RU2070751C1 - Loop device for testing thermionic power-generating assemblies - Google Patents
Loop device for testing thermionic power-generating assemblies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2070751C1 RU2070751C1 RU94022101A RU94022101A RU2070751C1 RU 2070751 C1 RU2070751 C1 RU 2070751C1 RU 94022101 A RU94022101 A RU 94022101A RU 94022101 A RU94022101 A RU 94022101A RU 2070751 C1 RU2070751 C1 RU 2070751C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cesium
- gas
- gap
- temperature
- path
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и реакторной теплофизике и может быть использовано при лабораторных и реакторных исследованиях термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), термоэмиссионных и других твэл. The invention relates to a thermionic method of converting thermal energy into electrical and reactor thermophysics and can be used in laboratory and reactor studies of thermionic energy converters (TEC), thermionic and other fuel elements.
Реакторные испытания твэл, в том числе термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), являются важнейшим этапом отработки реактора и энергетической установки. Такие испытания проводятся в исследовательских ядерных реакторах (ЯР) с помощью специальных петлевых устройств (ПУ), называемых чаще петлевыми каналами (ПК). Reactor tests of fuel elements, including thermionic power generating assemblies (EHS), are the most important stage in the development of the reactor and power plant. Such tests are carried out in research nuclear reactors (NR) using special loop devices (PU), often called loop channels (PC).
Известны ПК для реакторных испытаний ЭГС (Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. В. В. Синявский и др. Атомиздат, 1981, с. 24-28). Основное назначение ПК обеспечение близких к условиям эксплуатации условий испытаний ЭГС (по тепловыделениям, температурам электродов, давлениям пара цезия и др.). С этой точки зрения в ПК можно выделить следующие характерные системы: обеспечения энерговыделения, теплосъема и терморегулирования; обеспечения параметров межэлектродной среды; вывода электрической энергии; контроля и измерения характеристик ЭГС и систем ПК. Known PCs for reactor tests of EHS (Design and testing of thermionic fuel elements. V. V. Sinyavsky and other Atomizdat, 1981, pp. 24-28). The main purpose of the PC is to ensure close to the operating conditions of the EHS test conditions (heat dissipation, electrode temperatures, cesium vapor pressures, etc.). From this point of view, the following characteristic systems can be distinguished in a PC: ensuring energy release, heat removal, and temperature control; providing parameters of the interelectrode medium; output of electrical energy; monitoring and measuring the characteristics of EHS and PC systems.
В качестве прототипа примем конкретное ПУ для испытаний ЭГС реактора "Топаз" в активной зоне первой АЭС (там же, с.27-28, рис.2.10). As a prototype we take a specific PU for testing the EHS of the Topaz reactor in the active zone of the first nuclear power plant (ibid., Pp. 27-28, Fig. 2.10).
ПУ состоит из корпуса, внутри которого размещена охлаждаемая теплоносителем (водой) реактора система теплосброса (СТС), выполненная с возможностью установки внутри нее ЭГС. СТС, в свою очередь, содержит систему терморегулирования, представляющую собой малый зазор (доли миллиметра), который может вакуумироваться или заполняться газом (смесью газов). Температура коллектора регулируется изменением давления газа или соотношения компонентов газа в этом зазоре. Токовые выводы изолированы от массы и выводятся из цезиевого пространства через вакуумно плотные металлокерамические узлы. Надежность работы таких узлов повышают посредством создания вокруг них с наружной стороны страховочной форвакуумной или высоковакуумной полости. Температурный режим узлов ПУ поддерживается либо с помощью специальных встроенных электронагревателей, либо за счет радиационного тепловыделения в материалах этих узлов. PU consists of a housing, inside of which there is a heat-discharge system (STS) cooled by the reactor coolant (water), made with the possibility of installing an EHS inside it. The STS, in turn, contains a temperature control system, which is a small gap (fractions of a millimeter), which can be evacuated or filled with gas (gas mixture). The collector temperature is controlled by changing the gas pressure or the ratio of the gas components in this gap. Current leads are isolated from the mass and removed from the cesium space through vacuum-tight metal-ceramic nodes. The reliability of the operation of such nodes is increased by creating around them from the outside a safety forevacuum or high vacuum cavity. The temperature conditions of the PU units are maintained either with the help of special built-in electric heaters, or due to radiation heat generation in the materials of these units.
