Способ проведения петлевых испытаний электрогенерирующего канала

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при преобразовании тепловой энергии в электрическую. Техническим результатом является повышение информативности. В способе проведения петлевых испытаний электрогенерирующего канала (ЭК), включающем размещение в реакторе ЭК, состоящего из отдельных элементов, топливные сердечники которых снабжены газоотводящими узлами, работу ЭК при номинальном тепловыделении в топливных сердечниках и номинальном давлении паров цезия в межэлектродных зазорах электрогенерирующих элементов, измерение температуры топлива на поверхности центральной газовой поры в топливных сердечниках, измерение методом нейтронной радиографии объема топлива вне сердечников, удаляют пар цезия из межэлектродных зазоров ЭК, дополнительно выводят реактор на мощность, соответствующую тепловыделению в топливных сердечниках электрогенерирующих элементов на время τ, проводят измерение объема топлива вне сердечников, а оценку работоспособности ЭК осуществляют по функционированию газоотводящих узлов. 2 ил.

Изобретение относится к области непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно - к термоэмиссионному методу преобразования, преимущественно к термоэмиссионному реактору-преобразователю (ТРП) - новому источнику электроэнергии.

Активная зона ТРП набирается из электрогенерирующих сборок (ЭГС).

ЭГС состоит из последовательно-соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), каждый из которых в свою очередь состоит из топливного сердечника из двуокиси урана, эмиттерной оболочки, коллектора с коллекторной изоляцией, коммутационной перемычки, системы дистанционирования и несущей трубки (чехла).

Для обеспечения вывода из топливного сердечника образующихся при делении ядер урана газообразных осколков деления в конструкцию каждого ЭГЭ вводят так называемое газоотводное устройство (ГОУ), схема которого может быть различной, однако в любом случае ГОУ включает тракт для отвода газообразных продуктов деления (ГПД).

Важнейшим этапом создания ТРП являются петлевые реакторные испытания ЭГС в ячейках исследовательских реакторов, а среди них - петлевые ресурсные испытания ЭГС. Задачей таких испытаний является экспериментальная проверка в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации ЭГС в составе ТРП, работоспособности принятых схемных и конструкторских решений, в том числе и по ГОУ

Известен способ проведения ресурсных испытаний ЭГС, изложенный в книге В.Б.Синявского и др. "Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов", М: Атомиздат, 1981, с.63-64. Испытания проводят в стабильных условиях при постоянных в процессе испытаний номинальных тепловыделений и температуре эмиттера, оптимальном значении давления пара цезия - рабочего тела (РТ) и температуры коллектора и максимальной электрической мощности. Во время испытаний производится непрерывный отвод ГПД в вакуумный контур или встроенный сорбционный насос.

Данный способ позволяет исследовать стабильность энергетических характеристик ЭГС. В то же время информативность испытаний невелика, т.к. работоспособность ГОУ не исследуется, потому что испытания не позволяют определить состояние ГОУ, т.е. выходят через него ГПД или оно забито конденсатом топливного материала (ТМ).

В качестве прототипа примем способ петлевых ресурсных испытаний, описанный в докладе Е.С.Бекмухамбетова и др. "Особенности методик проведения отдельных этапов испытаний и исследований экспериментальных термоэмиссионных сборок" (конференция по термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую, тезисы докладов, Обнинск, ФЭИ, 1979, с.20-23). Этот способ также как и в аналоге включает испытание ЭГС при номинальном уровне тепловой мощности и оптимальном давлении РТ и, кроме того, проведение нейтронографических исследований ЭГС, в результате которых выполняются качественные и количественные оценки величины межэлектродного зазора, заполнения ЭГЭ топливом и т.п. Если нейтронная радиография проводится после окончания ресурсных испытаний ЭГС, то с ее помощью удается зарегистрировать также количество ТМ (двуокиси урана), которое в паровой фазе прошло через ГОУ, затем сконденсировалось на относительно "холодном" участке ЭГЭ, обычно на коммутационной перемычке напротив ГОУ.

