RU2165654C2 - Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit - Google Patents

Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit Download PDF

Info

Publication number
RU2165654C2
RU2165654C2 RU99110461/06A RU99110461A RU2165654C2 RU 2165654 C2 RU2165654 C2 RU 2165654C2 RU 99110461/06 A RU99110461/06 A RU 99110461/06A RU 99110461 A RU99110461 A RU 99110461A RU 2165654 C2 RU2165654 C2 RU 2165654C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
emitter
generating element
power
fuel
power generating
Prior art date
Application number
RU99110461/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99110461A (en
Inventor
В.А. Корнилов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU99110461/06A priority Critical patent/RU2165654C2/en
Publication of RU99110461A publication Critical patent/RU99110461A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2165654C2 publication Critical patent/RU2165654C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; spacecraft nuclear power units. SUBSTANCE: thermal power of power-generating element is measured in ground reactor or in that incorporated in converter reactor and emitter temperature is evaluated at instant of abrupt drop in gas activity; then maximal residual life is calculated using formula that includes following quantities: relative gas density in fuel- emitter unit of power-generating element; ratio of emitter-shell thickness to its diameter; thermal power transferred from fuel to emitter shell of power- generating element; temperature of power-generating element emitter; emitter diameter; yield index of emitter shell material. EFFECT: enhanced precision of determining maximal residual life according to short circuit of electrodes. 6 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке твэлов, в частности электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), термоэмиссионная сборка которых называется электрогенерирующим каналом (ЭГК). The invention relates to nuclear energy, to the creation and surface mining of fuel elements, in particular electric generating elements (EGE), thermionic assembly of which is called an electric generating channel (EGC).

Важнейшим этапом разработки термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) является подтверждение ресурсно-энергетических характеристик электрогенерирующих каналов, образующих активную зону ТРП. ЭГК может состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенную сборку ЭГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания термоэмиссионных электрогенерирующих элементов в реакторе (в составе петлевого канала в исследовательском реакторе или в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [1]. The most important stage in the development of a thermionic converter reactor (TRP) is the confirmation of the resource and energy characteristics of the electricity generating channels that form the active zone of the TRP. EGC can consist of one EGE or represent a series-connected assembly of EGE, in which a complete cycle of conversion of thermal energy into electrical energy takes place. Therefore, resource tests of thermionic electric generating elements in a reactor (as part of a loop channel in a research reactor or as part of a TRP) are a decisive step in the creation of EGCs and TRP as a whole [1].

Большинство испытанных в реакторах экспериментальных термоэмиссионных ЭГЭ имели оболочечные эмиттеры, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД), воспринимается эмиттерной оболочкой. В связи с этим для анализа результатов испытаний, поведения материалов, а также факторов, влияющих на ресурсные характеристики ЭГЭ, представляют интерес расчетно-теоретические исследования поведения топливно-эмиттерного узла (ТЭУ). Причем за ресурс работы ЭГЭ будем принимать время до короткого замыкания эмиттера с коллектором, характеризующим прекращение генерации электроэнергии. Most of the experimental thermionic EGEs tested in reactors had shell emitters when the load created by the pressure of gaseous fission products (GPA) is perceived by the emitter shell. In this regard, for the analysis of test results, the behavior of materials, as well as factors affecting the resource characteristics of the EGE, theoretical and theoretical studies of the behavior of the fuel-emitter assembly (TEU) are of interest. Moreover, we will take the time until the short circuit of the emitter with a collector characterizing the cessation of electricity generation as a resource for the work of the EGE.

