Способ определения межэлектродного зазора элементов при петлевых ресурсных испытаниях электрогенерирующего канала Советский патент 1993 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой Энергии в электрическую и может быть ис- Нользовано при реакторных испытаниях лектрогенерирующих каналов (ЭГК).

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а Именно: обеспечение стабильных режимов Испытаний.

Указанная цель достигается предложенным способом определения МЭЗ элементов при тепловых ресурсных испытаниях ЭГК, включающим измерение тепловой мощности топливного сердечника и температур электродов элементов и оценку МЭЗ, отли- чэющийся тем, что измеряют или оценивают количество газообразных продуктов деления, в входящих из топливных сердечников элементов в МЭЗ, измеряют давление на входе и перепад давления пара цезия вдоль ЭГК, а МЭЗ оценивают из выражения:

5 Q|{7rdEDm ДРсз

)}

0)

где О равно 2 1

in - 1 i -1

ZMj или Z Z Mi в зави- 11 1

СО

с

симости от схемы расположения устройства вывода газообразных продуктов деления (ГПД из i-ro элемента, n - число элементов ЭГК, dE - диаметр эмиттера, D - коэффициент диффузии ГПД в паре цезия, m - масса молекулы ГПД, APcs - перепад давления пара цезия, k - постоянная Больцмана, Т - температура ГПД, равная средней температуре электродов, Ј - суммарная длина МЭЗ.

Рисунок поясняет суть предложенного способа. На нем изображена схема ЭГК 1 из элементов 2 с топливно-эмиттерным узлом 3, снабженным газоотводным устройством 4. МЭЗ 5 заполнен паром цезия, давление которого контролируется датчиками 6, расположенными на входе в ЭГК и у противоположного края ЭГК. ЭГК 1 размещен в петлевом устройстве 7, оснащенным датчиками тепловыделения 8, термопарами 9 для измерения температуры коллектора 10, источнисо

О 00

ч

CJ

о

ками пара цезия 11, узлом 12 подсоединения к вакуумной системе с датчиком 13 контроля состава и количества ГПД,

Предложенный способ реализуется следующим образом.

При изготовлении ЭГК1 измеряются диаметры эмиттера и коллектора 10 и тем самым оценивается исходное значение МЭЗ 5. После размещения ЭГК 1 в петлевое устройство 7, оснащенное необходимыми дат- пиками, оно помещается в ячейку исследовательского реактора. Реактор выводится на уровень нейтронной мощности, при которой тепловая мощность топливного сердечника элемента 2 равна рабочему зна- чению. Контроль тепловой мощности элементов 2 осуществляется или встроенными в петлевое устройство датчиками теплового потока 8 (калориметрами) или на основе предварительных испытаний теплофизиче- ского макета петлевого устройства с моделью ЭГК (цитированная книга Синявского В.В., с.48-56). В МЭЗ 5 из источника 11 подают пар цезия при давлении, близком к оптимальному (1-10 мм рт.ст.). ЭГК 1 начи- нает генерировать электроэнергию при рабочих температурах электродов, которые определяются одним из известных методов (там же, с. 73-101), В процессе работы в топливе образуются осколки деления, при- чем газообразные продукты деления (ГПД), в основном (ксенон и криптон) выходят из топлива из топлива и через газоотводное устройство 4 попадают в МЭЗ 5, Количество образовавшихся ГПД легко рассчитыва- ется для известной тепловой мощности, а, следовательно, и числа актов деления ядер топлива и может быть измерено датчиком на выходе из петлевого канала, например, масс-спектрометрическим способом (там же, с.149-156). Периодически измеряют перепад давления пара цезия вдоль ЭГК, например, с помощью двух электроразрядных или других датчиков 6 давления пара цезия (там же, с.135-139), установ- ленных в тракте с двух концов ЭГК, После этого по формуле (1) определяют МЭЗ, а, следовательно, и степень распухания теп- лоэмиттерного узла 3 в процессе ресурсных испытаний.

Формула (1) получена из следующих соображений.

Рассмотрим ЭГК из п элементов с диаметром эмиттера de длиной h и величиной МЭЗ д. Каждый ЭГЭ снабжен газоотводным устройством (ГОУ) для вывода в МЭЗ ГПД. Для определенности примем, что ГОУ расположены навстречу потоку ГПД, При испытаниях ЭГК в стационарном установившемся

режиме каждый ЭГЭ в единицу времени выделяет массу ГПД, равную Mi. Для принятой схемы расположения ГОУ в ЭГЭ через МЭЗ первого ЭГЭ идет газ с расходом Mi, через второй Mi+M2, через i-ый Mi+M2+...Mj. Выходящие ГПД распространяются через МЭЗ, заполненный паром цезия, за счет процесса диффузии, который описывается уравнением

M-DF$

(2)

где М - масса газа, проходящая вдоль МЭЗ в единицу времени, D - коэффициент диффузии газа (ГПД) в паре цезия, F - площадь поверхности, через которую проходит газ, d/э /dz - градиент плотности газа вдоль МЭЗ. Предполагая линейное распределение плотности по длине МЭЗ и используя соотношение

р Pm/(kT)

(3)

выражение (2) для потока газа через МЭЗ перепишется в виде

M DF ДРт/(КТ)

(4)

где Р - давление, АР- перепад давления, m - масса молекулы газа. Т - температура газа, I - длина МЭЗ.

