реактора на постоянный уровень тепловой мощности дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т₂ в месте соединения ее с системой вентиляции, определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узде Т₀, а работоспособность системы вентиляции определяют по соотношению

где π₄ = (λ_э/λ_г)((T₀-T₂)/(T₀-T_E))(r2T

/(L_c•l_т));
ε - относительное содержание горючего;
λ_э- эквивалентная теплопроводность трубки, Вт/(м•град);
λ_г - теплопроводность горючего, Вт/(м•град);
r_т, l_т - радиус и длина трубки системы вентиляции, м;
L_c - длина топливного сердечника, м;
Т₀, [К]; Т₂, [К]; Т_Е, [К].

На фиг. 1 представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции топливно-эмиттерного узла. На фиг.2 представлена конструкционная схема реактора с петлевым каналом. На фиг.3 представлены графики, поясняющие суть способа.

На фиг. 1 обозначено: 1 - термоэмиссионный электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 2 - эмиттер ЭГЭ; 3 - коллектор ЭГЭ; 4 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ); 5 - ядерное горючее; 6 - система вентиляции ТЭУ; 7 - дистанционатор ЭГЭ; 8 - торцевая оболочка ТЭУ; 9 - коммутационная перемычка; 10 - датчик температуры; 11 - трубка; 12 - поверхность центральной газовой полости; 13 - капиллярный наконечник; 14 - датчик тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ; 15 - коллекторная изоляция; 16 - чехловая трубка ЭГК; 17 - изоляция.

На фиг.2 обозначено: 18 - резервуар-отстойник ГПД; 19 - ядерный реактор; 20 - отражатель с органами системы управления и защиты; 21 - активная зона; 22 - петлевой канал (ПК); 23 - электрогенерирующий канал (ЭГК).

На фиг. 3 изображена зависимость коэффициента относительного покрытия внешней поверхности трубки конденсатом ядерного горючего от коэффициента π₄.
Способ реализуется следующим образом. Термоэмиссионный ЭГЭ 1 с системой вентиляции 6 топливно-эмиттерного узла 4 в составе электрогенерирующего канала 23 помещают в петлевой канал 22, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком 14 тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 4, датчиком температуры 10, расположенном в месте соединения оболочки 8 с трубкой 11 системы вентиляции 6). ПК 22 с ЭГК 23 помещают в ячейку активной зоны 21 ядерного реактора 19. Реактор 19 выводят на планируемую тепловую мощность, фиксируя тепловую мощность ЭГЭ 1 с помощью датчика 14 по методу, изложенному в [6] , в частности с помощью датчиков теплового потока. В процессе работы реактора 19, при выводе его на планируемую тепловую мощность, в ТЭУ 4 происходит деление ядерного горючего 5 с образованием газообразных продуктов деления, выходящих через систему вентиляции 6 за пределы ТЭУ 4 и затем реактора 19 в резервуар-отстойник 18. Тепло, выделяющееся при реакции деления горючего 5, разогревает эмиттер 2, вызывая таки образом эмиссию электронов с эмиттера 2 и конденсацию их на коллектор 3. При этом одновременно с ростом тепловой мощности реактора 19 возрастает температура топливного сердечника с максимумом в центральной зоне ТЭУ 14. Это обстоятельство приводит к интенсивной переконденсации ядерного горючего 5 (особенно это касается топливных материалов с высокой упругостью пара и низкой теплопроводностью, например диоксида урана) с перестройкой его структуры и образованием центральной газовой полости с изотермической поверхностью 12. Присутствие системы вентиляции 6 в ТЭУ 4 приводит к тому, что часть тепла из центральной части ТЭУ 4 отводится к периферии на оболочку 8 по трубке 11, выполненной из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности чем горючее 5, вызывая процесс трансформации изотермической поверхности 12 центральной газовой полости. Сразу после вывода реактора 19 на планируемый уровень мощности проводим измерение температуры торцевой оболочки 8 ТЭУ 4 в месте соединения ее с трубкой 11 системы вентиляции 6 с помощью датчика 10 (эти измерения можно проводить, например, по методам, изложенным в [6]). Проводим оценку температуры эмиттера 2, например, одним из методов, описанных в [6]. Зная тепловыделение в ТЭУ 4 и температуру эмиттера 2, определяем максимальную температуру в ТЭУ 4, например воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [7]. Зная геометрические характеристики системы вентиляции 6 и ТЭУ 4, физические характеристики используемого горючего 5, а также относительное содержание горючего 5 в ТЭУ 4, определяем необходимое условие работоспособности системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ 1 по соотношению (1).

