Петлевое устройство для испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок

 

Назначение: термоэмиссионное преобразование энергии. Сущность изобретения: для исключения образования дополнительного источника пара цезия ("ложного" термостата) в цезиевом тракте газорегулируемый зазор вблизи границы активной части электрогенерирующей сборки выполняется профилированным. 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и реакторной теплофизике и может быть использовано при лабораторных и реакторных исследованиях термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), термоэмиссионных и других твэл.

Реакторные испытания твэл, в том числе термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), являются важнейшим этапом отработки реактора и энергетической установки. Такие испытания проводятся в исследовательских ядерных реакторах (ЯР) с помощью специальных петлевых устройств (ПУ), называемых чаще петлевыми каналами (ПК).

Известны ПК для реакторных испытаний ЭГС (Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. В. В. Синявский и др. Атомиздат, 1981, с. 24-28). Основное назначение ПК обеспечение близких к условиям эксплуатации условий испытаний ЭГС (по тепловыделениям, температурам электродов, давлениям пара цезия и др.). С этой точки зрения в ПК можно выделить следующие характерные системы: обеспечения энерговыделения, теплосъема и терморегулирования; обеспечения параметров межэлектродной среды; вывода электрической энергии; контроля и измерения характеристик ЭГС и систем ПК.

В качестве прототипа примем конкретное ПУ для испытаний ЭГС реактора "Топаз" в активной зоне первой АЭС (там же, с.27-28, рис.2.10).

ПУ состоит из корпуса, внутри которого размещена охлаждаемая теплоносителем (водой) реактора система теплосброса (СТС), выполненная с возможностью установки внутри нее ЭГС. СТС, в свою очередь, содержит систему терморегулирования, представляющую собой малый зазор (доли миллиметра), который может вакуумироваться или заполняться газом (смесью газов). Температура коллектора регулируется изменением давления газа или соотношения компонентов газа в этом зазоре. Токовые выводы изолированы от массы и выводятся из цезиевого пространства через вакуумно плотные металлокерамические узлы. Надежность работы таких узлов повышают посредством создания вокруг них с наружной стороны страховочной форвакуумной или высоковакуумной полости. Температурный режим узлов ПУ поддерживается либо с помощью специальных встроенных электронагревателей, либо за счет радиационного тепловыделения в материалах этих узлов.

Наиболее слабым узлом такого ПК является участок системы теплосброса вблизи границы активной (тепловыделяющей) части ЭГС и ее токовывода. Это связано с тем, что в этом месте наблюдается резкое изменение плотности теплового потока, проходящего через газовый зазор СТС, а следовательно, перепада температур на нем при прочих равных условиях, пропорциональных проходящему тепловому потоку. Особенно существенна эта разница при испытаниях энергонапряженных ЭГС. Так как СТС охлаждается теплоносителем (водой) реактора при примерно одной и той же температуре вдоль всего ПУ, существенная разница в перепаде температур на газовом зазоре СТС приводит к резкому снижению температуры внутренней стенки цезиевого тракта вблизи границы активной части ЭГС токовывода. В результате возможно появление участка тракта с температурой ниже температуры источника пара цезия. Результат известен - образование "ложного" термостата с невозможностью продолжения нормальных режимов испытаний. Такой случай подробно рассмотрен в книге В.В. Синявского "Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов", М. Энергоатомиздат, 1990, с. 144,145, рис. 5-И. Поэтому при проектировании ПУ стоит задача не допустить снижения температуры тракта ниже температуры источника пара цезия.

Предлагается ПУ, содержащее корпус, внутри которого размещены источник пара цезия, цезиевый тракт и охлаждаемая теплоносителем исследовательского реактора СТС, выполненная с возможностью размещения внутри нее испытываемой ЭГС с токовыводами, причем внутри СТС имеется зазор, заполняемый газом или смесью газов, отличающееся тем, что зазор выполнен профилированным, причем ширина зазора выбрана по соотношению , (1) где d_н.т. диаметр несущей трубки; T^mi_csⁿ минимально допустимая температура цезиевого тракта; Т_в температура охлаждающего теплоносителя; λ_г коэффициент теплопроводности газа; g(Z) погонная мощность тепловыделения.

На чертеже приведена схема ПУ. Оно содержит корпус 1, внутри которого размещены источник пара цезия 2, цезиевый тракт 3 и СТС 4. Внутри СТС при испытаниях размещается ЭГС 5, состоящая из отдельных ЭГЭ 6, каждый из которых содержит топливно-эмиттерный узел 7, коллектор 8 и коммутационную перемычку 9. ЭГС имеет общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию 10 и чехол 11. Крайние ЭГЭ имеют токовыводы 12 и 13, один из которых электроизолирован от чехла 11, проходит внутри цезиевого тракта 3 и через специальный гермовводный вывод 14 выводится из цезиевого тракта 3 в страховочную полость 15. СТС 4 имеет зазор 16, который может вакуумироваться или заполняться газом, например гелием, разного давления (или смесью газов). Этот зазор 16, который размещен вдоль ЭГС 5 и ее токовыводов 12 и 13, спрофилирован напротив токовыводов 12 и 13 (участки зазора 17 и 18 соответственно). Снаружи СТС 5 охлаждается водой 19 реактора. Петлевое устройство снабжено также системами вакуумирования, подачи газа, измерений параметров и другими, которые на чертеже не показаны.

