Способ определения максимальной температуры окисного топлива в сердечнике вентилируемого твэла термоэмиссионного элемента

 

Использование: атомная энергетика. Сущность изобретения: при испытаниях электрогенерирующего канала в реакторе измеряют тепловыделение (Q) в твэле и тепловыделение (q) конденсата топлива, вышедшего из твэла, в зависимости от времени, определяют по этим зависимостям для интересующего момента времени τ скорости изменения dQ/dτ и dq/dτ, измеряют давление P парогазовой смеси в межэлектродном зазоре ЭГЭ, а оценку максимальной температуры топлива в сердечнике твэла проводят по выражению M_о - начальная масса топлива в твэле; R - суммарное сопротивление газоотводного устройства; A и B - коэффициенты, зависящие от вида топливного материала; P - давление парогазовой смеси. 2 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной обработке твэлов, в частности электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК).

Главным этапом разработки вентилируемых твэлов являются петлевые испытания в исследовательских реакторах, где изучаются все специфические проблемы, связанные с созданием длительно работающих ЭГК. Одной из важнейших характеристик твэлов при испытаниях в исследовательском реакторе является максимальная температура (Т) топливного материала (ТМ), во многом определяющая работоспособность, стабильность и воспроизводимость характеристик ЭГК, свеллинговые процессы в твэлах и т.д.

Известны косвенные методы определения Т, например, пользуясь значениями температуры на оболочке ЭГЭ и тепловыделения в твэле, можно рассчитать температурные поля в топливном сердечнике ЭГЭ [1] Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения максимальной температуры ТМ, описанный в [2] Он включает измерение тепловыделения q_v и T_Е и оценки Т при известных λ и R_т по соотношению (1) для сплошного топливного цилиндра с источниками тепла: q_v плотность объемного тепловыделения в твэле; R_т радиус топливного цилиндра; λ теплопроводность ТМ; T_Е температура эмиттера.

Температуру эмиттера (Т_Е можно определить косвенными методами, например реперной точки, сравнения вольт-амперных характеристик для ЭГК, теплового баланса [3] Точность определения Т по выражению (1) зависит от точности определения l и Т_Е, которые во время испытаний определяются или известны с большой погрешностью. Так, теплопроводность l ТМ, используемая в соотношении (1), относится к структурно-чувствительным свойствам и, значит, l в зависимости от технологии изготовления, режимов работы и т.п. может отличаться в несколько раз от справочного значения [4] Аналогичным образом высока погрешность определения и Т_Е. Как показывают расчетные исследования [3] при определении Т_Е методом теплового баланса температура эмиттера зависит от приведенной степени черноты материалов эмиттера-коллектора, которая известна с большой погрешностью. В результате погрешность определения Т по (1) достаточно велика.

Положительным результатом, получаем при использовании изобретения, является повышение точности определения максимальной температуры ТМ, поскольку не требуется предварительного определения температуры эмиттера Т_Е и результаты не зависят от исходного и рабочего состояния ТМ и теплофизических свойств материалов эмиттера-коллектора.

Указанный технически результат достигается способом определения максимальной температуры (Т) окисного топлива в сердечнике вентилируемого твэла термоэмиссионного элемента, включающим измерение рабочих значений тепловой мощности и оценку максимальной температуры топлива в твэле, отличающимся тем, что в процессе испытаний измеряют зависимости тепловыделения (Q) в твэле и тепловыделения (q) конденсата топлива, вышедшего из твэла, от времени, определяют по этим зависимостям для интересующего момента времени t, скорости изменения dQ/dτ и dq/dτ,, измеряют давление (P) парогазовой смеси с межэлектродном зазоре ЭГЭ, а оценку максимальной температуры топлива в сердечнике твэла проводят по выражению

M_o начальная масса топлива в твэле [г]
R суммарное сопротивление газоотводного устройства [1/мм]
A и B коэффициенты, зависящие от вида топливного материала, для UO₂ A 1,68·10³², B 7,4·10⁸;
P давление парогазовой смеси [Па] τ [c]
На фиг. 1 представлен общий вид ЭГЭ, в котором может быть реализован данный способ определения максимальной температуры ТМ в сердечнике вентилируемого твэла, а на фиг. 2 график, поясняющий суть способа.

На фиг. 1 обозначено 1 конденсат топлива, вышедшего из твэла, 2 - система вентиляции, 3 топливо, 4 эмиттерная оболочка, 5 коллектор ЭГЭ, 6 коллекторная изоляция, 7 чехловая труба ЭГК, 8 датчик тепловой мощности в твэле, 9 датчик тепловой мощности, выделяемой в конденсате топлива, 10 - изоляция, 11 жиклер.

На фиг. 2 обозначено: N_A характерная кривая вывода реактора на мощность; Q кривая изменения тепловой мощности в твэле; q кривая изменения тепловой мощности, выделяемой в конденсате топлива.

Твэл (см. фиг. 1) содержит оболочку 4, заключающую ТМ 3, и систему вентиляции, выполненную в виде трубки 2 с капиллярным наконечником (жиклером) 11.

