Способ определения теплопроводности оксида урана при петлевых испытаниях многоэлементного термоэмиссионного электрогенерирующего канала

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. Техническим результатом является повышение точности. Технический результат достигается тем, что в способе определения теплопроводности оксида урана при петлевых испытаниях многоэлементного термоэмиссионного электрогенерирующего канала, включающем измерение плотности объемного тепловыделения в топливе, регистрируют завершение переконденсации топлива внутри сердечников элементов, измеряют или оценивают температуру эмиттера в середине длины элемента и температуру на оси торцевой части эмиттерной оболочки со стороны коммутационной перемычки, измеряют толщины переконденсировавшегося топлива в середине длины элемента и у торца элемента напротив точки измерения или оценки температур, а оценку теплопроводности оксидного топлива осуществляют из математического соотношения. 1 ил.

Изобретение относится к области непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и реакторной теплофизике и может быть использовано при петлевых реакторных испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК) в ячейках исследовательских ядерных реакторов (ЯР).

В качестве делящегося вещества сердечников ЭГК как правило используется диоксид урана. Однако сведения о теплопроводности окисного топлива в рабочих условиях весьма противоречивы, так как зависят от многих условий, в том числе рабочих условий эксплуатации (Высокотемпературное ядерное топливо. Р.Б.Котельников и др. М.: Атомиздат, 1978, с.103-104). Отсутствие надежных данных по теплопроводности окисного топлива в рабочих условиях не позволяет надежно прогнозировать длительную работоспособность ЭГК.

Известен способ определения (Müller E.M. Untersuchung der Unsicher heit der Warmeleitfahigkeit von UO₂ in Abhängigkeit von Temperatur-Atomroirt-Atomtechn 1972, Bd 17, №1, s.37). Он заключается в измерении плотности объемного тепловыделения q_v в топливе и перепада температур ΔT на слое толщиной δ цилиндрического образца.

Основной недостаток - низкая точность из-за невозможности определения в рабочих условиях ЭГК, в том числе в переконденсированном состоянии топлива.

В качестве прототипа примем способ определения описанный в статье Ю.Г.Спиридонова и др. Внутриреакторные исследования теплофизических характеристик твэлов на основе UO ₂ (опыт эксплуатации АЭС и пути дальнейшего развития атомной энергетики. Сб. докл. юбил. конф., посвящ. ХХ-летию атомной энергетики, т.2, Обнинск, 1974, с.3-5).

Он заключается в измерении тепловой мощности и температур в центре и снаружи цилиндрического образца из UO₂ при облучении в реакторе.

Основной недостаток - недостаточная точность, так как способ не позволяет определять переконденсировавшегося топлива в рабочих условиях ЭГК.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно: повышения точности за счет обеспечения возможности определения теплопроводности топлива в рабочих условиях ЭГК.

Указанная цель достигается предложенным способом определения теплопроводности окисного топлива, включающего измерение плотности объемного тепловыделения в топливе, оценку температуры наружной поверхности топлива и оценку теплопроводности, отличающимся тем, что регистрируют завершение переконденсации окисного топлива внутри сердечников ЭГК, измеряют или оценивают температуру эмиттера Т_Е в середине длины элемента и температуру Т_Т на оси торца ЭГЭ с коммутационной перемычкой, измеряют толщины переконденсировавшегося топлива в середине длины ЭГЭ δ_Е и у торца δ_Т напротив точек измерения или оценки температур, а оценку λ_UO2 осуществляют по выражению

где r - внутренний радиус эмиттерной оболочки ЭГЭ.

На чертеже приведена схема эксперимента для определения в процессе петлевых испытаний ЭГК. ЭГК состоит из отдельных ЭГЭ 1, каждый из которых содержит эмиттерную оболочку, состоящую из эмиттера 2 и торцев 3 и 4, внутри которой размещено окисное топливо 5; межэлектродного зазора 6, коллектора 7. ЭГЭ 1 соединяются друг с другом с помощью коммутационной перемычки 17. В состав ЭГК входят коллекторная изоляция 8 и несущая трубка (чехол) 9. Снаружи чехла установлен датчик теплового потока 10. ЭГК с датчиком через газовый зазор 11 установлен в корпусе 16 петлевого канала. В одном из ЭГЭ (обычно верхнем) на оси торца 3, на котором крепится коммутационная перемычка 7, установлена высокотемпературная, например, вольфрам-рениевая термопара 12. Аналогичная термопара 13 установлена в специальном пазе 14 эмиттера 2.

