Способ определения числа работоспособных элементов в электрогенерирующем канале во время петлевых испытаний

 

Изобретение относится к области термоэмиссионного метода преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК). Технический результат заключается в повышении точности определения n_р при одновременном обеспечении отсутствия повышения Т_Е. Для этого в способе температуру эмиттеров устанавливают равной Т_Е=1670-1750K, до съема характеристики измеряют среднюю плотность теплового потока эмиттеров q_F=60 Вт/см² и среднюю температуру коллекторов Tc, K, межэлектронные зазоры канала заполняют гелием.

Изобретение относится к области термоэмиссионного метода преобразования тепловой энергий в электрическую и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК).

Одной из основных задач петлевых испытаний ЭГК является определение удельных характеристик, в том числе плотности электрической мощности, кпд и т.д., однако для этого необходимо знать число работоспособных элементов (ЭГЭ) n_p (или число короткозамкнутых ЭГЭ n_кз) из суммарного числа ЭГЭ n.

Известен способ определения n_р из сравнения наклона рассчитанных для разного числа n вольтамперных характеристик (ВАХ) при одинаковых средних тепловых потоках с эмиттера q_F (Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов, Атомиздат, 1981, с. 85).

Однако этот способ достаточно точен лишь в случае, если при проведении испытаний известны и в расчетах учтены все процессы, влияющие на наклон статических ВАХ, в частности, изменение эмиссионно-адсорбционных свойств эмиттера, сопротивление утечек тока через изоляцию, внутренние микроразряды и т.д. Однако во время испытаний указанные свойства известны с большой погрешностью. В этом случае точность способа невысока.

В качестве прототипа примем общеизвестный способ определения n_p по числу поджигов (ступенек) на статической или динамической ВАХ (Карнаухов А.С. и др. Методы определения параметров при петлевых испытаниях термоэмиссионных сборок. Конференция по ТЭП, Тез. докл., Обнинск, 1979, с. 14). При съеме ВАХ от точки холостого хода к точке короткого замыкания (или даже далее в область отрицательных напряжений до 0,5 В/ЭГЭ) происходит переход с диффузионного режима работы ТЭП в разрядный. Так как такой переход скачкообразный, а отдельные ЭГЭ в ЭГК имеют различные условия работы, например, по тепловыделению, величине межэлектродного зазора (МЭЗ), температурному полю эмиттера и т.д., то момент поджига разряда в разных ЭГЭ не совпадает и на ВАХ ЭГК появляются ступеньки. Так как в короткозамкнутых ЭГЭ разряд не зажигается, то число ступенек n_ст на ВАХ ЭГК в принципе равно числу n_p.

Этот метод эффективен при испытаниях ЭГК с относительно невысокими удельными характеристиками (W _уд=(1...2) Вт/см²). При более высоких плотностях мощности W_уд из-за более высоких температур эмиттеров Т_E этот переход может быть смазанным и вместо характерной четко регистрируемой ступеньки может наблюдаться лишь некоторое изменение наклона ВАХ ЭГК. Нахождение числа ступенек n_ст в этом случае затруднительно и определение n_p будет произведено с большой погрешностью. Кроме того, необходимость перехода в режим холостого хода (V_xx) вызовет повышение Т_E, что в ряде случаев недопустимо из-за влияния T _E на ресурс ЭГК.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно: повышение точности определения n_p при одновременном обеспечении отсутствия повышения T_E.

Указанная цель достигается предложенным способом определения n_p во время петлевых ресурсных испытаний энергонапряженных ЭГК, включающим съем статической или динамической ВАХ от точки холостого хода V_xx до точки короткого замыкания I_кз с регистрацией числа ступенек n_ст на ВАХ и оценкой по ним числа n_p , отличающийся тем, что до съема ВАХ измеряет среднюю по ЭГК плотность теплового потока с эмиттера q_F, температуру коллектора T_c, МЭЗ ЭГК заполняют гелием, давление P_He которого выбирают по выражению

где В=4,55 и m=0,95 - коэффициенты, λ_атм - теплопроводность гелия при атмосферном давлении и Т_Е ^*= 1670...1750K, ε - приведенная степень черноты электродов, σ - постоянная Стефана-Больцмана, а давление пара цезия понижают до значения, соответствующего температуре насыщения 235...250°С.

Фиг.1 и фиг.2 поясняют предлагаемый способ. На фиг.1 приведена конструкционная схема ЭГК в составе петлевого канала (ПК) с необходимыми для реализации способа измерительными устройствами. Здесь обозначено: 1 - ЭГК, состоящий из нескольких ЭГЭ 2, каждый из которых содержит эмиттер 3 и коллектор 4, разделенные межэлектродным зазором 5, коллекторной изоляции 6 и несущей трубки (чехла) 7, причем система 5-7 носит название коллекторного пакета, и токовыводов 8 и 9.

В межэлектродные зазоры 5 через тракт 10 подается пар цезия. С помощью тракта 11 МЭЗ 5 могут вакуумироваться или заполняться гелием. На несущей трубке 7 имеются термопары 12 и датчик 13 теплового потока. Токовыводы 8 и 9 подсоединены к системе снятия ВАХ 14.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

ЭГК в составе ПК загружается в ячейку реактора. Мощность реактора поднимают до уровня, при которой реализуется необходимое значение q_F. Значение q _F измеряется или непосредственно во время испытаний с помощью встроенных в ПК датчиков тепловыделения 13 или определяется по данным измерений на специальном макете ПК (по "привязке" q_F к мощности реактора).

Обычно q_F =20...100 Вт/см². При этом при подаче пара цезия оптимального давления (3...10 мм рт.ст.) ЭГК в рабочей точке имеет T_E =1900...2150K. С помощью термопар 12, размещенных на чехле 7 ЭГК измеряют температуру чехла T_HT и по ней оценивают температуру коллектора по выражению

где R - термическое сопротивление коллектора пакета ЭГК. В таком режиме проводят ресурсные испытания ЭГК, с измерением электрической мощности ЭГК. Для перевода электрической мощности W в удельную W_уд=W/F_E, где F _Е эмиссионная поверхность эмиттеров работоспособных ЭГЭ, необходимо периодически (3...5 раз за ресурс) определить n _р. Дли этого необходим съем ВАХ от точки холостого хода до точки короткого замыкания (или далее) при условиях, наиболее благоприятных для скачкообразного перехода с диффузионного режима работ в разрядный, а именно по T_E и Р_Cs . Анализ как результатов лабораторных исследований ТЭП, так и реакторных испытаний ЭГК показал, что такие условия лучше всего реализуются при T_E ^*=1670...1750 К. При T_E<1670K для поджига разряда необходимо прикладывать повышенные напряжения, что обычно нежелательно из-за возможности появления пробоя изоляции.

При T_E>1750K переход становится менее скачкообразным, приближаясь к непрерывному, с соответствующим затруднением четкой регистрации переходов. Прямые реакторные испытания показали, что для типичных ЭГК наиболее четко рассматриваемые переходы регистрируются при давлении P _Cs, когда T_Cs=235...250°C. При T_Cs <235°C скачкообразность перехода становится менее выраженной, что может привести к снижению точности. Поэтому необходимо обеспечить эти два условия. Для этого понижают от рабочего до значения, соответствующего T_Cs=235...250°С, а предварительное снижение T_E от рабочей до необходимой T_E ^* осуществляют за счет заполнения МЭЗ гелием, причем давление гелия Р_He должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить T_E ^*=1670...1750К. Теплопроводность гелия λ_He зависит от Р_He, причем для зазоров, характерных для ЭГК (0,2...0,35 мм) эта зависимость хорошо описывается эмпирической формулой (Евсиков А.С. и др. Термическое сопротивление гелия в зазоре при изменении давления. ТВТ, т.25 в.2, 1988, с.398-400)

где λ_атм - теплопроводность при атмосферном давлении, B и m-коэффициенты (B=4,55, m=0,95). С учетом того, что при Т _E=Т_E ^* токи относительно малы (j<1A/см ²), следовательно, электронное охлаждение эмиттера мало, уравнение теплового баланса эмиттера запишется в виде

откуда легко получить (1) для выбора Р_He .

После подачи гелия в МЭЗ и снижения P_Cs производится съем ВАХ с регистрацией числа поджигов (ступенек) n_ст . Зная n_ст, определяем n_р=n_ст После этого находят удельные характеристики, повышают p _Cs до рабочего, вакуумируют МЭЗ с откачкой гелия и продолжают ресурсные испытания.

Для ЭГК с L=0,25 мм при q_F =60 Вт/см² для обеспечения T_E ^* =1670...1750K необходимо подать гелий при давлении p_He ≅5 мм рт.ст.

Эффективность предлагаемого способа проверена экспериментально при проведении испытаний пятиэлементного ЭГК в реакторе ВВР-К. Полученная в оконце испытаний экспериментальная динамическая ВАХ при заполнении МЭЗ гелием при давлении, близком к атмосферному, приведена на фиг.2. Несмотря на повышенное давление гелия четко видны ступеньки на ВАХ.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет:

периодически при ресурсных испытаниях проводить определение n_р при неизменной тепловой мощности без перегрева эмиттера при условиях, когда четко может быть зарегистрирован ступенчатый переход;

тем самым повысить точность определения n_p.

Формула изобретения

Способ определения числа работоспособных элементов в электрогенерирующем канале во время петлевых испытаний, включающий съем статической или динамической вольтамперной характеристики от точки холостого хода до точки короткого замыкания, регистрацию на ней числа ступенек и оценку по их количеству числа работоспособных элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности за счет снижения перегрева эмиттеров элементов, температуру эмиттеров устанавливают равной T_E=1670-1750K, до съема характеристики измеряют среднюю плотность теплового потока эмиттеров q_F, Вт/см ² и среднюю температуру коллекторов Т_с, K, межэлектродные зазоры канала заполняют гелием, давление которого Р_нl определяют из соотношения

где В=4,55 мм рт.ст и m=0,95 коэффициенты,

λ_атм - теплопроводность гелия при атмосферном давлении и температуре;

ε - приведенная степень черноты электродной пары эмиттер-коллектор;

σ= 5,67·10^-12 Вт/см² град - постоянная Стефана-Больцмана,

l - длина межэлектродного заряда, мм,

а давление пара цезия понижают до значения, соответствующего температуре насыщения равной 508-523K.

РИСУНКИ