В качестве недостатка рассмотренного способа испытаний укажем на недостаточную информативность испытаний из-за невозможности определения за время испытаний работоспособности ГОУ, а именно факта отсутствия забивания сконденсировавшимся ТМ тракта ГОУ. Нейтронография испытанной ЭГС не позволяет зарегистрировать наличие ТМ в ГОУ по двум причинам. Во-первых, из-за относительно малых размеров проходимых сечений ГОУ (менее 100 мкм), которые меньше разрешающей способности нейтронной радиографии и, во-вторых, из-за экранирования ГОУ топливом сердечника (толщиной в несколько миллиметров). Регистрируемый с помощью нейтронной радиографии переконденсировавшийся ТМ на коммутационной перемычке, т.е. вне сердечника и ГОУ, также не позволяет судить о работоспособности ГОУ, так как при нормальной работе правильно спроектированного ГОУ и номинальных режимах испытаний количество прошедшего через ГОУ ТМ очень незначительно и обычно не может быть зарегистрировано нейтронной радиографией. Это означает, что отсутствие переконденсировавшегося ТМ за ГОУ не говорит о его работоспособности, так как это может быть связано как с малым количеством ТМ, прошедшего через работоспособный ГОУ, так и забиванием ГОУ ТМ. Наличие регистрируемого за ГОУ ТМ также не говорит о работоспособности ГОУ, так как этот ТМ мог перенестись через ГОУ на начальном этапе испытаний, после чего ГОУ могло забиться ТМ. В результате, несмотря на нейтронографию, информативность петлевых ресурсных испытаний по одному из важнейших узлов ЭГС остается невысокой.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка, а именно: увеличения информативности петлевых испытаний за счет определения работоспособности ГОУ.

Предложен способ проведения петлевых ресурсных испытаний термоэмиссионных ЭГС с ГОУ в каждом ЭГЭ, включающий проведение ресурсных испытаний ЭГС при номинальном уровне тепловой мощности и оптимальном давлении РТ с последующей нейтронографией ЭГС с измерением количества ТМ, прошедшего через ГОУ каждого ЭГЭ, отличающийся тем, что после завершения нейтронографии дополнительно проводят петлевые испытания ЭГС при том же уровне тепловой мощности и минимально возможном значении давления РТ в течении времени, равного или большего значения

где τ - время дополнительных петлевых испытаний, V_g - расчетное значение минимально регистрируемого с помощью нейтронографии количества топливного материала, прошедшего через ГОУ и сконденсировавшегося вне сердечника элемента, ρ - плотность ТМ, σp - суммарное давление парогазовой смеси в ЭГС, σR - суммарное сопротивление отдельных участков внутреннего проходного сечения ГОУ, А и Б - константы коэффициенты пропорциональности (ф-ла 7) зависимости массового потока ТМ от Т₀, σр, σR константы, Т₀ - температура топлива на поверхности центральной газовой полости, образующейся в топливном сердечнике, которая определяется выражением

где Т_Е - расчетная температура эмиттера, определяемая из уравнения теплового баланса по методу, изложенному в статье В.В.Синявского, журнал Теплофизика высоких температур, 1974, т. 12, N6, с.1267, q_V - средняя по сердечнику плотность объемного тепловыделения, соответствующая номинальному уровню тепловой мощности, r_c - радиус сердечника из топлива, ε - относительная объемная доля топлива в сердечнике; после чего дополнительно проводят нейтронографию с измерением количества ТМ, прошедшего через ГОУ и по сравнению количеств ТМ, прошедших через ГОУ до (V₀) и после (V) дополнительных петлевых испытаний судят о работоспособности ГОУ, причем при V≥V₀+V_g ГОУ считают работоспособным.

Выражение (2) для определения Т₀ получено из формулы распределения температуры в полом цилиндре с источником тепла, охлаждаемом с наружной поверхности (см. Займовский А.С. и др. "Тепловыделяющие элементы атомных реакторов". М.: Атомиздат, 1966, с.504).

Реализацию предлагаемого способа рассмотрим на примере ресурсных испытаний ЭГС, каждый ЭГЭ которой содержит ГОУ в виде трубочки с капиллярным наконечником (жиклером), который расположен в центре топливного сердечника ЭГЭ (см., например статью Корнилова В.А. и др. Атомная энергия, т.49, вып.6, 1980, с.393-394).

