RU2069918C1 - Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла - Google Patents
Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла Download PDFInfo
- Publication number
- RU2069918C1 RU2069918C1 RU94021789A RU94021789A RU2069918C1 RU 2069918 C1 RU2069918 C1 RU 2069918C1 RU 94021789 A RU94021789 A RU 94021789A RU 94021789 A RU94021789 A RU 94021789A RU 2069918 C1 RU2069918 C1 RU 2069918C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- fuel material
- fuel element
- thermal conductivity
- ventilation system
- Prior art date
Links
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Использование: атомная энергетика. Сущность изобретения: в процессе испытаний вентилируемого твэла в реакторе определяют скорость выноса топливного материала (ТМ) из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение заданного отрезка времени, определяют изменение массы ТМ в твэле, оценивают максимальную температуру (Тo) топлива, а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению
где qv - плотность тепловыделения в ТМ; Тe - температура оболочки твэла; rc - радиус топливного сердечника; εr - относительное объемное содержание ТМ в твэле. 1 ил.
где qv - плотность тепловыделения в ТМ; Тe - температура оболочки твэла; rc - радиус топливного сердечника; εr - относительное объемное содержание ТМ в твэле. 1 ил.
Description
Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке высокотемпературных твэлов, в том числе термоэмиссионных.
Одним из основных этапов разработки твэлов с системой вывода летучих и газообразных продуктов деления (ГПД) через вентилируемое устройство, выполненное, например, в виде газоотводной трубки, являются петлевые испытания в исследовательских реакторах, где изучаются все специфические проблемы, связанные с созданием длительно работающих тепловых и электрогенерирующих сборок.
Контролирование фундаментальной характеристики-теплопроводности топливного материала (ТМ) твэла во многом определяет достоверность получаемых экспериментальных результатов.
В основе большинства методов измерения теплопроводности лежит определение количества теплоты, прошедшей через измеряемый образец. Наиболее простым методом определения теплопроводности следует считать сравнительный метод. Он относится к стационарным методам и заключается в том, что количество теплоты, прошедшее через исследуемый образец, определяется из известных параметров эталонного образца, находящегося в идеальном контакте с исследуемым образцом [1]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения теплопроводности оксидного топлива, описанный в [2]
Способ включает размещение таблеток из UO2 или твэла из UO2 в специальном измерительном устройстве, реакторные испытания устройства с измерением плотности объемного тепловыделения в ТМ, измерение температуры наружной поверхности твэла и оценку теплопроводности диоксида урана.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения теплопроводности оксидного топлива, описанный в [2]
Способ включает размещение таблеток из UO2 или твэла из UO2 в специальном измерительном устройстве, реакторные испытания устройства с измерением плотности объемного тепловыделения в ТМ, измерение температуры наружной поверхности твэла и оценку теплопроводности диоксида урана.
Теплопроводность ТМ относится к структурно чувствительным свойствам, зависящим от ряда факторов: температуры, плотности, стехиометрического состава, технологии изготовления и т.д.
Поэтому определение теплопроводности UO2 в исходном, например, спеченном, состоянии может существенно отличаться от ее значения в рабочем состоянии, так как в высокотемпературных твэлах, каким является и термоэмиссионный твэл, в начале работы происходит переконденсация топлива, с перестройкой структуры топлива, изменением плотности, стехиометрии и другими эффектами, существенно влияющими на теплопроводность.
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения теплопроводности ТМ, поскольку результат не зависит от исходного и рабочего состояния ТМ.
Указанный технический результат достигается способом определения коэффициента теплопроводности (λ) оксидного ТМ для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности (qv) в ТМ сердечника твэла, температуры оболочки твэла (ТЕ) и оценку коэффициента теплопроводности ТМ, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса (J) ТМ из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение (q) в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление (Р) парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени (Δτ), удолетворяющего неравенству
определяют изменение массы ТМ ((Δm)) в твэле, оценивают максимальную температуру (Тo) топлива из выражения
а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению
где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом ТМ, вышедшего из твэла [Вт]
ρ- плотность ТМ [кг/м3]
R суммарное сопротивление системы вентиляции [1/м]
А и В коэффициенты, зависящие от вида ТМ (для UO2 A=1,68•1032, B 7,4•108);
rc радиус топливного сердечника [м]
εr относительное объемное содержание ТМ в твэле;
На чертеже представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента (ЭГЭ), в котором может быть реализован данный способ определения коэффициента теплопроводности ТМ.