ТЭУ представляет собой цилиндрическую эмиттерную оболочку (ЭО) с находящимся внутри нее топливным материалом (ТМ) и системой вывода ГПД. Системы вывода ГПД могут представлять, например, центральный канал в топливном сердечнике с системой сепарации в торцевой крышке ЭГЭ или в виде специального газоотводного устройства (ГОУ), выполненного в виде осесимметричной трубки с капиллярным наконечником (жиклером) [2]. В процессе работы реактора ГПД (Xe, Kr [3] ) выходят из ТМ в систему вывода ГПД и тем самым разгружают ЭО. Особенно актуальна надежная работа системы вывода ГПД в высокотемпературных термоэмиссионных ЭГК, использующих в качестве ТМ высоколетучий диоксид урана. TEU is a cylindrical emitter shell (EO) with the fuel material inside it (TM) and the GPA output system. GPA output systems can represent, for example, a central channel in the fuel core with a separation system in the end cap of the EGE or as a special gas removal device (GOU) made in the form of an axisymmetric tube with a capillary tip (nozzle) [2]. In the process of operation of the reactor, the GPA (Xe, Kr [3]) exit the TM to the GPA output system and thereby unload the EO. Reliable operation of the GPA output system in high-temperature thermionic EGCs using high-volatile uranium dioxide as a TM is especially relevant.

В процессе работы ЭГЭ происходит переконденсация ТМ, его перераспределение по объему ТЭУ, уплотнение с перестройкой исходной структуры. В результате чего со временем в ТЭУ может образоваться центральная газовая полость. Объем газовой полости равен сумме объемов исходной технологической пористости ТМ и объема исходного зазора между ТМ и ЭО. В зависимости от режима работы ЭГЭ, его конструкции и соотношения геометрических размеров отдельных элементов, характеристик используемых материалов, возможна ситуация когда высоколетучий ТМ в результате переконденсации забивает каналы вывода ГПД. В этот временной период ТЭУ представляет собой герметичную цилиндрическую оболочку, воспринимающую нагрузку создаваемую давлением ГПД. Поэтому ресурс работы (R) термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ можно разбить как бы на два временных периода: первый период (τ1) характеризуется работоспособной системой вывода ГПД из ТЭУ снимающей нагрузку с ЭО ЭГЭ от ГПД; второй период (τ2) определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ. Очевидно остаточный ресурс работы ЭГЭ будет максимальным (τ2 = τ m 2 ax), когда величина межэлектродного зазора (МЭЗ) в начале второго периода соответствует исходному значению.In the process of EGE operation, TM re-condensation occurs, its redistribution in terms of TEU volume, compaction with restructuring of the initial structure. As a result, over time, a central gas cavity may form in the TEU. The volume of the gas cavity is equal to the sum of the volumes of the initial technological porosity of the TM and the volume of the initial gap between the TM and EO. Depending on the mode of operation of the EGE, its design and the ratio of the geometric dimensions of the individual elements, the characteristics of the materials used, a situation is possible when a high-volatile TM as a result of recondensation clogs the GPA output channels. During this time period, the TEU is a sealed cylindrical shell, perceiving the load created by the pressure of the GPA. Therefore, the service life (R) of a thermionic EGE with a ventilated TEU can be divided into two time periods: the first period (τ 1 ) is characterized by a workable system for removing GPA from TEU that relieves the load from EEG EGE from GPA; the second period (τ 2 ) determines the residual life of the EGE. Obviously, the residual life of the EGE will be maximum (τ 2 = τ m 2 ax ) when the magnitude of the interelectrode gap (MEZ) at the beginning of the second period corresponds to the initial value.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с ТЭУ, включающий его установку в составе ЭГК в реактор, измерение тепловой мощности ЭГЭ при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из ЭГК, описанный в [4]. В петлевом канале ЭС-6-3 испытывались на ресурс ЭГЭ с герметичными ТЭУ, ресурс которых определяется вторым периодом, соответствующим максимальному остаточному ресурсу для вентилируемых ЭГЭ (τ1 = 0; R = τ2 = τ m 2 ax). Тепловая мощность, выделяемая в ТЭУ, измерялась двумя независимыми способами: методом авторадиографии детекторов, дающим пространственную картину распределения тепловыделения по объему сердечника, и калориметрическим методом с помощью радиационно-термического дивергатора теплового потока. С использованием полученных данных по распределению тепловыделения были рассчитаны распределения температур эмиттеров элементов испытанной сборки [5]. В процессе испытаний ЭГК в ЭС-6-3 ресурс - время до короткого замыкания электродов ЭГЭ - при снижении электрической мощности ЭГК фиксировался изменением вольт-амперных характеристик при постоянной тепловой мощности. Короткое замыкание электродов ЭГЭ фиксировалось практически эквидистантным сдвигом вольт-амперной характеристики. Однако наряду с короткими замыканиями ЭГЭ основной причиной снижения электрической мощности ЭГК при эквидистантном сдвиге вольт-амперных характеристик следует считать увеличение температуры коллектора значительно выше оптимальной величины [4] , что связано с изменениями термического сопротивления многослойного коллекторного пакета. В результате чего достоверность данного способа определения ресурса ЭГЭ по фактору короткого замыкания электродов ЭГЭ фиксированием изменения вольт-амперных характеристик при постояной тепловой мощности существенно снижается.Closest to the invention in technical essence is a method of life tests of thermionic EGE with TEU, including its installation as part of the EHC in the reactor, measuring the thermal power of the EHE at a constant thermal power of the reactor, estimating the temperature of the emitter, monitoring the activity of gases at the outlet of the EHC, described in [ 4]. In the loop channel ES-6-3, the EGE resource was tested with sealed TEUs, the resource of which is determined by the second period corresponding to the maximum residual resource for ventilated EGE (τ 1 = 0; R = τ 2 = τ m 2 ax ). The heat power released in the TEU was measured in two independent ways: the method of autoradiography of the detectors, which gives a spatial picture of the distribution of heat release over the core volume, and the calorimetric method using the radiation-thermal divergent heat flux. Using the data obtained on the distribution of heat, the temperature distributions of the emitters of the elements of the tested assembly were calculated [5]. During the testing of EGCs in ES-6-3, the resource — time to short circuit of the EEG electrodes — when the electric power was reduced, the EGC was recorded by changing the current-voltage characteristics at constant thermal power. The short circuit of the EGE electrodes was fixed by an almost equidistant shift of the current – voltage characteristic. However, along with the short circuits of the EGE, the main reason for the decrease in the electric power of the EHC with an equidistant shift of the current – voltage characteristics should be considered an increase in the collector temperature much higher than the optimal value [4], which is associated with changes in the thermal resistance of the multilayer collector package. As a result, the reliability of this method for determining the EGE resource by the short circuit factor of the EGE electrodes by recording changes in the current-voltage characteristics at constant thermal power is significantly reduced.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения максимального остаточного ресурса термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ по фактору короткого замыкания электродов в ЭГЭ. The technical result obtained by using the invention is to increase the accuracy of determining the maximum residual life of a thermionic EGE with a vented TEU by the short circuit factor of the electrodes in the EGE.

