способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым топливно- эмиттерным узлом

Формула изобретения

Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т₀ на выходе газообразных продуктов деления из топливно-эмиттерного узла, давление Р газообразных продуктов деления в системе вентиляции электрогенерирующего элемента, определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узле Т_m, и определяют прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению

L_c, R_c - длина и радиус сердечника топливно-эмиттерного узла соответственно [м];

r_k - радиус центрального канала системы вентиляции топливно-эмиттерного узла [м];

- плотность топливного материала [кг/м³];

- масса молекулы топливного материала [кг];

D - коэффициент диффузии топливного материала в системе вентиляции [м²/с];

А и В - коэффициенты, зависящие от вида топливного материала;

Т_m [К];

Т₀ [К];

P[Па];

А [град/м ];

В [град];

[с].

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке твэлов, в частности электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), термоэмиссионная сборка которых называется электрогенерирующим каналом (ЭГК).

Важнейшим этапом разработки термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) является подтверждение ресурсно-энергетических характеристик ЭГК, образующих активную зону ТРП. ЭГК может состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенную электрогенерирующую сборку ЭГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания ЭГЭ в реакторе (в составе петлевого канала (ПК) в исследовательском реакторе или в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [1]. Экспериментальная отработка твэлов в наземных реакторах связана с большими экономическими затратами и чем длительнее планируемый эксперимент, тем выше затраты. Поэтому эффективность ресурсных испытаний во многом будет зависеть от возможности прогнозирования ожидаемого ресурса работы ЭГЭ, что позволит планировать длительность эксперимента.

Большинство испытанных в реакторах экспериментальных ЭГЭ имели оболочечные термоэмиссионные твэлы, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД), воспринимается эмиттерной оболочкой. Причем качественным решением, позволяющим снизить давление на оболочку твэла от ГПД, является организованный вывод ГПД через систему вентиляции, что позволяет существенно поднять ресурс твэла. Особенно работоспособная система вентиляции важна при разработке термоэмиссионных твэлов, у которых оболочка твэла работает при высоких температурах (~2000 К и более [1]) и не может длительно выдерживать высокие давления от выделяющихся в процессе деления топливного материала (ТМ) ГПД, что приводит к короткому замыканию эмиттера с коллектором и прекращению генерации электроэнергии. Поэтому для высокотемпературных термоэмиссионных твэлов ресурс работы ЭГЭ будет во многом определяться ресурсом работы системы вентиляции.

Для оперативного анализа реакторных испытаний при ресурсной отработке термоэмиссионных ЭГЭ представляет интерес использование инженерных методик, отражающих расчетно-теоретические исследования поведения ТМ в топливно-эмиттерном узле (ТЭУ).

ТЭУ представляет собой цилиндрическую эмиттерную оболочку с находящимся внутри нее ТМ и системой вентиляции ГПД. Рассматриваем ЭГЭ с системой вентиляции ГПД, выполненной в виде осесимметричного центрального канала, пронизывающего топливный сердечник [1]. Работоспособность системы вентиляции будет определяться длительностью беспрепятственного удаления ГПД из центрального канала за пределы ТЭУ. Ресурс работы рассматриваемой системы вентиляции определяется интенсивностью процессов массопереноса, а именно массопереносом ТМ в центральном канале и постепенным зарастанием его конденсатом ТМ в зонах конденсации. Зоны конденсации определяются в первую очередь температурными условиями на оболочке ТЭУ [2]. В случае одноэлементного ЭГК зоны конденсации ТМ в центральном канале, как правило, соответствуют поясам дистанционаторов [3], а в случае многоэлементных ЭГК - в местах наибольших потерь тепла через коммутационную перемычку и дистанционаторы ЭГЭ.