определяют изменение массы ТМ ((Δm)) в твэле, оценивают максимальную температуру (Тo) топлива из выражения
а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению
где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом ТМ, вышедшего из твэла [Вт]
ρ- плотность ТМ [кг/м3]
R суммарное сопротивление системы вентиляции [1/м]
А и В коэффициенты, зависящие от вида ТМ (для UO2 A=1,68•1032, B 7,4•108);
rc радиус топливного сердечника [м]
εr относительное объемное содержание ТМ в твэле;
На чертеже представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента (ЭГЭ), в котором может быть реализован данный способ определения коэффициента теплопроводности ТМ.
На чертеже обозначено: 1 конденсат ТМ, вышедшего из твэла; 2 система вентиляции; 3 ТМ; 4 оболочка твэла (эмиттерная оболочка ЭГЭ); 5 - коллектор ЭГЭ; 6 коллекторная изоляция; 7 чехловая труба ЭГК; 8 датчик тепловой мощности, выделяемой в твэле; 9 датчик тепловой мощности, выделяемой в конденсате ТМ вне твэла; 10 изоляция; 11 жиклер.
Способ реализуется следующим образом.
ЭГК, представляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ с системами регистрации 8 и 9 тепловой мощности, выделяемой в ТМ 3 твэла и вышедшем конденсате 1, помещают в ячейку реактора.
В процессе работы реактора регистрируют по показаниям датчика 8 тепловыделение Q в ТМ 3 твэла и по показанию датчика 9 тепловыделения q в конденсате 1. Определяют изменение во времени тепловыделения в конденсате 1 (dq/dτ),, используя показания датчика 9. Определяем скорость выноса ТМ 3 из твэла (J) через систему вентиляции, используя соотношение
где Мo первоначальная масса ТМ 3 в твэле.
где Мo первоначальная масса ТМ 3 в твэле.
Плотность тепловыделения в ТМ (qv определяем, замеряя тепловыделения Q и q по показаниям датчиков 8 и 9, по соотношению
После вывода реактора на мощность, при которой планируется измерение коэффициента теплопроводности ТМ, производят выдержку в течение времени Δτ в соответствии с неравенством (1). В (1) dq известная погрешность измерения тепловой мощности, являющаяся характеристикой датчика 9.
После вывода реактора на мощность, при которой планируется измерение коэффициента теплопроводности ТМ, производят выдержку в течение времени Δτ в соответствии с неравенством (1). В (1) dq известная погрешность измерения тепловой мощности, являющаяся характеристикой датчика 9.
За время Δτ определяет изменение массы ТМ (Δm) в твэле, вышедшего через систему вентиляции, с помощью соотношения
Δm= Δq•ρ/qv, (5)
где Δq изменение тепловой мощности, регистрируемое показаниями датчика 9.
Δm= Δq•ρ/qv, (5)
где Δq изменение тепловой мощности, регистрируемое показаниями датчика 9.
Регистрируем суммарное давление парогазовой смеси в межэлектродном промежутке ЭГЭ (Р).
После чего по выражению (2) оцениваем максимальную температуру в твэле (Т.).
Определяем температуру эмиттерной оболочки ТE (например, методом реперной точки или методом сравнения вольт-амперных характеристик [4]) и по уравнению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле.
Выражения (2), (3) для оценки коэффициента теплопроводности ТМ в твэле получены следующим образом.
Выражение (2) получено из выражения для потока молекул ТМ (Δm/Δτ) в случае диффузии их в среде паров Сs и газообразных продуктов деления из топливного сердечника ЭГЭ через систему вентиляции, используя первый закон Фика
где W средняя скорость теплового движения молекул ТМ;
L средняя длина свободного пробега молекул ТМ в парогазовой смеси;
no концентрация пара ТМ в сердечнике ЭГЭ;
mтм масса молекулы ТМ;
R сопротивление газоотводного устройства.
где W средняя скорость теплового движения молекул ТМ;
L средняя длина свободного пробега молекул ТМ в парогазовой смеси;
no концентрация пара ТМ в сердечнике ЭГЭ;
mтм масса молекулы ТМ;
R сопротивление газоотводного устройства.
R = ∑ l1/r , (7)
где li и ri длина и радиус отдельных участков газоотводного устройства соответственно.
где li и ri длина и радиус отдельных участков газоотводного устройства соответственно.
