Способ определения тепловой мощности термоэмиссионной сборки при петлевых реакторных испытаниях

 

Изобретение относится с термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с термоэмиссионным реактором-преобразователем с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС). Сущность изобретения: производят съем изомощностных вольтамперных характеристик (ВАХ) при двух фиксированных значениях N₁ и N₂ тепловой или нейтронной мощности исследовательского реактора, съем изотермической ВАХ при скачкообразном изменении сопротивления внешней нагрузки с оценкой температуры эмиттера Те, регистрируют значения токов I₁ и I₂ и напряжений V₁ и V₂ в точках пересечения изотермической ВАХ с первой и второй изомощностными ВАХ, или измеряют, или оценивают теплоту конденсации электронов на коллекторе q_c и сумму электрических сопротивлений R коммутационных перемычек и токовыводов, а тепловую мощность ЭГС Q при тепловой мощности реактора N оценивают из установленного соотношения. 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с термоэмиссионным реактором преобразователем (ТРП) с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС).

Тепловыделение и, соответственно, тепловая мощность Q ЭГС, из которых набран ТРП, являются важнейшими параметрами ЭГС, которые определяют как энергетические, так и ресурсные ее характеристики, и их определение является важнейшей задачей при экспериментальной отработке ЭГС и прежде всего при экспериментальной отработки ЭГС и прежде всего при петлевых реакторных испытаниях.

Существует несколько как прямых, так и косвенных методов определения тепловыделения и, следовательно, тепловой мощности ЭГС.

Известен способ определения тепловыделения и тепловой мощности из сравнения экспериментальных и расчетных вольт-амперных характеристик (ВАХ) испытываемой ЭГС. Он заключается в выводе исследовательского реактора на рабочий уровень мощности, подаче в ЭГС пара цезия, съеме статической изомощностной ВАХ, расчете серии ожидаемых изомощностных ВАХ для разных уровней тепловой мощности и определения ее из сравнения рассчитанных и экспериментальных ВАХ [1].

Однако этот способ требует предварительного знания распределения тепловыделения по высоте ЭГС, требует достаточно большого набора изомощностных ВАХ, снятых в относительно большом интервале изменения подводимой тепловой мощности, что не всегда возможно или целесообразно.

Известен способ определения тепловыделения в топливно-эмиттерных узлах термоэмиссионной ЭГС при петлевых испытаниях, предложенный в [2]. Он включает вывод исследовательского реактора на рабочий уровень термовакуумного обезгаживания, измерение установившегося значения тока насыщения и оценку тепловыделения и, следовательно, тепловой мощности по полученному выражению.

Однако результаты определения тепловой мощности существенно зависят от известных с большой погрешностью эмиссионных свойств и приведенной степени черноты электродов ЭГС. Кроме того, режим термовакуумного обезгаживания реализуется лишь на начальном этапе испытаний и не допускает повторного определения тепловой мощности на следующих этапах испытаний, в том числе на этапе ресурсных испытаний.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения тепловых параметров (тепловой мощности, КПД, температуры эмиттера) термоэмиссионного преобразователя, предложенный в [3]. Он включает съем изомощностных (статических) вольтамперных характеристик (ВАХ) при двух или более фиксированных значениях подводимой тепловой мощности, съем изотермической ВАХ при скачкообразном изменении сопротивления внешней нагрузки, измерение углов наклона обеих типов ВАХ, определение логарифмической производной тока по мощности из семейства изомощностных ВАХ и определение тепловой мощности и температуры эмиттера преобразователя по полученным соотношениям.

Однако этот способ требует достаточно большого набора изомощностных ВАХ, снятых в относительно большом интервале изменения подводимой тепловой мощности. В то же время при проведении ресурсных испытаний не всегда возможно или целесообразно изменение мощности реактора в широких пределах, в ряде случаев допускается лишь относительно небольшое ее изменение, что приводит к увеличению погрешности рассматриваемого способа.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения тепловой мощности и возможность обеспечения определения тепловой мощности при проведении ресурсных испытаний, когда не допускается существенное изменение мощности исследовательского реактора.

