Способ формирования режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала
Владельцы патента RU 2465677:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космической, с использованием ядерных реакторов с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием. Технический результат - возможность проведения испытаний многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов вне реактора при оценке качества их изготовления и при проведении экспериментов по исследованию возможных режимов их работы, включая термоэмиссию в космических ядерных энергоустановках. Способ предусматривает формирование расчетного режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала (ЭГК) с целью оценки качества его изготовления и установления исходного режима для проведения планируемых экспериментов и использует сравнение наклона регистрируемой стационарной ВАХ и совпадение ее с расчетной ВАХ. 2 ил.
Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космической, с использованием ядерных реакторов с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием, например, при проведении испытаний многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов вне реактора при оценке качества их изготовления и при проведении экспериментов по исследованию возможных режимов их работы, включая термоэмиссию в космических ядерных энергоустановках.
Изобретение предназначено для формирования расчетного режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала (ЭГК) при необходимости проведения испытаний многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов вне реактора при оценке качества их изготовления и при проведении экспериментов по исследованию возможных режимов их работы.
При испытаниях экспериментального термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) на лабораторном стенде одной из возможностей получения информации о его внутренних (не измеряемых непосредственно) параметрах является использование при анализе результатов эксперимента математических моделей процессов, протекающих в ТЭП [7].
Конечной целью вычислительного эксперимента является получение максимально возможной информации о состоянии электрогенерирующих сборок (ЭГС) в процессе испытаний.
Подчеркивается, что для проведения вычислительного эксперимента на всех этапах разработки и испытаний ЭГС требуется совокупность математических моделей, наиболее полно отражающих плазменные, электрические, тепловые и т.п. процессы в различных режимах работы ЭГС [8].
Математическое моделирование используется при изучении влияния различных факторов и внешних условий на характеристики ЭГК, а также при анализе и интерпретации результатов эксперимента, включая аномальные эффекты и различного рода нарушения режимов работы [9].
В данном изобретении предлагается проводить сравнение расчетной статической ВАХ, полученной при моделировании требуемого режима работы ЭГК, с ВАХ, полученной при оценке режима работы контрольного ЭГК, готовом к установке в активную зону реактора.
Расчетные оценки стационарных вольтамперных характеристик (ВАХ) проводятся с учетом работ [2, 3, 4 и т.д.] и принятых значений констант для ЭГК данной конструкции.
В качестве регулируемых параметров настройки используется давление паров цезия в межэлектродном зазоре (МЭЗ), которое задается из отдельного резервуара с источником паров цезия и значение температуры эмиттера [2, 3, 4, 10].
Давление насыщенных паров цезия в тракте системы оценивается по уравнению Ленгмюра [4]:
1q P=13.1781-1.35 1q Т-4041/Т,
где Р - давление паров цезия в трассе, Па;
Т - температура резервуара с цезием, К.
При отработке конструкции ЭГК и оценке получаемых результатов используется зависимость удельной электрической мощности от температуры резервуара с жидким цезием [4] (температура электродов остается постоянной).
Однако указанное решение не позволяет достоверно оценить качество конструкции, не обеспечивает возможность проведения большого объема испытаний полномасштабных ЭГК при рабочих температурах на стенде с электрическим нагревом и аппроксимировать с достаточной точностью результаты испытаний на реальные условия, при обеспечении удобства использования.
При оценке качества готовой конструкции ЭГК предлагается использовать стационарную ВАХ, позволяющую оценить оптимальность давления цезия и температуру эмиттера.
Визуализация - это мощный инструмент выявления закономерностей, заложенных в изображаемые образы. В стационарную ВАХ заложена информация о двух параметрах - давлении паров цезия непосредственно в межэлектродном зазоре (МЭЗ) и величине температуры эмиттера.
Также в качестве близкого аналога можно рассматривать конструкцию одноэлементного ЭГК [6] (представлены результаты исследований и разработок космических ядерных энергетических установок с прямым преобразованием тепловой энергии, выполненных Курчатовским институтом в содружестве с многими российскими организациям), в котором вместо топливного сердечника возможно установить электрический нагреватель. Одним из основных преимуществ такой конструкции является возможность проведения большого объема испытаний полномаштабных ЭГК при рабочих температурах на стенде с электрическим нагревом [11]. Для известного решения [2, 3] измерение в МЭЗ давления паров цезия, температуры эмиттера и коллектора многоэлементного ЭГК невозможно по конструктивным причинам (МЭЗ равен 0.4 мм, а ЭГК - это неразборное изделие, готовое к работе в активной зоне реактора). Наиболее чувствительным контролируемым параметром, реагирующим на изменения условий в МЭЗ, является величина изменения тока на клеммах ЭГК.