Известны способы ресурсных испытаний термоэмиссионных ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ при разработке реактора-термоэмиссионного преобразователя космического назначения "ТОПАЗ-2" [3]. Испытывались одноэлементные ЭГК с вентиляционным каналом в топливном сердечнике и оптимизированной структурой ТМ. Основной особенностью ресурсных испытаний данных ЭГК являлось то, что испытания проводились при относительно "низкой" максимальной температуре эмиттерной оболочки (~1600 К и менее). В результате чего наблюдался незначительный осевой массоперенос ТМ в вентиляционном канале и зарастание его конденсатом ТМ не явилось основным фактором, определяющим запланированный ресурс работы данных ЭГК. Более значительный вклад в ресурсные характеристики этих ЭГК в данном температурном интервале дает деформация эмиттерной оболочки от распухания "захоложенного" ТМ в районе поясов дистанционаторов и, по-видимому, этот фактор будет определяющим в прогнозируемом ресурсе.

Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что он не охватывают высокотемпературный диапазон (с температурой эмиттерной оболочки более 1600 К), где с возрастанием температуры резко активизируются процессы перестройки структуры ТМ в результате массопереноса. Особенно это касается высоколетучих ТМ, например диоксида урана. В результате чего вклад в ресурсную составляющую таких факторов как исходная структура ТМ, нагрузки на эмиттерную оболочку от распухающего ТМ будут снижаться и резко увеличиваться процессы осевого массопереноса ТМ, приводящего к зарастанию вентиляционного канала, выходу его из строя, а значит и нарушению работоспособности ЭГЭ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ, включающий его установку в составе ЭГК в реактор, измерение тепловой мощности ЭГЭ при неизменной тепловой мощности реактора и оценку температуры эмиттера, изложенный в [4] . Сущность способа заключается в том, что в процессе эксперимента измеряют тепловую мощность ЭГЭ и оценивают температуру эмиттера в момент скачкообразного падения активности ГПД, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного ЭГЭ по предлагаемому выражению, куда входят, кроме перечисленных выше параметров, геометрические характеристики ТЭУ и теплофизические характеристики материалов эмиттерной оболочки и ТМ. Ресурс работы термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ разбивают как бы на два временных периода: первый период ₁ характеризуется работоспособной системой вентиляции ГПД из ТЭУ, снимающей нагрузку с эмиттерной оболочки ЭГЭ от ГПД; второй период ₂ определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ, когда оболочка твэла воспринимает давление от распухающего ТМ и от ГПД, накапливающихся в центральном канале ТЭУ. Причем в данном способе определяют максимальный остаточный ресурс работы ЭГЭ (₂ = ^max₂), когда величина межэлектродного зазора (МЭЗ) в начале второго периода соответствует исходному значению.

Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что не рассматривается наиболее важный в вопросе прогнозирования ресурса вентилируемых твэлов первый временной период, характеризующий прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ.

Задачей является повышение точности прогнозирования ресурса термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ при его экспериментальной отработке в реакторе.

Задача достигается способом ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе эдектрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т_о на выходе газообразных продуктов деления из топливно-эмиттерного узда, давление Р газообразных продуктов деления в системе вентиляции электрогенерирующего элемента, определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узле Т_m и определяют прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению



где L_c, R_c - длина и радиус сердечника топливно-эмиттерного узла, соответственно [м] ; r_к - радиус центрального канала системы вентиляции топливно-эмиттерного узда [м]; - плотность топливного материала [кг/м³]; - масса молекулы топливного материала [кг]; D - коэффициент диффузии топливного материала в системе вентиляции [м²/c]; А и В - коэффициенты, зависящие от вида топливного материала; Т_m[K]; Т_о[K]; Р[Па]; А[град/м³]; В[град]; [с] .

На фиг. 1 представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента. На фиг.2 и 3 представлены типичные конструкционные варианты вентилируемых топливно-эмиттерных узлов. На фиг.2 и 3 система вентиляции выполнена в виде центрального канала, пронизывающего топливный материал на всю длину ТЭУ. На фиг. 3 ТМ включает теплопередающие диски, снижающие максимальную температуру ТМ и таким образом уменьшающие процессы массопереноса ТМ в системе вентиляции. На фиг.4 представлена конструкционная схема реактора.

На фиг. 1 обозначено: 1 - термоэмиссионный электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 2 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ); 3 - коллектор ЭГЭ; 4 - коллекторная изоляция; 5 - чехловая труба электрогенерирующего канала; 6 - изоляция; 7 - датчик тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ; 8 - датчик температуры торцевой оболочки ТЭУ; 9 - дистанционатор; 10 - коммутационная перемычка ЭГЭ.