Указанный технический результат достигается способом ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из электрогенерирующего канала, в качестве электрогенерирующего элемента использован электрогенерирующий элемент с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, и измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента и оценку температуры эмиттера производят в момент скачкообразного падения активности газов, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению

Figure 00000002

где τ m 2 ax - максимальный остаточный ресурс [с];
εп - относительный объем газовой полости в топливно-эмиттерном узле электрогенерирующего элемента;
δэ - отношение толщины эмиттерной оболочки к его диаметру;
qF- тепловая мощность, поступающая из топлива на эмиттерную оболочку электрогенерирующего элемента [Вт/м2];
Tэ - температура эмиттера электрогенерирующего элемента [K];
D - диаметр эмиттера [м];
m - показатель ползучести материала эмиттерной оболочки;
B1 - коэффициент ползучести материала эмиттерной оболочки [(Па)-m· c-1];
d - величина межэлектродного зазора в электрогенерирующем элементе [м];
ΔT - перепад температуры по топливу в топливно-эмиттерном узле [K];
размерность коэффициента 4,14 · 10-13 [1/град].The specified technical result is achieved by the method of life tests of a thermionic power generating element with a fuel-emitter unit, including its installation as a part of the power generating channel in the reactor, measuring the heat power of the power generating element at a constant thermal power of the reactor, estimating the temperature of the emitter, monitoring the gas activity at the outlet of the power generating channel, As an electric generating element, an electric generating element with a ventilated fuel itternym node, and measurement of the thermal power electricity generating element and the emitter temperature estimate produced at the time of abrupt fall gas activity is then determined maximum residual resource thermionic power generating element according to the expression
Figure 00000002