Также известно техническое решение - прототип: патент РФ №1839998, МПК H01J 45/00, от 03.03.1989 «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСЛА РАБОТОСПОСОБНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТЕРМОЭМИССИОННОМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕМ КАНАЛЕ», включающее расчет вольт-амперной характеристики - ВАХ для оптимальных значений параметров системы, регулирование реальных параметров работы системы, включая подачу паров цезия в межэлектродный зазор ЭГК, измерение реальной ВАХ, сравнение углов наклона измеренной ВАХ с углами наклона расчетной ВАХ.
Однако в решении неоптимальны либо недостаточны: точность измерений, в частности измеряемого давления паров цезия в цезиевой системе, в МЭЗ, оценка качества конструкции, обеспечение возможности проведения большого объема испытаний полномасштабных ЭГК при рабочих температурах на стенде с электрическим нагревом и возможность аппроксимировать с достаточной точностью результаты испытаний на реальные условия, при обеспечении удобства использования.
Техническая задача, решаемая предложенным изобретением, состоит в повышении точности измерений, в частности измеряемого давления паров цезия в цезиевой системе, в МЭЗ, в достоверной оценке качества конструкции, обеспечении возможности проведения большого объема испытаний полномасштабных ЭГК при рабочих температурах на стенде с электрическим нагревом и возможности аппроксимировать с достаточной точностью результаты испытаний на реальные условия, при обеспечении удобства использования.
Указанная техническая задача обеспечена использованием предложенной совокупности существенных признаков.
Способ формирования режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала, включающий расчет вольт-амперной характеристики - ВАХ для оптимальных значений параметров системы, регулирование реальных параметров работы системы, включая подачу паров цезия в межэлектродный зазор ЭГК, измерение реальной ВАХ, сравнение углов наклона измеренной ВАХ с углами наклона расчетной ВАХ, причем осуществляют программное формирование образов расчетной ВАХ и реальной ВАХ, регулирование реальных параметров работы системы осуществляют, изменяя режим работы системы подачи паров цезия в межэлектродный зазор ЭГК и режим нагрева эмиттера одновременно, до совпадения предварительно программно-сформированных образов ВАХ.
Предложенное решение поясняют графические материалы.
На фиг.1 показан график зависимости наклона стационарной ВАХ от давления цезия:
На фиг.2 показано в координатах следующее.
1. Изменение тока и напряжения на клеммах ЭГК при сопротивлении внешней цепи 0.3 Ом.
2. Регистрируемое изменение тока и напряжения на клеммах ЭГК при давлении цезия в МЭЗ в 1.0 мм рт.ст. и сопротивлении внешней цепи 0.1…0.3 Ом.
3. Изменение тока и напряжения на клеммах ЭГК при сопротивлении внешней цепи 0.2 Ом.
4. Расчетное изменение тока и напряжения на клеммах ЭГК при давлении цезия в МЭЗ 2.0 мм рт.ст. и сопротивлении внешней цепи 0.1…0.3 Ом.
5. Изменение тока и напряжения на клеммах ЭГК при сопротивлении внешней цепи 0.1 Ом.
В предложенном решении за критерий качества исследуемого ЭГК принимаем критерий подобия расчетного и регистрируемого процесса, т.е. принимается совпадение расчетной статической ВАХ и регистрируемой ВАХ в рабочей области.
Давление цезия в межэлектродном зазоре (МЭЗ, равный 0.4 мм) ЭГК, которое определяет наклон ВАХ в рабочей части [2, 3]. Изменение проводимости в межэлектродном зазоре:
Для иллюстрации на фигуре 1 приведена экспериментальная зависимость
где ΔJ - изменение величины тока, регистрируемого на клеммах ЭГК при изменении сопротивления в цепи нагрузки, измеряется в амперах,
ΔV - изменение величины напряжения, регистрируемого на клеммах ЭГК при изменении сопротивления в цепи нагрузки, измеряется в вольтах,
- установившееся значение давления цезия в МЭЗ,
- оптимальное значение давления цезия в МЭЗ, соответствующее максимально возможному значению регистрируемой электрической мощности на клеммах ЭГК при рассматриваемом режиме работы,
ΔR - изменение внутреннего сопротивления МЭЗ.
- При оптимальном значении давления паров цезия в МЭЗ температура эмиттера определяет соотношение значений параметров J и V, регистрируемых на клеммах ЭГК [10].
Перед проведением экспериментальных исследований с ЭГК выпускается программа испытаний, содержащая расчетные прогнозные зависимости для требуемых режимов работы ЭГК:
- Стационарные ВАХ для всех требуемых режимов работы с указанием оптимального давления паров цезия (№4 на фиг.2).
- Зависимость наклона стационарной ВАХ от давления цезия - 
- изменение проводимости в межэлектродном зазоре (фиг.1).
При выводе ЭГК на требуемый режим работы проводится сравнительный анализ:
- Сравнивается расчетная ВАХ (№4) со стационарной ВАХ (№2), полученной на данном режиме работы. Вычисляется величина 
и оценивается несоответствие установленного в МЭЗ давления цезия принятому в расчетах за оптимальное. Давление цезия изменяется до выравнивания наклона ВАХ, внося изменения в положение регулятора давления паров цезия.
- Сравнивается совпадение ВАХ. Если они не совпадают, то, следовательно, температура эмиттера исследуемого ЭГК не соответствует расчетной. Требуется изменить нагрев эмиттера до совпадения ВАХ, выдавая соответствующие команды на управления в систему нагрева эмиттера.
При совпадении ВАХ (№2 и №4 на фиг.2) для испытываемого ЭГК можно считать, что условия работы МЭЗ (температура эмиттера и коллектора, состояние поверхностей и давление цезия) соответствует параметрам, принятым при расчете характеристик ЭГК. Полученный результат позволяет следующее.
Считать испытываемую конструкцию ЭГК качественной и готовой к монтажу в активной зоне реактора.
Перейти к дальнейшим экспериментам по использованию методик оценки величин неизмеряемых параметров МЭЗ в ЭГК [5].
По окончании запланированных исследований ЭГК выясняются причины зарегистрированных расхождений параметров.
Таким образом, данное решение позволит проводить испытания многоэлементных термоэмиссионных электрогенерирующих каналов вне реактора при оценке качества их изготовления и при проведении экспериментов по исследованию возможных режимов их работы, включая термоэмиссию в космических ядерных энергоустановках.
Литература
1. Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Усов B.C., Мадеев В.Т., Дроздов А.А. и др. Уникальные разработки и экспериментальная база Курчатовского института. М.: ИздАт, 2008.
2. Jean-Louis Desplat. Evaluation of Oxygen-Dispensing Collectors for Thermionics. General Atomics, P.O. Box 85608, San Diego, CA 92121-1194. С.1452-1457.
3. Гуськов Ю.К., Лебедев М.А., Стаханов И.П. Низковольтная дуга в парах цезия. УДК 537.523.5. Журнал технической физики. Том XXXIV, вып.8, 1964.
4. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. М.: Энергоатомиздат, 1993.
5. Кайбышев В.З. Термоэмиссия в космических ядерных энергоустановках. М.: Энергоатомиздат, 2008.
6. Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н., Усов В.А. Космическая ядерная энергетика (ядерные реакторы с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием - «Ромашка» и «Енисей») М.: ИздАТ, 2008. С.78.
7. Болонкин B.C., Визгалов А.В., Ружников В.А., Сибир Е.Е., Сидельников В.Н. Идентификация внутренних параметров экспериментального ТЭП с шестигранными вольфрамовыми электродами. Физико-энергетический институт. Отраслевая юбилейная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Обнинск, 1990. С.93.
8. Ю.В.Бабушкин, В.П.Зимин. Кибернетический центр при Томском политехническом институте. Томск. В.В.Мартьянов, В.В.Синявский. НПО «Энергия». Калининград московской области. Применение вычислительного эксперимента для анализа работы термоэмиссионных сборок. Физико-энергетический институт. Отраслевая юбилейная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Обнинск, 1990. С.323.
9. В.В.Синявский. Особенности определения не измеряемых характеристик при петлевых испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов. НПО «Энергия» Калининград московской области. Физико-энергетический институт. Отраслевая юбилейная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Обнинск, 1990. С.325.
10. Ю.А.Нечаев. Космические ядерные энергоустановки «Ромашка» и «Енисей» (измерение реактивности, идентификация и диагностика, количественная оценка надежности). М.: ИздАТ, 2011.
11. В.И.Выбыванец, А.С.Гонтарь, С.А.Еремин, О.Л.Ижванов, Р.Я.Кучеров, В.А.Модин, Ю.В.Николаев, В.П.Чебоненко, Ю.Г.Дегальцев, А.А.Дроздов. Н.Н.Пономарев-Степной, А.Г.Каландаришвили, Н.Е.Менабде и др. Отраслевая юбилейная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Обнинск, 1990. С.382.
Способ формирования режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала, включающий расчет вольт-амперной характеристики - ВАХ для оптимальных значений параметров системы, регулирование реальных параметров работы системы, включая подачу паров цезия в межэлектродный зазор ЭГК, измерение реальной ВАХ, сравнение углов наклона измеренной ВАХ с углами наклона расчетной ВАХ, отличающийся тем, что осуществляют программное формирование образов расчетной ВАХ и реальной ВАХ, регулирование реальных параметров работы системы осуществляют, изменяя режим работы системы подачи паров цезия в межэлектродный зазор ЭГК и режим нагрева эмиттера одновременно, до совпадения предварительно программно-сформированных образов ВАХ.
