Способ определения количества газообразных продуктов деления в межэлектродных зазорах термоэмиссионного твэла

 

Использование: в реакторной технике, преимущественно при проведении петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных твэлов. Сущность изобретения: непосредственно во время испытаний термоэмиссионного твэла в цезиевом режиме работы измеряют или оценивают межэлектродный зазор, перепад давления пара цезия вдоль твэла, температуры эмиттера и коллектора, а определение количества газообразных продуктов деления (ГПД) проводят по выражению, приведенному в описании. 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования энергия и к реакторной технике и может быть использовано при проведении петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных твэлов.

Известны методы определения состава и количества выделяющихся при реакторных испытаниях твэлов газообразных продуктов деления [1] Наибольшее распространение получили методы отбора проб газа, непосредственная прокачка выделяющихся газов через анализаторы и различного рода датчики.

Основной недостаток низкая точность из-за достаточной удаленности датчиков от объекта испытаний.

В качестве прототипа примем масс-спектрометрический способ контроля количества газов в процессе петлевых испытаний термоэмиссионного твэла многоэлементной электрогенерирующей сборки (ЭГС) [1] Он заключается в измерении или оценке состава выделяющихся газов, измерении суммарного давления газов и ионного тока коллектора масс-спектрометра и оценке количества газов.

Основной недостаток низкая точность из-за удаленности датчика от испытываемого твэла и большой погрешности предварительной тарировки масс-спектрометра, в частности из-за влияния давления откачиваемых газов.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно повышение точности.

Цель достигается предложенным способом контроля количества газообразных продуктов деления (ГПД), выходящих в межэлектродные зазоры (МЭЗ) термоэмиссионного твэла при реакторных испытаниях, включающим измерение или оценку состава выделяющихся газов при испытаниях твэла в цезиевом режиме и оценку количества ГПД, отличающимся тем, что измеряют МЭЗ δ, температуры электродов каждого элемента и перепад давления пара цезия ΔР_cs вдоль твэла, а оценку количества G выделяющихся ГПД производят по выражению G_гпд= (1) где m молекулярная масса ГПД; D cреднее значение коэффициента диффузии ГПД в пазе цезия; d_э диаметр эмиттера; n число элементов в ЭГС, k постоянная Больцмана; средняя температура ГПД в МЭЗ, равная средней температуре электродов; l_Σ- суммарная длина элементов в ЭГС.

Способ поясняется чертежом.

ЭГС 1 состоит из отдельных элементов, каждый из которых содержит эмиттерную оболочку 2, топливный сердечник 3, коммутационную перемычку 4, коллектор 5. Элемент снабжен тем или иным типом газоотводного устройства (ГОУ), на чертеже приведена конструктивная схема вывода ГПД через соединяющиеся между собой сквозные центральные отверстия 6 в топливе и узлы 7 сопряжения, позволяющие электрически изолировать элементы друг от друга изолятором 8, например, в виде керамической втулки, и одновременно обеспечить термические расширения. В составе ЭГС 1 имеется коллекторная изоляция 9 и несущая трубка (чехол) 10, с которой снимается отбросное тепло термодинамического цикла. ЭГС 1 расположен внутри петлевого канала 11, снабженного системами, обеспечивающими испытания, в частности генератором 12 пара цезия, термопарами 13 для измерения температуры чехла, датчиками 14 давления пара цезия, установленными с двух концов ЭГС, узлом 15 подсоединения к вакуумной системе, которая может быть оснащена масс-спектрометром 16 и т.п. МЭЗ-позиция 17.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

В процессе изготовления ЭГС 1 измеряются наружный диаметр эмиттерной оболочки 2 и внутренний диаметр коллектора 5 и тем самым МЭЗ 17. После установки петлевого канала 11 в ячейку исследовательского реактора он узлом 15 подсоединяется к внешней вакуумной системе, производится вакуумирование МЭЗ 17. Мощность реактора поднимают до уровня, при котором температура эмиттера Т_е равна рабочей, определение Т_е производится одним из известных методов, например, теплового баланса. Температура коллектора Т_с определяется по измеренной с помощью термопар 13 температуре чехла 10. В МЭЗ 17 ЭГС 1 из генератора 12 пара цезия подается пар цезия оптимального давления (1-10 мм рт. ст. ), которое контролируется датчиком 14. ЭГС 1 генерирует электроэнергию, которая регистрируется на внешней нагрузке (на чертеже не показано). В таком режиме проводятся ресурсные испытания. При делении ядер топлива в нем образуются осколки деления, причем ГПД выходят в отверстие 6 топливного сердечника и далее, в зависимости от схемы ГОУ, полностью или частично (из-за негерметичности узла 7 сопряжения) попадают в МЭЗ 17. Попавшие в МЭЗ ГПД за счет процессов диффузии в паре цезия выходят из ЭГС 1 и затем удаляются в вакуумную систему. Таким образом, в МЭЗ 17 ЭГС 1 существует перепад давления ГПД, а следовательно, и противоположный перепад давления пара цезия. Измерив с помощью датчика 14 перепад давления пара цезия ΔР_сs, по (1) определяют количество ГПД, вышедших в МЭЗ ЭГС. Необходимый состав ГПД обычно известен априори (ксенон, криптон) или может быть измерен с помощью масс-спектрометра 16 или аналогичного датчика состава откачиваемых газов. Температура ГПД в МЭЗ находится как среднее значение Т_е и Т_с. В процессе испытаний МЭЗ может изменяться, например, из-за распухания топливно-эмиттерного узла, поэтому периодически он измеряется одним из известных методов и производится оценка выхода ГПД по (1).

