Изобретение относится к области термоэмиссионного метода преобразования тепловой энергий в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК).
Одной из основных задач петлевых испытаний ЭГК является определение удельных характеристик, в том числе плотности электрической мощности, кпд и т.д., однако для этого необходимо знать число работоспособных элементов (ЭГЭ) np (или число короткозамкнутых ЭГЭ nкз) из суммарного числа ЭГЭ n.
Известен способ определения nр из сравнения наклона рассчитанных для разного числа n вольтамперных характеристик (ВАХ) при одинаковых средних тепловых потоках с эмиттера qF (Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов, Атомиздат, 1981, с. 85).
Однако этот способ достаточно точен лишь в случае, если при проведении испытаний известны и в расчетах учтены все процессы, влияющие на наклон статических ВАХ, в частности, изменение эмиссионно-адсорбционных свойств эмиттера, сопротивление утечек тока через изоляцию, внутренние микроразряды и т.д. Однако во время испытаний указанные свойства известны с большой погрешностью. В этом случае точность способа невысока.
В качестве прототипа примем общеизвестный способ определения np по числу поджигов (ступенек) на статической или динамической ВАХ (Карнаухов А.С. и др. Методы определения параметров при петлевых испытаниях термоэмиссионных сборок. Конференция по ТЭП, Тез. докл., Обнинск, 1979, с. 14). При съеме ВАХ от точки холостого хода к точке короткого замыкания (или даже далее в область отрицательных напряжений до 0,5 В/ЭГЭ) происходит переход с диффузионного режима работы ТЭП в разрядный. Так как такой переход скачкообразный, а отдельные ЭГЭ в ЭГК имеют различные условия работы, например, по тепловыделению, величине межэлектродного зазора (МЭЗ), температурному полю эмиттера и т.д., то момент поджига разряда в разных ЭГЭ не совпадает и на ВАХ ЭГК появляются ступеньки. Так как в короткозамкнутых ЭГЭ разряд не зажигается, то число ступенек nст на ВАХ ЭГК в принципе равно числу np.
Этот метод эффективен при испытаниях ЭГК с относительно невысокими удельными характеристиками (Wуд=(1...2) Вт/см2). При более высоких плотностях мощности Wуд из-за более высоких температур эмиттеров ТE этот переход может быть смазанным и вместо характерной четко регистрируемой ступеньки может наблюдаться лишь некоторое изменение наклона ВАХ ЭГК. Нахождение числа ступенек nст в этом случае затруднительно и определение np будет произведено с большой погрешностью. Кроме того, необходимость перехода в режим холостого хода (Vxx) вызовет повышение ТE, что в ряде случаев недопустимо из-за влияния TE на ресурс ЭГК.
Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно: повышение точности определения np при одновременном обеспечении отсутствия повышения TE.
Указанная цель достигается предложенным способом определения np во время петлевых ресурсных испытаний энергонапряженных ЭГК, включающим съем статической или динамической ВАХ от точки холостого хода Vxx до точки короткого замыкания Iкз с регистрацией числа ступенек nст на ВАХ и оценкой по ним числа np, отличающийся тем, что до съема ВАХ измеряет среднюю по ЭГК плотность теплового потока с эмиттера qF, температуру коллектора Tc, МЭЗ ЭГК заполняют гелием, давление PHe которого выбирают по выражению
где В=4,55 и m=0,95 - коэффициенты, λатм - теплопроводность гелия при атмосферном давлении и 
ТЕ *= 1670...1750K, ε - приведенная степень черноты электродов, σ - постоянная Стефана-Больцмана, а давление пара цезия понижают до значения, соответствующего температуре насыщения 235...250°С.
Фиг.1 и фиг.2 поясняют предлагаемый способ. На фиг.1 приведена конструкционная схема ЭГК в составе петлевого канала (ПК) с необходимыми для реализации способа измерительными устройствами. Здесь обозначено: 1 - ЭГК, состоящий из нескольких ЭГЭ 2, каждый из которых содержит эмиттер 3 и коллектор 4, разделенные межэлектродным зазором 5, коллекторной изоляции 6 и несущей трубки (чехла) 7, причем система 5-7 носит название коллекторного пакета, и токовыводов 8 и 9.
В межэлектродные зазоры 5 через тракт 10 подается пар цезия. С помощью тракта 11 МЭЗ 5 могут вакуумироваться или заполняться гелием. На несущей трубке 7 имеются термопары 12 и датчик 13 теплового потока. Токовыводы 8 и 9 подсоединены к системе снятия ВАХ 14.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
ЭГК в составе ПК загружается в ячейку реактора. Мощность реактора поднимают до уровня, при которой реализуется необходимое значение qF. Значение qF измеряется или непосредственно во время испытаний с помощью встроенных в ПК датчиков тепловыделения 13 или определяется по данным измерений на специальном макете ПК (по "привязке" qF к мощности реактора).