В процессе вывода на мощность или уже на номинальном уровне тепловой мощности происходит переконденсация ТМ в сердечнике с образованием центральной газовой полости (ЦГП), внутри которой располагается жиклер ГОУ (см.рис.2 на с.394 цитируемой статьи Корнилова В.А. и др.). Образующиеся в процессе испытаний ГПД через жиклер и трубку ГОУ непрерывно удаляются в вакуумную систему. Внутри ЦГП находятся ГПД и РТ. Диффузия молекул ТМ через ГОУ в среде пара цезия, при отсутствии конденсации ТМ внутри канала ГОУ, описывается первым законом Фика:

где ω - средняя скорость теплового движения молекул ТМ, λ_св - средняя длина свободного пробега молекул, n₀(T₀) - концентрация пара стехиометрического окисного топлива, зависящая от температуры T₀ на внутренней поверхности ЦГП, σR - суммарное сопротивление отдельных участков внутреннего проходного канала ГОУ.

Значения ω и λ_св определяются формулами (Дешман. Научные основы вакуумной техники, М.: Мир, 1964, c.18, с.39).

где k - постоянная Больцмана, d, d₁ , m, m₁ - соответственно диаметры и молекулярные массы ТМ и РТ, σр суммарное давление парогазовой смеси.

Концентрацию молекул ТМ определим из выражения для давления пара стехиометрического окисного топлива (UO₂) Горбань Ю.А. и др. Атомная энергия, 1967, т.22, В.6, с.465-467).

Используя (4) (5) и (6) после некоторых преобразований (3) получим следующее выражение для массового потока ТМ через ГОУ при наличии РТ

где σр имеет размерность [Па], а

σр_газа определяется из статистических данных, Р_CS - измеряемое давление пара цезия

- суммарное сопротивление отдельных участков длиной l₁, l₂,

... радиусом r ₁, r₂ ... внутреннего проходного канала ГОУ - [1/м]. Таким образом, для UO₂ в формуле 1 A=7,4·10 ⁸, а B=74200.

Анализ формулы (7) показывает, что поток ТМ через ГОУ определяется температурой топлива внутри сердечника, суммарным давлением парогазовой среды и геометрией ГОУ. При заданных тепловых нагрузках, а, следовательно, и T₀, и оптимальном давлении РТ геометрия ГОУ (отношение длины к сечению отдельных участков) выбирается таким образом, чтобы в процессе эксплуатации ЭГС через ГОУ выходило минимально допустимое количество ТМ. Поэтому в процессе петлевых ресурсных испытаний ЭГС и не удается зарегистрировать конденсат ТМ за ГОУ.

В то же время можно резко увеличить массовый поток ТМ через ГОУ и соответственно в течение относительно малого времени перенести за ГОУ такое количество ТМ, которое легко может быть зарегистрировано с помощью нейтронной радиографии. Для этого необходимо понизить суммарное давление газа в свободном объеме сердечника, для чего понизить до минимально возможного (в пределе до вакуума) давление РТ. При снижении давления РТ от оптимального (3...10 мм рт.ст.) до 10^-4...10 ^-3 мм рт.ст. массовый поток топлива через ГОУ возрастает на несколько порядков.

Суммарное количество(объем) конденсата ТМ за ГОУ определяется выражением

где G - массовый расход ТМ через ГОУ(7), ρ - плотность переконденсировавшегося ТМ, τ - время.

Из (9) с участием (7) можно получить выражение (1) для времени τ, в течение которого необходимо провести дополнительные петлевые испытания, чтобы с помощью нейтронной радиографии зарегистрировать топливо, прошедшее через ГОУ и сконденсировавшееся вне топливного сердечника.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

После загрузки ПК с ЭГС в ячейку ядерного реактора последний выводится на номинальный уровень тепловой мощности, соответствующей средней плотности объемного тепловыделения в топливном сердечнике q_к. Одновременно давление РТ устанавливают равным оптимальному . Проводятся ресурсные испытания ЭГС в течение заданного времени. После окончания этих испытаний реактор останавливают, ПК с ЭГС извлекают из реактора и помещают в установку для нейтронной радиографии. После просвечивания ПК с ЭГС нейтронами в каждом ЭГЭ регистрируется количество ТМ (V₀), прошедшего через ГОУ (V₀≥0). При правильно сконструированном ГОУ и времени испытаний, не превышающем расчетный ресурс, количество ТМ за ГОУ должно быть пренебрежимо мало и не будет зарегистрировано (V₀ ≈0). Это связано с разрешающей способностью нейтронной радиографии, которая в зависимости от используемой фотопленки позволяет регистрировать слой топлива толщиной свыше 20...50 мкм. При исполнении перечисленных условий будет зафиксирован соответствующий слой конденсата TM (V₀>0) Так как нейтронная радиография является неразрушающим методом контроля, после нее ПК с ЭГС снова загружают в ячейку реактора, мощность реактора поднимают до прежнего значения. При этом источник РТ, например, термостат цезия, выключен, и давление РТ в ЭГС устанавливают минимально возможным, определяемое температурой термостата при выключенном нагревателе. Определив для данной мощности реактора значение q_V и соответственно значение температуры T₀, измерив значение температуры источника РТ и определив соответственно давление РТ, по формуле (1) рассчитывают время, в течение которого должны проводиться дополнительные петлевые испытания, при которых через ГОУ может пройти количество ТМ V_g, которое может быть зарегистрировано. Значение V_g определяют, например, как