Формула (1) получена из следующих соображений.

В ЭГК, состоящем из n ЭГЭ с полным или частичным выводом ГПД в МЭЗ, существует встречный поток пара цезия и ГПД. В результате парциальное давление ГПД в МЭЗ увеличивается в сторону, противоположную входу пара цезия, а давление пара цезия снижается. В установившемся режиме суммарное давление ГПД и пара цезия постоянно вдоль ЭГК. Выходящие ГПД распространяются вдоль МЭЗ, заполненного паром цезия, за счет процесса диффузии, который описывается уравнением G πd_Еδ·D (2) где G масса ГПД, проходящая вдоль МЭЗ в единицу времени; dρ/d_z градиент плотности ГПД вдоль МЭЗ элемента. Предлагаемая линейное распределение плотности по длине МЭЗ и используя соотношение ρ m/KТ, получим G πd_EδDρΔpm/(kте) (3) где Δр перепад давления вдоль МЭЗ элемента; l длина МЭЗ. Выражение (3) для i-го по ходу ГПД элемента с учетом накопления ГПД от предыдущих элементов перепишется в виде G_i= πd_ЕδD_iΔP_im/(kT_il_i), j∈ [1,i] (4) где ΔР_i перепад давления ГПД на i-м элементе длиной li.

Чтобы получить интересующий нас суммарный перепад давления вдоль всего ЭГК просуммируем правую и левую части (4) по всем элементам и в предположении пренебрежимо малом гидравлическом сопротивлении межэлементных промежутков будем иметь G_j= πd_ЕδmP_Σ/(l_Σk), (5) где и средние по МЭЗ всех элементов коэффициенты диффузии и температуры ГПД; ΔP _Σ суммарный вдоль ЭГК перепад давления; l _Σ суммарная длин МЭЗ всех элементов ЭГК.

Учитывая, что G_j= (n+1-i)G_i= G_i= G_Σ (6) формула (5) перепишется в виде G_Σ= ΔP_Σ (7) Приняв G _Σ G_гпд ΔP _Σ= ΔР_сs и опустив знаки усреднения для D и Т, получим (1).

Значения m и D рассчитываются по общеизвестным формулам для известного состава ГПД.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет контролировать выход ГПД в МЭЗ в процессе испытаний с повышенной точностью, что в свою очередь обеспечивает возможность прогнозирования ресурса ЭГС по процессам, связанным с управлением эмиссионной поверхности электродов осколками деления; возможность оценки качества герметизирующих узлов при удалении ГПД, минуя МЭЗ; возможность регистрации залповых выбросов ГПД вследствие различного рода отказов и нарушений режимов нормального функционирования различного рода ГОУ.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ В МЕЖЭЛЕКТРОДНЫХ ЗАЗОРАХ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ТВЭЛА, включающий измерение состава выделяющихся газообразных продуктов деления в цезиевом режиме реакторных испытаний и оценку их количества, отличающийся тем, что с целью повышения точности, измеряют межэлектродный зазор δ(м), измеряют или оценивают температуры эмиттера T_э(К) и коллектора T_с(К), измеряют перепад давления пара цезия ΔP_cs(Па) вдоль твэла, а оценку количества G_г.п.д газообразных продуктов деления, выходящих в межэлектродные зазоры, осуществляют из соотношения

где m молекулярная масса газообразных продуктов деления, кг/моль;
D коэффициент диффузии газообразных продуктов деления в паре цезия;
d_э диаметр эмиттера, м;
n число элементов в твэле;
k постоянная Больцмана;
T(T_э + T_с) /2, К;
l_Σ -суммарная длина межэлектродных зазоров элементов в твэле, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1