where τ m 2 ax - maximum residual life [s];
ε p - the relative volume of the gas cavity in the fuel-emitter node of the power generating element;
δ e - the ratio of the thickness of the emitter shell to its diameter;
q F is the heat power coming from the fuel to the emitter shell of the power generating element [W / m 2 ];
T e - the emitter temperature of the power generating element [K];
D is the diameter of the emitter [m];
m is the creep rate of the material of the emitter shell;
B 1 - creep coefficient of the material of the emitter shell [(Pa) -m · s -1 ];
d is the magnitude of the interelectrode gap in the power generating element [m];
ΔT is the temperature difference in fuel in the fuel-emitter unit [K];
coefficient dimension 4.14 · 10 -13 [1 / deg].

Измерение тепловой мощности ЭГЭ и оценку температуры эмиттера можно проводить по методам, изложенным в [6], в частности контроль тепловой мощности с помощью датчиков теплового потока. The measurement of the thermal power of the EGE and the estimation of the temperature of the emitter can be carried out according to the methods described in [6], in particular, the control of thermal power using heat flux sensors.

На фиг. 1 представлена конструкционная схема реактора. На фиг. 2 представлен общий вид электрогенерирующего элемента (ЭГЭ). На фиг. 3,4,5 представлены типичные конструкционные варианты вентилируемых топливно-эмиттерных узлов (ТЭУ), а на фиг. 6 - график, поясняющий способ. In FIG. 1 shows a structural diagram of a reactor. In FIG. 2 shows a General view of the power generating element (EGE). In FIG. 3,4,5 presents typical structural variants of ventilated fuel-emitter units (TEU), and in FIG. 6 is a graph explaining a method.

На фиг. 1 обозначено: 1 - реактор; 2 - активная зона; 3 - электрогенерирующий канал (ЭГК); 4 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 5 - боковой отражатель; 6 - органы системы управления и защиты (СУЗ); 7 - торцевой отражатель; 8 - торцевой отражатель; 9 - трубка для вывода газообразных продуктов деления (ГПД); 10 - датчик активности; 11 - резервуар-отстойник; 12 - датчик активности. In FIG. 1 is indicated: 1 - reactor; 2 - active zone; 3 - electricity generating channel (EGC); 4 - power generating element (EGE); 5 - side reflector; 6 - organs of the control and protection system (CPS); 7 - end reflector; 8 - end reflector; 9 - a tube for the output of gaseous fission products (GPA); 10 - activity sensor; 11 - sedimentation tank; 12 - activity sensor.

На фиг. 2-5 обозначено: 4 - ЭГЭ; 13 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ); 14 - коллектор ЭГЭ; 15 - коллекторная изоляция; 16-чехловая труба ЭГК; 17 - датчик тепловой мощности выделяемой в ТЭУ; 18 - дистанционатор; 19 - изоляция; 20 - топливный материал (ТМ); 21 - эмиттер; 22 - эмиттерная оболочка (ЭО) ТЭУ; 23 - центральный канал в ТМ; 24 - газопоглощающий фильтрующий материал или лабиринтные экраны; 25 - теплопередающие прокладки из тугоплавкого металла; 26 - трубка газоотводного устройства (ГОУ); 27 - жиклер. In FIG. 2-5 are indicated: 4 - EGE; 13 - fuel-emitter unit (TEU); 14 - collector EGE; 15 - collector insulation; 16-case pipe EGK; 17 - thermal power sensor allocated to the TEU; 18 - remote control; 19 - isolation; 20 - fuel material (TM); 21 - emitter; 22 - emitter shell (EO) TEU; 23 - the central channel in the TM; 24 - getter filter material or labyrinth screens; 25 - heat transfer gaskets made of refractory metal; 26 - tube gas outlet device (GOU); 27 - jet.