где δ_min - минимальная толщина конденсата ТМ, регистрируемая с помощью нейтронной радиографии, обычно принимают δ_min=50 мкм, S - площадь сечения, на которой конденсируется ТМ. Проводят дополнительные испытания в течение времени, равного или большего полученного по (1), после чего испытания прекращают, ПК с ЭГС извлекают из реактора и проводят снова нейтронографию с регистрацией суммарного количества конденсата ТМ V, прошедшего через ГОУ за время двух этапов испытаний из топливного сердечника каждого ЭГЭ (V). Сравнив объем топлива до (V₀) и после (V) дополнительных испытаний, определяют, из каких топливных сердечников ЭГЭ во время дополнительных испытаний выходил ТМ, а из каких нет. Для первых (V≥V₀+V_g) с большой вероятностью можно говорить о работоспособности ГОУ, для вторых (V≈V₀) - о неработоспособности ГОУ.

Полученные данные о работоспособности ГОУ существенно повышают информативность петлевых испытаний и позволяют оперативно внести изменения в конструкцию ГОУ и собственно ЭГС.

Эффективность предлагаемого способа проверена как путем численных расчетов выноса топлива через ГОУ стандартного ЭГС, так и экспериментально во время петлевых испытаний ЭГС.

На фиг.1 приведены значения массового расхода топлива из UO₂ через типичное ГОУ в виде трубочки с жиклером от комплекса σpσR для разных значений температуры T₀. Для рассматриваемого ГОУ значения σR=1616 мм^-1. При этом внутренние радиусы трубки ГОУ и жиклера (r₂, r₁) принимались равным 1 и 0,05 мм соответственно, а длина трубки ГОУ и жиклера (l ₂, l₁) принимались равным 16 и 4 мм соответственно. При номинальной тепловой мощности, соответствующей плотности электрической мощности ЭГС 5...7 Вт/см², значение q_V=300 Вт/см³. Значение Т₀ для ЭГЭ диаметром 10 мм и относительным содержанием ТМ в сердечнике ЭГЭ ε=0,8 составит ˜2410 К. Оптимальное давление РТ для такой мощности Если принять, что давление ГПД (криптона и ксенона) поддерживается на уровне, не превышающем 10^-4...10 ^-3 мм рт.ст., то σр≅10 мм рт.ст.. При ресурсных испытаниях такой ЭГС в течении 3000...5000 ч через ГОУ пройдет (1...2)·10^-2 г топлива из UO₂. При диаметре коммутационной перемычки, на которой конденсируется ТМ, равном 10 мм, слой ТМ составит 12...24 мкм, т.е. не будет зарегистрирован нейтронографией.

Дополнительные петлевые испытания проведем на том же уровне тепловой мощности. Температура термостата при выключенном нагревателе и температуре воды реактора до 40°С обычно не превышает 100°С. Тогда давление РТ Р_CS≤5,0·10^-4 мм рт.ст. Давление ГПД в ЭГС при вакуумировании не превышает 10^-4...10^-3 мм рт.ст. Следовательно, σр≤10^-3 мм рт.ст.. При δ_min=50 мкм и диаметре перемычки, где конденсируется топливо, равном 10 мм, минимально регистрируемое количество топлива V≅4,4·10^-3 см^-3. Отсюда, минимальное время дополнительных петлевых испытаний составит 90 мин. При ресурсных испытаниях ЭГС в течение 3000...5000 ч не сложно дополнительно выделить 1...2 ч или даже десятки часов реакторного времени.