Приведем вывод соотношения (1). Характеристикой работоспособности системы вентиляции ТЭУ примем параметр K_s=l_s/l_т - относительное покрытие внешней поверхности трубки конденсатом ядерного горючего, где l_s - длина конденсата на внешней поверхности трубки, l_т - длина трубки. Очевидно, что необходимым условием работоспособности системы вентиляции ТЭУ является соотношение К_s<1. Установим систему критериальных отношений, выражающих основные количественные закономерности изменения параметра K_s, обработав результаты численных расчетов температурного поля гетерогенного топливного сердечника ТЭУ с учетом переконденсации горючего в форме обобщенных безразмерных параметров.

Рассматривается смешанная краевая задача для уравнения
div(λ gradT)=-q, (2)
где на внешней границе известна функция распределения температуры по эмиттерной оболочке электрогенерирующего элемента, на поверхности центральной газовой полости в конечном состоянии используется условие изотермичности (в уравнении λ, Т, q - коэффициент теплопроводности, температура, плотность тепловыделения, зависящие от координат, соответственно).

Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного ЭГЭ, используемый для вывода соотношения (1), рассмотрен в работе [2]. По результатам численного расчета строятся зависимости параметра Ks от ε и безразмерного комплекса π₄, состоящего из параметров, определяющих относительную длину конденсата топливного материала на трубке:
π₄ = (λ_э/λ_г)((T₀-T₂)/(T₀-T_E))(r2T

/(L_c•l_T)), (3)
где λ_э = λ_T(1-r22/r2T); λ_T - теплопроводность материала трубки; r₂, r_т - внутренний и внешний радиусы трубки, соответственно. Безразмерный комплекс π₄ имеет физический смысл утечки тепла через систему вентиляции ТЭУ относительно тепла, выделяемого в топливном сердечнике ЭГЭ и идущего к цилиндрической оболочке ЭГЭ.

Результаты расчетов, выполненные по методике [2] для диоксида урана и приведенные в [8] с определением конечной конфигурации поверхности центральной газовой полости, обработаны в координатах безразмерных параметров и представлены графически в виде зависимости K_s=f((π₄, ε) на фиг.3. Полученные расчетные зависимости на фиг.3 в интервале ε=0,5-0,8, характерном для ТЭУ термоэмиссионных ЭГЭ, хорошо описываются эмпирической зависимостью вида

откуда и подучено соотношение (1).

Получив зависимость K_S = f(π₄,ε), можно, исходя из известных граничных условий (Т₂, Т_Е), теплофиэических характеристик (λ_э,λ_г,λ_т), геометрических характеристик (r_т, l_т, r₂, L_c, R_c), относительного содержания горючего в ТЭУ (ε) и известного тепдовыдедения в ТЭУ, прогнозировать степень покрытия конденсатом горючего трубки и, таким образом, определять реализуемость необходимого условия работоспособности системы вентиляции ТЭУ термоэмиссионного ЭГЭ.

В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции его ТЭУ для конструкционного варианта ТЭУ представленного на фиг.1, где в качестве горючего используется диоксид урана. Термоэмиссионный ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ в составе ЭГК помещают в ПК, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком тепловой мощности выделяемой в ТЭУ. датчиком температуры торцевой оболочки ТЭУ). ПК с ЭГК помещают в ячейку активной зоны ядерного реактора. Реактор выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течении данных ресурсных испытаний. Коэффициент теплопроводности диоксида урана при расчетах принимаем равным λ_г = 2,5 Вт/(м•град), а коэффициент теплопроводности трубки, выполненной из сплава на основе вольфрама, принимаем равным λ_T = 100 Вт/(м•град). Примем следующие геометрические параметры ТЭУ с системой вентиляции, характерные для типичного ЭГЭ: R_c=10^-2 м; L_c= 0,1 м; r_т=2•10^-3 м; r₂=1,5•10^-3 м; l_т=6•10^-2 м. Относительное содержание горючего в ТЭУ принимаем ε=0,7.