Способ реализуется следующим образом.

ЭКГ, представляющий собой последовательно соединенную сборку ЭГЭ, с системами регистрации 8, 9 тепловой мощности, выделяемой в твэле и конденсате ТМ 1, вышедшего из твэла, помещают в ячейку реактора.

В процессе вывода реактора на мощность N_A (фиг. 2) и затем в процессе работы реактора измеряют давление P парогазовой смеси в межэлектродном зазоре ЭГЭ, например, с помощью датчика давления. Измеряют изменение во времени тепловой мощности, выделяемой в твэле Q(τ), и тепловой мощности q(τ), выделяемой в конденсате ТМ. Для интересующего момента времени τ, определив по зависимостям Q(τ) и q(τ) (типа приведенных на фиг. 2) скорость изменения dQ/dτ и dq/dτ,, регистрируя суммарное давление парогазовой смеси в межэлектродном промежутке ЭГЭ (P), при известной начальной массе топлива в твэле М_о по выражению (2) оцениваем максимальную температуру в твэле.

Выражение (2) получено из выражения для потока молекул ТМ (m) в случае диффузии их в среде паров Сs 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.

где l₁ и r₁ длина и радиус отдельных участков газоотводного устройства соответственно.

Выражение для n_o можно получить из зависимости для стехиометричной UO₂ для равновесия между паровой и адсорбированной фазой [5]
lg P [мм рт.ст. 32258/Т + 12,183. (4)
Поток молекул ТМ (m) через систему вентиляции твэла можно определить также из соотношения
m = ρ·dv/dτ, (5)
где v объем конденсата топлива, вышедшего из ЭГЭ.

Тепловыделение конденсата топлива определим из соотношения
q v·q_v, (6)
q_v Q/V q/v (q + Q)/V_o, (7)
V_o и V начальный объем ТМ в твэле и текущее значение объема ТМ в твэле соответственно.

Продифференцировав (6) и используя (7), получим выражение для dv/dτ, откуда после небольших преобразований (5) получим выражение для m:

Используя известные выражения для L и w из [6] и n_o из формулы (4), по соотношениям (3) и (8) получим выражение (2) для Т.

В качестве примера рассмотрим использование способа определения Т для типичного ЭГЭ, где в качестве ТМ используется двуокись урана (UO₂).

Основное сопротивление газоотводного устройства 2 (фиг. 1) оказывает жиклер 11, сопротивление которого R l/r². Здесь l длина жиклера, r радиус жиклера. Для типичного ЭГЭ примем R 1600 1/мм.

Давление парогазовой смеси, регистрируемое в межэлектродном зазоре ЭГЭ (обычно 130-1500 Па), примем P 1330 Па.

Из анализа имеющихся экспериментальных данных по испытаниям энергонапряженных ЭГК примем для типичных режимов испытаний для момента времени τ тепловыделение в твэле Q 900 Вт и тепловыделение в конденсате ТМ q 0,2 Вт. Определяем по измеренной зависимости dq/dτ = 7·10^-8 Вт/с.. Зная первоначальную массу топлива в твэле М_o 33 г, определяем по выражению (2) Т 2511,3 К.

В данном примере уравнение (2) решалось итерационным методом [7]
Можно решать уравнение (2) и графически с помощью обратной функции. Выражение (2) преобразуем к виду

где m определяется выражением (8).

Построим зависимость m f(Т) для заданного R и P по выражению (9). Определив m по выражению (8), из графической зависимости m f(T) находим Т.

Литература
1. Корнилов В.А. и др. Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента. Атомная энергия, 1980, т.49, вып.6, с.393-394.

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

3. Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей. ТВТ, т. 12, N6, с.1267-1271, 1974.

4. Колядин В.И. и др. Теплопроводность двуокиси урана. Атомная энергия, т.36, вып.1, 1974г, с.59-60.

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 с. 84.

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

Формула изобретения

Способ определения максимальной температуры Т окисного топлива в сердечнике вентилируемого ТВЭЛа термоэмиссионного элемента, включающий измерение рабочих значений тепловой мощности и оценку максимальной температуры топлива в ТВЭЛе, отличающийся тем, что в процессе испытаний измеряют зависимости тепловыделения Q в ТВЭЛе и тепловыделения q конденсата топлива, вышедшего из ТВЭЛа, от времени, определяют по этим зависимостям для интересующего момента времени τ скорости изменения dQ/dτ и dq/dτ, измеряют давление Р парогазовой смеси в межэлектродном зазоре электрогенерирующего элемента, а оценку максимальной температуры топлива в сердечнике ТВЭЛа проводят по выражению

где М₀ начальная масса топлива в ТВЭЛе, г;
R суммарное сопротивление газоотводного устройства, мм^-1;
A и B коэффициенты, зависящие от вида топливного материала, для UO₂ A 1,68 · 10³², B 7,4 · 10⁸;
Р давление парогазовой смеси, Па.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2