Указанный технический результат достигается в способе определения тепловой мощности термоэмиссионной ЭГС при реакторных испытаниях, включающем съем изомощностных ВАХ при двух фиксированных значениях N₁ и N₂ тепловой или нейтронной мощности исследовательского реактора, съем изотермической ВАХ при скачкообразном изменении сопротивления внешней нагрузки с оценкой температуры эмиттера, отличающимся тем, что регистрируют значения токов I₁ и I₂ и напряжений V₁ и V₂ в точках пересечения изотермической ВАХ с первой и второй изомощностными ВАХ, измеряют или оценивают теплоту конденсации электронов на коллекторе q_c и сумму электрических сопротивлений R коммутационных перемычек и токовыводов, а тепловую мощность ЭГС Q при тепловой или нейтронной мощности реактора N оценивают из соотношения (1) где n - число элементов в сборке.

График фиг. 1 поясняет суть предложенного способа. На графике приведены две экспериментальные изомощностные ВАХ N 1 и N 2 (мощность реактора пропорциональна измеряемому в месте расположения петлевого канала току датчика прямой зарядки I_дпз) при примерно одних и тех же значениях температуры чехла и давлении пара цезия и изотермическая ВАХ N 3, снятая из точки "а" ВАХ N 1.

Способ реализуется следующим образом.

Изготовленная ЭГС в составе специального испытательного устройства, называемого петлевым каналом (ПК), загружается в ячейку исследовательского ядерного реактора (ЯР), в котором проводятся испытания ЭГС. После подсоединения ЭГС к вакуумной системе начинается термовакуумная подготовка при обезгаживании ЭГС при постепенном ступенчатом подъеме мощности ЯР. После стабилизации вакуума термовакуумная подготовка считается оконченной и начинается напуск пара цезия в межэлектродные зазоры ЭГС путем постепенного плавного или ступенчатого увеличения температуры цезиевого термостата или другого источника пара цезия ПК. Подача пара цезия как рабочего тела термоэмиссионного преобразователя приводит к появлению генерируемого тока и напряжения. Мощность ЯР повышают до рабочего значения, давление пара цезия устанавливается равным рабочему, обычно оптимальному, при котором генерируется максимальная электрическая мощность. Регистрируют значение тепловой мощности (или потока нейтронов в испытательной ячейке) ЯР N 1, снимают изотепломощностную статическую ВАХ N 1, из рабочей точки "а" которой снимают изотермическую ВАХ N 3. После этого изменяют уровень мощности ЯР, например, увеличивают до значения N₂, снимают изомощностную ВАХ N 2. Регистрируют значения токов I₁ и I₂ и напряжений V₁ и V₂ в точках "а" и "б" пересечения соответственно изомощностных ВАХ N 1 и N 2 с изотермической ВАХ N 3. Измеряют или оценивают известными методами теплоту конденсации электронов на коллекторе q_c, например, в прямом лабораторном эксперименте или из обратных токов эмиссии коллектора, по измеренным значениям температуры чехла, и соответственно, известной температуры коллектора и, измеренной температуре цезиевого термостата. Электрическое сопротивление R коммутационных перемычек и токовыводов измеряют обычно в процессе сборки ЭГС и во время испытаний оно известно.

Задачей определения тепловой мощности Q испытываемой ЭГС является нахождение коэффициента A в зависимости Q = AN, (2) где N - известная тепловая или нейтронная мощность ЯР.

Коэффициент A может быть найден из полученного из (2) отношения A = Q/N = (Q₂ - Q₁)/(N₂ - N₁). (3) Поскольку температуры эмиттеров T_e в двух режимах работы в точках "а" и "б" пересечения соответственно изомощностных ВАХ N 1 и N 2 с изотермической ВАХ N 3 практически одинаковы, то можно принять, что тепловые мощности, отводимые от эмиттера излучением, теплопроводностью через цезиевый пар и коммутацию и дистанционаторы, равны для рассматриваемых точек "а" и "б". Следовательно, разность тепловой мощности, подводимой к ЭГС в этих режимах, равна разности тепловых мощностей электронного охлаждения эмиттеров Q₂ - Q₁ = Qe₂ - Qe₁. (4) Электронное охлаждение многоэлементной ЭГС складывается из мощности электронного охлаждения отдельных ЭГЭ
Работу выхода коллекторов всех ЭГЭ можно принять одинаковой, некоторая неопределенность в температурах эмиттеров ЭГЭ не приводит к заметной погрешности электронного охлаждения, поэтому можно записать

Поскольку падения напряжения на электродах ЭГЭ незначительны, то можно принять, что выходное напряжение ЭГС V равно сумме средних напряжений ЭГЭ за вычетом падения напряжения V_кт на межэлементной коммутации и токовыводах ЭГС

причем V_кт - IR, где R - сумма сопротивлений межэлементной коммутации и токовыводов ЭГС.

