CN109920568A - 测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法，该实验装置包括热离子燃料元件、加热棒、水冷套管、氦气室等，配套设备有氦气系统、冷却水系统、铯蒸气系统、电路系统及数据测量采集系统；实验中热离子燃料元件发射极的最高运行温度可达1600℃，能够通过调节燃料元件的加热功率和气体压力以模拟热离子燃料元件不同的工况，获取热离子燃料元件的伏安特性曲线、热电转换效率等热电转换性能参数；实验装置结构简单。

Description

测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法
技术领域
本发明属于热离子燃料元件技术领域，具体涉及一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法。
背景技术
热离子转换是静态热电转换中的一种重要转换方式，热离子燃料元件是热离子核反应堆中的核心组件。热离子燃料元件能够直接通过热离子转换将元件内核燃料发生裂变产生的热量转化为电能输出，具有结构紧凑、工作可靠等优点。但同时热离子发射的效率受到热离子燃料元件发射极和热离子燃料元件接收极温度、极间间隙宽度、极间电压和极间铯蒸气压力等因素的影响，燃料元件工作的性能分析十分复杂。目前，国内外对热离子燃料元件开展了大量的热工性能分析和热电发射特性研究，但针对原尺寸热离子燃料元件的热电发射特性实验较少。因此为了提高热离子燃料元件的经济性和安全性，开展实验对热离子燃料元件的热电性能进行测定以确定合适的工作参数和几何尺寸十分必要。
国内外已经开展了一系列热离子燃料元件的热电特性实验，但绝大多数实验台架结构比较复杂，且没有涉及工程背景。如David W.Luchau等人在公开发表的一篇文献(David W.Luchau,Hoby D.Follis,Christopher A.Schreiber.Thermionic Fuel ElementTest Rig:Testing of Single Cell Thermionic Fuel Element Technology.AIPConference Proceedings 301,1031(1994))介绍的单节热离子燃料元件实验台架，实验台架主体为多层的套管结构，由内向外以此为加热棒、热离子燃料元件、内外侧带有氦气间隙的加热管和水冷套管，实验中通过改变加热管功率调节氦气温度以控制接收极温度，使燃料元件达到指定工况。但该实验台架结构过于复杂，实验操作困难。又如Mohamed S.El-Genk等人公开发表的文献(Mohamed S.E1-Genk,Huimin Xue.Simulation of FissionHeated Thermionic Fuel Elements Using Uniform Electrical Heating.AIPConference Proceedings 301,287(1994))，由于采用均匀电加热，燃料元件的发射电流密度分布在中部出现下凹，与燃料元件的堆内行为相差较大。国内开展了一部分堆内和堆外的热离子燃料元件实验，但实验变量单一，不能得到全面的热离子燃料元件热电转换特性。如曹绳全等开展的热离子燃料元件堆外实验(曹绳全,杨继材等.反应堆热离子转换器.核科学与工程,1984,4(3):227-232)，采用电子轰击加热，只能获得在不同发射极温度和铯温度下燃料元件输出电压和电流的关系，没有更深入考虑较高接收极温度对燃料元件热电特性的影响，同时加热手段较复杂。
因此，希望设计一种实验方案以克服现有技术缺陷，满足便于开展、接近热离子燃料元件实际工况、能够考虑多变量的热离子燃料元件热电特性实验要求。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有实验设计的缺点，提供一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法，该实验装置可以测得热离子燃料元件在稳态工况下伏安特性和热电转换效率随发射极温度、接收极温度和铯蒸气压力的变化，为热离子燃料元件的设计和性能分析提供实验验证。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，包括热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3组成热离子燃料元件工作段，热离子燃料元件工作段置于水冷套管4中，加热棒1置于热离子燃料元件发射极2内；热离子燃料元件和水冷套管4间的间隙与上氦气室7和下氦气室8相通；