На фиг 2 и 3 обозначено: 11 - торцевая оболочка ТЭУ; 12 - конденсат ТМ; 13 - эмиттерная оболочка ТЭУ; 14 - теплопередающие диски из тугоплавкого металла; 15 - система вентиляции ТЭУ; 16 - топливный материал (ТМ).

На фиг. 4 обозначено: 17 - ядерный реактор; 18 - отражатель с органами системы управления и защиты; 19 - активная зона; 20 - петлевой канал (ПК); 21 - электрогенерирующий канал (ЭГК); 22 - датчик давления; 23 - резервуар-отстойник.

Способ реализуется следующим образом. Термоэмиссионный ЭГЭ 1 с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом 2 в составе электрогенерирующего канала 21 помещают в петлевой канал 20, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком 7 тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 2, датчиком температуры 8 торцевой оболочки 11 ТЭУ 2, датчиком давления 22 ГПД в системе вентиляции 15 ТЭУ 2). ПК 20 с ЭГК 21 помещают в ячейку активной зоны 19 ядерного реактора 17. Реактор 17 выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течение данных ресурсных испытаний. В процессе работы реактора 17 в вентилируемом ТЭУ 2 происходит деление ядерного горючего в ТМ 16 с образованием газообразных продуктов деления, выходящих через систему вентиляции 15 за пределы ТЭУ 2 и затем реактора 17 в резервуар-отстойник 23. Тепло, выделяющееся при реакции деления ТМ 16, разогревает эмиттерную оболочку 13, вызывая таким образом эмиссию электронов. Температура топливного сердечника повышается с максимумом в зоне центрального канала системы вентиляции 15 ТЭУ 2, активизируя таким образом процесс осевого массопереноса ТМ 16 в центральном канале. В случае использования в ТЭУ 2 теплопередающих дисков 14 процесс массопереноса ТМ 16 будет происходить несколько замедленнее. Осевой массоперенос ТМ 16 приводит к постепенному зарастанию центрального канала конденсатом 12 ТМ в наиболее холодных участках канала, образующих зоны конденсации, а именно в зонах тепловых потерь, связанных с утечками тепла через коммутационную перемычку 10 и дистанционаторы 9. В процессе эксперимента проводим измерения тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 2, с помощью датчика 7 и температуры торцевой оболочки 11 ТЭУ 2 на выходе ГПД из ТЭУ 2 с помощью датчика 8 (эти измерения можно проводить, например, по методам, изложенным в [5]). Проводим оценку температуры эмиттерной оболочки 13, например, одним из методов, описанных в [5]. Измеряем давление ГПД в системе вентиляции 15 с помощью датчика давления 22, установленного на выходе из ЭГК 21. Зная тепловыделение в ТЭУ 2 и температуру эмиттерной оболочки 13, определяем максимальную температуру в ТЭУ 2, например, воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [6]. Зная геометрические характеристики вентилируемого ТЭУ 2, физические характеристики используемого ТМ 16, с помощью выражения (1) определяем прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ 1.

Приведем вывод выражения (1), используя явление диффузии молекул ТМ в центральном канале системы вентиляции ТЭУ (см. фиг.2). Баланс потока молекул ТМ для элемента центрального канала радиусом r_к и длиной d_z можно представить в виде

j_r(z)2r_кdz = dj_zr²_к, (2)

где j_r и j_z - плотность потока молекул ТМ в радиальном и осевом направлении соответственно.

Определим поток молекул ТМ в центральном канале J как



где принимаем L=L_c/2 (см. фиг.2).

Плотность потока молекул ТМ j_z определим, используя явление диффузии молекул ТМ в одномерном случае в двухкомпонентной системе (ГПД и пары ТМ), из первого закона Фика [7]

j_z= - Ddn/dz, (4)

где D - коэффициент диффузии молекул ТМ в парогазовой смеси ГПД и молекул ТМ; n(z) - концентрация молекул ТМ в канале системы вентиляции ТЭУ.

