Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла

 

Использование: атомная энергетика. Сущность изобретения: в процессе испытаний вентилируемого твэла в реакторе определяют скорость выноса топливного материала (ТМ) из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение заданного отрезка времени, определяют изменение массы ТМ в твэле, оценивают максимальную температуру (Т_o) топлива, а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению где q_v - плотность тепловыделения в ТМ; Т_e - температура оболочки твэла; r_c - радиус топливного сердечника; ε_r - относительное объемное содержание ТМ в твэле. 1 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке высокотемпературных твэлов, в том числе термоэмиссионных.

Одним из основных этапов разработки твэлов с системой вывода летучих и газообразных продуктов деления (ГПД) через вентилируемое устройство, выполненное, например, в виде газоотводной трубки, являются петлевые испытания в исследовательских реакторах, где изучаются все специфические проблемы, связанные с созданием длительно работающих тепловых и электрогенерирующих сборок.

Контролирование фундаментальной характеристики-теплопроводности топливного материала (ТМ) твэла во многом определяет достоверность получаемых экспериментальных результатов.

В основе большинства методов измерения теплопроводности лежит определение количества теплоты, прошедшей через измеряемый образец. Наиболее простым методом определения теплопроводности следует считать сравнительный метод. Он относится к стационарным методам и заключается в том, что количество теплоты, прошедшее через исследуемый образец, определяется из известных параметров эталонного образца, находящегося в идеальном контакте с исследуемым образцом [1] Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения теплопроводности оксидного топлива, описанный в [2] Способ включает размещение таблеток из UO₂ или твэла из UO₂ в специальном измерительном устройстве, реакторные испытания устройства с измерением плотности объемного тепловыделения в ТМ, измерение температуры наружной поверхности твэла и оценку теплопроводности диоксида урана.

Теплопроводность ТМ относится к структурно чувствительным свойствам, зависящим от ряда факторов: температуры, плотности, стехиометрического состава, технологии изготовления и т.д.

Поэтому определение теплопроводности UO₂ в исходном, например, спеченном, состоянии может существенно отличаться от ее значения в рабочем состоянии, так как в высокотемпературных твэлах, каким является и термоэмиссионный твэл, в начале работы происходит переконденсация топлива, с перестройкой структуры топлива, изменением плотности, стехиометрии и другими эффектами, существенно влияющими на теплопроводность.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения теплопроводности ТМ, поскольку результат не зависит от исходного и рабочего состояния ТМ.

Указанный технический результат достигается способом определения коэффициента теплопроводности (λ) оксидного ТМ для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности (q_v) в ТМ сердечника твэла, температуры оболочки твэла (Т_Е) и оценку коэффициента теплопроводности ТМ, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса (J) ТМ из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение (q) в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление (Р) парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени (Δτ), удолетворяющего неравенству определяют изменение массы ТМ ((Δm)) в твэле, оценивают максимальную температуру (Т_o) топлива из выражения а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению
где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом ТМ, вышедшего из твэла [Вт]
ρ- плотность ТМ [кг/м³]
R суммарное сопротивление системы вентиляции [1/м]
А и В коэффициенты, зависящие от вида ТМ (для UO₂ A=1,68·10³², B 7,4·10⁸);
r_c радиус топливного сердечника [м]
ε_r относительное объемное содержание ТМ в твэле;

На чертеже представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента (ЭГЭ), в котором может быть реализован данный способ определения коэффициента теплопроводности ТМ.

На чертеже обозначено: 1 конденсат ТМ, вышедшего из твэла; 2 система вентиляции; 3 ТМ; 4 оболочка твэла (эмиттерная оболочка ЭГЭ); 5 - коллектор ЭГЭ; 6 коллекторная изоляция; 7 чехловая труба ЭГК; 8 датчик тепловой мощности, выделяемой в твэле; 9 датчик тепловой мощности, выделяемой в конденсате ТМ вне твэла; 10 изоляция; 11 жиклер.

Способ реализуется следующим образом.

ЭГК, представляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ с системами регистрации 8 и 9 тепловой мощности, выделяемой в ТМ 3 твэла и вышедшем конденсате 1, помещают в ячейку реактора.

В процессе работы реактора регистрируют по показаниям датчика 8 тепловыделение Q в ТМ 3 твэла и по показанию датчика 9 тепловыделения q в конденсате 1. Определяют изменение во времени тепловыделения в конденсате 1 (dq/dτ),, используя показания датчика 9. Определяем скорость выноса ТМ 3 из твэла (J) через систему вентиляции, используя соотношение

где М_o первоначальная масса ТМ 3 в твэле.

Плотность тепловыделения в ТМ (q_v определяем, замеряя тепловыделения Q и q по показаниям датчиков 8 и 9, по соотношению

После вывода реактора на мощность, при которой планируется измерение коэффициента теплопроводности ТМ, производят выдержку в течение времени Δτ в соответствии с неравенством (1). В (1) d_q известная погрешность измерения тепловой мощности, являющаяся характеристикой датчика 9.

За время Δτ определяет изменение массы ТМ (Δm) в твэле, вышедшего через систему вентиляции, с помощью соотношения
Δm= Δq·ρ/q_v, (5)
где Δq изменение тепловой мощности, регистрируемое показаниями датчика 9.

Регистрируем суммарное давление парогазовой смеси в межэлектродном промежутке ЭГЭ (Р).

После чего по выражению (2) оцениваем максимальную температуру в твэле (Т.).

Определяем температуру эмиттерной оболочки Т_E (например, методом реперной точки или методом сравнения вольт-амперных характеристик [4]) и по уравнению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле.

Выражения (2), (3) для оценки коэффициента теплопроводности ТМ в твэле получены следующим образом.