Для i-ro ЭГЭ с учетом накопления ГПД от предыдущих по ходу ГПД ЭГЭ выражение (4) перепишется в виде

i Mi DF Д Pirn/(kTIi) (5)

1

Для всего ЭГК из ЭГЭ выражение (Б) будет иметь вид:

2 2 Mi DF APsm/(kTU) (6)

11

где АР суммарный перепад давления ГПД вдоль ЭГК, суммарная длина МЭЗ всех ЭГЭ в ЭГК. Учитывая, что д« de

F лдбЕ

(7)

можно решить уравнение (6) относительно МЭЗ, предполагая, что МЭЗ во всех ЭГЭ одинаковы

. 2Mi |{яаЕОтДРг l(kTI)} (8)

1 1

Коэффициент диффузии одного газа в другом рассчитывается по формуле:

,2

(9)

+ mi rri2

где Р-суммарное давление обоих газов, 01,2 ($1 )/2 - газокинетический диаметр Молекул смеси газов, mi и nri2 - массы молекул газов.

Учитывая, что в установившемся режи- iyie суммарное давление обоих газов (ГПД и riapa цезия) вдоль МЭЗ постоянно, суммарный перепад газа A Ps будет равен сум- арному перепаду давления пара цезия йдоль всех МЭЗ ЭГК APcs, получим (1).

В случае, если ГОУ в ЭГЭ направлены ijio ходу движения ГПД, перепада давления 4 первом по ходу ГПД ЭГЭ нет и значение

п - 1 i -1 2 Mi должно быть заменено на 2 2

11 1

Значение Mi или рассчитывается по Значениям тепловой мощности каждого ЭТЭ, или определяется на основе измеренного на выходе из ЭГК расхода ГПД и отно- Йительного распределения вдоль ЭГК.

Эффективность и реализуемость пред- лрженного способа были проверены расчет- hjbiM путем при анализе результатов испытаний многоэлементного ЭГК с одина- фвыми ЭГЭ в примерно равномерном поле тепловыделения, При JE 9 мм, Т - 1500 К (температуры эмиттера 2000 К, коллектора 1JOOO к) при плотности объемного тепловыделения qv 450 Вт/см3 при 1 57 см перепад давления пара цезия по некоторым оценкам составил около 10%. Для принято- rb Qv 450 Вт/см поток ГПД с единицы дпины ЭГК составил 0,74 Ю15 . Значение МЭЗ по (1) составило 0,25 мм, т.е. соответствовало исходному, что позволило предпо- лэжить отсутствие заметного распухания топливно-эмиттерного узла в рассматрива- момент ресурсных испытаний.

Таким образом, предложенный способ позволяет контролировать МЭЗ ЭГК во вре- м|я ресурсных испытаний без нарушения ре- Жимов испытаний.

0

5

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Способ определения межэлектродного зазора элементов при петлевых ресурсных испытаниях электрогенерирующего канала, включающий измерение тепловой мощности топливных сердечников и температур электродов элементов в установившемся цезиевом режиме испытаний электрогенерирующего канала и оценку межэлектродного зазора, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа за счет стабилизации режимов испытаний, определяют количество газообразных продуктов деления, выходящих из топливных сердечников каждого элемента в межэлектродные зазоры, измеряют давление пара цезия на выходе вэлектрогенерирующий канал и перепад давления пара цезия вдоль электрогенерирующего канала, в величину (д ) межэлектродного зазора оценивают из выражения

|{ndED m APcs 1 (KTI.)}

n in - 1 i -1

где Q 2 2 MI или 2 2 Mi для распо1111

ложения газоотводного устройства элементов навстречу или по ходу потока газообразных продуктов деления соответственно, кг/с;

Mi - масса газообразных продуктов деления, выходящих в межэлектродный зазор из 1-го элемента, кг/с:

n - число элементов в электрогенериру- ющем канале;

JE диаметр эмиттера элемента, м;

D - коэффициент диффузии газообразного продукта деления в паре цезия;

m - масса молекулы газообразного продукта деления, кг;

ДРсз - перепад давления пара цезия вдоль ЭГК. Па:

К - постоянная Больцмана,

Т - средняя температура электродов, К;

lj - суммарная длина эмиттеров электрогенерирующего канала, м.

Сущность изобретения: при петлевых ресурсных испытаниях электрогенерирующего канала измеряют тепловую мощность топливных сердечников, и температуру элементов в установившемся цезиевом режиме, количество газообразных продуктов деления выходящих в межэлектродные зазоры, давление пара цезия на входе в канал и перепад давления пара цезия вдоль канала. Из определенного аналитического выражения находят величину межзлектродного зазора. 1 ил.