Выражение для no в зависимости от Тo можно получить из выражения равновесия между паровой и адсорбированной фазой стехиометричного UO2 [5]
lgP [мм рт.ст. -32258/Т + 12,183. (8)
Используя известные выражения для L и W из [6] и no из формулы (8), из (6) получаем выражения (2) для максимальной температуры ТМ в твэле (Тo).
lgP [мм рт.ст. -32258/Т + 12,183. (8)
Используя известные выражения для L и W из [6] и no из формулы (8), из (6) получаем выражения (2) для максимальной температуры ТМ в твэле (Тo).
Уравнение для коэффициента теплопроводности ТМ в твэле (3) получаем, используя формулу для расчета температурных полей полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности (7). В уравнении (3) использовано выражение для Тo из (2) и соотношение
1-εr= r /r ,
где ro внутренний радиус полого топливного цилиндра (см. чертеж).
1-εr= r
где ro внутренний радиус полого топливного цилиндра (см. чертеж).
В качестве примера рассмотрим использование способа определения λ для типичного ЭГЭ, где в качестве ТМ используется диоксид урана.
Пусть радиус топливного сердечника rc 5•10-3, относительное объемное содержание ТМ в твэле er= 0,7 0,7 и первоначальная масса ТМ в твэле Мo 33•10-3 кг.
Положим, что датчики тепловой мощности 8 и 9 (см. чертеж) в сумме показывают тепловую мощность, выделяемую в ТМ, q+Q=1800 Вт, а скорость измерения тепловой мощности, измеряемая по показанию датчика 9, dq/dτ=5,46•10-6 Вт/с. 5,46 • 10-6 Вм/с.
Тогда по соотношению (4) получим J 10-10 кг/с.
Исходя из опыта эксплуатации датчиков, примем погрешность измерения тепловой мощности датчика 9 δq. Таким образом, измерив тепловыделение в ТМ q+Q, зная M0 и ρ ТМ, имеем qv 6•108 Вт/м3.
По соотношению (1) оцениваем минимальное время выдержки (Δτmin) при постоянной тепловой мощности
Δτmin= 3,66•103c.
Принимаем, в соответствии с неравенством (1), время выдержки Δτ= 106 с 106 c. Регистрируем приращение тепловой мощности Δq за отрезок времени Δτ по показаниям датчика 9. Из анализа типичных результатов испытаний примем Dq= 5,45 Вт 5,45 Вт.
Δτmin= 3,66•103c.
Принимаем, в соответствии с неравенством (1), время выдержки Δτ= 106 с 106 c. Регистрируем приращение тепловой мощности Δq за отрезок времени Δτ по показаниям датчика 9. Из анализа типичных результатов испытаний примем Dq= 5,45 Вт 5,45 Вт.
Зная плотность тепловыделения в ТМ (qv), определяем приращение массы Δm=10-4 кг по соотношению (5) Δm 10-4 кг. Основное сопротивление газоотводного устройства 2 (см. чертеж) оказывает жиклер 11, сопротивление которого R l/r2 (здесь l длина жиклера, r радиус жиклера). Для типичного ЭГЭ R 1,6•106 1/м. Давление парогазовой смеси, регистрируемое в системе вентиляции, примем Р 1330 Па.
По выражению (2) оцениваем максимальную температуру (Тo). Уравнение (2) можно решить, например, итерационным методом [8] Получаем Тo 2860 К.
Определив температуру эмиттерной оболочки ТE (например, ТE 2273 К), по выражению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле λ= 2,16 Вт/(м•град) 2,16 Вт/(м•град).
Таким образом, предложенный метод позволяет определить коэффициент теплопроводности оксида урана непосредственно в рабочих условиях с учетом перестройки структуры топлива, а также влияния возможных легирующих добавок.
1. Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. А.С.Охотина. М. Энергоатомиздат, 1984 г. с.19.
2. Спиридонов Ю.Г. и др. Внутриреакторные исследования теплофизических характеристик твэлов на основе UO2. Сборник докладов на юбилейной конференции ХХ лет атомной энергетики, том 2, с.3-5, ФЭИ, г.Обнинск, 1974.
3. С. Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Из-во "Мир", М. 194, с. 79.
4. Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионых преобразователей. ТВТ, т. 12, N 6, с.1267-1271, 1974.
5. Горбань Ю.А. и др. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т.22, вып.6, с.465-467.
6. С.Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Мир, М. 1964, с.68 и 84.
7. Займовский А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М. Атомиздат, 1966, с.504.
8. Г. Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Издание второе, М. 1970, с.572.