Техническая эффективность и реализуемость предлагаемого способа были проверены экспериментально при проведении петлевых ресурсных испытаний ЭГС из восьми ЭГЭ с диаметром эмиттера 10 мм, топлива 9 мм, длиной ЭГЭ 40 мм и ГОУ в виде трубочки диаметром 3 мм с жиклером. В качестве топлива использовалась UO₂ c обогащением 90%, степень заполнения сердечника топливом составила 67%. Эмиттерная оболочка изготавливалась из вольфрама толщиной 0,5 мм, коллектор из ниобия толщиной 0,3 мм. Межэлектродный зазор составлял 0,15 мм. ЭГС испытывалась в центральной ячейке реактора ВВР-К. Ресурсные испытания ЭГС проводились при плотности электрической мощности 3...5 Вт/см² при оптимальном давлении пара цезия 6...8 мм рт.ст. в течение примерно 500 ч. После этого ПК с ЭГС был извлечен из реактора, проведена его нейтронография, и он снова был загружен в реактор. Нейтронография не позволила обнаружить топливо вне сердечника (для всех ЭГЭ V₀ ≈0). Для выхода количества топлива при δ_min=50 мкм требовалось провести дополнительные испытания при той же мощности реактора при отключенном термостате в течение 20...100 ч. Дополнительные испытания были проведены в течение примерно 400 ч. При этом температура термостата не превышала 120°C, а ЭГС непрерывно вакуумировалась. После окончания дополнительных испытаний была снова проведена нейтронография. На всех ЭГЭ на коммутационной перемычке напротив отверстия в торцевой крышке ЭГЭ, куда выходит ГОУ, был зарегистрирован слой топлива толщиной 300...500 мкм. Нейтронографический снимок одного ЭГЭ испытанной ЭГС после дополнительных испытаний приведен на фиг.2. Здесь 1 - топливо в сердечнике ЭГЭ, 2 - эмиттерная оболочка, 5 - межэлектродный зазор, 4 - коллектор с коллекторной изоляцией и несущей трубкой(коллекторный пакет), 5 - коммутационная перемычка, 6 - слой переконденсировавшегося топлива на коммутационной перемычке. Вследствие экранирования топливом ГОУ в сердечнике не видно.

Проведенный эксперимент показал, что ГОУ остались работоспособными после первого этапа испытаний.

Проведенные численные исследования и прямой реакторный эксперимент наглядно продемонстрировали техническую эффективность предлагаемого способа, который обладает следующими преимуществами:

1) позволяет зарегистрировать факт наличия или отсутствия сплошного слоя переконденсировавшегося топлива, вышедшего через тракт ГОУ после проведения ресурсных испытании ЭГС;

2) тем самым определить работоспособность ГОУ - одного из важнейших и наименее отработанных узлов ЭГС;

3) в результате существенно повысить информативность петлевых ресурсных испытаний ЭГС, одной из важнейших задач которых и является определение работоспособности ГОУ.

Формула изобретения

Способ проведения петлевых испытаний электрогенерирующего канала, включающий размещение в реакторе электрогенерирующего канала, составленного из отдельных электрогенерирующих элементов, топливные сердечники которых снабжены газоотводящими узлами, работу электрогенерирующего канала при номинальном тепловыделении в топливных сердечниках и номинальном давлении паров цезия в межэлектродных зазорах электрогенерирующих элементов, определение давления газа в межэлектродных зазорах электрогенерирующих элементов, измерение температуры топлива на поверхности центральной газовой поры в топливных сердечниках, измерение методом нейтронной радиографии объема топлива вне сердечников и оценку работоспособности электрогенерирующего канала, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, после измерения объема топлива вне сердечников, удаляют пар цезия из межэлектродных зазоров электрогенерирующих элементов, дополнительно выводят реактор на мощность, соответствующую номинальному тепловыделению в топливных сердечниках электрогенерирующих элементов, на время τ, определяемое из выражения

где V_q - минимальный объем топлива, регистрируемый методом нейтронной радиографии,

ρ - плотность топлива,

p - давление газа в межэлектродных зазорах электрогенерирующих элементов

R - гидравлическое сопротивление газоотводящего устройства,

T₀ - температура топлива на поверхности центральной газовой поры,

A и B - константы зависящие от вида топлива (для UO₂ A=7,4·10⁸; B=74200).

Проводят измерение объема топлива вне сердечников, а оценку работоспособности электрогенерирующего канала осуществляют по функционированию газоотводящих узлов из выражения

V>V₀+V_q,

где V ₀ - объем топлива вне топливных сердечников до дополнительного вывода реактора на тепловую мощность

V - объем топлива вне топливных сердечников после дополнительного вывода реактора на тепловую мощность.

РИСУНКИ