Устройство работает следующим образом.

После установки ПУ с ЭГС 5 в ячейку исследовательского реактора его мощность поднимают до требуемого уровня. В межэлектродные зазоры 20 ЭГС 5 из источника пара цезия 2 подают пар цезия при рабочем давлении, температура насыщения которого равна Т_cs.

В зазор 16,17 и 18 подают газ с давлением P_г. В топливе узла 7 выделяется тепло, часть которого преобразуется в электроэнергию, а непреобразованная часть (≈ 90%) попадает на коллектор 8 и, далее пройдя через зазор 16, сбрасывается на теплоноситель 19. В результате перепада температур на зазоре 16 температура коллектора Т_c≥T_cs. Через участки 17 и 18 зазора вдоль токовыводов тепловой поток значительно меньше (чем генерации тепла за счет деления ядер урана). Однако благодаря профилированию зазора на участках 17 и 18 и здесь температура тракта, внутри которого находится пар цезия, выше Т_cs.

Рассмотрим систему уравнений теплового баланса для участка ПУ вблизи границы тепловыделяющей части ЭГС и токовывода.

Для радиальной теплопередачи погонная плотность тепловыделения в токовыводе g(Z) будет одной и той же (с некоторой погрешностью), в зазоре между токовыводом и несущей трубкой (g₁), в несущей трубке (g₂), в гелиевом зазоре, который нам необходимо профилировать (g₃), в корпусе ПК (g₄) и на участке корпус охлаждающий теплоноситель (g₅ значение g(Z) определяется как q(z) = q_дж + q_γ (2) где g_дж джоулево тепловыделение, q_γ тепловыделение от g-захвата в материале токовывода.

С небольшой погрешностью
g(Z)=g₁=g₂=g₃=g₄=g₅. (3)
Учитывая, что нас не интересует перепад температуры между токовыводом и несущей трубкой и основной перепад температур будет в газорегулируемом зазоре, уравнение (3) перепишем в виде
g(Z) g₃
или
. (4)
Принимая значение температуры корпуса Т_к равным температуре охлаждающего теплоносителя T_в, а значение T^mi_csⁿ как минимально допустимое значение температуры насыщения пара цезия при соответствующем давлении из (4), получим (1).

В качестве сведений, подтверждающих эффективность и техническую реализуемость предложенного решения, рассмотрим типичное ПУ для испытаний ЭГС при токе 100 А, с КПД примерно 10% при температуре охлаждающей воды 40^oC и рабочем давлении пара цезия 4-6 мм рт.ст. соответствующего Т_cs ≈ 360^oC. Токовывод диаметром 6 мм с толщиной стенки 1,5 мм сделан из ниобия, γ-нагрев в котором равен 188 Вт/м. При токе 100 А суммарная погонная мощность составит 425 Вт/м.

Рассмотрим 3 варианта газового заполнения регулировочного зазора: гелием, смесью гелий-азот (50% на 50%) и воздухом. Получены соответственно следующие значения:
d_не/r_н.т.≥2,63;
;
δ_возд/r_н.т.≥0,28.

Для последнего случая при r_н.т. 12 мм будем иметь δ_возд≥ 3,36 мм. В случае меньшего зазора возможна конденсация пара цезия на внутренней стенке несущей трубки с образованием дополнительного источника пара цезия ("ложного" термостата).

Таким образом, предложенное ПУ позволяет обеспечить надежные испытания ЭГС за счет исключения возможности образования "ложного" термостата в цезиевом тракте вблизи границы активной части ЭГС, где по конструктивным и технологическим соображениям, как правило, невозможно установить электронагреватели этого участка тракта.

Формула изобретения

Петлевое устройство для испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, содержащее корпус, в котором размещены источник пара цезия, цезиевый тракт и охлаждаемая теплоносителем исследовательского реактора система теплосброса, выполненная с возможностью размещения внутри нее испытуемой термоэмиссионной сборки, с токовыводами, причем система теплосброса содержит кольцевой зазор, заполняемый газом или смесью газов, отличающееся тем, что зазор выполнен профилированным, причем ширина зазора напротив токовыводов выбрана из соотношения

где δ(Z) ширина кольцевого зазора, заполняемого газом, в сечении Z, м;
d_н.т внутренний диаметр цезиевого тракта, м;
минимально-допустимая температура внутренней стенки цезиевого тракта, К;
T_в температура теплоносителя, К;
q(z) погонная мощность тепловыделения внутри цезиевого тракта в сечении Z, Вт/м;
λ_г коэффициент теплопроводности, газа, Вт/м·град.

РИСУНКИ

Рисунок 1