Наиболее слабым узлом такого ПК является участок системы теплосброса вблизи границы активной (тепловыделяющей) части ЭГС и ее токовывода. Это связано с тем, что в этом месте наблюдается резкое изменение плотности теплового потока, проходящего через газовый зазор СТС, а следовательно, перепада температур на нем при прочих равных условиях, пропорциональных проходящему тепловому потоку. Особенно существенна эта разница при испытаниях энергонапряженных ЭГС. Так как СТС охлаждается теплоносителем (водой) реактора при примерно одной и той же температуре вдоль всего ПУ, существенная разница в перепаде температур на газовом зазоре СТС приводит к резкому снижению температуры внутренней стенки цезиевого тракта вблизи границы активной части ЭГС токовывода. В результате возможно появление участка тракта с температурой ниже температуры источника пара цезия. Результат известен - образование "ложного" термостата с невозможностью продолжения нормальных режимов испытаний. Такой случай подробно рассмотрен в книге В.В. Синявского "Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов", М. Энергоатомиздат, 1990, с. 144,145, рис. 5-И. Поэтому при проектировании ПУ стоит задача не допустить снижения температуры тракта ниже температуры источника пара цезия. The weakest node of such a PC is the portion of the heat-release system near the boundary of the active (heat-generating) part of the EHS and its current output. This is due to the fact that at this place there is a sharp change in the density of the heat flux passing through the STS gas gap, and therefore, the temperature difference on it, all other things being equal, is proportional to the passing heat flux. This difference is especially significant when testing energetically stressed EHS. Since the STS is cooled by the reactor coolant (water) at approximately the same temperature along the entire PU, a significant difference in the temperature difference across the STS gas gap leads to a sharp decrease in the temperature of the inner wall of the cesium path near the boundary of the active part of the EHS current output. As a result, a section of the tract with a temperature below the temperature of the cesium vapor source may appear. The result is known - the formation of a “false” thermostat with the inability to continue normal test conditions. Such a case is considered in detail in the book of V.V. Sinyavsky "Methods for determining the characteristics of thermionic fuel elements", M. Energoatomizdat, 1990, p. 144.145, fig. 5-I. Therefore, when designing PU, the task is to prevent the temperature of the tract from falling below the temperature of the cesium vapor source.
Предлагается ПУ, содержащее корпус, внутри которого размещены источник пара цезия, цезиевый тракт и охлаждаемая теплоносителем исследовательского реактора СТС, выполненная с возможностью размещения внутри нее испытываемой ЭГС с токовыводами, причем внутри СТС имеется зазор, заполняемый газом или смесью газов, отличающееся тем, что зазор выполнен профилированным, причем ширина зазора выбрана по соотношению
, (1)
где dн.т. диаметр несущей трубки;
T
Тв температура охлаждающего теплоносителя;
λг коэффициент теплопроводности газа;
g(Z) погонная мощность тепловыделения.A PU is proposed comprising a housing inside which there is a source of cesium vapor, a cesium path and cooled by the coolant of the STS research reactor, made with the possibility of placing the tested EHS with current leads inside it, and inside the STS there is a gap filled with a gas or gas mixture, characterized in that the gap made profiled, and the gap width is selected by the ratio
, (1)
where d nt diameter of the carrier tube;
T
T at the temperature of the cooling fluid;
λ g the coefficient of thermal conductivity of the gas;
g (Z) linear heat dissipation power.