На чертеже топливо показано в переконденсированном состоянии с образовавшейся в результате центральной газовой полостью 15 в случае герметичной эмиттерной оболочки. Все описанное ниже действительно и для негерметичного ЭГЭ с газоотводным устройством, установленным в торце 4.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В исходной состоянии окисное топливо в виде таблеток загружается внутрь эмиттерной оболочки ЭГЭ, причем в качестве измерительного ЭГЭ используется крайний ЭГЭ, препарированный одной или двумя термопарами 12, 13. ЭГК в составе петлевого канала (ПК) загружается в ячейку ЯР, причем ПК или ячейка снабжены экраном, поглощающим тепловые нейтроны (твердый экран из соединений бора внутри ПК или снаружи ПК экран из солей кадмия или газообразного ³Не). Реактор выводятся на требуемый уровень мощности, соответствующий необходимой рабочей температуре эмиттера Т _Е, которая измеряется термопарой 13 или оценивается одним из трех способов, описанных в статье В.В.Синявского "Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионных преобразователей", ТВТ, т.12, №6, 1974, с.1267-1270.

Измерение тепловой мощности и соответственно плотности объемного тепловыделения в топливе q_v производится или с помощью специального устройства 10 (калориметра, дифференциальной термопары), встроенного в ПК пли на основе испытаний специального макета ПК. Проводится вакуумное обезгаживание ЭГК при Т_Е≥1700°С. При этом за время примерно 100 ч происходит полная переконденсация топлива с образованием центральной газовой поры 15, т.е. топливо перейдет в рабочее состояние. Регистрация окончания процесса переконденсации осуществляется с помощью устройства 10 измерения тепловой мощности или термопары на чехле ЭГК напротив крайнего элемента (окончание возрастания тепловой мощности). Регистрация завершения переконденсации топлива возможна также непосредственно нейтроннографией ПК (временное извлечение ПК из ячейки реактора и просвечивание ПК на остановке типа HP-3IP). В случае, если перекондесация не завершена, требуется продолжить режим вакуумного обезгаживания или повысить мощность и соответственно температуру эмиттера и топлива. После этого проводят испытания ЭГК в цезиевом режиме при рабочих температурах эмиттера при постоянном номинальном уровне тепловой мощности. Производят измерение или оценку температур Т_Т и Т_Е для рабочего режима испытаний. После окончания испытаний измеряют с помощью нейтронной радиографии или при разделке ЭГК в "горячих" камерах толщины δ_Е и δ_Т переконденсировавшегося топлива напротив точек измерения (или оценки) температур и по формуле (1) производят оценку в рабочем состоянии. Измерение δ_E и δ_T возможно также и при временном извлечении ПК из реактора.

Эффективность и реализуемость предлагаемого способа проверены следующим способом.

С помощью самосогласованного алгоритма расчета температурных полей и процессов массопереноса в сердечнике ЭГЭ (Корнилов В.А. и др. Самосогласованное определение тепловых потоков с тепловыделяющего сердечника и температурного поля эмиттерной оболочки термоэмиссионного ЭГЭ с системой вывода газообразных осколков деления, Тезисы докл. на конф. по термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую, ФЭИ, Обнинск, 1973, с.27-30) были рассчитаны температурные поля эмиттерной оболочки и топлива и конфигурация переконденсировавшегося топлива внутри сердечника, при заданных геометрии и теплофизических свойствах материалов, в том числе Из полученной конфигурации центральной газовой полости были определены толщины δ_Т и δ_Е и для согласованных Т_Е и Т _С определено по (1) Расхождение полученных значений с заложенными в расчет не превышало 20%.

Была проведена также оценка по результатам петлевых испытаний пятиэлементного ЭГК с d_E=15,5 мм, l_E=39 мм, заполнение сердечника топливом - 10%, обогащение по урану-235 - 90%. Испытания ЭГК проводились при средней плотности электрической мощности около 2 Вт/см² с суммарным ресурсом свыше 1100 ч. Средняя плотность тепловыделения в сердечнике ЭГЭ примерно 200 Вт/см². Оценки дали Т_Т≅1670K и Т_Е=1980...2050K (по разным методам). В процессе испытаний проведено 4 нейтронографии ПК. Измеренные значения толщин переконденсировавшегося топлива составили δ_Т≈1,5 мм и δ_Е≈0,6 мм. С использованием этих данных по (1) получено

Таким образом, предлагаемый способ позволяет:

определить в рабочих условиях испытаний ЭГК;

определить в переконденсированном состоянии;

тем самым повысить точность определения

Формула изобретения

Способ определения теплопроводности оксида урана при петлевых испытаниях многоэлементного термоэмиссионного электрогенерирующего канала, включающий измерение плотности объемного тепловыделения в топливе и оценку теплопроводности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регистрируют завершение переконденсаций топлива внутри сердечников элементов, измеряют или оценивают температуру эмиттера в середине длины элемента Т_Е(K), и температуру на оси торцевой части эмиттерной оболочки со стороны коммутационной перемычки Т_Т(K), измеряют толщины переконденсировавшегося топлива в середине длины элемента δ_Е(см), и у торца элемента напротив точки измерения или оценки температур δ_Т(см), а оценку тепловодности окисного топлива осуществляют из соотношения

где q - плотность объемного тепловыделения в топливе, Вт/см³;

d - внутренний диаметр эмиттера, см.

РИСУНКИ