电极导线5设置在热离子燃料元件工作段两端，热离子燃料元件工作段以外下端全部置于下氦气室8中，工作段以外上端的电极导线5部分置于上氦气室7中，加热棒1上端的加热棒导线6置于位于上氦气室7上端的真空室9中，被真空室9中的导线连接件10夹紧，热离子燃料元件两端的电极导线5由上氦气室7和下氦气室8中伸出；热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3表面贴有多个热电偶，热电偶连接至数据采集系统34；真空室9连接有第三抽真空泵32和第六过滤器33；以上共同组成了实验装置的实验段模块；
上氦气室7和下氦气室8通过三通管11连接，三通管11的另一个管口分别连接有第一抽真空泵14和第二过滤器15以及氦气罐12和第一过滤器13两条支管线，用于实验前将上氦气室7和下氦气室8抽真空和充入氦气；上氦气室7和下氦气室8表面布置有用于改变气体压力的加热器16；上氦气室7和下氦气室8内安装有压力传感器以检测内部压力，以上共同组成了实验装置的氦气系统；
热离子燃料元件通过循环的冷却水进行冷却，冷却水在实验开始前储存在冷却水箱17中，冷却水箱17通过第三过滤器18和水泵19连接至水冷套管4底部的入水管20，实验时冷却水通过第三过滤器18和水泵19由入水管20流入冷却热离子燃料元件，由水冷套管4顶部的出水管21流出后经过第一换热器22冷却进入捕获水箱23，最后流回冷却水箱17形成循环；入水管20和出水管21上安装有热电阻以检测冷却水的出入口温度，入水管20上安装有流量计；以上共同组成了实验装置的冷却水系统；
热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3的间隙在热离子燃料元件底端分别与第二抽真空泵24和第四过滤器25以及铯储存罐26和第五过滤器27两条支管线连接；铯储存罐26上布置有镍铬合金加热器28，铯蒸气由铯储存罐26中产生；热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3的间隙在燃料元件顶端经过第二换热器29与铯回收器30连接；铯储存罐26内布置热电偶以检测铯温度从而控制铯蒸气压力，铯回收器30内布置热电偶以监控铯温度防止铯发生凝结；实验中铯蒸气压力通过改变镍铬合金加热器28的加热功率控制，以上共同组成了实验装置的铯蒸气系统；
热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3两端各有一电极导线5引出，每一极的两个导线先汇集再与负载电阻31相接；实验进行时热离子燃料元件发射极2作为正极、热离子燃料元件接收极3作为负极，通过电极导线5与负载电阻相连，形成电路；电路上接有电压表和电流表测量输出电压和电流；以上共同组成了实验装置的电路系统。
所述加热棒1的横截面积在轴向上两端最大，向中心逐渐变小，从而通过改变电阻值沿轴向分布改变加热棒1的功率密度分布以模拟反应堆内实际的燃料元件功率密度分布。
所述加热棒1的加热功率和铯储存罐26的电加热功率均通过可编程逻辑控制器实现实时远程调控。
所述铯储存罐26和铯回收器30的热电偶、热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3的热电偶、入水管20和出水管21上布置的热电阻、入水管20上布置的流量计、上氦气室7、下氦气室8和真空室9的压力传感器、电路上的电压表和电流表均通过NI数据采集系统连接到数据采集系统34上。
所述热离子燃料元件与实际反应堆堆芯燃料元件尺寸比为1：1，因此该实验能够真实地反应燃料元件在稳态工况下的热电特性。
所述热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3表面布置的热电偶采用开浅槽埋入的方式。
所述实验装置对应的实验方法，实验开始前对实验装置进行水压、气密性检测，确保实验回路在高温下的边界完整，具体实验方法如下：启动第三抽真空泵32将真空室9抽真空；打开冷却水箱17阀门，启动水泵19使冷却水开始循环流动；将上氦气室7和下氦气室8抽真空，然后向上氦气室7和下氦气室8内充入氦气；启动抽真空泵25将气隙抽真空后启动镍铬合金加热器28加热铯产生铯蒸气，将铯蒸气充入热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3之间的间隙，同时注意铯回收器30温度壁面铯发生凝结；调节负载电阻值至目标值；启动加热棒1对热离子燃料元件进行加热，逐步提高加热功率至目标功率，保持目标功率，缓慢调节氦气罐12加热器功率和铯储存罐26加热器功率使热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3温度以及铯蒸气压力达到目标值；将工况保持一定时间使热离子燃料元件温度分布和热电发射达到稳态；当各热电偶测得温度达到稳定时，开始记录热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3温度、铯蒸气和氦气压力、输出电压和电流，计算输出电功率。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点及创新点：
