Способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом Российский патент 2018 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 

Изобретение относится к космической атомной энергетике, к прогнозированию работоспособности термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) при их создании и наземной отработке.

Важнейшим этапом разработки термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) является подтверждение ресурсно-энергетических характеристик электрогенерирующих каналов (ЭГК), образующих активную зону ТРП. ЭГК могут состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенные сборки ЭГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания термоэмиссионных ЭГЭ в реакторе (в составе петлевого канала в исследовательском реакторе или в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [Ресурсные испытания термоэмиссионного преобразователя / Е.С. Бекмухамбетов и др. - Атомная энергия, т. 35, вып. 6, 1973, с. 387-390], [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], [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/ В.А. Корнилов В.А. и др. 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]. Большинство испытанных в реакторах экспериментальных термоэмиссионных ЭГЭ имели оболочечные эмиттеры, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД), воспринимается эмиттерной оболочкой. Причем за ресурс работы ЭГЭ принимается время до короткого замыкания эмиттера с коллектором, характеризующим прекращение генерации электроэнергии. В связи с этим для анализа результатов испытаний, поведения материалов, а также факторов, влияющих на ресурсные характеристики ЭГЭ, представляют интерес расчетно-теоретические исследования поведения ядерного горючего в твэле. Твэл ЭГЭ включает цилиндрическую эмиттерную оболочку (ЭО), с находящимся внутри нее топливным материалом (ТМ), и систему вентиляции ГПД, позволяющую решить проблему длительной работоспособности ЭГЭ. В процессе работы реактора ГПД, в основном это Xe и Kr [Дегальцев Ю.Г., Пономарев-Степной Н.Н., Кузнецов В.Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. Москва. Энергоатомиздат.1987, с. 15], выходят из ТМ в систему вентиляции ГПД и тем самым разгружают ЭО. Особенно актуальна надежная работа системы вентиляции ГПД в высокотемпературных термоэмиссионных ЭГК, использующих в качестве ТМ высоколетучий диоксид урана, где оболочки твэлов, выполненные, например из вольфрама или сплавов на его основе, работают при гомологической температуре ~ 0,5 и выше. Рассматриваем ЭГЭ с системой вентиляции ГПД из таких твэлов, выполненной в виде специального газоотводного устройства (ГОУ), состоящего из осесимметричной трубки с капиллярным наконечником (жиклером) [Корнилов В.А. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных электрогенерирующих каналов.// Ракетно-космическая техника. Сер. XII. РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2-3, с. 99-112]. В процессе работы ЭГЭ происходит переконденсация ТМ, его перераспределение по объему твэла, уплотнение с перестройкой исходной структуры. В результате со временем в твэле образуется изотермическая центральная газовая полость (ЦГП), куда стекаются ГПД [Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях / Е.С. Бекмухамбетов, А.С. Карнаухов, В.А. Корнилов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2-3, с. 113-131]. Объем газовой полости равен сумме объемов исходной технологической пористости ТМ и объема исходного зазора между ТМ и ЭО. При оптимальном конструировании ЭГЭ жиклер ГОУ будет находиться в зоне ЦГП, откуда ГПД через жиклер по трубке ГОУ выходят за пределы твэла. Причем расположение жиклера ГОУ в зоне ЦГП является необходимым условием работоспособности системы вентиляции рассматриваемой конструкции твэла термоэмиссионного ЭГЭ [Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента/В.А. Корнилов, Ю.И. Сухов, В.Д. Юдицкий - Атомная энергия, т. 49, вып. 6, 1980, с. 393-394]. Конструкция системы вывода ГПД через осесимметричную трубку с жиклером существенно снижает поток паров ТМ, выходящего вместе с ГПД, из твэла, что позволяет поднять энергоресурсные характеристики ЭГЭ, ЭГК и ТРП в целом.

Известен способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионных электрогенерирующих элементов при ресурсных испытаниях ЭГЭ с вентилируемым твэлом, примененный при разработке ТРП космического назначения "ТОПАЗ-2" [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]. Испытывались одноэлементные ЭГК с центральным вентиляционным каналом в топливном сердечнике и оптимизированной структурой ТМ. Основной особенностью ресурсных испытаний данных ЭГК являлось то, что испытания проводились при относительно "низкой" максимальной температуре эмиттерной оболочки (~1600 K и менее). В результате чего наблюдался незначительный осевой массоперенос ТМ в вентиляционном канале и 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" ТМ в районе поясов дистанционаторов и, по-видимому, этот фактор явился определяющим в прогнозируемом ресурсе.

Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что он не охватывает высокотемпературный диапазон (с температурой эмиттерной оболочки более 1600 K), где с возрастанием температуры резко активизируются процессы тепло- и массопереноса ТМ с перестройкой его структуры. Особенно это касается высоколетучих ТМ, как, например диоксид урана. В результате чего вклад в ресурсную составляющую таких факторов как исходная структура ТМ, нагрузки на эмиттерную оболочку от распухающего ТМ будут снижаться. При этом резко активизируются процессы массопереноса ТМ, приводящего к зарастанию вентиляционного канала и выходу его из строя. В результате быстрое возрастание давления ГПД, выходящих из ТМ в свободный объем твэла, приводит к высоким нагрузкам на ЭО, вплоть до короткого замыкания ЭО с коллектором и нарушению работоспособности ЭГЭ.

Известен способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионных электрогенерирующих элементов при ресурсных испытаниях ЭГЭ с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, приведенный в [Патент RU №2223559. МПК G21C 3/40, G21D 7/04. Опубл. 10.02.2004.]. Система вентиляции твэла от ГПД выполнена в виде осесимметричного центрального канала, пронизывающего топливный сердечник. Ресурс работы рассматриваемой системы вентиляции определялся интенсивностью процессов массопереноса, а именно массопереносом ТМ в центральном канале и постепенным зарастанием его конденсатом ТМ в зонах конденсации. Зоны конденсации определяются, в первую очередь, температурными условиями на оболочке твэла. В случае многоэлементных ЭГК зоны конденсации ТМ в центральном канале, как правило, соответствуют местам наибольших потерь тепла через коммутационную перемычку и дистанционаторы ЭГЭ. Способ включает в себя установку электрогенерирующего элемента в составе электрогенерирующего канала в реактор. Сразу после вывода реактора на постоянный уровень тепловой мощности дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки твэла. Определяют максимальную температуру в твэле и оценивают работоспособность системы вентиляции по определенному соотношению. Способ обеспечивает сокращение сроков экспериментальной отработки в реакторе термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции твэла.

Основным недостатком данного способа прогнозирования при ресурсных испытаниях является то, что способ применим только для конструкции ЭГЭ с вентиляцией ГПД из твэла через центральный канал в топливном сердечнике. Причем основной особенностью ресурсных испытаний данных ЭГК является ограничение времени испытаний при повышенных температурах эмиттерной оболочки твэлов ЭГЭ. Поскольку при этих условиях наблюдается значительный осевой массоперенос ТМ в центральном канале, что приводит к существенному выходу паров ТМ за пределы твэла. Пары ТМ, вышедшие из твэла, конденсируются на коллектор и одновременно проникают в межэлектродный зазор ЭГЭ, что нарушает термоэмиссионное преобразование энергии в плазменном диоде ЭГЭ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом, приведенный в [Патент RU №2165654. МПК G21D 7/04, H01J 45/00. Опубл. 20.04.2001]. Способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом включает его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, контроль тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттерной оболочки и контроль величины активности газов вентилируемого твэла на выходе из электрогенерирующего канала. 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 вышеперечисленных параметров, геометрические характеристики твэла и теплофизические характеристики материалов эмиттерной оболочки и ТМ. Ресурс работы термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым твэлом разбивают как бы на два временных интервала: первый интервал характеризуется работоспособной системой вентиляции ГПД из твэла, снимающей нагрузку с эмиттерной оболочки ЭГЭ от ГПД; второй интервал определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ при неработоспособной системе вентиляции, когда оболочка твэла воспринимает давление от распухающего ТМ и от ГПД, накапливающихся в центральном канале твэла. Причем в данном способе определяют максимальный остаточный ресурс работы ЭГЭ, когда величина межэлектродного зазора (МЭЗ) в начале второго интервала соответствует исходному значению.

Основным недостатком данного способа прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента при ресурсных испытаниях является то, что не рассматривается наиболее важный в вопросе прогнозирования ресурса вентилируемых твэлов первый временной период, характеризующий прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ. Кроме того, в ходе испытаний не анализируется необходимое условие работоспособности системы вентиляции твэла, тем самым необоснованно продлеваются сроки дорогостоящих реакторных испытаний ЭГК.

Задачей изобретения является сокращение сроков и стоимости экспериментальной отработки в реакторе термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции газообразных продуктов деления из твэла, а также повышение точности прогнозирования работоспособности системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ.

Техническим результатом изобретения является:

- возможность прогнозирования работоспособности системы вентиляции твэлов высокотемпературных электрогенерирующих элементов по фиксируемым параметрам контроля за процессом массопереноса топливного материала и процессом удаления ГПД;

- повышение точности и надежности контроля процесса удаления ГПД за пределы внутреннего объема твэла;

- сокращение сроков наземной экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и электрогенерирующего канала в целом при дорогостоящих реакторных испытаниях.

Технический результат достигается в способе прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом, включающем его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, контроль тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттерной оболочки и контроль величины активности газов вентилируемого твэла на выходе из электрогенерирующего канала, при этом вентилируют твэл термоэмиссионного электрогенерирующего элемента от газообразных продуктов деления через систему вентиляции, выполненную в виде осесимметричной трубки с капиллярным наконечником, одновременно с контролем активности газов вентилируемого твэла электрогенерирующего элемента проводят контроль давления газообразных продуктов деления на выходе из электрогенерирующего канала, в процессе контроля активности и давления газов на выходе из электрогенерирующего канала фиксируют момент времени скачкообразного падения активности и давления газообразных продуктов деления - τ₁ затем в ходе ресурсных испытаний фиксируют момент времени скачкообразного всплеска активности и давления газообразных продуктов деления - τ₂, причем во время контроля тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента фиксируют ее значение и соответствующий ей момент времени выхода тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента на стационарный режим - τ_С, после чего оценивают максимальную температуру эмиттерной оболочки Т_Е,макс и определяют время переконденсации топливного сердечника твэла на стационарном режиме - τ_П и определяют максимальное время переконденсации топливного материала в твэле электрогенерирующего элемента - τ_mах из выражения:

где

А и B - коэффициенты, зависящие от вида топливного материала;

ε_Г - относительное объемное содержание топливного материала в твэле;

R_C - внутренний радиус цилиндрической оболочки твэла;

R_H - наружный радиус топливного сердечника (исходное состояние);

R_B - внутренний радиус топливного сердечника (исходное состояние), образующий центральный канал, в котором размещена осесимметричная трубка с капиллярным наконечником,

при этом о работоспособности системы вентиляции твэла в ходе ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента судят по выполнению условия

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5). На фиг. 1 представлена конструктивная схема ядерного реактора. На фиг. 2 представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента в составе ЭГК. На фиг. 3 представлена конструктивная схема вентилируемого твэла с топливным сердечником, где топливный материал показан в исходном состоянии. Здесь R_C - внутренний радиус цилиндрической оболочки твэла, R_H - наружный радиус топливного сердечника, R_B - внутренний радиус топливного сердечника. На фиг. 4 представлена конструктивная схема вентилируемого твэла с топливным сердечником после завершения процесса переконденсации топливного материала. На фиг. 5 приведена качественная картина изменения во времени некоторых характеристик в виде графиков зависимости Q(τ) - тепловыделения в твэле, Т_Е,макс(τ) - температуры эмиттера и J(τ) - массового потока ТМ на капиллярный наконечник. Здесь τ₁ - фиксируемый момент времени скачкообразного падения активности и давления газообразных продуктов деления на выходе из электрогенерирующего канала, τ₂ - фиксируемый момент времени скачкообразного всплеска активности и давления газообразных продуктов деления на выходе из электрогенерирующего канала, τ_С - момент времени выхода тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента на стационарный режим, τ_П - время переконденсации топливного сердечника твэла на стационарном режиме, τ_mах - максимальное время переконденсации топливного материала в твэле электрогенерирующего элемента.

На фиг. 1 - 4 обозначено:

1 - ядерный реактор;

2 - отражатель с органами системы управления и защиты;

3 - активная зона;

4 - петлевой канал (ПК);

5 - электрогенерирующий канал (ЭГК);

6 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ);

7 - датчик давления;

8 - датчик активности;

9 - резервуар-отстойник;

10 - тепловыделяющий элемент (твэл);

11 - коллектор;

12 - коллекторная изоляция;

13 - чехловая труба;

14 - дистанционатор;

15 - коммутационная перемычка;

16 - электроизоляция;

17 - датчик тепловой мощности;

18 - торцевая оболочка твэла;

19 - топливный материал (ТМ);

20 - технологический зазор;

21 - эмиттерная оболочка (ЭО);

22 - центральный канал;

23 - газоотводное устройство (ГОУ);

24 - осесимметричная трубка;

25 - капиллярный наконечник (жиклер);

26 - центральная газовая полость (ЦГП).

Измерение тепловой мощности ЭГЭ Q и оценку максимальной температуры эмиттера Т_Е,макс можно проводить по методам, изложенным, например в [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], [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], в частности контроль тепловой мощности Q можно проводить с помощью датчика, в качестве которого может быть использован секционированный калориметр интегрального теплового потока.

Способ реализуется следующим образом. Термоэмиссионный ЭГЭ 6 с вентилируемым твэлом 10 в составе электрогенерирующего канала 5 помещают в петлевой канал 4, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком 17 тепловой мощности, выделяемой в твэле 10, датчиком активности 8 ГПД, выходящих из твэла 10, датчиком давления 7 ГПД в вентилируемом твэле 10). ПК 4 с ЭГК 5 помещают в ячейку активной зоны 3 ядерного реактора 1 (фиг. 1, 2). Ядерный реактор 1 с отражателем с органами системы управления и защиты 2 выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течение ресурсных испытаний. В процессе работы ядерного реактора 1 в вентилируемом твэле 10 происходит деление ядерного горючего в ТМ 19. Причем, в исходном состоянии ТМ 19 в твэле 10 выполнен в виде цилиндрического топливного сердечника с наружным радиусом R_H и с центральным каналом 22 радиуса R_B, в котором размещена осесимметричная трубка 24 с капиллярным наконечником 25 (фиг. 3). Тепловую мощность, выделяемую в твэле 10 ЭГЭ 6, фиксируют с помощью датчика тепловой мощности 17 (фиг. 2).