На чертеже приведена схема ПУ. Оно содержит корпус 1, внутри которого размещены источник пара цезия 2, цезиевый тракт 3 и СТС 4. Внутри СТС при испытаниях размещается ЭГС 5, состоящая из отдельных ЭГЭ 6, каждый из которых содержит топливно-эмиттерный узел 7, коллектор 8 и коммутационную перемычку 9. ЭГС имеет общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию 10 и чехол 11. Крайние ЭГЭ имеют токовыводы 12 и 13, один из которых электроизолирован от чехла 11, проходит внутри цезиевого тракта 3 и через специальный гермовводный вывод 14 выводится из цезиевого тракта 3 в страховочную полость 15. СТС 4 имеет зазор 16, который может вакуумироваться или заполняться газом, например гелием, разного давления (или смесью газов). Этот зазор 16, который размещен вдоль ЭГС 5 и ее токовыводов 12 и 13, спрофилирован напротив токовыводов 12 и 13 (участки зазора 17 и 18 соответственно). Снаружи СТС 5 охлаждается водой 19 реактора. Петлевое устройство снабжено также системами вакуумирования, подачи газа, измерений параметров и другими, которые на чертеже не показаны. The drawing shows a diagram of the PU. It contains a housing 1, inside of which there is a source of cesium 2 vapor, a cesium path 3 and STS 4. Inside the STS during testing, an EHS 5 is placed, consisting of separate EGE 6, each of which contains a fuel-emitter unit 7, a collector 8, and a jumper 9 The EHS has a collector insulation 10 and a cover common to all EGEs. The extreme EGEs have current leads 12 and 13, one of which is electrically insulated from the cover 11, passes inside the cesium path 3 and is led out of the cesium path 3 from the cesium path 3 to the safety cavity 15 STS 4 and there is a gap 16, which can be evacuated or filled with gas, for example helium, of different pressure (or a mixture of gases). This gap 16, which is placed along the EHS 5 and its current leads 12 and 13, is profiled opposite current leads 12 and 13 (sections of the gap 17 and 18, respectively). Outside STS 5 is cooled by the water of the reactor 19. The loopback device is also equipped with vacuum systems, gas supply, parameter measurements and others, which are not shown in the drawing.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
После установки ПУ с ЭГС 5 в ячейку исследовательского реактора его мощность поднимают до требуемого уровня. В межэлектродные зазоры 20 ЭГС 5 из источника пара цезия 2 подают пар цезия при рабочем давлении, температура насыщения которого равна Тcs.After installing PU with EHS 5 in the cell of the research reactor, its power is raised to the required level. In the interelectrode gaps 20 of the EHS 5 from the source of steam of cesium 2 serves cesium vapor at operating pressure, the saturation temperature of which is equal to T cs .
В зазор 16,17 и 18 подают газ с давлением Pг. В топливе узла 7 выделяется тепло, часть которого преобразуется в электроэнергию, а непреобразованная часть (≈ 90%) попадает на коллектор 8 и, далее пройдя через зазор 16, сбрасывается на теплоноситель 19. В результате перепада температур на зазоре 16 температура коллектора Тc≥Tcs. Через участки 17 и 18 зазора вдоль токовыводов тепловой поток значительно меньше (чем генерации тепла за счет деления ядер урана). Однако благодаря профилированию зазора на участках 17 и 18 и здесь температура тракта, внутри которого находится пар цезия, выше Тcs.In the gap 16,17 and 18 serves gas with a pressure of P g . Heat is generated in the fuel of unit 7, part of which is converted into electricity, and the non-converted part (≈ 90%) goes to the collector 8 and then passes through the gap 16 and is discharged to the coolant 19. As a result of the temperature difference in the gap 16, the collector temperature T c ≥ T cs . Through sections 17 and 18 of the gap along the current leads, the heat flux is much less (than heat generation due to fission of uranium nuclei). However, due to the profiling of the gap in sections 17 and 18, the temperature of the path inside which cesium vapor is located is higher than T cs .
Рассмотрим систему уравнений теплового баланса для участка ПУ вблизи границы тепловыделяющей части ЭГС и токовывода. Consider the system of heat balance equations for the PU section near the border of the fuel part of the EHS and the current output.
Для радиальной теплопередачи погонная плотность тепловыделения в токовыводе g(Z) будет одной и той же (с некоторой погрешностью), в зазоре между токовыводом и несущей трубкой (g1), в несущей трубке (g2), в гелиевом зазоре, который нам необходимо профилировать (g3), в корпусе ПК (g4) и на участке корпус охлаждающий теплоноситель (g5 значение g(Z) определяется как
q(z) = qдж + qγ (2)
где gдж джоулево тепловыделение,
qγ тепловыделение от g-захвата в материале токовывода.For radial heat transfer, the linear heat release density in the current output g (Z) will be the same (with some error), in the gap between the current output and the carrier tube (g 1 ), in the carrier tube (g 2 ), in the helium gap, which we need profile (g 3 ), in the PC case (g 4 ) and in the section the case the cooling medium (g 5, the value of g (Z) is defined as
q (z) = q j + q γ (2)
where g j joule heat
q γ heat release from g-capture in the material of the current output.