1、该实验采用的热离子燃料元件实验件与实际反应堆堆芯燃料元件尺寸比为1：1，因此该实验能够真实地反应燃料元件在稳态工况下的热电特性；
2、该实验采用变截面的加热棒实现对热离子燃料元件余弦功率密度分布的模拟，因此该实验能够更准确地反映燃料元件的发射电流密度和温度沿轴向分布；
3、该实验装置尽可能采用了简化设计，能够较方便的开展实验和控制实验变量；
4、该实验能够通过改变氦气室的温度调节接收极与水冷套管之间的氦气压力进而调节接收极温度，能够通过改变加热棒功率调节发射极温度，发射极的最高运行温度可达1600℃，通过调节铯储存罐的加热功率改变铯蒸气压力，反映不同因素对热离子燃料元件热电特性的影响。
附图说明
图1为本发明实验装置回路示意图；
其中：1、加热棒；2、热离子燃料元件发射极；3、热离子燃料元件接收极；4、水冷套管；5、电极导线；6、加热棒导线；7、上氦气室；8、下氦气室；9、真空室；10、导线连接件；11、三通管；12、氦气罐；13、第一过滤器；14、第一抽真空泵；15、第二过滤器；16、加热器；17、冷却水箱；18、第三过滤器；19、水泵；20、入水管；21、出水管；22、第一换热器；23、捕获水箱；24、第二抽真空泵；25、第四过滤器；26、铯储存罐；27、第五过滤器；28、镍铬合金加热器；29、第二换热器；30、铯回收器；31、负载电阻；32、第三抽真空泵；33、第六过滤器；34、数据采集系统。
图2包壳试件表面热电偶固定方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置可以对热离子燃料元件进行电加热，进行热离子燃料元件热电性能测定的堆外实验。实验的对象是单根热离子燃料元件，热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3组成热离子燃料元件的工作段，热离子燃料元件工作段被放置于水冷套管4内，下端被固定在下氦气室8中，上端被固定在上氦气室7和真空室9中。热离子燃料元件内插有变截面积的加热棒1，从而在实验中模拟轴向上的余弦功率密度分布。热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3表面开有六个均匀分布的浅槽，浅槽内布置热电偶以测量热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3温度，如图2所示。氦气罐12通过阀门和三通管11连接上氦气室7和下氦气室8，向热离子燃料元件接收极3和水冷套管4之间的间隙充满氦气，氦气室上安装有压力传感器以检测氦气压力。冷却水箱17通过第三过滤器18和水泵19连接至水冷套管4端部的入水管20，实验时冷却水通过第三过滤器18和水泵19由入水管20流入冷却热离子燃料元件，由出水管21流出后经过第一换热器22冷却进入捕获水箱23，最后流回冷却水箱17形成循环；入水管20和出水管21上均布置热电偶以检测冷却水的出入口温度，冷却水箱17外安装有流量计以检测流量。铯储存罐26上布置有镍铬合金加热器28，经过阀门与热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3间隙底端连接；热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3间隙在燃料元件顶端经过第二换热器29与铯回收器30连接。实验中铯储存罐26中的铯被镍铬合金加热器28加热产生铯蒸气，充满热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3间隙后经过第二换热器29冷却流入铯回收器30。铯储存罐26内安装有热电偶检测铯温度以控制铯蒸气压力，铯回收器30内布置热电偶以监控铯温度防止铯发生凝结。热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3两端各有一电极导线5引出，每一极的两个电极导线5先汇集再与负载电阻31相接；实验进行时热离子燃料元件发射极2作为正极、热离子燃料元件接收极3作为负极，通过导线与负载电阻31相连，形成电路。负载电阻31的电阻值可以调整，电路接有电压表和电流表以测量热离子燃料元件的输出电压和电流。