При делении ядерного горючего в ТМ 19 образуются газообразные продукты деления, выходящие из ТМ 19 в свободный объем внутри твэла. Причем, в начальный период ресурсных испытаний ГПД выходят в технологический зазор 20 и в центральный канал 22. Откуда ГПД через жиклер 25 и осесимметричную трубку 24 ГОУ 23 выходят за пределы твэла 10, а затем и ядерного реактора 1 в резервуар-отстойник 9. В процессе эксперимента одновременно фиксируют величину активности газов датчиком активности 8 и давление газов датчиком давления 7 на выходе из электрогенерирующего канала 5. Тепло, выделяющееся при реакции деления ядерного горючего в ТМ 19, разогревает эмиттерную оболочку 21, вызывая, таким образом, эмиссию электронов с ЭО 21 и конденсацию их (электронов) на коллектор 11. Далее электроны с коллектора 11 по коммутационной перемычке 15 двигаются к ЭО 21 соседнего ЭГЭ 6. Причем межэлектродный зазор между ЭО 21 и коллектором 11 в ЭГЭ 6 поддерживается дистанционаторами 14, а коллектора 11 соседних ЭГЭ 6 отделены электроизоляцией 16. Тепло, не преобразованное в электроэнергию в ЭГЭ 6, с коллектора 11 через коллекторную изоляцию 12 и чехловую трубу 13 сбрасывается в систему охлаждения (на фигурах не показана) петлевого канала 4. При этом одновременно с ростом тепловой мощности в твэле 10 возрастает температура топливного сердечника с максимумом в центральной зоне твэла 10. Это обстоятельство приводит к интенсивной переконденсации ТМ 19 (особенно это касается топливных материалов с высокой упругостью пара и низкой теплопроводностью, как например, диоксида урана). Причем, перестройка структуры ТМ 19 по механизму испарение-конденсация как показывают расчетные и экспериментальные исследования идет по градиентам температур в топливном сердечнике и наиболее интенсивно в радиальном направлении в центральной зоне твэла, этот механизм рассмотрен например в [Корнилов В.А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, 1982, том 53, вып. 2, с. 74-76] и в [Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях / Е.С. Бекмухамбетов, А.С. Карнаухов, В.А. Корнилов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2-3, с. 113-131]. Интенсивности процесса, особенно в начальный период, способствует технологический зазор 20, создающий термическое сопротивление тепловому потоку, идущему от ТМ 19 к ЭО 21. В результате наблюдается переконденсация ТМ 19 в технологическом зазоре 20 с наружной поверхности топливного сердечника, с начальным радиусом R_H, на внутреннюю поверхность ЭО 21 с радиусом R_С с постепенным «зарастанием» конденсатом ТМ 19 технологического зазора 20. Поскольку ГОУ 23 выполнено из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности, чем ТМ 19, то часть тепла из центральной части твэла 10 отводится к периферии на торцевую оболочку 18 по ГОУ 23 более интенсивно. Это приводит к тому, что с внутренней поверхности топливного сердечника, с радиусом в исходном состоянии R_B, идет переконденсация ТМ 19 на осесимметричную трубку 24 и на жиклер 25. В результате конденсат ТМ 19 временно перекрывает капиллярный наконечник 25, что сопровождается одновременным падением величины активности и давления ГПД на выходе из электрогенерирующего канала 5. Данная ситуация поясняется на фиг. 5, где приведена качественная картина изменения некоторых характеристик в процессе ресурсных испытаний: Q(τ) - тепловыделения в твэле 10, Т_Е,макс(τ) - максимальной температуры эмиттерной оболочки 21, J(τ) - массового потока ТМ 19 на капиллярный наконечник 25. Причем в процессе ресурсных испытаний влияние J(τ) в не явном виде отражается на динамике активности и давления ГПД фиксируемой показаниями датчика активности 8 и датчика давления 7. Фиксируют τ₁ - момент времени скачкообразного падения активности и давления газообразных продуктов деления с помощью датчика активности 8 и датчика давления 7 (фиг. 1 и фиг. 5). Т.е. начиная с момента времени τ₁ на жиклер 25 идет массовый поток ТМ 19, в результате жиклер 25 перекрыт конденсатом ТМ 19. При дальнейшем процессе ядерное горючее конденсата ТМ 19, в результате его деления на жиклере 25, будет перегревать жиклер 25 и конденсат с капиллярного наконечника 25 будет испаряться. Процесс испарения конденсата ТМ 19 с жиклера 25 завершается до момента времени τ₂ с восстановлением работы ГОУ 23. В результате ГПД через жиклер 25 по осесимметричной трубке 24 будут свободно выходить из внутренней полости твэла 10 и далее из ЭГК 5 в резервуар-отстойник 9. В результате фиксируют τ₂ - момент времени скачкообразного всплеска активности и давления ГПД с помощью датчика активности 8 и датчика давления 7. При выходе тепловой мощности твэла 10 электрогенерирующего элемента 6 на стационарный режим, что устанавливается датчиком тепловой мощности 17, фиксируют момент времени τ_С и тепловыделение Q. После чего оценивают максимальную температуру эмиттерной оболочки 21 Т_Е,макс (например, методом сравнения вольт-амперных характеристик, изложенным в [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]). И далее по соотношению (2) определяют τ_П - время переконденсации топливного сердечника твэла на стационарном режиме. По соотношению (1) прогнозируют максимальное время τ_max, за которое в процессе переконденсации и уплотнения ТМ 19 формируется в твэле 10 центральная газовая полость 26 (фиг. 4). Причем процесс переконденсации ТМ 19 сопровождается в зависимости от уровня тепловыделения, частичной или полной перестройкой структуры ТМ 19 из исходной равноосной структуры в столбчатую. После чего при выполнении условия (3) т₂∈(τ_1, τ_mах) считают, что на временном интервале Δτ=τ₂-τ₁ система вентиляции ЭГЭ 6 временно не работоспособна и с момента времени τ₂ ее работоспособность восстановилась (фиг. 5). Выполнение условия т₂∈(τ₁, τ_mах) подтверждает оптимальный выбор конструктивных параметров ЭГЭ 6, для выбранного режима работы ЭГК 5, и правильный выбор относительного объемного содержания ε_Г ТМ 19, когда жиклер 25 ГОУ 23 будет находиться в зоне ЦГП 26. В этой ситуации температура жиклера 25 будет даже несколько выше температуры ТМ 19 на изотермической поверхности ЦГП 26 за счет γ-нагрева материала жиклера 25, выполненного, как правило, из тугоплавкого металла, например из вольфрама, что гарантирует не допущение конденсата ТМ 19 на капилляре жиклера 25. Если же на интервале (τ₁, τ_mах) всплеска активности и давления на выходе из ЭГК 5 не наблюдается, то считают, что система вентиляции электрогенерирующего элемента 6 не работоспособна. Эта ситуация характерна случаю, когда процесс переконденсации ТМ 19 в твэле 10 завершен, но жиклер 25 не находится в зоне ЦГП 26, т.е. капилляр жиклера 25 перекрыт конденсатом ТМ 19.