В процессе эксперимента проводим измерения тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ, с помощью датчика, в качестве которого может быть использован секционированный калориметр интегрального теплового потока [9]. Положим, что в результате измерения подучили тепловыделение в ТЭУ Q=2,2•10³ Вт, откуда плотность объемного тепловыделения в ядерном горючем ТЭУ q=Q/(π•R_c ²•L_c•ε)= 10⁸ Вт/м³. Проводим оценку температуры эмиттера Т_Е, например, методом теплового баланса [10], в результате получили Т_Е=2010 К. Датчиком температуры, например термопарой, фиксируем температуру торцевой ободочки ТЭУ в месте соединения ее с трубкой системы вентиляции ТЭУ T₂=1900 K. Предполагая контакт топливного сердечника с эмиттерной оболочкой, зная плотность тепловыделения в ТЭУ q и температуру эмиттерной оболочки Т_Е, определяем максимальную температуру в ТЭУ Т₀, равную температуре на поверхности центральной газовой полости, например, воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности, из [7] по выражению

где r_в - внутренний радиус полого топливного цилиндра, который можно определить в первом приближении, зная ε, из выражения r_в=R_c(1-ε)¹/₂=5,5•10^-3 м.

Откуда по (5) определяем Т₀=2341 К, а из (3) π₄ = 1,55•10^-2. Из выражения (4) находим K_s=0,38, т.е. K_s<1, что соответствует соотношению (1), необходимое условие работоспособности системы вентиляции ТЭУ выполнено.

Таким образом, предложен способ ресурсных испытаний термоэмиссионного эдектрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла, позволяющий:
1. Решать вопросы прогнозирования ресурса работы высокотемпературного термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, определять в координатах обобщенных переменных необходимое условие работоспособности системы вентиляции топливно-эмиттерного узла, являющиеся ключевыми при конструировании термоэмиссионного реактора-преобразователя.

2. Прогнозировать сроки экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и эдектрогенерирующего канала в целом, при этом сократить стоимость дорогостоящих реакторных испытаний.

ЛИТЕРАТУРА
1. Корнилов В.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Об эффективности введения в программу создания энергонапряженных и долгоресурсных термоэмиссионных ЭГК этапа петлевых реакторных испытаний ампульных устройств с макетами топливно-эмиттерных узлов с нейтронографическим методом неразрушающего контроля. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И.И.Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с. 300-309.

2. Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного топливного элемента. Атомная энергия, 1980, том 49, вып.6, с.393-394.

3. Корнилов В. А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, 1982, том 53, вып.2, с. 74-76.

4. Дегальцев Ю.Г., Слабкий В.Д., Гонтарь А.С. Обобщение результатов послереакторных исследований одноэлементных ЭГК, прошедших ЯЭИ в опытных установках Я-82, 81, и прогнозирование ресурса. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И. И.Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с.272-279.

5. Пат. RU 2165654 С2, МКИ G 21 D 7/04, Н 01 J 45/00. Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом / В.А.Корнилов // Изобретения. 20.02.2001, бюл. N5.

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

7. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966, с.504.

8. Корнилов В.А. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных эдектрогенерирующих каналов / Сб.: PKT. Cep. XII. Выпуск 2-3 // РКК "Энергия", г.Королев, 1996. Космические термоэмиссионные ядерные энергетические установки и электроракетные двигатели большой мощности. Ч.2, с.99-112.

9. [6], с.48.

10. [6], с.73.

Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла (ТЭУ) предназначен для использования в области атомной энергетики. Способ включает в себя установку электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) в составе электрогенерирующего канала в реактор. Сразу после вывода реактора на постоянный уровень тепловой мощности дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т₂. Определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узле Т₀ и работоспособность системы вентиляции. Работоспособность системы вентиляции вычисляется по определенному соотношению. Обеспечивается сокращение сроков экспериментальной отработки в реакторе трансмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции ТЭУ. 3 ил.

Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера Т_Е, отличающийся тем, что сразу после вывода реактора на постоянный уровень тепловой мощности дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т₂ в месте соединения ее с системой вентиляции, определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узле Т₀, а работоспособность системы вентиляции определяют по соотношению

ε - относительное содержание горючего;

λ_э - эквивалентная теплопроводность трубки, Вт/(м·град);

λ_г - теплопроводность горючего, Вт/(м·град);

r_T, l_T - радиус и длина трубки системы вентиляции, м;

L_C - длина топливного сердечника, м;

Т₀, [К]; Т₂, [К]; T_E [К].