В первом приближении коэффициент диффузии D молекул ТМ для неравновесной стационарной парогазовой смеси молекул ТМ и ГПД (в основном, молекул Хе [8]) в центральном канале вычисляется по формуле [9]

D = u^*/3, (5)

где u - средняя скорость теплового движения молекул ТМ; ^* - средняя длина свободного пробега молекул ТМ.

Скорость u определим из выражения, приведенного в [10], а ^* из выражения, приведенного в [11], считая, что ГПД состоят, в основном, из Хе, как следует из [8]

u = (8kT_m/())^1/2, (6)



где k - постоянная Больцмана; Т_m - температура; d, d_Xe - диаметры молекул ТМ и Хе соответственно; , _Xe - молекулярные массы молекул ТМ и Хе соответственно; Р - давление ГПД.

Зная плотность ТМ , определить d можно из соотношения d = 1,122(/)^1/3, (12), а d_Xe из [13].

Учитывая экспоненциальную зависимость давления пара Р_тм от температуры Т для широкого класса ТМ [14,15], можно записать

P_TM=A*exp(-B/T), (8)

где А* и В - коэффициенты, зависящие от вида ТМ.

Откуда выражение для концентрации насыщенного пара ТМ при соответствующей температуре T(z) на поверхности центрального канала с учетом соотношения Р=nkT [16] можно записать в виде

n(z)=Aexp(B/T)(z)/T(z), (9)

где А=A*/k.

Полагая в первом приближении линейную по длине канала зависимость распределения температуры на его поверхности, имеем

T(z)=T_о(T_m-T_о)/Lz, (10)

где T_m - температура на поверхности канала при z=L и соответствует максимальной температуре ТМ в ТЭУ; Т_о - температура на поверхности канала при z= 0 и соответствует температуре торцевой оболочки ТЭУ на выходе ГПД из ТЭУ.

Преобразуем (4) с учетом соотношений (9) и (10)

j_z= - DA(T_m-T_о)/Lexp(-B/T(z))/T(z)³(B-T(z)). (11)

Выразим j_r(z) из соотношения (2) с учетом соотношения (11), подставим его в (3), после интегрирования получаем

J = - r_k ²DA(T_m-T_о)/Lexp(-B/Tm)/Tm³(B-Tm)-exp(-B/T_о)/T_о ³(B-T_о).

(12)

Откуда прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ определяем по выражению

= V_к/(J), (13)

где V_к - объем конденсата ТМ в зоне конденсации системы вентиляции ТЭУ.

Как показывают расчетные исследования [2] температурных полей топливных сердечников термоэмиссионных твэлов, с учетом процессов переконденсации ТМ в первом приближении можно считать длину зоны конденсации l_к=R_с-r_к (см. фиг. 2), a V_к = r²_к(R_c-r_к). Подставляя выражение для V_k и (12) в (13), получаем выражение (1).

В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ для конструкционного варианта ТЭУ, представленного на фиг.2, где в качестве ТМ используется диоксид урана. Термоэмиссионный ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ в составе ЭГК помещают в ПК, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ, датчиком температуры торцевой оболочки ТЭУ, датчиком давления ГПД в системе вентиляции ТЭУ). ПК с ЭГК помещают в ячейку активной зоны ядерного реактора. Реактор выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течение данных ресурсных испытаний. Коэффициент теплопроводности диоксида урана при расчетах принимаем равным = 2,5 Вт/(мград), а плотность =10970 кг/м³. Примем следующие геометрические параметры, характерные для типичного ЭГЭ: R_c=10^-2 м; L_c=0,1 м; r_к=5,510^-3 м.