Приведем вывод выражения (1) для определения максимального времени переконденсации ядерного горючего в твэле τ_mах, которое по максимуму будет складываться из τ_С - времени выхода тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента на стационарный режим и времени переконденсации ТМ на стационарном режиме τ_П. Для определения τ_П воспользуемся соотношением Мейера [С. Дешман. Научные основы вакуумной техники. М.: Из-во «Мир», 1964, с. 15]

где ν - число молекул ТМ покидающих, в условиях равновесия, с единицы площади наружную поверхность топливного сердечника за единицу времени;

n - концентрация молекул ТМ в паровой фазе в динамическом равновесии с конденсированной фазой ТМ;

v_a - средняя скорость теплового движения молекул ТМ.

Учитывая экспоненциальную зависимость давления пара ТМ (Р) от температуры Т для широкого класса ТМ [Котельников Р.Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, 1978, с. 40], [Горбань Ю.А. и др. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т. 22, вып. 6, с. 465-467], можно записать

где А* и В - коэффициенты, зависящие от вида ТМ;

Т - температура паровой фазы ТМ.

С учетом соотношения Р=n⋅k⋅Т [С. Дешман. Научные основы вакуумной техники. Изд-во «Мир», М.: 1964, с. 12] и соотношения (5), запишем выражение для n в виде

где k - постоянная Больцмана.

Используем известное соотношение для средней скорости теплового движения молекул ТМ v_a [С. Дешман. Научные основы вакуумной техники. Из-во «Мир», М.: 1964, с. 21]

Полагая, что для цилиндрического топливного сердечника ε_Г=(R_H²-R_B²)/R_C², определим время τ_П переконденсации топливного сердечника твэла с образованием центральной газовой полости из соотношения

где ρ - плотность ТМ в конденсированной фазе;

m_TM - масса молекулы ТМ;

ε_Г - относительное объемное содержание топливного материала в твэле;

R_С - внутренний радиус цилиндрической оболочки твэла;

R_H - наружный радиус топливного сердечника (исходное состояние);

R_B - внутренний радиус топливного сердечника (исходное состояние), образующий центральный канал, в котором размещена осесимметричная трубка с капиллярным наконечником;

Выражение (8) оценивает время τ_П испарения радиального столба высотой Δ=R_H-R_B, вырезанного из топливного сердечника с единичной площадью поперечного сечения и отнесенное ко всему объему топливного сердечника. Время переконденсации топливного сердечника твэла τ_П оценено по максимуму, поскольку рассматривался процесс испарения-конденсации только в радиальном направлении на цилиндрическую оболочку твэла. Более детально процесс переконденсации топливного сердечника вентилируемого твэла с системой вывода ГПД через центральную трубку с капиллярным наконечником рассмотрен в [Корнилов В.А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, 1982, том 53, вып. 2, с. 74-76].

Подставляем в соотношение (8) выражения из (6) и (7), причем температуру паровой фазы ТМ в первом приближении принимаем равной максимальной температуре эмиттерной оболочки твэла Т=Т_Е,_макс получаем

где ε_Г - относительное объемное содержание топливного материала в твэле;

R_С - внутренний радиус цилиндрической оболочки твэла;

R_H - наружный радиус топливного сердечника (исходное состояние);

R_B - внутренний радиус топливного сердечника (исходное состояние), образующий центральный канал, в котором размещена осесимметричная трубка с капиллярным наконечником;

Т_Е,макс - максимальная температура эмиттерной оболочки.