Выражение (2) получено из выражения для потока молекул ТМ (Δm/Δτ) в случае диффузии их в среде паров С_s и газообразных продуктов деления из топливного сердечника ЭГЭ через систему вентиляции, используя первый закон Фика

где W средняя скорость теплового движения молекул ТМ;
L средняя длина свободного пробега молекул ТМ в парогазовой смеси;
n_o концентрация пара ТМ в сердечнике ЭГЭ;
m_тм масса молекулы ТМ;
R сопротивление газоотводного устройства.

R = Σ l₁/r²_i , (7)
где l_i и r_i длина и радиус отдельных участков газоотводного устройства соответственно.

Выражение для n_o в зависимости от Т_o можно получить из выражения равновесия между паровой и адсорбированной фазой стехиометричного UO₂ [5]
lgP [мм рт.ст. -32258/Т + 12,183. (8)
Используя известные выражения для L и W из [6] и n_o из формулы (8), из (6) получаем выражения (2) для максимальной температуры ТМ в твэле (Т_o).

Уравнение для коэффициента теплопроводности ТМ в твэле (3) получаем, используя формулу для расчета температурных полей полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности (7). В уравнении (3) использовано выражение для Т_o из (2) и соотношение
1-ε_r= r²_o/r²_c,
где r_o внутренний радиус полого топливного цилиндра (см. чертеж).

В качестве примера рассмотрим использование способа определения λ для типичного ЭГЭ, где в качестве ТМ используется диоксид урана.

Пусть радиус топливного сердечника r_c 5·10^-3, относительное объемное содержание ТМ в твэле e_r= 0,7 0,7 и первоначальная масса ТМ в твэле М_o 33·10^-3 кг.

Положим, что датчики тепловой мощности 8 и 9 (см. чертеж) в сумме показывают тепловую мощность, выделяемую в ТМ, q+Q=1800 Вт, а скорость измерения тепловой мощности, измеряемая по показанию датчика 9, dq/dτ=5,46·10^-6 Вт/с. 5,46 · 10^-6 Вм/с.

Тогда по соотношению (4) получим J 10^-10 кг/с.

Исходя из опыта эксплуатации датчиков, примем погрешность измерения тепловой мощности датчика 9 δ_q. Таким образом, измерив тепловыделение в ТМ q+Q, зная M₀ и ρ ТМ, имеем q_v 6·10⁸ Вт/м³.

По соотношению (1) оцениваем минимальное время выдержки (Δτ_min) при постоянной тепловой мощности
Δτ_min= 3,66·10³c.
Принимаем, в соответствии с неравенством (1), время выдержки Δτ= 10⁶ с 10⁶ c. Регистрируем приращение тепловой мощности Δq за отрезок времени Δτ по показаниям датчика 9. Из анализа типичных результатов испытаний примем Dq= 5,45 Вт 5,45 Вт.

Зная плотность тепловыделения в ТМ (q_v), определяем приращение массы Δm=10^-4 кг по соотношению (5) Δm 10^-4 кг. Основное сопротивление газоотводного устройства 2 (см. чертеж) оказывает жиклер 11, сопротивление которого R l/r² (здесь l длина жиклера, r радиус жиклера). Для типичного ЭГЭ R 1,6·10⁶ 1/м. Давление парогазовой смеси, регистрируемое в системе вентиляции, примем Р 1330 Па.

По выражению (2) оцениваем максимальную температуру (Т_o). Уравнение (2) можно решить, например, итерационным методом [8] Получаем Т_o 2860 К.

Определив температуру эмиттерной оболочки Т_E (например, Т_E 2273 К), по выражению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле λ= 2,16 Вт/(м·град) 2,16 Вт/(м·град).

Таким образом, предложенный метод позволяет определить коэффициент теплопроводности оксида урана непосредственно в рабочих условиях с учетом перестройки структуры топлива, а также влияния возможных легирующих добавок.

1. Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. А.С.Охотина. М. Энергоатомиздат, 1984 г. с.19.

2. Спиридонов Ю.Г. и др. Внутриреакторные исследования теплофизических характеристик твэлов на основе UO₂. Сборник докладов на юбилейной конференции ХХ лет атомной энергетики, том 2, с.3-5, ФЭИ, г.Обнинск, 1974.

3. С. Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Из-во "Мир", М. 194, с. 79.

4. Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионых преобразователей. ТВТ, т. 12, N 6, с.1267-1271, 1974.

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

6. С.Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Мир, М. 1964, с.68 и 84.

7. Займовский А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М. Атомиздат, 1966, с.504.

8. Г. Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Издание второе, М. 1970, с.572.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности q_v в топливном материале сердечника твэла, температуры оболочки твэла T_ε и оценку коэффициента теплопроводности топливного материала, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса J топливного материала из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение q в конденсате топливного материала, вышедшего из твэла, и давление P парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени Dt, определяемого из выражения

определяют изменение массы топливного материала Δm в твэле, оценивают максимальную температуру T₀ топлива из соотношения

а оценку коэффициента теплопроводности λ топливного материала в твэле производят по уравнению

где δ_q погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом топливного материала, вышедшего из твэла, Вт;
ρ плотность топливного материала, кг/м³;
R суммарное сопротивление системы вентиляции, 1/м;
A и B коэффициенты, зависящие от вида топливного материала (для VO₂ A 1,68·10³², B 7,4·10⁸);
r_с радиус топливного сердечника, м;
e_r относительное объемное содержание топливного материала в твэле:
Δτ[c]; Δm[кг]; J [кг/с] q_v [Вт/м³] T_Ε[K]; T₀ [K]

РИСУНКИ

Рисунок 1