Обычно qF=20...100 Вт/см2. При этом при подаче пара цезия оптимального давления (3...10 мм рт.ст.) ЭГК в рабочей точке имеет TE=1900...2150K. С помощью термопар 12, размещенных на чехле 7 ЭГК измеряют температуру чехла THT и по ней оценивают температуру коллектора по выражению
где R - термическое сопротивление коллектора пакета ЭГК. В таком режиме проводят ресурсные испытания ЭГК, с измерением электрической мощности ЭГК. Для перевода электрической мощности W в удельную Wуд=W/FE, где FЕ эмиссионная поверхность эмиттеров работоспособных ЭГЭ, необходимо периодически (3...5 раз за ресурс) определить nр. Дли этого необходим съем ВАХ от точки холостого хода до точки короткого замыкания (или далее) при условиях, наиболее благоприятных для скачкообразного перехода с диффузионного режима работ в разрядный, а именно по TE и РCs. Анализ как результатов лабораторных исследований ТЭП, так и реакторных испытаний ЭГК показал, что такие условия лучше всего реализуются при TE *=1670...1750 К. При TE<1670K для поджига разряда необходимо прикладывать повышенные напряжения, что обычно нежелательно из-за возможности появления пробоя изоляции.
При TE>1750K переход становится менее скачкообразным, приближаясь к непрерывному, с соответствующим затруднением четкой регистрации переходов. Прямые реакторные испытания показали, что для типичных ЭГК наиболее четко рассматриваемые переходы регистрируются при давлении PCs, когда TCs=235...250°C. При TCs<235°C скачкообразность перехода становится менее выраженной, что может привести к снижению точности. Поэтому необходимо обеспечить эти два условия. Для этого понижают от рабочего до значения, соответствующего TCs=235...250°С, а предварительное снижение TE от рабочей до необходимой TE * осуществляют за счет заполнения МЭЗ гелием, причем давление гелия РHe должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить TE *=1670...1750К. Теплопроводность гелия λHe зависит от РHe, причем для зазоров, характерных для ЭГК (0,2...0,35 мм) эта зависимость хорошо описывается эмпирической формулой (Евсиков А.С. и др. Термическое сопротивление гелия в зазоре при изменении давления. ТВТ, т.25 в.2, 1988, с.398-400)
где λатм - теплопроводность при атмосферном давлении, B и m-коэффициенты (B=4,55, m=0,95). С учетом того, что при ТE=ТE * токи относительно малы (j<1A/см2), следовательно, электронное охлаждение эмиттера мало, уравнение теплового баланса эмиттера запишется в виде
откуда легко получить (1) для выбора РHe.
После подачи гелия в МЭЗ и снижения PCs производится съем ВАХ с регистрацией числа поджигов (ступенек) nст. Зная nст, определяем nр=nст После этого находят удельные характеристики, повышают pCs до рабочего, вакуумируют МЭЗ с откачкой гелия и продолжают ресурсные испытания.
Для ЭГК с L=0,25 мм при qF=60 Вт/см2 для обеспечения TE *=1670...1750K необходимо подать гелий при давлении pHe≅5 мм рт.ст.
Эффективность предлагаемого способа проверена экспериментально при проведении испытаний пятиэлементного ЭГК в реакторе ВВР-К. Полученная в оконце испытаний экспериментальная динамическая ВАХ при заполнении МЭЗ гелием при давлении, близком к атмосферному, приведена на фиг.2. Несмотря на повышенное давление гелия четко видны ступеньки на ВАХ.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет:
периодически при ресурсных испытаниях проводить определение nр при неизменной тепловой мощности без перегрева эмиттера при условиях, когда четко может быть зарегистрирован ступенчатый переход;
тем самым повысить точность определения np.
Изобретение относится к области термоэмиссионного метода преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК). Технический результат заключается в повышении точности определения nр при одновременном обеспечении отсутствия повышения ТЕ. Для этого в способе температуру эмиттеров устанавливают равной ТЕ=1670-1750K, до съема характеристики измеряют среднюю плотность теплового потока эмиттеров qF=60 Вт/см2 и среднюю температуру коллекторов Tc, K, межэлектронные зазоры канала заполняют гелием.
Способ определения числа работоспособных элементов в электрогенерирующем канале во время петлевых испытаний, включающий съем статической или динамической вольтамперной характеристики от точки холостого хода до точки короткого замыкания, регистрацию на ней числа ступенек и оценку по их количеству числа работоспособных элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности за счет снижения перегрева эмиттеров элементов, температуру эмиттеров устанавливают равной TE=1670-1750K, до съема характеристики измеряют среднюю плотность теплового потока эмиттеров qF, Вт/см2 и среднюю температуру коллекторов Тс, K, межэлектродные зазоры канала заполняют гелием, давление которого Рнl определяют из соотношения
где В=4,55 мм рт.ст и m=0,95 коэффициенты,
λатм - теплопроводность гелия при атмосферном давлении и температуре;
ε - приведенная степень черноты электродной пары эмиттер-коллектор;
σ= 5,67·10-12 Вт/см2 град - постоянная Стефана-Больцмана,
l - длина межэлектродного заряда, мм,
а давление пара цезия понижают до значения, соответствующего температуре насыщения равной 508-523K.
| Карнаухов А.С | |||
| и др | |||
| Методы определения параметров при петлевых испытаниях термоэмиссионных сборок | |||
| Тезисы доклада Обнинск, 1979, с.14. |