На фиг. 6 обозначено: NA-характерная кривая изменения активности газообразых продуктов деления (ГПД), выходящих из вентилируемого ТЭУ ЭГЭ; qF- тепловая мощность, поступающая из ТМ на ЭО ЭГЭ; R - ресурс работы ЭГЭ; τ1 - первый период работы ЭГЭ с работоспособной системой вентилями ГПД разгружающей ЭО; τ m 2 ax - максимальный остаточный ресурс, соответствующий второму периоду работы ЭГЭ с вышедшей из строя системой вентиляции ГПД (как в случае герметичного ТЭУ).In FIG. 6 denotes: N A —characteristic change in the activity of gaseous fission products (GPA) emerging from a ventilated TEU EGE; q F - thermal power coming from the TM to the EE EGE; R is the resource of work of the EGE; τ 1 - the first period of the EGE with a workable system of valves GPA unloading EA; τ m 2 ax is the maximum residual resource corresponding to the second period of the EGE operation with the failed GPA ventilation system (as in the case of a sealed TEU).

Выражение (1) получено расчетом деформации ЭО ЭГЭ в модели цилиндрической оболочки деформируемой внутренним давлением ГПД, накапливающихся в процессе работы ЭГК. ЭО работает в режиме установившейся ползучести в области упругих напряжений. Предполагается неизменность свойств ползучести материала ЭО на всем протяжении срока службы. Цилиндрические ЭО предполагаются длинными (рассматриваются сечения, удаленные от торцев). Expression (1) is obtained by calculating the deformation of the EE of the EGE in the model of the cylindrical shell of the GPD deformable by internal pressure that accumulate during the operation of the EGC. EO operates in the regime of steady creep in the region of elastic stresses. It is assumed that the creep properties of the EO material are constant over the entire service life. Cylindrical EOs are assumed to be long (cross sections remote from the ends are considered).

Предполагается, что ТМ работает в условиях сжатия, причем напряжения практически не изменяются по радиусу, так как ТМ вследствие относительно малой прочности при рабочих температурах нагрузки не несет, а передает ее подобно жидкости. Нагрузка воспринимается ЭО, находящейся в условиях растягивающих напряжений. It is assumed that the TM operates under compression conditions, and the stresses practically do not change along the radius, since the TM does not carry a load due to the relatively low strength at operating temperatures, but transfers it like a liquid. The load is perceived by EO, which is under conditions of tensile stresses.

Для описания деформации ползучести ЭО принята степенная зависимость вида [7]
ζII = B1·σm, (2)
где ζII = dε/dτ - скорость ползучести материала ЭО во втором периоде;
m - показатель ползучести материала ЭО;
B1 - коэффициент ползучести материала ЭО;
σ - напряжение в ЭО;
ε - относительное удлинение ЭО ЭГЭ в окружном направлении.
To describe the creep strain of EO, a power-law dependence of the form is adopted [7]
ζ II = B 1 σ m , (2)
where ζ II = dε / dτ is the creep rate of the EA material in the second period;
m is the creep rate of the EA material;
B 1 - creep coefficient of the material EO;
σ is the voltage in the EA;
ε is the relative elongation of EE EGE in the circumferential direction.

В соответствии с принятыми выше допущениями по соотношению, известному под названием уравнения Далласа [8], определим напряжение в ЭО
σ = P·(D-δ)/(2·δ) = P·(1-δэ)/(2·δэ), (3)
где δ - толщина ЭО;
δэ = δ/D;
P - давление ГПД оказываемое на ЭО ЭГЭ от ГПД накапливающихся в ТЭУ после закупорки газовыводных каналов конденсатом ТМ и определяемое из уравнения Менделеева-Клапейрона.
In accordance with the assumptions made above, from the relation known as the Dallas equation [8], we determine the voltage in the EO
σ = P · (D-δ) / (2 · δ) = P · (1-δ e ) / (2 · δ e ), (3)
where δ is the thickness of the EA;
δ e = δ / D;
P is the GPA pressure exerted on the EEG EGE from the GPA accumulated in the TEU after the gas outlet channels are blocked by the TM condensate and determined from the Mendeleev-Clapeyron equation.