Claims (1)
- Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности qv в топливном материале сердечника твэла, температуры оболочки твэла Tε и оценку коэффициента теплопроводности топливного материала, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса J топливного материала из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение q в конденсате топливного материала, вышедшего из твэла, и давление P парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени Dt, определяемого из выражения
определяют изменение массы топливного материала Δm в твэле, оценивают максимальную температуру T0 топлива из соотношения
а оценку коэффициента теплопроводности λ топливного материала в твэле производят по уравнению
где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом топливного материала, вышедшего из твэла, Вт;
ρ плотность топливного материала, кг/м3;
R суммарное сопротивление системы вентиляции, 1/м;
A и B коэффициенты, зависящие от вида топливного материала (для VO2 A 1,68•1032, B 7,4•108);
rс радиус топливного сердечника, м;
er относительное объемное содержание топливного материала в твэле:
Δτ[c]; Δm[кг]; J [кг/с] qv [Вт/м3] TΕ[K]; T0 [K]
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94021789A RU2069918C1 (ru) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94021789A RU2069918C1 (ru) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94021789A RU94021789A (ru) | 1996-02-10 |
RU2069918C1 true RU2069918C1 (ru) | 1996-11-27 |
Family
ID=20157049
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94021789A RU2069918C1 (ru) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2069918C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647486C1 (ru) * | 2017-03-22 | 2018-03-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Способ испытания высокотемпературных тепловыделяющих элементов |
-
1994
- 1994-06-08 RU RU94021789A patent/RU2069918C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. Охотина А.С.- М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 19. Спиридонов Ю.Г. Внутренние исследования теплофизических характеристик твэлов на основе UO 2 . Сборник докладов на юбилейной конференции XX лет атомной энергии, т. 2, с. 3 - 5, ФЭИ, Обнинск, 1974. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647486C1 (ru) * | 2017-03-22 | 2018-03-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Способ испытания высокотемпературных тепловыделяющих элементов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2491664C2 (ru) | Способ измерения доплеровского коэффициента реактивности | |
WO2009003390A1 (en) | Beta-ray soot concentration direct readout monitor and method for determining effective sample | |
RU2069918C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла | |
Krug et al. | Investigation of the hydrogen uptake of doped SrCeO3 by TEM, thermogravimetry and cold neutron prompt gamma activation analysis (CNPGAA) | |
RU2070754C1 (ru) | Способ определения максимальной температуры окисного топлива в сердечнике вентилируемого твэла термоэмиссионного элемента | |
RU2177182C1 (ru) | Способ определения максимальной температуры топливного материала в твэле атомного реактора | |
JP2611324B2 (ja) | 水の水素・酸素同位体比の測定方法 | |
RU2228549C1 (ru) | Способ определения тепловыделения в твэле при отработке в петлевом канале ядерного реактора | |
RU2198438C2 (ru) | Способ определения скорости выноса топливного материала из вентилируемого твэла | |
Conzemius et al. | Scanning laser mass spectrometry for trace level solute concentration profiles | |
US3745810A (en) | Apparatus for measuring the rate at which vapors are evolved from materials during thermal degradation | |
Gravenor et al. | Post-irradiation testing of AGR element components in support of the Scottish Nuclear Limited dry-store project | |
RU2086033C1 (ru) | Способ определения скорости выноса оксидного топлива через систему вентиляции топливно-эмиттерного узла термоэмиссионного электрогенерирующего канала | |
Zhao et al. | Measuring moisture content of wood using a transient Hot-Wire technique | |
US4826770A (en) | Carbon dioxide monitoring of composites | |
Felder et al. | Effects of moisture on the performance of permeation sampling devices | |
RU2072572C1 (ru) | Способ определения газопроницаемости топливного столба твэла и места расположения пробки, не проницаемой для газа | |
RU2198437C2 (ru) | Способ определения температуры оболочки твэла при экспериментальной отработке в ядерном реакторе и устройство для его реализации | |
Nishida | Optical Visualization and Spectroscopic Techniques for Probing Water Transport in a Polymer Electrolyte Fuel Cell | |
Glassford et al. | Effect of temperature and preconditioning on the outgassing rate of double aluminized mylar and dacron net | |
Venkiteswaran et al. | Estimation of fission gas release in FBTR fuel pins | |
Hu et al. | Report on Hydrogen Isotope Permeability/Hermeticity of SiC-Based Cladding | |
Yasuno et al. | Doppler coefficient measurements in FCA | |
Ellefson | Process monitoring of tritium concentration | |
RU2223559C2 (ru) | Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом |