Способ определения электрической прочности коллекторного пакета термоэмиссионной электрогенерирующей сборки

 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС). Сущность изобретения: во время реакторных испытаний ЭГС с одним изолированным токовыводом измеряют генерируемую ЭГС электрическую мощность в рабочей точке, измеряют для каждого электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) значение сбрасываемой тепловой мощности в рабочей точке и в точке короткого замыкания, регистрируют их разность и определенные из элементов считывают короткозамкнутыми, снимают вольтамперную характеристику (ВАХ) для регистрации электрического пробоя, регистрируют во время съема ВАХ напряжение пробоя, определяют номер ЭГЭ, где произошел пробой, а определение электрической прочности коллекторного пакета производят по определенному выражению.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС).

Важнейшим этапом создания ТРП является отработка ЭГС при петлевых реакторных испытаниях.

Известен способ контроля характеристик пробоя коллекторной изоляции (коллекторного пакета - КП) ЭГС с помощью формул теории возмущения [1]. Он основан на измерении потенциала шин (токовыводов) на краях ЭГС относительно ее чехла (корпуса). При появлении пробоя КП произойдет резкое изменение (уменьшение) сопротивления КП и перераспределение потенциалов шин на краях ЭГС. Из анализа изменения этих потенциалов можно определить поводимость утечек тока и примерное место пробоя КП.

Однако этот способ может быть реализован лишь при наличии двух изолированных токовыводов (шин) ЭГС, хотя очень часто для упрощения конструкции петлевого канала (ПК) и испытаний используют ЭГС с одним изолированным токовыводом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения электрической прочности коллекторного пакета ЭГС с одним изолированным токовыводом при петлевых реакторных испытаниях, описанный в [2]. Он включает съем во время реакторных испытаний вольт-амперных характеристик (ВАХ) в два цикла, регистрации во время съема ВАХ первого цикла напряжения пробоя V_пр, определение при съеме ВАХ во втором цикле номера k электрогенерирующего элемента (ЭГЭ), где произошел пробой, оценку количества n_кэ короткозамкнутых ЭГЭ между изолированным токовыводом и ЭГЭ, где произошел пробой, оценку числа n_р работоспособных (не короткозамкнутых) ЭГЭ и определение электрической прочности КП по выражению V_эп = (k - n_кэ)/V_пр/n_р. (1) Однако этот способ обладает достаточной точностью лишь в случае, когда известно количество короткозамнутых элементов между изолированным токовыводом и ЭГЭ, где произошел пробой, и, следовательно, число работоспособных ЭГЭ в ЭГС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности за счет обеспечения возможности определения количества короткозамкнутых элементов между изолированным токовыводом и ЭГЭ, где произошел пробой, и числа работоспособных ЭГЭ в ЭГС.

Указанный технический результат достигается в способе определения электрической прочности коллекторного пакета термоэмиссионной ЭГС, включающем съем во время реакторных петлевых испытаний ЭГС с одним изолированным токовыводом ВАХ для регистрации электрического пробоя, регистрацию во время съема ВАХ напряжения электрического пробоя V_пр, определение номера k ЭГЭ, где произошел пробой. оценку количества n_кэ короткозамкнутых ЭГЭ между изолированным токовыводом и ЭГЭ, где произошел пробой, оценку числа n_р работоспособных ЭГЭ и определение электрической прочности коллекторной изоляции по формуле (1), в котором до съема ВАХ для регистрации пробоя измеряют генерируемую электрическую мощность W ЭГС в рабочей точке, измеряют значения сбрасываемой каждым ЭГЭ тепловой мощности Q_i в рабочей точке и Q_i^* в точке короткого замыкания, регистрируют для каждого ЭГЭ разность ΔQ_i= Q^*_i-Q_i сбрасываемых тепловых мощностей в точке короткого замыкания и в рабочей точке, фиксируют в виде короткозамкнутых те из ЭГЭ, для которых выполняется условие где n - число ЭГЭ в ЭГС.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения электрической прочности КП ЭГС по (1) в конце петлевых испытаний осуществляют санкционированный пробой КП с целью определения электрической прочности КП в рабочих условиях (температуры, тепловые потоки, наличие радиационного облучения и пара и плазмы цезия).

До начала эксперимента по пробою необходимо определить количество короткозамнутых n_кэ и соответственно работоспособных n_р ЭГЭ. Для этого регистрируют генерируемую электрическую мощность W ЭГС в рабочей точке, в качестве которой как правило выбирают оптимальную рабочую точку с максимальным значением генерируемой электрической мощности, измеряют для каждого ЭГЭ значение сбрасываемой тепловой мощности Q_i в рабочей точке и Q_i^* в точке короткого замыкания. Измерение сбрасываемой тепловой мощности производят или с помощью встроенных в петлевой канал секционированных калориметров или по измеряемой разности температур на гелиевом зазоре системы теплосброса петлевого канала. С учетом того, что в точке короткого замыкания электрическая мощность близка к нулю, для работоспособных ЭГЭ значение Q_i^* будет больше Q_i примерно на генерируемую этим ЭГЭ электрическую мощность, т.е. отношение ΔQ_i/Q_i будет примерно равно значению КПД преобразования энергии этим ЭГЭ (с погрешностью до джоулевых потерь на коммутационной перемычке и электродах). Для короткозамкнутых ЭГЭ, которые не генерируют электроэнергию, значения Q_i^* и Q_i будут примерно равны. Поэтому, если сравнить ΔQ_i/Q_i каждого ЭГЭ с значением КПД всей ЭГС, которое может быть записано в виде то с большой вероятностью можно определить ЭГЭ, которые можно считать работоспособными, а какие - короткозамкнутыми. С учетом того, что ЭГС может испытываться в неравномерном поле тепловыделения (с минимальным значением до 0,6 - 0,85 от максимального), а рабочая точка может не соответствовать точке ВАХ с максимальным уровнем генерируемой электрической мощности, КПД отдельного ЭГЭ, например на краях ЭГС, может отличаться от КПД ЭГС в 2-4 раза. Поэтому в формулу (2) введен коэффициент "0,2".