В (9) обозначим через А выражение:

причем коэффициент А зависит только от вида ТМ, откуда получаем соотношение (2)

Суммируя измеренное в эксперименте значение т_C и вычисленное по соотношению (2) τ_П, определяем полное время переконденсации ТМ τ_mах, то есть получаем соотношение (1).

В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом, конструктивный вариант которого для исходного состояния топливного сердечника представлен на фиг. 3, где в качестве ТМ будем использовать диоксид урана с обогащением по ²³⁵U, равным 96%.

Термоэмиссионный ЭГЭ с вентилируемым твэлом в составе электрогенерирующего канала помещают в петлевой канал, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком тепловой мощности, выделяемой в твэле, датчиком активности ГПД, выходящих из твэла, датчиком давления ГПД в вентилируемом твэле). ПК с ЭГК помещают в ячейку активной зоны ядерного реактора. Ядерный реактор выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течение ресурсных испытаний.

Принимаем следующие геометрические параметры твэла, с топливным сердечником в исходном состоянии, характерные для типичного ЭГЭ: R_C=7⋅10^-3 м; L_C=6⋅10^-2 м; R_H=6,5⋅10^-3 м; R_B=3,5⋅10^-3 м; r_T=3⋅10^-3 м, где L_C и r_T - длина топливного сердечника и внешний радиус центральной трубки, соответственно, приведены для справки. Как вытекает из принятых геометрических параметров топливного сердечника, относительное объемное содержание диоксида урана в твэле примем для дальнейших расчетов ε_Г=0,61. Плотность диоксида урана ρ=10970 кг/м³. Массу молекулы диоксида урана (UO₂) определяем из произведения относительной массы молекулы UO₂ на а.е.м., т.е. m_ТM=267⋅1,66⋅10^-27=4,43⋅10^-25 кг. Постоянная Больцмана k=1,38⋅10^-23 Дж/K.

В ходе ресурсных испытаний постоянно ведут контроль активности газов с помощью датчика активности, установленного на выходе из электрогенерирующего канала. При этом дополнительно проводят контроль давления газообразных продуктов деления датчиком давления, установленным на выходе из электрогенерирующего канала. Затем в ходе ресурсных испытаний фиксируют момент времени τ₁, например зафиксировали τ₁=2⋅10⁵ со скачкообразного падения активности и давления ГПД. Далее, продолжая испытания, контролируют изменения активности и давления ГПД и, в случае скачкообразного всплеска активности и давления, фиксируют момент времени всплеска τ₂, например зафиксировали τ₂=4⋅10⁵ с. По датчику тепловой мощности фиксируют время τ_C=3,5⋅10⁵ с установления стационарного режима работы электрогенерирующего элемента, при этом зафиксировав, например, тепловыделение в твэле Q=1,0⋅10³ Вт. Одновременно оценивают максимальную температуру эмиттерной оболочки Т_Емакс, например методом сравнения вольт-амперных характеристик [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], в результате получают Т_Е,макс=2100 K. Определяют время переконденсации τ_П топливного материала в твэле по выражению (2). Предварительно находим коэффициенты А*, В и А для диоксида урана. Для чего преобразуют уравнение равновесия между паровой и адсорбированной фазой стехиометричного диоксида урана, приведенное в статье [Горбань Ю.А. и др. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т. 22, вып. 6, с. 465-467] в виде

lgP[мм рт.ст.]=-32258/Т+12,183,

к экспоненциальной зависимости (5) Р[Па]=2⋅10¹⁴⋅ехр(-74200/Т).

Откуда для UO₂ получают коэффициенты А*=2⋅10¹⁴ и В=74200, при этом давление Р приводится в Паскалях. Из выражения (10) определяют А=(ρ / А*)⋅(2π⋅k / m_ТМ)^1/2=(10970 / 2⋅10¹⁴)⋅(2π⋅1,38⋅10^-23 / 4,43⋅10^-25)^1/2=7,7⋅10^-10 с/(м⋅K^1/2).

