СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ Советский патент 1994 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к методу термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при экспериментальной отработке термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС) в исследовательских ядерных реакторах (ЯР).

Целью изобретения является повышение при дегазации вольфрамовых электродов эффективности за счет стабилизации работы выхода коллектора.

Способ реализуется следующим образом. После изготовления ЭГС с W-W парой электродов, например монокристаллическим эмиттером и нанесенным на ниобий тонким слоем поликристаллического вольфрама в лабораторном вакуумном стенде производится предварительная дегазация ЭГС. ЭГС устанавливается в петлевой канал (ПК), который загружается в ячейку исследовательского ЯР. После необходимых проверок проводится так называемое "холодное" обезгаживание при неработающем ЯР обычно в течение 20-50 ч. После достижения достаточного вакуума в МЭЗ (примерно 1 10-6 мм рт.с) начинается "горячее" вакуумное обезгаживание ЭГС путем постепенного ступенчатого или плавного подъема тепловой мощности ЯР. Темп подъема мощности определяется газовыделением и контролируется по вакууму в МЭЗ. В процессе обезгаживания определяются Т_Е, Т_С, ϕ_Е и ϕ_С и другие необходимые параметры известными методами (В.В.Синявский, Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990). При достижении ТЕ = 1900-2000 К производится плавный подъем Тс до 1000-1050 К за счет изменения теплопроводности газа (давления гелия) в системе теплосброса ПК. Это позволяет удалить с коллектора легколетучие посторонние соединения, попавшие на коллектор в основном с эмиттера. Дальнейший ступенчатый подъем мощности до Т_Е, выше рабочей на 50-100 К, и выдержка при этой мощности производятся при поддержании Т_С ≥ 1000 К. После этого как эмиттер, так и коллектор считаются хорошо обезгаженными; производится в МЭЗ ЭГС напуск пара цезия и осуществляются энергоресурсные испытания при высокой стабильности энергетической эффективности электродов.

Параметры способа обоснованы анализом, имеющихся литературных данных и специальными лабораторными и реакторными экспериментами.

Вначале обезгаживания происходит интенсивное выделение десорбирующихся газов, которые в максимальной степени желательно отвакуумировать. Для этого температура коллектора поддерживается относительно низкой (400-800). Затем начинается слет поверхностных пленок с эмиттера, интенсивность которого становится значительной с 1900-200 К.

Материалы этих пленок конденсируются на коллекторе. Специальный лабораторный эксперимент показал, что при прогреве вольфрамовых образцов при ступенчатом повышении температуры до 1000 К образец постепенно очищается от посторонних легколетучих примесей. При этом поверхность вольфрамового образца коллектора носит упорядоченную структуру, а вакуумная работа выхода возрастала с 3,8-4,0 эВ до 5,0-5,2 эВ. В то же время до 970 К влияние легколетучих посторонних примесей было достаточным и заметного повышения ϕ_С еще не наблюдалось. Поэтому минимальное значение Т_С, необходимое для надежного удаления с вольфрамовой поверхности коллектора легколетучих посторонних примесей (в основном от эмиттера) должно быть не ниже 1000 К.

В качестве конкретного примера, подтверждающего реализуемость и эффективность предложенного способа с достижением поставленной цели, приведем результаты испытаний пятиэлементной сборки с W-W парой электродов, петлевые испытания которой были проведены в реакторе ВВР-М по предложенному способу. В качестве эмиттерной оболочки использовался монокристаллический сплав вольфрама с рением, в качестве коллектора - ниобий, покрытый газонапыленным слоем вольфрама. В качестве топлива использовался диоксид урана. Элементы ЭГС были оснащены газоотводными устройствами с выводом продуктов деления в МЭЗ. При испытаниях во время вакуумного обезгаживания получены температуры эмиттера ТЕ и несущей трубки (чехла Т_нт, вакуумные работы выхода эмиттера ϕ_Е и коллектора ϕ_С). Отметим, что неизмеряемая температура коллектора Т_С была на 30-50^овыше измеряемой Т_нт. Эксперимент показал следующее. Слет пленок с эмиттера происходит при Т_Е = 1900-2000 К, на что указывает рост ϕ_Е с 4,9 до 5,0 эВ в первые два часа режима обезгаживания. В то же время наблюдается интенсивное снижение ϕ_С с исходной ≈ 5,0 эВ до ≈3,9 эВ. Повышение Т_нт до 700-800 К приводит к началу очистки поверхности коллектора от окислов, а начиная с Т_нт=850-900 К (Т_С = 900-950 К) начинается интенсивный слет пленок и значение ϕ_С ≈ 4,8 эВ практически стабилизируется с небольшим ростом начиная с Т_нт = 950 К (Т_С ≈ 1000 К). Особо отметим, что значение ϕ_Е оставалось стабильным в процессе всего режима вакуумного обезгаживания. Предпринятые меры позволили при испытаниях этой сборки получить высокие удельные мощности в 8-9,5 Вт/см²при "горячем" коллекторе в 1100-1300 К, хотя ранее обычно получали не выше 5 Вт/см².

Таким образом, предложенный способ вакуумной дегазации позволяет обеспечить высокие, практически близкие к максимально возможным, постоянные эммисионно-адсорбционные свойства как эмиттера, так и коллектора термоэмиссионных сборок в режиме вакуумного обезгаживания. Это в свою очередь, позволяет обеспечить стабилизацию энергетической эффективности испытываемых сборок.

Использование: при экспериментальной отработке термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. Сущность изобретения: при петлевых реакторных искажениях термоэмиссионной сборки с вольфрамовыми эмиттерами и коллектором в режиме вакуумного обезгаживания после повышения тепловой мощности до уровня, при котором температура эмиттера равна 1900 - 2000 К, поддерживают температуру коллектора не ниже 1000 К.

СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ДЕГАЗАЦИИ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ СБОРКИ, включающий дегазацию сборки, размещение сборки в активной зоне реактора, плавное или ступенчатое повышение тепловой мощности реактора и выдержку на постоянной мощности реактора при одновременной оценке температуры и эмиссионно-адсорбционных свойств эмиттеров и коллекторов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности при дегазации сборки с вольфрамовыми электродами за счет стабилизации работы выхода коллектора после повышения тепловой мощности реактора до уровня, при котором температура эмиттера равна 1900 - 2000 К, поддерживают температуру коллектора не ниже 1000 К.