СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭМИТТЕРА ТЕРМОЭМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА Советский патент 2006 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к атомной энергетике, более конкретно к созданию и наземной отработке электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) термоэмиссионного реактора-преобразователя, предназначенного для непосредственного преобразования энергии деления ядерного горючего в электрическую энергию.

Главным этапом разработки электрогенерирующих каналов (ЭГК), представляющих сборку последовательно соединенных ЭГЭ, являются петлевые испытания ЭГК в исследовательских реакторах, где изучаются все специфические проблемы, связанные с созданием длительно работающих ЭГК.

Одной из важнейших характеристик ЭГЭ при испытании ЭГК в петлевом канале (ПК) является температура эмиттера - во многом определяющая стабильность и воспроизводимость энергетических характеристик, состояние поверхности электродов, свеллинговые процессы и т.д. Определение температуры эмиттеров термоэмиссионных преобразователей во время испытания ЭГЭ и многоэлементных сборок довольно сложная задача вследствие специфики работы и условий испытаний (высокая температура эмиттера до 1700...1900°С, наличие паров цезия, радиационного излучения, необходимость герметичных и электрически изолированных выводов при использовании термопар, что связано со значительными технологическими трудностями, усложнением конструкции и уменьшением живучести и ресурса экспериментальных каналов и т.д.).

Обеспечение безопасных условий испытаний требует знания прежде всего температуры эмиттера самого и напряженного элемента. Известны косвенные методы определения температуры эмиттера, например, метод реперной точки, метод сравнения вольтамперных характеристик.

Метод реперной точки. В экспериментальных ПК с термоэмиссионными сборками, хотя и сложно, возможно измерить температуру с помощью термопары. Термопара устанавливается в торцевой части верхнего элемента сборки, которая могла бы непосредственно измерять температуру торца или некоторой точки коммутационной шины. Учитывая сильную неравномерность распределения температуры эмиттеров по длине ЭГК, измеряемая температура не определяет температуру эмиттера, а может быть использована лишь в качестве реперной точки. Для определения зависимости температуры эмиттера от температуры реперной точки используют специальный алгоритм и программу на ЭЦВМ расчета температурных полей элемента и шины (см., например, Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей. ТВТ, т.12, №6, с.1267-1271, 1974).

Метод сравнения вольтамперных характеристик. Учитывая наблюдающееся хорошее совпадение теоретических и экспериментальных вольтамперных характеристик при постоянной тепловой мощности можно определить температуру эмиттера (Т_Е) из сравнения расчетных и экспериментальных вольтамперных характеристик. Практически этот метод состоит в том, что полученные из расчетных вольтамперных характеристик изотермические характеристики, например T_Е=const, считаются действительными и для получаемых при испытаниях экспериментальных характеристик постоянной тепловой мощности (см. книгу В.В.Синявский, В.И.Бержатый, В.А.Маевский, В.Г.Петровский "Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов", М., 1981, с.76-77).

Из известных способов определения температуры эмиттера электрогенерирующего элемента наиболее близким по технической сущности является метод теплового баланса, описанный, например, в статье В.В.Синявского″ Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей", с.1267-1271, 1974. Температура эмиттера определяется из решения относительно T_Е уравнения теплового баланса эмиттера.

где q_F - плотность теплового потока с поверхности эмиттера, определяемая тепловыделением в сердечнике термоэмиссионного элемента ;

ε(T_E) - приведенная степень черноты пары материалов эмиттер-коллектор;

σ - постоянная Стефана-Больцмана;

T_c - температура коллектора;

j(Z_m) - плотность тока в точке эмиттера Z_m;

q_e (Т_E) - тепло, уносимое с эмиттера током плотностью I А/см²;

λ_cs - коэффициент теплопроводности пара цезия;

L - межэлектродный зазор.

Измеряемыми в ходе эксперимента параметрами являются:

q_F(Z) - плотность теплового потока с поверхности эмиттера, определяемая средним тепловыделением в сердечнике термоэмиссионного элемента;

I - ток снимаемый с ЭГК;

V - напряжение снимаемое с ЭГК;

Т_н.т.(Z) - температура несущей трубки ЭГК.

Для определения температуры эмиттерной оболочки по уравнению теплового баланса (1) необходимы также:

ε(Т_E) - приведенная степень черноты пары материалов эмиттер-коллектор, зависящая от температуры эмиттера;

T_C=T_н.т.+ΔT - температура коллектора, которая рассчитывается по перепаду температуры на коллекторном пакете ΔT.

ΔT=f(λ_н.т., λ_с, λ_с.и., q_F, K₁, K₂),

где λ_н.т., λ_с, λ_с.и. - соответственно теплопроводностью несущей трубки, коллектора, коллекторной изоляции;

К₁, К₂ - контактные термические сопротивления в коллекторном пакете.

Однако точность метода теплового баланса невелика и зависит от точности определения q_F, ε, которые во время испытаний определяются или известны с большой погрешностью. Кроме того, как показывают расчетные исследования по соотношению (I), зависимость температуры эмиттера от плотности теплового потока q_F в интервале рабочих параметров ЭГЭ (T_E=1500...1900°С) носит близкий к линейному характер, поэтому погрешность в определении q_F дает близкую по величине погрешность в определении Т_E (см. Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей. ТВТ, т.12, №6. с.1267-1271, 1974).

Целью настоящего изобретения является увеличение точности определения температуры эмиттера.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют время переконденсации топлива в сердечнике электрогенерирующего элемента, а температуру эмиттера определяют из следующего соотношения:

где Т_Е - температура эмиттера;

τ_к - конечное время переконденсации ТМ;

Т(τ=0) - температура на поверхности ТМ в начальный момент времени;

С=A/T_Е;

q_v - тепловыделение в ТМ (топливный материал);

λ - теплопроводность ТМ;

ρ - плотность ТМ;

А и В - константы, зависящие от вида ТМ.

Предлагаемый способ определения Т_Е имеет преимущества перед прототипом, поскольку снижается число контролируемых во время эксперимента параметров и экспериментально полученных теплофизических характеристик входимых в ЭГЭ материалов:

(q_F, I, V, T_н.т., ε(Т_Е), λ_н.т., λ_с, λ_с.и., К₁, К₂, λ_cs(T_E),

q_e(T_E), L) - у прототипа;

(τ_к, q_v, ρ, λ, P(T)) - у предлагаемого способа, где Р (Т) - зависимость давления паров ТМ от температуры.

Как видно из приведенного выше перечня параметров, необходимых для определения Т_E у предлагаемого способа и у прототипа, можно отметить, что предлагаемый способ позволяет определить с большей точностью, чем у прототипа, значение T_E для каждого эмиттера ЭГЭ, входящего в состав ЭГК, поскольку такие измеряемые в прототипе параметры как I, V относятся к ЭГК в целом, а не конкретно к отдельным ЭГЭ.

Кроме того, поскольку время переконденсации ТМ (τ_к), как видно из (2), имеет экспоненциальную зависимость от Т_E, то вносимая в процессе измерений погрешность определения параметра τ_к приводит к незначительной погрешности в определении T_Е.

В качестве конкретного примера на чертеже представлен общий вид твэла ЭГЭ, реализующий данный способ определения температуры эмиттера с частичным вырезом его стенки.

Твэл содержит оболочку 1, спеченную цилиндрическую таблетку ТМ 2, лежащую на торцевой крышке оболочки 1.

На фиг.2, кривая 3 изображает рассчитанную по соотношению (2) зависимость температуры эмиттера Т_Е от времени переконденсации τ_к для топливного сердечника, содержащего двуокись урана, представляющую в начальный момент времени спеченную цилиндрическую таблетку 2, лежащую на торцевой крышке оболочки ЭГЭ, толщина таблетки δ(τ=0)=0,25 см. Для двуокиси урана, если используется зависимость давления пара UO₂ от температуры в виде

(см. статью Горбань Ю.А., Павлинов Л.В., Быков В.Н. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана "Атомная энергия", 1967, т.22, вып.6, с.465) коэффициенты А и В в выражении (2) принимают соответственно значения А=74277, В=1,45·10¹².

При расчете Т(τ=0) использовалось следующее соотношение:

Тепловыделение в топливе принималось q_v=1040 Вт/см³; теплопроводность ТМ λ=0,04 Вт/см·град; плотность ТМ ρ=10,97 г/см³.

Время τ_к в каждом ЭГЭ можно определить в процессе эксперимента, например, по показаниям термопар, установленным на несущей трубке ЭГК.

Как видно из фиг.2 у предлагаемого способа погрешность в измерении параметра τ_к, например, в 20% дает погрешность в определении Т_Е в 0,15%, в то время как у прототипа погрешность в измерении параметра q_F в интервале рабочих параметров ЭГЭ (Т_Е=1500...1900°С), например, в 20% для j=30 А/см² дает погрешность в определении Т_E в 46% (см. В.В.Синявский. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей. ТВТ, том 12, №6, 1974, с.1267-1271).

Использование измеряемого при испытании ЭГК в ПК времени переконденсации топлива в сердечнике ЭГЭ выгодно отличает предлагаемый способ определения температуры эмиттера ЭГЭ, поскольку:

1) сокращает необходимое для определения Т_E число контролируемых во время эксперимента параметров и экспериментально определяемых теплофизических характеристик входимых в состав ЭГЭ материалов;

2) позволяет определить с большей точностью значение Т_E в каждом ЭГЭ, входящем в состав ЭГК;

3) увеличивается точность определения температуры эмиттера за счет малой погрешности определения T_E при вносимой большой погрешности измерения τ_к.

Использование предложенного способа измерения температуры эмиттера ЭГК в составе ПК прошедшего испытания в исследовательском реакторе показало, что погрешность в определении Т_Е уменьшается в 306 раз по сравнению с прототипом при одной и той же погрешности измеряемого параметра.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в термоэмиссионных элементах. Технический результат заключается в увеличении точности определения. Способ включает измерение теплового потока. Согласно изобретению дополнительно измеряют время переконденсации топливного материала в сердечнике электрогенерирующего элемента. Температуру эмиттера определяют из следующего соотношения:

где Т_Е - температура эмиттера, °С, τ_к - время переконденсации топливного материала, ч, Т(τ=0) - температура поверхности топливного материала в начальный момент времени, К, С=А/Т_Е; q_v - тепловыделение в топливном материале, Вт/см³, λ, ρ - соответственно теплопроводность и плотность топливного материала, Вт/см·град и г/см³, А и В - константы, зависящие от вида топливного материала. 2 ил.

Способ определения температуры эмиттера термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, включающий измерение теплового потока, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности определения, дополнительно измеряют время переконденсации топлива материала в сердечнике электрогенерирующего элемента, а температуру эмиттера определяют из следующего соотношения:

где Т_Е - температура эмиттера, °С;

τ_к - время переконденсации топливного материала, час;

T(τ=0) - температура поверхности топливного материала в начальной момент времени, K,

С=А/Т_Е;

q_v - тепловыделение в топливном материале, Вт/см³;

λ, ρ - соответственно теплопроводность и плотность топливного материала, Вт/см, град и г/см³;

А и В - константы, зависящие от вида топливного материала.