С небольшой погрешностью
g(Z)=g1=g2=g3=g4=g5. (3)
Учитывая, что нас не интересует перепад температуры между токовыводом и несущей трубкой и основной перепад температур будет в газорегулируемом зазоре, уравнение (3) перепишем в виде
g(Z) g3
или
. (4)
Принимая значение температуры корпуса Тк равным температуре охлаждающего теплоносителя Tв, а значение T
g (Z) = g 1 = g 2 = g 3 = g 4 = g 5 . (3)
Considering that we are not interested in the temperature difference between the current output and the carrier tube and the main temperature difference will be in the gas-controlled gap, we rewrite equation (3) in the form
g (Z) g 3
or
. (4)
Taking the temperature value of the housing T to equal the temperature of the coolant T in , and the value of T
В качестве сведений, подтверждающих эффективность и техническую реализуемость предложенного решения, рассмотрим типичное ПУ для испытаний ЭГС при токе 100 А, с КПД примерно 10% при температуре охлаждающей воды 40oC и рабочем давлении пара цезия 4-6 мм рт.ст. соответствующего Тcs ≈ 360oC. Токовывод диаметром 6 мм с толщиной стенки 1,5 мм сделан из ниобия, γ-нагрев в котором равен 188 Вт/м. При токе 100 А суммарная погонная мощность составит 425 Вт/м.As information confirming the effectiveness and technical feasibility of the proposed solution, we consider a typical PU for testing EHS at a current of 100 A, with an efficiency of about 10% at a temperature of cooling water of 40 o C and an operating pressure of cesium vapor of 4-6 mm Hg. corresponding T cs ≈ 360 o C. A current output of 6 mm in diameter with a wall thickness of 1.5 mm is made of niobium, the γ-heating of which is 188 W / m. At a current of 100 A, the total linear power will be 425 W / m.
Рассмотрим 3 варианта газового заполнения регулировочного зазора: гелием, смесью гелий-азот (50% на 50%) и воздухом. Получены соответственно следующие значения:
dне/rн.т.≥2,63;
;
δвозд/rн.т.≥0,28.Consider 3 options for gas filling the adjustment gap: helium, a mixture of helium-nitrogen (50% to 50%) and air. The following values were obtained, respectively:
d not / r nt ≥ 2.63;
;
δ air / r nt ≥0.28.
Для последнего случая при rн.т. 12 мм будем иметь δвозд≥ 3,36 мм. В случае меньшего зазора возможна конденсация пара цезия на внутренней стенке несущей трубки с образованием дополнительного источника пара цезия ("ложного" термостата).For the latter case, at r nt 12 mm we will have δ air ≥ 3.36 mm. In the case of a smaller gap, condensation of cesium vapor on the inner wall of the carrier tube is possible with the formation of an additional source of cesium vapor ("false" thermostat).
Таким образом, предложенное ПУ позволяет обеспечить надежные испытания ЭГС за счет исключения возможности образования "ложного" термостата в цезиевом тракте вблизи границы активной части ЭГС, где по конструктивным и технологическим соображениям, как правило, невозможно установить электронагреватели этого участка тракта. Thus, the proposed PU makes it possible to provide reliable tests of the EHS by eliminating the possibility of the formation of a “false” thermostat in the cesium path near the boundary of the active part of the EHS, where for structural and technological reasons, as a rule, it is impossible to install electric heaters of this section of the tract.