P = n(τ)·k·T0, (4)
где n(τ) - концентрация ГПД, накапливающихся в газовых полостях ТЭУ;
T0 = Tэ+ΔT - абсолютная температура газа, соответствующая максимальной температуре в ТЭУ ЭГЭ;
ΔT - перепад температуры по ТМ;
k - постоянная Больцмана.
P = n (τ) · k · T 0 , (4)
where n (τ) is the concentration of the GPA accumulating in the gas cavities of the TEU;
T 0 = T e + ΔT is the absolute gas temperature corresponding to the maximum temperature in the TEU EGE;
ΔT is the temperature difference in TM;
k is the Boltzmann constant.

Зная, что число атомов Xe и Kr на один разделившийся атом U235 составляет 0,25 [3] и 3·1010 делений/с примерно соответствует 1 Вт тепловой мощности, выделяемой в ТМ [9], можно получить выражение (4) в виде
P = 4,14·10-13·qF·(Tэ+ΔT)·τ/(εп·D·(1-2δэ)). (5)
Выражая относительное удлинение ЭО ЭГЭ в окружном направлении (ε) через увеличение радиуса Δr(τ) эмиттера, получим
ε = 2·Δr/(D·(1-δэ)). (6)
Подставляя в (2) выражение (3) с учетом (5) и (6), после интегрирования (2) по τ, учитывая, что максимальное увеличение радиуса эмиттера до заикания его с коллектором Δr(τ) соответствует величине межэлектродного зазора (d) ЭГЭ, получим выражение (1).
Knowing that the number of Xe and Kr atoms per one separated U 235 atom is 0.25 [3] and 3 · 10 10 divisions / s approximately corresponds to 1 W of thermal power released in a TM [9], we can obtain expression (4) in form
P = 4.14 · 10 -13 · q F · (T e + ΔT) · τ / (ε p · D · (1-2δ e )). (5)
Expressing the relative elongation of the EE EGE in the circumferential direction (ε) through an increase in the emitter radius Δr (τ), we obtain
ε = 2 · Δr / (D · (1-δ e )). (6)
Substituting expression (3) in (2) taking into account (5) and (6), after integrating (2) over τ, taking into account that the maximum increase in the emitter radius before stuttering with the collector Δr (τ) corresponds to the interelectrode gap (d) EGE, we obtain the expression (1).

Для определения ΔT - перепада температуры по ТМ в ТЭУ - можно воспользоваться частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [10]

Figure 00000003

где t(r) - распределение температуры по радиусу полого цилиндра;
Rв - внутренний радиус полого цилиндра;
Rн - наружный радиус полого цилиндра;
Тн - температура на наружной поверхности полого цилиндра;
qv - плотность объемного тепловыделения;
λ - теплопроводность материала полого цилиндра.To determine ΔT - temperature difference by TM in TEU - you can use a special case of solving the heat equation for a hollow cylinder with heat sources cooled from the outer surface [10]
Figure 00000003

where t (r) is the temperature distribution along the radius of the hollow cylinder;
R in - the inner radius of the hollow cylinder;
R n - the outer radius of the hollow cylinder;
T n - temperature on the outer surface of the hollow cylinder;
q v is the density of volumetric heat release;
λ is the thermal conductivity of the material of the hollow cylinder.

Откуда перепад температуры по ТМ в ТЭУ ΔT из (7) для r = Rв

Figure 00000004

В нашем случае:
Figure 00000005

qv = 4·qF/(D·(1-εп)·(1-2δэ)). (10)
Температура наружной поверхности Тн соответствует температуре эмиттера Тэ ЭГЭ и может быть оценена одним из методов, описанных в [11].Where does the temperature difference in TM in TEU ΔT come from (7) for r = R in
Figure 00000004

In our case:
Figure 00000005

q v = 4 · q F / (D · (1-ε p ) · (1-2δ e )). (10)
The temperature of the outer surface T n corresponds to the temperature of the emitter T e EGE and can be estimated by one of the methods described in [11].

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

ЭГК 3, состоящий из одного ЭГЭ 4 с вентилируемым ТЭУ 13 или представляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ 4 с вентилируемыми ТЭУ 13, с системой регистрации 17 тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 13, помещают в активную зону 2 реактора 1. В процессе работы реактора 1 на номинальной мощности устанавливается стационарный режим работы термоэмиссионного ЭГК 3. С помощью датчиков активности 12 и 10 регистрируют величины активности (NA) газов (ГПД) на выходе из ЭГК 3 и на выходе из резервуара-отстойника 11 соответственно. Газ (ГПД) выходит из вентилируемых ТЭУ 13 ЭГЭ 4 из ЭГК 3 по трубке 9. Тепловую мощность (qF), выделяемую в ТЭУ 13, регистрируют датчиком 17. В результате переконденсации ТМ 20 за период времени τ1, определяемый интенсивностью процессов тепло-массопереноса в ТЭУ 13, происходит забивание каналов вывода ГПД (или центрального канала 23, или газопоглощающего фильтрующего материала, или лабиринтных экранов 24, или трубки ГОУ 26, или жиклера 27) конденсатом ТМ 20 и герметизация ТЭУ 13, что приводит к скачкообразному падению активности NA газов (ГПД) на выходе из ЭГК 3, регистрируемому датчиком активности 12. В момент падения активности фиксируют с помощью датчика 17 тепловую мощность qF, поступающую из ТМ 20 на ЭО 22 ЭГЭ 4, и оценивают температуру эмиттера 21 Тэ в ТЭУ 13, например, методом теплового баланса [11]. Затем по выражению (1) определяют максимальный остаточный ресурс ЭГЭ.EGC 3, consisting of one EGE 4 with a vented TEU 13 or representing a series-connected assembly of EGE 4 with a vented TEU 13, with a thermal power registration system 17 allocated to the TEU 13, is placed in the active zone 2 of reactor 1. During operation of reactor 1, rated power, a stationary mode of operation of thermionic EGC 3 is established. Using activity sensors 12 and 10, the activity values (N A ) of gases (GPA) are recorded at the outlet of the EGC 3 and at the outlet of the settling tank 11, respectively. Gas (GPA) leaves the ventilated TEU 13 EGE 4 from the EGC 3 through the tube 9. The heat power (q F ) released in the TEU 13 is recorded by the sensor 17. As a result of the condensation of TM 20 over a period of time τ 1 , determined by the intensity of the heat mass transfer in TEU 13, clogging of GPA output channels (or central channel 23, or gas-absorbing filtering material, or labyrinth screens 24, or GOU tube 26, or nozzle 27) with TM 20 condensate occurs, and TEU 13 is sealed, which leads to an abrupt decrease in N activity A gas (GAP) at the outlet of the EG 3, a detectable activity sensor 12. At the time of the fall of activity is fixed by the sensor 17, the thermal power q F, coming from the TM 20 to 22 EO EGE 4 and the emitter 21 appreciate T e temperature in TEU 13, for example, by heat balance [11] . Then, by the expression (1), the maximum residual EGE resource is determined.

В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с ТЭУ для конструкционного варианта ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ, представленным на фиг. 3, где в качестве ТМ используется диоксид урана, а в качестве материала ЭО ЭГЭ используется монокристаллический сплав Mo-3XNb. Коэффициент теплопроводности диоксида урана при расчетах принимаем равным 2,6 Вт/(м.град). Показатель ползучести (m) и коэффициент ползучести (B1) материала ЭО определяем из экспериментальных зависимостей скорости установившейся ползучести монокристаллического сплава Mo-3% Nb от напряжений по работе [12]. Примем следующие геометрические параметры, характерные для типичного ЭГЭ: εп = 0,3; δэ = 0,1; D = 1,5 · 10-2 м; d = 3 · 10-4 м. Положим, что в момент скачкообразного падения активности ГПД, удаляемых из вентилируемых ТЭУ, зафиксировали тепловую мощность qF, выделяемую в ТЭУ ЭГЭ, равной 9 · 105 Вт/м2 и оценили температуру эмиттера Тэ по одному из методов [10] равной 2173 К. При этом из [12] для монокристаллического сплава Mo-3% Nb, при Тэ = 2173 K, имеем m = 3,52 и B1 = 1,58 · 10-27 (Па)-m · c-1. