Способ ускоренных испытаний многоэлементного электрогенерирующего канала

 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов. Данный способ включает вывод электрогенерирующего канала (ЭГК) на тепловую мощность, оптимизацию давления пара рабочего тела, испытания ЭГК при постоянной тепловой мощности реактора, измерение генерируемой электрической мощности и сбрасываемой тепловой мощности и оценку ресурса ЭГК. Технический результат - повышение эффективности испытаний за счет определения предельной энерговыработки и выбора оптимальных режимов эксплуатации. Это достигается тем, что испытания проводят при уровне тепловой мощности от 0,4 до 1,2 от номинального значения в 3-5 этапов, каждый из которых на постоянном, но увеличенном относительно предыдущего на 10-40% уровне мощности реактора, электрическую мощность канала и сбрасываемую каждым элементом тепловую мощность измеряют в начале и конце каждого этапа, фиксируют время τ_i каждого этапа и оценивают для каждого i-го этапа значение энерговыработки E_ij, вычисляемое по расчетной формуле. 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК).

Известен способ петлевых испытаний ЭГК в составе петлевого канала (ПК). Испытания проводят в ячейке реактора на номинальном уровне тепловой мощности с регистрацией генерируемой электрической мощности W, фактов коротких замыканий отдельных элементов (ЭГЭ) в ЭГК и фиксацией времени испытаний. Затем в "горячих" камерах измеряется степень распухания и оценивается максимальный ресурс ЭГК (Батырбеков Г.А., Синявский В.В. и др. Некоторые результаты послереакторных исследований шестиэлементной термоэмиссионной сборки, проработавшей 2670 ч. / Атомная энергия, 1976, т.40, №3, с.382-384).

Основной недостаток этого способа - невозможность определения распухания при разных режимах испытаний, невозможность определения предельной энерговыработки и тем самым оптимальных режимов эксплуатации ЭГК.

В качестве прототипа примем способ ускоренных испытаний ЭГК, описанный в книге Синявского В.В. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов" и др. (М.: Атомиздат, 1981, с.63-64).

Способ заключается в форсировании всех процессов старения за счет термокачек, изменения состава, межэлектродной среды, увеличения уровня тепловыделения, периодических выключений ЭГК с измерением электрической и тепловой мощности и анализом работоспособности.

Однако этот способ не позволяет определить предельную энерговыработку и выбрать оптимальные режимы эксплуатации разработанной конструкции ЭГК.

Предлагаемое изобретение имеет целью устранение указанного недостатка, а именно обеспечение возможности определения предельной (максимальной) энерговыработки и выбора оптимальных режимов эксплуатации ЭГК. Так как основным ресурсоопределяющим процессом в ЭГК считается распухание топлива с деформацией эмиттерной оболочки, то под предельной энерговыработкой Е_макс следует считать произведение средней плотности электрической мощности W ЭГК на время работы при этой мощности до короткого замыкания ЭГЭ в результате распухания.

Указанная цель достигается предложенным способом ускоренных испытаний, включающим вывод ЭГК на тепловую мощность, оптимизацию давления пара рабочего тела, испытания ЭГК при постоянной тепловой мощности, измерение генерируемой электрической мощности W и сбрасываемой тепловой мощности Q и оценку ресурса ЭГК, отличающимся тем, что испытания проводят при уровне тепловой мощности от 0,4 до 1,2 от номинального значения в 3-5 этапов, каждый из которых - на постоянном, но увеличенном относительно предыдущего на 10-40% уровне мощности реактора, электрическую мощность ЭГК и сбрасываемую каждым ЭГЭ тепловую мощность измеряют в начале и конце каждого этапа, фиксируют время каждого этапа, оценивают для каждого i-го этапа значение энерговыработки Е_ij каждого j-го ЭГЭ из выражения

где d_э и L - диаметр эмиттера и межэлектродный зазор до начала испытаний, W_нi и W_кi - измеренная электрическая мощность ЭГК в начале и конце i-го этапа испытаний, F_э - полная поверхность эмиттеров всех ЭГЭ в ЭГК, Q_нij и Q_kij - измеренная сбрасываемая j-ым ЭГЭ тепловая мощность в начале и конце i-го этапа испытаний, τ_i - время i-го этапа испытаний,

после чего фиксируют этап с предельной энерговыработкой, в качестве оптимальных режимов эксплуатации конструкции ЭГК выбирают значения тепловой мощности и давления пара рабочего тела зафиксированного этапа, а оценку ресурса для оптимального режима эксплуатации проводят по соотношению

R=2F_э·E*/(Wн*+Wk*), (2)

где Е* - предельная энерговыработка, W_н* и W_k* - электрическая мощность ЭГК в начале и конце этапа с предельной энерговыработкой.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа. В ПК 1 установлен ЭГК 2, состоящий из последовательно соединенных ЭГЭ 3. Каждый ЭГЭ состоит из топливного сердечника 4, эмиттерной оболочки 5, коммутационной перемычки 6, коллектора 7. ЭГК 2 имеет общую для всех ЭГЭ 3 коллекторную изоляцию 8 и несущую трубку (чехол) 9. ЭГК 2 установлен внутри системы теплосброса 10, внутри которой установлены датчики теплового потока 11, выполненные, например, в виде секционированного по числу ЭГЭ калориметра или датчиков нейтронного потока. Снаружи ПК 1 охлаждается водой 12 реактора 13.

Предложенный способ реализуется следующим образом. После установки ПК 1 в ячейку реактора 13 уровень мощности реактора поднимают до значения, соответствующего примерно 0,4-0,5 номинальной тепловой мощности ЭГК. Контроль тепловой мощности ЭГК осуществляется датчиком 11 или на основе испытаний специального макета ПК. В ЭГК 2 подается пар рабочего тела (цезия), давление которого повышают до тех пор, пока не будет получено максимальное значение W_н.

Одновременно с помощью датчиков 11 измеряется Q_нj для каждого ЭГЭ. В процессе испытаний при неизменной мощности реактора происходит распухание топлива с увеличением d_э. Так как испытания проводят в исследовательских реакторах на тепловых нейтронах, то основная часть полной тепловой мощности ЭГК (Q_нj+W_н/n) генерируется в приповерхностном слое (1-2 мм) топливного сердечника, в результате чего тепловая мощность ЭГЭ пропорциональна диаметру топливного сердечника, а с небольшой погрешностью - и d_э. Поэтому при постоянной мощности реактора (постоянном падающем потоке нейтронов) при распухании топливно-эмиттерного узла увеличение d_э будет сопровождаться пропорциональным увеличением тепловой мощности Q ЭГЭ

δd_э/d_э≈δQ/Q, (3)

тогда средняя скорость распухания

где τ - время испытаний.

Зная скорость распухания, легко определить время выборки межэлектродного зазора L. С учетом несоосности, прогибов и т.п., короткое замыкание наступит раньше, чем выберется весь зазор, обычно считают, что для этого достаточно распухания эмиттера на (0,5-0,9)·2L, которое выбрано из следующих соображений. Полная выборка зазора произойдет тогда, когда ЭГЭ распухнет на 2L. Поэтому 0,9·2L - максимально возможное распухание ЭГЭ при отсутствии несоосностей, прогибов и т.п. и высокой точности и качества изготовления системы дистанционирования. Значение 0,5·2L реализуется в случае максимально возможной исходной "свободы" топливно-эмиттерного узла в системе дистанционирования, а также при наличии возможных несоосностей и т.п., но когда в исходном состоянии ЭГЭ был работоспособным. Поэтому время до короткого замыкания в ЭГЭ, т.е. ресурс ЭГЭ

τ=2(0,5...0,9)L/(d_э·U _расп), (5)

Зная τ и среднюю за этап плотность электрической мощности

легко получить значение энерговыработки

Подставив в (7) выражения (3)-(5) получим (1).

Значение δQ для (4) определяется как разность измеренных в начале и конце этапа электрической и сбрасываемой тепловой мощности ЭГЭ

δQ_j=(Q_kj+W _k/n)-(Q_нj+W_н /n). (8)

Выбор средней электрической мощности ЭГЭ (W_н/n и W_k/n) вместо конкретной, не приводит к существенной ошибке метода, так как W≤0,1∑Q_j. Отсюда, даже при максимально возможной неравномерности тепловыделения (1,3) максимальная погрешность определения Е не превысит 1,5%, а средняя погрешность будет ниже 1%.

После окончания первого этапа мощность реактора увеличивают на 10-40%, поднимают давление пара цезия до оптимального, измеряют Wн _i и Qн_ij, проводят второй этап испытаний, в конце которого измеряют W_ki и Q_kij с фиксацией времени этапа τ_i и определением Е_i. Аналогичным образом проводят следующие этапы. Время каждого этапа испытаний определяют исходя из суммарного располагаемого времени испытаний, оно может быть принято одинаковым или обратно пропорциональным тепловой мощности. Степень увеличения мощности на 10-40% выбрана из возможной суммарной степени изменения мощности, в пределе равной 2,5-3,0 раз, и целесообразного числа этапов (3-5).