Claims (1)
где δ(Z) ширина кольцевого зазора, заполняемого газом, в сечении Z, м;
dн.т внутренний диаметр цезиевого тракта, м;
минимально-допустимая температура внутренней стенки цезиевого тракта, К;
Tв температура теплоносителя, К;
q(z) погонная мощность тепловыделения внутри цезиевого тракта в сечении Z, Вт/м;
λг коэффициент теплопроводности, газа, Вт/м•град.A loop device for testing thermionic power generation assemblies, comprising a housing in which a cesium vapor source, a cesium path, and a heat transfer cooling system cooled by a research reactor coolant are arranged to accommodate a test thermionic emission assembly inside it with current leads, wherein the heat transfer system contains an annular gap filled with gas or a mixture of gases, characterized in that the gap is profiled, and the width of the gap opposite the current leads is selected from sheniya
where δ (Z) is the width of the annular gap filled with gas, in section Z, m;
d nt internal diameter of the cesium tract, m;
minimum allowable temperature of the inner wall of the cesium path, K;
T in the temperature of the coolant, K;
q (z) linear heat dissipation power inside the cesium path in section Z, W / m;
λ g coefficient of thermal conductivity, gas, W / m • deg.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94022101A RU2070751C1 (en) | 1994-06-16 | 1994-06-16 | Loop device for testing thermionic power-generating assemblies |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94022101A RU2070751C1 (en) | 1994-06-16 | 1994-06-16 | Loop device for testing thermionic power-generating assemblies |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94022101A RU94022101A (en) | 1996-02-10 |
RU2070751C1 true RU2070751C1 (en) | 1996-12-20 |
Family
ID=20157116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94022101A RU2070751C1 (en) | 1994-06-16 | 1994-06-16 | Loop device for testing thermionic power-generating assemblies |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2070751C1 (en) |
-
1994
- 1994-06-16 RU RU94022101A patent/RU2070751C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Синявский В.В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных ТВЭЛов.- Атомиздат, 1981, с.24 - 28. Там же, с.27 и 28, рис. 2.10 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5015434A (en) | Fixed in-core calibration devices for BWR flux monitors | |
RU2070751C1 (en) | Loop device for testing thermionic power-generating assemblies | |
TWI782336B (en) | Devices, systems, and methods for detecting radiation with schottky diodes for enhanced in-core measurements | |
RU2133518C1 (en) | Method for loop reactor tests of thermionic assembly | |
Paramonov et al. | Test results of Ya-21u thermionic space power system | |
RU2165654C2 (en) | Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit | |
RU2228549C1 (en) | Method for evaluating heat release in fuel element when refining it in loop channel | |
RU2185002C2 (en) | Thermionic power generating cell | |
RU2086033C1 (en) | Method for determining speed of oxide fuel discharge through ventilation system of fuel-emitter assembly of thermionic electricity generating channel | |
RU2058615C1 (en) | Loop device for reactor tests of thermoemission assemblies | |
RU2127466C1 (en) | Method for reactor testing of heat-emitting assembly | |
RU2068598C1 (en) | Method for loop reactor tests of thermionic electricity-generating assemblies | |
RU2296388C2 (en) | Looper for testing thermionic power-generating assembly and method for testing looper mounting thermionic power-generating assembly | |
Palmer et al. | Advanced gas reactor (AGR)-5/6/7 fuel irradiation experiments in the advanced test reactor | |
Carlson et al. | Design and fabrication of multi-cell AMTEC power systems for space applications | |
RU2198437C2 (en) | Method and device for calculating temperature of fuel element can during its experimental run in nuclear reactor | |
RU2069917C1 (en) | Thermoelectric device for measuring heat release distribution in thermoionic power-generating assembly | |
Benke et al. | Operational testing and thermal modeling of a TOPAZ‐II single‐cell thermionic fuel element test stand | |
RU2206931C2 (en) | Method for determining temperature of vented fuel element can during its experimental trial in nuclear reactor | |
RU2223559C2 (en) | Method for life tests of thermionic power-generating cells with cooled fuel-emitter assembly | |
RU2191442C2 (en) | Thermionic power-generating assembly | |
Hu et al. | Progress of ITER radial X-ray camera diagnostic | |
Kozlov et al. | Thermionic multielement single-channel electrogenerating assembly: Prospects of development and application | |
YOUNG et al. | Performance simulation of an advanced cylindrical thermionic fuel element with a graphite reservoir | |
Schoenberg et al. | ZT-P: an advanced air core reversed field pinch prototype |