По соотношению (2) определяют

τ_П=А⋅[ε_Г⋅R_C² / (R_H+R_B)]⋅Т_Е,_макс^1/2⋅ехр(В/Т_Е,_макс)=7,7⋅10^-10⋅[0,61⋅4,9-10^-5 / (6,5⋅10^-3+3,5⋅10^-3)]⋅2100^1/2⋅ехр(74200/2100)=2,33⋅10⁵ с.

Откуда по соотношению (1) определяют максимальное время переконденсации ТМ в твэле ЭГЭ τ_mах=τ_C+τ_П=3,5^⋅10⁵+2,33⋅10⁵=5,83⋅10⁵ с.

После чего оценивают интервал времени Δτ=τ₂-τ₁=4⋅10⁵-2⋅10⁵=2⋅10⁵ с и определяем интервал (τ₁, τ_max)=(2⋅10⁵, 5,83⋅10⁵). Проверяют выполнение условия (3) τ₂∈(τ₁ τ_mах), как видим 4⋅10⁵∈(2⋅10⁵, 5,83⋅10⁵), т.е. условие выполняется. Таким образом, на интервале (τ₁,τ₂)=(2⋅10⁵, 4⋅10⁵) в течение времени Δτ=2⋅10⁵ с система вентиляции электрогенерирующего элемента временно не работоспособна и с последующим, начиная с момента времени τ₂=4⋅10⁵ с, ее работоспособность восстановилась.

Изобретение относится к космической атомной энергетике, к разработке способов прогнозирования работоспособности термоэмиссионных электрогенерирующих элементов при их создании и наземной отработке. Способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом включает его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, контроль тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттерной оболочки и контроль величины активности газов вентилируемого твэла на выходе из электрогенерирующего канала. В процессе контроля активности и давления газов на выходе из электрогенерирующего канала определяют максимальное время переконденсации топливного материала в твэле электрогенерирующего элемента. Технический результат – обеспечение возможности прогнозирования работоспособности системы вентиляции твэлов высокотемпературных электрогенерирующих элементов, повышение точности и надежности процесса контроля, сокращение сроков экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов. 5 ил.

Способ прогнозирования работоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым твэлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, контроль тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттерной оболочки и контроль величины активности газов вентилируемого твэла на выходе из электрогенерирующего канала, отличающийся тем, что вентилируют твэл термоэмиссионного электрогенерирующего элемента от газообразных продуктов деления через систему вентиляции, выполненную в виде осесимметричной трубки с капиллярным наконечником, одновременно с контролем активности газов вентилируемого твэла электрогенерирующего элемента проводят контроль давления газообразных продуктов деления на выходе из электрогенерирующего канала, в процессе контроля активности и давления газов на выходе из электрогенерирующего канала фиксируют момент времени скачкообразного падения активности и давления газообразных продуктов деления - τ₁, затем в ходе ресурсных испытаний фиксируют момент времени скачкообразного всплеска активности и давления газообразных продуктов деления - τ₂, причем во время контроля тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента фиксируют ее значение и соответствующий ей момент времени выхода тепловой мощности твэла электрогенерирующего элемента на стационарный режим - τ_С, после чего оценивают максимальную температуру эмиттерной оболочки Т_Е,макс и определяют время переконденсации топливного сердечника твэла на стационарном режиме - τ_П и определяют максимальное время переконденсации топливного материала в твэле электрогенерирующего элемента - τ_max из выражения:

τ _max=τ_С+τ_П,

где

τ_П=А ⋅ [ε_Г⋅R_C²/(R_H+R_B)] ⋅ Т_Е,_макс^1/2 ⋅ ехр(В/Т_Е,макс),

А и B - коэффициенты, зависящие от вида топливного материала;

ε_Г - относительное объемное содержание топливного материала в твэле;

R_C - внутренний радиус цилиндрической оболочки твэла;

R_H - наружный радиус топливного сердечника (исходное состояние);

R_B - внутренний радиус топливного сердечника (исходное состояние), образующий центральный канал, в котором размещена осесимметричная трубка с капиллярным наконечником,

при этом о работоспособности системы вентиляции твэла, в ходе ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, судят по выполнению условия τ₂ ∈ (τ_1, τ_max).