RU2133518C1

RU2133518C1 - Method for loop reactor tests of thermionic assembly

Info

Publication number: RU2133518C1
Application number: RU98102569A
Authority: RU
Inventors: В.В. Синявский
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева"
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: thermionic conversion reactors with core incorporating thermionic power-generating assemblies. SUBSTANCE: reactor tests of thermionic assemblies include evacuation of thermionic assembly, supply of cesium vapor from vapor source to electrode-to-electrode gaps of thermionic assembly through heated cesium and vacuum path provided in vacuum safety space of loop channel. Periodic tightness tests are conducted by supplying neutral gas at pressure higher than operating pressure of cesium vapor. Upon admission of neutral gas, poor tightness points are recorded while raising temperature of thermionic assembly can for short time; to this end, neutral gas is fed to safety space of loop channel. If poor tightness of cesium-vacuum path is detected , tests are continued while uninterruptedly feeding neutral gas to safety space at pressure equal to or higher than operating pressure of cesium vapor. EFFECT: provision for conducting tests in case of poor tightness of cesium-vacuum path of loop channel. 2 dwg

Description

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора - преобразователя (ТРП) с расположенными внутри активной зоны термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС). The invention relates to a thermionic method of converting thermal energy directly into electrical energy and can be used to create a thermionic reactor - converter (TRP) with thermionic electric generating assemblies (EHS) located inside the active zone.

Важнейшим этапом создания ТРП является отработка ЭГС при петлевых реакторных испытаниях. The most important stage in the creation of TRP is the development of EHS during loop reactor tests.

Достаточно близким к изобретению является способ петлевых реакторных испытаний, описанный в [1]. Он включает загрузку испытательного устройства, называемого петлевым каналом (ПК), с испытываемой ЭГС в исследовательскую ячейку ядерного реактора (ЯР), вакуумное обезгаживание ЭГС при подъеме тепловой мощности ЯР, подачу пара цезия при рабочем давлении в межэлектродные зазоры (МЭЗ) ЭГС и ресурсные испытания с анализом энергетических характеристик и работоспособности ЭГС. Close enough to the invention is the loop reactor test method described in [1]. It includes loading a test device, called a loop channel (PC), from the tested EHS into the research cell of the nuclear reactor (NR), vacuum degassing of the EHS while raising the thermal power of the NR, supplying cesium vapor at working pressure into the interelectrode gaps (MEZ) of the EHS and life tests with the analysis of energy characteristics and performance of the EHS.

Однако при этом способе невозможно проведение испытаний при отказах отдельных систем испытательного устройства, в том числе при разгерметизации цезий-вакуумного тракта ПК. However, with this method, it is impossible to conduct tests in case of failures of individual systems of the testing device, including during depressurization of the cesium-vacuum path of a PC.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ реакторных испытаний ЭГС, предложенный в [2]. Он включает герметичное отделение полости термоэмиссионной ЭГС и источника пара цезия от системы вакуумирования с помощью клапана или другого герметизирующего устройства, измерение температуры чехлов термоэмиссионной ЭГС, периодическое вакуумирование МЭЗ ЭГС путем открытия - закрытия клапана или другого герметизирующего устройства, проверку герметичности после цикла открытия - закрытия клапана или другого герметизирующего устройства путем подачи со стороны системы вакуумирования нейтрального газа и регистрации негерметичности клапана или другого герметизирующего устройства при кратковременном повышении температуры после подачи газа. После чего подачу газа прекращают, производят вакуумирование МЭЗ и продолжают испытания, изменив их режим таким образом, чтобы не допустить полного ухода цезия в вакуумную систему за требуемое время ресурсных испытаний. Для этого снижают давление пара цезия ниже рабочего, очень часто одновременно требуется и снижение тепловой мощности ЯР и соответственно ЭГС. Таким образом, испытания продолжают (если это целесообразно) не в штатных рабочих режимах. Closest to the invention in technical essence is the method of reactor tests of EHS proposed in [2]. It includes a hermetic separation of the cavity of the thermionic EHS and the cesium vapor source from the evacuation system using a valve or other sealing device, measuring the temperature of the sheaths of the thermionic EHS, periodically evacuating the MEZ EHS by opening and closing the valve or other sealing device, and checking the tightness after the open-close cycle of the valve or other sealing device by supplying a neutral gas from the evacuation system and recording leaks to Apaana or other sealing device by brief increase in temperature after the gas supply. After that, the gas supply is stopped, the MEZ is evacuated, and the tests are continued, changing their mode so as to prevent the cesium from completely leaving the vacuum system for the required time of the life tests. To do this, reduce the vapor pressure of cesium below the working one, very often at the same time a decrease in the thermal power of the NR and, accordingly, EHS is required. Thus, the tests continue (if appropriate) not in normal operating conditions.

Однако этот способ не позволяет обнаружить и соответственно продолжить испытания при другом типе отказа вспомогательной системы ПК, а именно: разгерметизации цезий-вакуумного тракта. Такая разгерметизация чаще всего наблюдается в районе переходника одного металла на другой, например ниобиевого чехла ЭГС и цезиевого тракта из нержавеющей стали. Разгерметизация также возможна в районе гермовывода токовывода из внутренней полости цезиевого тракта в наружную страховочную полость ПК. При появлении негерметичности тракта цезиевый пар попадает в страховочную полость ПК, где конденсируется. В результате возможен отказ типа "обрыв цепи" из-за потери всего цезия в результате его ухода в страховочную полость. Возможен также отказ типа "короткое замыкание" в результате конденсации пленки цезия на изолирующих деталях токовыводов в страховочной полости. В итоге испытания приходится прекращать при работоспособной ЭГС. However, this method does not allow to detect and, accordingly, continue testing with a different type of failure of the auxiliary PC system, namely: depressurization of the cesium-vacuum tract. Such depressurization is most often observed in the region of the adapter of one metal to another, for example, an EHS niobium cover and a stainless steel cesium path. Depressurization is also possible in the area of the electrical outlet of the current outlet from the internal cavity of the cesium path to the external safety cavity of the PC. When a leak in the path occurs, cesium vapor enters the safety cavity of the PC, where it condenses. As a result, a failure of the “open circuit” type due to the loss of all cesium as a result of its departure into the safety cavity is possible. A short circuit failure is also possible as a result of condensation of the cesium film on the insulating parts of the current leads in the safety cavity. As a result, the tests have to be stopped with a functioning EHS.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности продолжения испытаний при появлении негерметичности цезия-вакуумного тракта и предотвращение попадания цезия в страховочную полость ПК. The technical result achieved by using the invention is to enable testing to continue when cesium-vacuum tract leakage occurs and to prevent cesium from entering the safety cavity of the PC.

Указанный технический результат достигается в способе петлевых реакторных испытаний термоэмиссионной сборки, включающем вакуумирование ЭГС и подачу пара цезия из источника пара в МЭЗ ЭГС через размещенный в вакуумной страховочной полости ПК и обогреваемый цезий-вакуумный тракт, периодическую проверку герметичности путем подачи нейтрального газа при давлении, выше рабочего давления пара цезия, и регистрации негерметичности при кратковременном повышении температуры чехлов термоэмиссионной ЭГС после подачи нейтрального газа, отличающемся тем, что для проверки негерметичности нейтральный газ подают в страховочную полость ПК, при обнаружении негерметичности тракта испытания продолжают при непрерывной подаче в страховочную полость ПК нейтрального газа при давлении равном или большем рабочего давления пара цезия. The specified technical result is achieved in the method of loop reactor tests of the thermionic assembly, which includes evacuation of the EHS and supplying cesium vapor from the steam source to the MEZ EHS through a PC located in the vacuum safety cavity and the heated cesium-vacuum path, periodic leak testing by supplying neutral gas at a pressure above the working pressure of cesium vapor, and the registration of leaks with a short-term increase in the temperature of the covers of thermionic EHS after applying a neutral gas, excellent schemsya in that for checking leaks neutral gas is fed into the cavity of a safety PC when detecting leakage path test continued by continuously feeding in a safety chamber PC neutral gas under a pressure equal to or greater than the operating pressure of the cesium vapor.

На чертеже приведена схема ПК, поясняющая суть предложенного способа. The drawing shows a diagram of a PC explaining the essence of the proposed method.

ПК 1 содержит систему теплосброса 2, источник пара цезия 3, размещенные в страховочной вакуумируемой полости 4 обогреваемые тракты 5 подачи пара цезия в ЭГС 6. ЭГС 6 состоит из последовательно-соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), содержащих топливоэмиттерный узел 7, коллектор 8, МЭЗ 9, коммутационную перемычку 10 и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию 11 и наружный корпус (чехол) 12, на котором установлены термопары 13. В состав ПК входят также устройство 14, предотвращающее выход пара цезия в вакуумные систему, например, в виде обогреваемого клапана (как это показано на чертеже) или охлаждаемого конденсатора пара, узел 15 подсоединения тракта к внешней системе вакуумирования МЭЗ ЭГС, узел 16 подсоединения страховочной полости 4 к системе вакуумирования страховочной полости или заполнения ее нейтральным газом. PC 1 contains a heat release system 2, a cesium 3 vapor source located in a safety evacuated cavity 4 heated paths 5 for supplying cesium steam to the EHS 6. EHS 6 consists of series-connected electricity generating elements (EGE) containing a fuel emitter unit 7, a collector 8, a MEZ 9, a jumper 10 and common collector insulation 11 for all EHEs and an outer case (case) 12 on which thermocouples are installed 13. The PC also includes a device 14 that prevents cesium vapor from escaping into a vacuum system, for example, in the form of heating a valve (as shown in the drawing) or a cooled steam condenser, a node 15 connecting the path to an external vacuum system MEZ EHS, node 16 connecting the safety cavity 4 to the vacuum system of the safety cavity or filling it with neutral gas.

Способ испытания реализуется следующим образом. The test method is implemented as follows.

После загрузки ПК 1 в ячейку ЯР 17 производится вакуумное обезгаживание ЭГС 6 путем подключения ПК 1 через устройство 14 для предотвращения выноса цезия через узел 15 к внешней системе вакуумирования и нагрева ЭГС 6 при постепенном подъеме тепловой мощности ЯР 17. При этом страховочная полость 4 вакуумируется через узел 16 подсоединения к вакуумной системе. После завершения обезгаживания повышают температуру источника пара цезия 3 до значения, при котором давление пара цезия равно рабочему. При попадании пара цезия из источника 3 через обогреваемый выше температуры источника пара цезия тракт 5 в МЭЗ 9 ЭГС генерируется электроэнергия, которая измеряется на электрической нагрузке 18. В таком режиме проводятся ресурсные испытания с анализом энергетических характеристик и работоспособности испытываемой ЭГС. After loading PC 1 into the NR cell 17, the EHS 6 is evacuated vacuum by connecting the PC 1 through the device 14 to prevent cesium removal through the assembly 15 to the external system of evacuation and heating of the EHS 6 while gradually increasing the thermal power of the NR 17. In this case, the safety cavity 4 is evacuated through node 16 connecting to a vacuum system. After the degassing is completed, the temperature of the cesium 3 vapor source is increased to a value at which the cesium vapor pressure is equal to the working one. When cesium vapor enters from source 3 through a path 5 heated above the temperature of the cesium vapor source, electricity is generated in the MEZ 9 of the EHS, which is measured at an electrical load of 18. In this mode, life tests are conducted with an analysis of the energy characteristics and performance of the tested EHS.

Во время ресурсных испытаний проводятся периодические остановы ЯР 17, которые могут быть как плановые, так и в результате сбросов стержней аварийной защиты ЯР 17. В результате возможно появление негерметичности тракта 5, обычно в местах соединения неоднородных материалов или герметичных электроизолированных выводов. Появление негерметичности может привести к отказу типа "обрыв цепи" из-за потери всего цезия в результате его ухода в страховочную полость. Возможен также отказ типа "короткое замыкание" в результате конденсации пленки цезия на изолирующих деталях токовыводов в страховочной полости. В итоге испытания прекращают при работоспособной ЭГС. During the life tests, periodic shutdowns of the nuclear reactor 17 are carried out, which can be either planned or as a result of the discharge of the emergency protection rod of the nuclear reactor 17. As a result, leakage of the path 5 may occur, usually at the junctions of inhomogeneous materials or sealed electrical insulated terminals. The appearance of leaks can lead to a failure of the “open circuit” type due to the loss of all cesium as a result of its departure into the safety cavity. A short circuit failure is also possible as a result of condensation of the cesium film on the insulating parts of the current leads in the safety cavity. As a result, the tests are stopped with a functioning EHS.

Поэтому периодически в страховочную полость 4 через узел 16 подают нейтральный высокотеплопроводный газ, например гелий или смесь гелия с азотом или другим газом, при давлении выше рабочего давления пара цезия, желательно при 130-1000 ГПа, когда коэффициент теплопроводности не зависит от давления. Если цезиевый тракт 5 остался герметичным, то никаких изменений в энергетических характеристиках и температурных полях ЭГС 6 не произойдет. Если же появилась негерметичность тракта 5, то теплопроводящий газ попадает в МЭЗ 6, теплопроводность межэлектродной среды увеличиться, что в свою очередь приведет к кратковременному увеличению теплового потока от топливно-эмиттерного узла 7 к коллектору 8 с соответствующим увеличением температуры чехла (корпуса) 12. Увеличенный тепловой поток через МЭЗ 6 и соответственно повышение температуры чехла 12 будут наблюдаться до нового установившегося температурного состояния топливно-эмиттерного узла 7 с более низкой температурой эмиттера. На фиг. 2 показано качественное изменение во времени температуры эмиттера T_Е и чехла T_C после подачи нейтрального газа при негерметичном тракте.Therefore, periodically, a neutral highly heat-conducting gas, for example helium or a mixture of helium with nitrogen or another gas, is supplied to the safety cavity 4 through the assembly 16, at a pressure higher than the working pressure of cesium vapor, preferably at 130-1000 GPa, when the thermal conductivity is independent of pressure. If the cesium path 5 remains airtight, then no changes in the energy characteristics and temperature fields of the EHS 6 will occur. If leakage of tract 5 appears, then the heat-conducting gas enters the MEZ 6, the thermal conductivity of the interelectrode medium increases, which in turn will lead to a short-term increase in heat flow from the fuel-emitter unit 7 to the collector 8 with a corresponding increase in the temperature of the sheath (housing) 12. Increased the heat flux through the MEZ 6 and, accordingly, an increase in the temperature of the cover 12 will be observed until a new steady state temperature of the fuel-emitter unit 7 with a lower emitter temperature. In FIG. Figure 2 shows a qualitative change in time of the temperature of the emitter T _E and the cover T _C after the supply of neutral gas with an leaky path.

При обнаружении негерметичности тракта 5 для продолжения испытаний в режимах, соответствующих расчетным, температуру источника пара цезия 3 устанавливают соответствующей рабочему давлению пара цезия, давление нейтрального газа, подаваемого в страховочную полость 4, понижают до значения, равного рабочему давлению пара цезия (обычно не выше 10 ГПа) или чуть выше (на 5 - 15%), производят непрерывное вакуумирование тракта 5 через открытый клапан (или устройство конденсации) 14 и узел 15 подсоединения к вакуумной системе. В результате процессов массопереноса цезия в тракте 5 ниже места расположения негерметичности образуется граница пар цезия - нейтральный газ, причем пар цезия будет ниже границы, а нейтральный газ - выше границы. Образуется система, аналогичная газорегулируемой тепловой трубе с цезием в качестве рабочего тела. В такой системе нейтральный газ не будет попадать в МЭЗ 9 ЭГС, а пары цезия - в систему вакуумирования 15. Проходящий через негерметичность нейтральный газ будет через устройство 14 и узел 15 непрерывно откачиваться в вакуумную систему. Поэтому испытания могут быть продолжены в режимах, полностью соответствующих штатным, т.е. при рабочем давлении пара цезия. Образующиеся в топливо - эмиттерных узлах 7 ГПД потоком пара цезия будут выносится за границу пар - газ, т.е. в таком режиме работы будет обеспечено непрерывное вакуумирование МЭЗ 9. Одновременно не будет и ухода пара цезия в систему вакуумирования 15. If a leak in the path 5 is detected to continue the tests in the modes corresponding to the calculated ones, the temperature of the cesium vapor source 3 is set corresponding to the working pressure of the cesium vapor, the pressure of the neutral gas supplied to the safety cavity 4 is reduced to a value equal to the working pressure of the cesium vapor (usually not higher than 10 GPa) or slightly higher (by 5 - 15%), the path 5 is continuously evacuated through an open valve (or condensation device) 14 and a node 15 for connecting to the vacuum system. As a result of the processes of mass transfer of cesium in the path 5 below the location of the leakage, a boundary of cesium-neutral gas pairs is formed, moreover, cesium vapor will be below the boundary and the neutral gas above the boundary. A system is formed similar to a gas-controlled heat pipe with cesium as a working fluid. In such a system, the neutral gas will not fall into the MEZ 9 of the EHS, and the cesium vapors will not get into the evacuation system 15. The neutral gas passing through the leakage will be pumped through the device 14 and the assembly 15 into the vacuum system. Therefore, the tests can be continued in the modes that fully correspond to the standard ones, i.e. at a working pressure of cesium vapor. GPA formed in the fuel - emitter nodes 7 will be carried out by the cesium vapor stream beyond the vapor - gas boundary, i.e. In this mode of operation, continuous evacuation of the MEZ 9 will be ensured. At the same time, cesium vapor will not leave the evacuation system 15.

Таким образом, предложенный способ реакторных испытаний позволяет продолжить испытания в штатных режимах при появлении негерметичности цезиевого тракта с одновременным обеспечением непрерывного вакуумирования МЭЗ ЭГС и исключения попадания пара цезия в страховочную полость петлевого канала. Thus, the proposed method of reactor tests allows you to continue testing in normal conditions when a leak in the cesium path occurs while ensuring continuous vacuuming of the MEZ EHS and excluding the ingress of cesium vapor into the safety cavity of the loop channel.

Источники информации:
1. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэфиссионных твэлов. -М.: Энергоатомиздат, 1990, с.6-9.Sources of information:
1. Sinyavsky V.V. Methods for determining the characteristics of thermionic fuel elements. -M .: Energoatomizdat, 1990, p.6-9.

2. RU 2068598 C1 H 01, J 45/00, 27.10.96. 2. RU 2068598 C1 H 01, J 45/00, 10.27.96.

Claims

A method for loop reactor tests of a thermionic assembly, including evacuation of a thermionic assembly, supplying cesium vapor from a steam source to the interelectrode gaps of a thermionic assembly through a heated cesium-vacuum path placed in the vacuum safety cavity of the loop channel, periodically checking for leaks by supplying neutral gas at a pressure above the working vapor pressure cesium and leaks during a short-term increase in the temperature of the outer shell of the thermionic assembly follows supplying a neutral gas, characterized in that for testing a neutral gas leakage is fed into a safety cavity loop channel, upon detection of leakage cesium-vacuum test path continues by continuously feeding in a safety cavity serpentine passage of neutral gas under a pressure equal to or greater than the operating pressure of the cesium vapor.