Уровень тепловой мощности, при которой проводят испытания (0,4-1,2), обоснован экспериментально и представляет собой реальный диапазон изменения мощности. Так, в статье В.П.Барильченко, В.В.Синявского и др. "Определение кпд в процессе петлевых реакторных испытаний ТЭП (Атомная энергия, 1978, т.14, вып.3, с.263-265) осуществлено изменение относительной тепловой мощности реактора с 0,42 до 1,0, при этом средняя плотность электрической мощности изменилась с 3 до 15 Вт/см², а кпд с 8 до 13%. В некоторых случаях целесообразно несколько увеличить тепловую мощность от номинального уровня, поэтому диапазон изменения мощности принят равным 0,4-1,2. При этом возможно увеличение температуры эмиттера и топлива примерно на 100 К с соответствующим ускорением процессов распухания. Возможность форсирования мощности относительно номинального значения обоснована в цитированной книге В.В.Синявского. Число этапов выбрано из следующих соображений: для получения зависимости распухания от режима работы как минимум необходимо 3 уровня мощности, а максимально целесообразное - 5 этапов.

После проведения всех этапов определяют предельную энерговыработку Е*. Так как предельная энерговыработка определяется средней плотностью электрической мощности на время полного распухания хотя бы одного ЭГЭ, поэтому для каждого этапа фиксируют минимальное значение Е_j из всех ЭГЭ, а уже в качестве предельного Е* выбирают максимальное значение. Параметры этапа и будут оптимальными условиями эксплуатации разработанной конструкции ЭГК с ресурсом, определяемым формулой (2).

Эффективность и реализуемость предлагаемого способа были проверены экспериментально в реакторе косвенным способом. Во-первых, экспериментально обоснован возможный диапазон изменения мощности. Во-вторых, было испытано специальное устройство в виде стаканчика с топливом, заменяющим 10% внутреннего объема. В процессе испытаний проводилась периодическая нейтронная радиография с измерением d_э и регистрацией изменения тепловыделения. Было показано, что в процессе переконденсации топлива произошло увеличение наружной поверхности топливного сердечника с пропорциональным увеличением тепловыделения.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет

- в процессе одних испытаний на разных уровнях нагружения определить скорость распухания и тем самым оценить ожидаемое время полного распухания;

- определить энерговыработку ЭГК для разной тепловой мощности и плотности электрической мощности;

- определить предельную энерговыработку разработанной конструкции ЭГК и соответственно выбрать оптимальные режимы эксплуатации ЭГК (тепловая мощность, электрическая мощность, оптимальное давление пара цезия) и оценить ресурс ЭГК при максимальной энерговыработке.

Формула изобретения

Способ ускоренных испытаний многоэлементного электрогенерирующего канала, включающий вывод реактора на тепловую мощность, оптимизацию давления паров рабочего тела, измерение генерируемой каналом электрической мощности, а также сбрасываемой каждым элементом тепловой мощности и оценку ресурса канала, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности испытаний за счет определения предельной энерговыработки и выбора оптимальных режимов эксплуатации, испытания проводят при уровне тепловой мощности от 0,4 до 1,2 от ее номинального значения в 3-5 этапов, каждый из которых представляет собой постоянный, но увеличенный относительно предыдущего на 10-40% уровень мощности реактора, электрическую мощность канала и сбрасываемую каждым элементом тепловую мощность измеряют в начале и конце каждого этапа и оценивают для каждого этапа значение энерговыработки E_ij из соотношения

n - число элементов в канале;

d _э и L - соответственно диаметр эмиттера и межэлектродный зазор до начала испытаний, см;

W_нi и W_кi - электрическая мощность в начале и конце i-ого этапа испытаний, Вт;

F_э - полная поверхность эмиттеров канала, см²;

Q_нij и Q_кij - сбрасываемая j-ым элементом тепловая мощность в канале и конце i-ого этапа;

τ_i - время i-ого этапа, ч;

фиксируют этап с предельной энерговыработкой E*, в качестве оптимальных режимов эксплуатации выбирают значение тепловой мощности и давление паров рабочего тела, соответствующие этапу с предельной энерговыработкой, а оценку ресурса R проводят из соотношения

R=2F_э E*/(W_н*+W_к*),

где W_н* и W_к* - электрическая мощность канала, зафиксированная в начале и конце этапа с предельной энерговыработкой, Вт.

РИСУНКИ