В процессе эксперимента проводим измерения тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ, с помощью датчика, в качестве которого может быть использован секционированный калориметр интегрального теплового потока [17]. Положим, что в результате измерения получили плотность объемного тепловыделения в ТМ ТЭУ q_v= 10⁸ Вт/м³. Проводим оценку температуры эмиттерной оболочки Т_э, например, методом теплового баланса [18], в результате получили Т_э=2010 К. Датчиком температуры, например термопарой, фиксируем температуру торцевой оболочки ТЭУ, на выходе ГПД из ТЭУ Т_о=2000 К. Измеряем давление ГПД в системе вентиляции с помощью датчика давления, установленного на выходе из ЭГК, и получили Р=10³ Па. Предполагая контакт топливного сердечника с эмиттерной оболочкой и зная тепловыделение в ТЭУ q_v и температуру эмиттерной оболочки Т_э, определяем максимальную температуру в ТЭУ Т_m, например, воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [6]



Зная значения Р и Т_m и используя (6) и (7), по выражению (5) определяем коэффициент диффузии D=510^-3 м²/c, где d=3,8410^-10 м, d_Xe=4,3610^-10 м, = 4,4310^-25 кг, _Xе=2,1810^-25 кг.

Найдем коэффициенты А и В для диоксида урана. Преобразуем уравнение равновесия между паровой и адсорбированной фазой стехиометричного диоксида урана, приведенного в [15],

lgP[мм рт.ст.]= -32258/Т+12,183

к виду (8), с учетом Международной системы единиц,

Р[Па]=2,02710¹⁴exp(-74277/T).

Откуда А*= 2,02710¹⁴ Па; В= 74277 град. Откуда в выражении (9) А= 1,4710³⁷ град/м³.

Подставляя геометрические характеристики вентилируемого ТЭУ (l_c, R_c, r_к), физические характеристики диоксида урана (, ) найденные значения коэффициентов D, А, В, измеренное значение Т_о и определенное Т_m в выражение (1), определяем прогнозируемый ресурс работы системы вентиляции ЭГЭ 2,510⁶ с.

Таким образом, предложен способ ресурсных испытаний термоэмиссионного эдектрогенерирующего элемента с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, позволяющий:

1. Провести расчеты конечного инженерного эффекта: определить поток конденсата топливного материала в системе вентиляции топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента в зависимости от параметров эксплуатации. Такая модель имеет упрощения в детализации физических представлений и включает параметры, позволяющие нормировать модель на экспериментальный результат.

2. Решать вопросы прогнозирования ресурса работы электрогенерирующего элемента, являющиеся ключевыми при конструировании термоэмиссионного реактора-преобразователя.

3. Прогнозировать сроки экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и электрогенерирующего канала в целом, при этом сократить стоимость дорогостоящих реакторных испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Корнилов В.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Об эффективности введения в программу создания энергонапряженных и долгоресурсных термоэмиссионных ЭГК этапа петлевых реакторных испытаний ампульных устройств с макетами топливно-эмиттерных узлов с нейтронографическим методом неразрушающего контроля. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И.И. Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с. 300-309.

2. Корнилов В.Д. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных электрогенерирующих каналов /Сб.:РКТ.Сер.XII.Выпуск 2-3//РКК "Энергия", г. Королев, 1996. Космические термоэмиссионные ядерные энергетические установки и электроракетные двигатели большой мощности. Ч.2, с.99-112.

3. Дегальцев Ю. Г. , Слабкий В.Д., Гонтарь А.С. Обобщение результатов послереакторных исследований одноэлементных ЭГК, прошедших ЯЭИ в опытных установках Я-82,81, и прогнозирование ресурса. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И. И. Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с.272-279.

4. Пат. RU 2165654 С2, МКИ G 21 D 7/04, Н 01 J 45/00. Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом / В.А. Корнилов //Изобретения. 20.02.2001, бюл. 5.

5. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.39-95.

6. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. Москва, Атомиздат, 1966, с.504.

7. Яворский Б.М., Детлаф А.Н. Справочник по физике. М.: Наука, 1971, с. 211.

8. Дегальцев Ю.Г., Пономарев-Степной Н.Н., Кузнецов В.Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.15.

9. [7], с.213.

10. [7], с.207.

11. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1964, с.68.

12. [11], с.42.

13. Физические величины, справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991 ( табл. Менделеева).

14. Котельников Р. Б. и др. Высокотемпературное ядерное топливо. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, 1978, с.40.

15. Горбань Ю.А. и др. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т.22, вып.6, с.465-467.

16. [11], с.12.

17. [5], с.48.

18. [5], с.73.9