进行实验前，首先启动第三抽真空泵32将真空室9抽真空；启动冷却水系统：启动水泵19，使冷却水从冷却水箱17中流出，经过入水管20进入水冷套管4对燃料元件进行冷却，然后经出水管21流入第一换热器冷却，重新进入冷却水箱17完成冷却水循环；然后启动氦气系统：使用第一抽真空泵14将热离子燃料元件接收极3和水冷套管4之间的间隙抽真空，然后将氦气罐12内氦气充入热离子燃料元件接收极3和水冷套管4之间的间隙；接着启动铯蒸气系统：使用第二抽真空泵24将热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3之间的间隙抽真空，启动镍铬合金加热器28加热铯储存罐26，向间隙充入铯蒸气；铯蒸气由铯储存罐26进入热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3间隙后经出气口流出，经过第二换热器29冷却后进入铯回收器30；最后调整电路系统：将负载电阻31调至目标电阻值。进行实验时，启动加热棒1对热离子燃料元件进行加热，逐步提高加热功率至目标功率。保持目标功率不变，缓慢调节氦气罐12加热器功率使热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3温度达到目标值、调节铯储存罐26加热器功率使铯蒸气压力达到目标值；将工况保持一定时间使热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3热电偶测得温度、负载电路的输出电压和电流示数稳定。当达到稳定时，开始记录热离子燃料元件的输出电压和电流，输出电功率；记录热电偶示数，得到热离子燃料元件发射极2和热离子燃料元件接收极3的温度；记录氦气和铯蒸气压力和对应氦气室和铯储存罐26温度。完成一个工况下的实验后，即可改变负载电阻31的电阻值，待示数稳定后记录当前输出电压和电流，从而获得在一定热离子燃料元件发射极2温度、热离子燃料元件接收极3温度和铯蒸气压力下热离子燃料元件的伏安特性；将输出电功率和加热功率进行对比，即可得到在一定热离子燃料元件发射极2温度、热离子燃料元件接收极3温度和铯蒸气压力下热离子燃料元件热离子燃料元件热电转换效率随热功率的变化关系。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：包括热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)组成热离子燃料元件工作段，热离子燃料元件工作段置于水冷套管(4)中，加热棒(1)置于热离子燃料元件发射极(2)内；热离子燃料元件和水冷套管(4)间的间隙与上氦气室(7)和下氦气室(8)相通；
电极导线(5)设置在热离子燃料元件工作段两端，热离子燃料元件工作段以外下端全部置于下氦气室(8)中，工作段以外上端的电极导线(5)部分置于上氦气室(7)中，加热棒(1)上端的加热棒导线(6)置于位于上氦气室(7)上端的真空室(9)中，被真空室(9)中的导线连接件(10)夹紧，热离子燃料元件两端的电极导线(5)由上氦气室(7)和下氦气室(8)中伸出；热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)表面贴有多个热电偶，热电偶连接至数据采集系统(34)；真空室(9)连接有第三抽真空泵(32)和第六过滤器(33)；以上共同组成了实验装置的实验段模块；
上氦气室(7)和下氦气室(8)通过三通管(11)连接，三通管(11)的另一个管口分别连接有第一抽真空泵(14)和第二过滤器(15)以及氦气罐(12)和第一过滤器(13)两条支管线，用于将上氦气室(7)和下氦气室(8)在实验前抽真空和充入氦气；上氦气室(7)和下氦气室(8)表面布置有用于改变气体压力的加热器(16)；上氦气室(7)和下氦气室(8)内安装有压力传感器以检测内部压力，以上共同组成了实验装置的氦气系统；
热离子燃料元件通过循环的冷却水进行冷却，冷却水在实验开始前储存在冷却水箱(17)中，冷却水箱(17)通过第三过滤器(18)和水泵(19)连接至水冷套管(4)底部的入水管(20)，实验时冷却水通过第三过滤器(18)和水泵(19)由入水管(20)流入冷却热离子燃料元件，由水冷套管(4)顶部的出水管(21)流出后经过第一换热器(22)冷却进入捕获水箱(23)，最后流回冷却水箱(17)形成循环；入水管(20)和出水管(21)上安装有热电阻以检测冷却水的出入口温度，入水管(20)上安装有流量计；以上共同组成了实验装置的冷却水系统；