Проанализировав с помощью (2) работоспособность каждого ЭГЭ, зафиксируем как количество короткозамкнутых ЭГЭ, (и соответственно работоспособных n_р ЭГЭ) так и их координаты (для определения n_кэ).

Далее выполняют санкционированный пробой КП. Для ЭГС с одним изолированным токовыводом измерение V_пр совмещают с медленным съемом статической ВАХ в сторону увеличения напряжения с одновременным измерением температур корпуса (чехла) ЭГС. Величину V_пр регистрируют по максимально достигнутому напряжению V_макс, при котором произошло резкое увеличение обратного тока с соответствующим снижением напряжения. Сразу же после скачка напряжения и тока для уменьшения вероятности теплового пробоя и разгерметизации КП рабочее напряжение уменьшают примерно до нуля, чтобы погасить разряд. Из анализа температурных полей корпуса (чехла) ЭГС определяют номер k ЭГЭ, где произошел пробой. Если не удалось точно установить номер ЭГЭ, где произошел пробой, то повторяют съем статической ВАХ, возможно даже небольшой ее участок, с измерением температурного поля чехла ЭГС. При съеме второй ВАХ за счет появления тока утечки через место пробоя, и соответственно, увеличенного на мощность утечки сбрасываемым этим ЭГЭ тепловой мощности, произойдет повышение температуры чехла напротив ЭГЭ, где произошел пробой. Из сравнения температурного поля чехла при съеме первой и второй ВАХ легко фиксируется увеличение температуры чехла напротив ЭГЭ, где произошел пробой, т.е. место пробоя. Тем самым будет определено значение k, а зная координаты короткозамкнутых ЭГЭ и k, будет оценено количество n_кэ короткозамкнутых ЭГЭ между изолированным токовыводом и ЭГЭ, где произошел пробой. После четкой регистрации номера ЭГЭ, где произошел пробой, съем второй ВАХ может быть прекращен, тем самым будет исключен тепловой пробой и возможность разгерметизации КП с попаданием пара цезия в страховочную полость петлевого канала. В результате известны все параметры, необходимые для определения электрической прочности КП по (1) в рабочих условиях.

Таким образом, предложенный способ определения электрической прочности коллекторного пакета (коллекторной изоляции) ЭГС с одним изолированным токовыводом при петлевых реакторных испытаниях позволяет повысит точность с одновременным обеспечением безаварийности проведения санкционированного пробоя коллекторной изоляции.

Источники информации 1. Синявский В. В. Методы определения характеристики термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.124-125.

2. Там же, с.126-127.

Формула изобретения

Способ определения электрической прочности коллекторного пакета термоэмиссионной электрогенерирующей сборки, включающий съем во время реакторных петлевых испытаний термоэмиссионной электрогенерирующей сборки с одним изолированным токовыводом вольтамперной характеристики для регистрации электрического напряжения, регистрацию во время съема вольтамперной характеристики напряжения электрического пробоя V_пр, В, определение номера k электрогенерирующего элемента, где произошел пробой, оценку количества п_кэ короткозамкнутых элементов между изолированным токовыводом и электрогенерирующим элементом, где произошел пробой, оценку числа п_р работоспособных электрогенерирующих элементов и определение электрической прочности коллекторной изоляции V_эп, В, по выражению V_эп = (k - п_кэ) V_пр / п_р,
отличающийся тем, что до съема вольтамперной характеристики для регистрации пробоя измеряют генерируемую электрическую мощность электрогенерирующей сборки в рабочей точке, измеряют значения сбрасываемой каждым электрогенерирующим элементом тепловой мощности в рабочей точке и в точке короткого замыкания, регистриурют для каждого электрогенерирующего элемента разность сбрасываемых тепловых мощностей в точке короткого замыкания и в рабочей точке, фиксируют в виде короткозамкнутых те из электрогенерирующих элементов, для которых выполняется условие

где ΔQ_i= Q^*_i-Q_i - разность сбрасываемых i-м электрогенерирующим элементом тепловых мощностей в точке короткого замыкания и в рабочей точке, Вт;
Q_i и Q_i^* - сбрасываемая i-м электрогенерирующим элементом тепловая мощность в рабочей точке и в точке короткого замыкания, Вт;
W - генерируемая электрическая мощность электрогенерирующей сборки в рабочей точке, Вт;
n - число элементов в электрогенерирующей сборке, шт.