Способ петлевых испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих каналов

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при создании электрогенерирующих каналов. Техническим результатом является повышение безопасности испытаний. Технический результат достигается за счёт того, что в способе петлевых испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих каналов, включающем вывод исследовательского водо-водяного реактора на номинальный уровень тепловой мощности при обеспечении циркуляции воды в системе теплосброса петлевого канала, заполнение регулировочной полости системы теплосброса петлевого канала теплопроводящим газом с измерением его давления, измерение температур чехла канала и определение характеристик канала, измеряют температуру и давление воды на входе и выходе в систему теплосброса канала и при регистрации изменения давления газа в регулировочной полости до значений измеренных давлений воды с одновременным повышением температуры, хотя бы в одной точке чехла на величину ΔТ, фиксируют факт попадания воды в регулировочную полость, после чего испытания прекращают. 2 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при реакторных испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК) в составе петлевого канала (ПК) в исследовательских ядерных реакторах (ЯР).

Известен способ петлевых испытаний ЭГК в водо-водяном ЯР (Бержатый В.И. и др. Испытания многоэлементных термоэмиссионных экспериментальных сборок. Атомная энергия, 1971, т. 31, вып. 6, с. 585-587). Он заключается в загрузке ПК в ячейку ЯР, организации циркуляции воды в ЯР с охлаждением ПК, подъеме тепловой мощности ЯР, напуске пара цезия в ЭГК, измерении температуры чехла и мощности ЭГК и анализе энергетических характеристик ЭГК.

Основной недостаток - недостаточная безаварийность из-за невозможности обнаружения протечки воды внутри ПК и прежде всего в регулировочную полость системы теплосброса (СТС) ПК.

В качестве прототипа примем способ петлевых реакторных испытаний ЭГК, описанный в книге Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов /В.В.Синявский и др., М.: Атомиздат, 1981, с.63-64. Он также включает загрузку ПК в ячейку ЯР, подъем мощности реактора до требуемого уровня с измерением тепловой мощности ЭГК и организацией циркуляции воды для охлаждения СТС ПК, подачу в регулировочный зазор СТС теплопроводящего газа (гелия) в диапазоне от 0,1...1 мм рт.ст. до 100...700 мм рт.ст. с обеспечением требуемой температуры наружного кожуха (чехла) ЭГК и проведение ресурсных испытаний с анализом получаемых энергетических характеристик ЭГК.

Основной недостаток - недостаточная безаварийность из-за невозможности обнаружения разгерметизации корпуса ПК (с последующим попаданием воды в регулировочный зазор СТС, ее вскипании, перегреве чехла ЭГК с разгерметизацией и взаимодействия воды с паром цезия).

Предлагаемое изобретения направлено на устранение указанного недостатка и имеет целью повышение безаварийности испытаний за счет обеспечения возможности обнаружения разгерметизации корпуса ПК с попаданием воды в регулировочную полость СТС ПК.

Указанная цель достигается предложенным способом петлевых испытаний ЭГК, включающим вывод исследовательского водо-водяного ЯР на номинальный уровень тепловой мощности с организацией циркуляции воды в СТС ПК, заполнение регулировочной полости СТС теплопроводящим газом с измерением давления газа, измерение температур чехла и тепловой мощности ЭГК и анализ ресурсно-энергетических характеристик ЭГК, отличающийся тем, что измеряют давление: воды на входе Р ₁ и выходе Р₂ в СТС ПК и при регистрации повышения давления газа в регулировочной полости до значении, лежащего в интервале от Р₂ до Р₁ при одновременном повышении температуры ΔТ чехла ЭГК на значение, определяемое из соотношения

λ_He - теплопроводность теплопроводящего газа;

λ_п - теплопроводность пара воды при давлении q - плотность теплового потока через регулировочный зазор шириной δ, рассчитывая через измеренную тепловую мощность ЭГК, фиксируют факт попадания воды в регулировочную полость CTC, после чего реактор глушат.

На фиг.1 представлена схема расположения ПК с ЭГК в ячейке ЯР, поясняющая реализацию предлагаемого способа. Здесь обозначено: 1 - ЯР, 2 - ячейка ЯР, 3 - ПК, 4, 5 - узлы соответственно входа и выхода воды для охлаждения СТС, 6 - ЭГК, 7 - СТС, 8 - регулировочный зазор СТС, 9 - трубка для подвода теплопроводящего газа, 10 - датчик давления газа, 11 - чехол ЭГК, 12 - термопары на чехле ЭГК, 13 - система измерений электрических параметров ЭГК, 14 - датчик теплового потока, 15 - нагрузочное сопротивление.

Предложенный способ реализуется следующим образом. После загрузки ПК 3 с ЭГК 6 в ячейку 2 реактора 1 и организации циркуляции воды в ЯР, в том числе в ячейке 2, мощность ЯР 1 поднимают до уровня, соответствующего требуемой тепловой мощности ЭГК 6. Тепловую мощность ЭГК измеряют или непосредственно датчиком теплового потока 14, встроенном в ПК, или заблаговременно с помощью макета ПК. Регулировочный зазор 8 заполняют гелием, давление которого выбирают из условия, чтобы температура чехла 11 ЭГК 6, измеряемая термопарами 12, была равна заданному рабочему (600-900°С или оптимальному (650-700°С) значениям. Регулирование температур производится при изменении давления гелия от 0,1...1 мм рт.ст. (нижний уровень) до 100...700 мм рт.ст. (верхний уровень), чаще всего в диапазоне 30...100 мм рт.ст. Установившееся давление гелия измеряется датчиком 10. В ЭГК 6 подается пар цезия при рабочем (оптимальном) давлении. ЭГК, замкнутый на постоянную нагрузку 15, начинает генерировать электроэнергию, которая регистрируется с помощью системы электроизмерений 13. До начала испытаний измеряется давление воды Р₁ и Р₂ соответственно на входе и выходе из ПК (у входного 4 и выходного 5 узлов). Эти измерения проводятся при испытаниях специального макета ПК, оснащенного датчиками давления воды, или непосредственно при петлевых испытаниях, когда штатными системами ЯР измеряется давление воды на входе и выходе из активной зоны ЯР, что с небольшой погрешностью равно Р₁ и Р ₂.

Во время испытаний непрерывно контролируется давление гелия Р_не и температура чехла Т (обычно в нескольких точках), и производится анализ энергоресурсных характеристик. Однако при аварии, связанной с нарушением герметичности по воде корпуса ПК между узлами 4 и 5, вода попадает в регулировочный зазор 8, превращается там в перегретый пар, давление которого становится равным давлению воды в точке разгерметизации, т.е. в интервале от Р₁ до Р₂. Соответственно повышается давление газа (смеси гелия с паром) в зазоре 8 и газопроводах 9, что будет зарегистрировано датчиком 10.

Вытеснение гелия паром (полное или частичное) за счет ухудшения теплопроводящих свойств регулировочного зазора приведет к одновременному повышению температуры чехла, что будет зарегистрировано термопарами 12. Максимальное повышение температуры будет при полном вытеснении гелия паром и может быть найдено из следующих соображений. Плотность теплового потока через зазор определяется выражением

где Т и Т_воды - температуры соответственно чехла ЭГК и охлаждающей воды.

Преобразовав (2) к виду

Записав уравнение (3) для двух случаев, когда регулировочный зазор заполнен полностью паром с теплопроводностью или гелием с λ_He, и вычитая одно уравнение из другого, получим

что эквивалентно (1).

Так как в реальных условиях возможно не только полное вытеснение гелия паром, но и разбавление гелия паром, то при протечке возможно повышение температуры чехла на часть ΔТ, определяемой (4). Исходя из необходимости регистрации протечки воды даже при минимально возможном эффекте, целесообразно нижний уровень изменения температуры установить близким к минимальному, но четко регистрируемому изменению ΔТ. Для обычных режимов испытаний максимальное изменение температур чехла по причинам, не связанных с рассматриваемой аварией (колебания тепловой мощности ЯР, колебания расхода воды, отключение - включение части насосов и т.п.) суммарно не превышает 10...15°С. Погрешность измерения температур хромель-алюмелевыми термопарами при 500...900°С не превышает 10°С. Так как испытания проводятся при постоянной электрической нагрузке, то изменение температуры чехла, вызванные изменением нагрузки, можно не рассматривать. Поэтому в качестве нижней границы изменения ΔТ за счет разбавления гелия паром воды можно принять 20...25°С.

Таким образом, при одновременном повышении давления в регулировочной полости до значения в интервале от Р₁ до Р₂ и повышении температуры чехла хотя бы в одной точке от 25°С до ΔТ, определяемой 4, фиксируется факт протечки, после чего испытания должны быть прекращены (мощность реактора понижают до нуля).

Эффективность и реализуемость метода были оценены расчетным путем с использованием экспериментальных данных при разработке технического проекта конкретного ПК. На фиг.2 приведена зависимость температур чехла восьмиэлементного ЭГК при испытаниях ПК в реакторе ВВР-М в зависимости от тепловой мощности. Кривая 1 соответствует заполнению регулировочного зазора СТС гелием при давлении 100...700 мм рт.ст., кривая 2 - при заполнении зазора паром при давлении около 1,5 атм, и температуре, равной среднему значению между температурами чехла и воды. Заштрихованная область - возможный наиболее реальный диапазон изменения температуры чехла при нахождении в зазоре смеси гелия с паром, рассчитанный с учетом передачи тепла через зазор с учетом излучения. Измеренные в реакторе значения давления воды на входе около 1,6 атм, на выходе 1-1,2 атм (в зависимости от числа включенных насосов системы охлаждения). Рабочая область тепловых мощностей: 5...10 МВт. Таким образом, предлагаемый способ позволяет:

обнаружить протечку воды в регулировочную полость СТС ПК;

своевременно прекратить испытания, предотвратив дальнейшее развитие аварии в виде разгерметизации полости ЭГК;

тем самым повысить безаварийность испытаний.

Формула изобретения

Способ петлевых испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих каналов, включающий вывод исследовательского водо-водяного реактора на номинальный уровень тепловой мощности при обеспечении циркуляции воды в системе теплосброса петлевого канала, заполнение регулировочной полости системы теплосброса петлевого канала теплопроводящим газом с измерением его давления, измерение температур чехла канала и определение характеристик канала, отличающийся тем, что с целью повышения безопасности, измеряют температуру и давление воды на входе и выходе в систему теплосброса канала и при регистрации изменения давления газа в регулировочной полости до значений измеренных давлений воды, с одновременным повышением температуры хотя бы в одной точке чехла на величину ΔТ, определяемую из выражения

где q - средняя плотность теплового потока через регулировочную полость, Вт/см²;

δ - ширина регулировочной полости,

λ_He- коэффициент теплопроводности теплопроводящего газа, при измеренном давлении, Вт/м.град;

λ_п - коэффициент теплопроводности перегретого пара воды при давлении, равном среднему значению измеренных значений давлений воды на входе и выходе из системы теплосброса канала,

фиксируют факт попадания воды в регулировочную полость, после чего испытания прекращают.

РИСУНКИ