Преобразуя (4) - (7) из (3) и (2), получим (1).

Эффективность предложенного способа была проверена экспериментально во время петлевых реакторных испытаний семиэлементной ЭГС в неравномерном специально спрофилированном поле тепловыделения. Профилирование было выполнено на основе теоретических выкладок без экспериментальной проверки, поэтому точность профилирования была невысокой. Из-за неопределенности распределения тепловыделения по высоте ЭГС получаемые различными методами значения тепловой мощности различались. Поэтому было проведения определение тепловой мощности по предложенному способу. На графике приведены две экспериментальные изомощностные ВАХ N 1 и N 2 (мощность реактора пропорциональна измеряемому в месте расположения петлевого канала току датчика прямой зарядки I_дпз = 0,312 и 0,339 мкА соответственно) при примерно одних и тех же значениях температуры чехла (Т_ч = 383 - 400^oC) и давлении пара цезия (Т_Cs - 349^oC) и изотермическая ВАХ N 3, снятая из точки "а" ВАХ N 1. Коэффициент пропорциональности A определялся для значений q_с = 2,0 - 2,2 эВ и расчетному значению R = 3,9 10^-3 Ом и оказался равным (13,0 - 14,4) 10³. Все дальнейшие этапы испытаний, включая ресурсные, проводились с использованием полученного значения коэффициента A.

1. Синявский В. В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 57 - 59.

2. Синявский В. В. , Шуандер Ю.А. Способ определения тепловыделения в топливно-эмиттерных узлах термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при петлевых испытаниях. Патент RU 2004033 C1 по заявке 5020059/21 от 03.01.92, МКИ H 01 J 45/00, опубл. 30.11.93. Бюл. N 43 - 44.

3. Юрьев Ю.С. Способ определения тепловых параметров термоэмиссионного преобразователя. Изобретение СССР N 277045 по заявке 1276774/26-25 от 14.10.68. Класс 21b, 27/00. МПК H 01 J 45/00. Бюл. N 24.

Формула изобретения

Способ определения тепловой мощности термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при реакторных испытаниях, включающий съем изомощностных вольт-амперных характеристик при двух фиксированных значениях тепловой или нейтронной мощности исследовательского реактора, съем изотермической вольт-амперной характеристики при скачкообразном изменении сопротивления внешней нагрузки с оценкой температуры эмиттера, отличающийся тем, что регистрируют значения токов и напряжений в точках пересечения изотермической вольт-амперной характеристики с первой и второй изомощностными вольт-амперными характеристиками, измеряют или оценивают теплоту конденсации электронов на коллекторе и сумму электрических сопротивлений коммутационных перемычек и токовыводов, а тепловую мощность электрогенерирующей сборки оценивают из соотношения

где Q - тепловая мощность электрогенерирующей сборки, Вт;
N - текущее значение тепловой или нейтронной мощности реактора, отн. ед. ;
N₁ и N₂ - зафиксированные значения тепловой или нейтронной мощности исследовательского реактора, при которых произведен съем первой и второй изомощностных вольт-амперных характеристик соответственно, отн. ед.;
I₁ и I₂ - значения токов в точках пересечения изотермической вольт-амперной характеристики с первой и второй изомощностными вольт-амперными характеристиками соответственно, А;
V₁ и V₂ - значения напряжений в точках пересечения изотермической вольт-амперной характеристики с первой и второй изомощностными вольт-амперными характеристиками соответственно, В;
q_c - теплота конденсации электронов на коллекторе, В;
R - сумма электрических сопротивлений коммутационных перемычек и токовыводов, Ом;
n - число элементов в сборке, шт.

РИСУНКИ

Рисунок 1