热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的间隙在热离子燃料元件底端分别与第二抽真空泵(24)和第四过滤器(25)以及铯储存罐(26)和第五过滤器(27)两条支管线连接；铯储存罐(26)上布置有镍铬合金加热器(28)，铯蒸气由铯储存罐(26)中产生；热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的间隙在燃料元件顶端经过第二换热器(29)与铯回收器(30)连接；铯储存罐(26)内布置热电偶以检测铯温度从而控制铯蒸气压力，铯回收器(30)内布置热电偶以监控铯温度防止铯发生凝结；实验中铯蒸气压力通过改变镍铬合金加热器(28)的加热功率控制，以上共同组成了实验装置的铯蒸气系统；
热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)两端各有一电极导线(5)引出，每一极的两个导线先汇集再与负载电阻(31)相接；实验进行时热离子燃料元件发射极(2)作为正极、热离子燃料元件接收极(3)作为负极，通过电极导线(5)与负载电阻相连，形成电路；电路上接有电压表和电流表测量输出电压和电流；以上共同组成了实验装置的电路系统。
2.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述加热棒(1)的横截面积在轴向上两端最大，向中心逐渐变小，从而通过改变电阻值沿轴向分布改变加热棒(1)的功率密度分布以模拟反应堆内实际的燃料元件功率密度分布。
3.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述加热棒(1)的加热功率和铯储存罐(26)的电加热功率均通过可编程逻辑控制器实现实时远程调控。
4.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述铯储存罐(26)和铯回收器(30)的热电偶、热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的热电偶、入水管(20)和出水管(21)上布置的热电阻、入水管(20)上布置的流量计、上氦气室(7)、下氦气室(8)和真空室(9)的压力传感器、电路上的电压表和电流表均通过NI数据采集系统连接到数据采集系统(34)上。
5.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述热离子燃料元件与实际反应堆堆芯燃料元件尺寸比为1：1，因此该实验能够真实地反应燃料元件在稳态工况下的热电特性。
6.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)表面布置的热电偶采用开浅槽埋入的方式。
7.权利要求1至6任一项所述实验装置对应的实验方法，其特征在于：实验开始前对实验装置进行水压、气密性检测，确保实验回路在高温下的边界完整，具体实验方法如下：启动第三抽真空泵(32)将真空室(9)抽真空；打开冷却水箱(17)阀门，启动水泵(19)使冷却水开始循环流动；将上氦气室(7)和下氦气室(8)抽真空，然后向上氦气室(7)和下氦气室(8)内充入氦气；启动抽真空泵(25)将气隙抽真空后启动镍铬合金加热器(28)加热铯产生铯蒸气，将铯蒸气充入热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)之间的间隙，同时注意铯回收器(30)温度壁面铯发生凝结；调节负载电阻值至目标值；启动加热棒(1)对热离子燃料元件进行加热，逐步提高加热功率至目标功率，保持目标功率，缓慢调节氦气罐(12)加热器功率和铯储存罐(26)加热器功率使热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)温度以及铯蒸气压力达到目标值；保持一定时间使热离子燃料元件温度分布和热电发射达到稳态；当测得温度达到稳定时，开始记录热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)温度、铯蒸气和氦气压力、输出电压和电流，计算输出电功率。
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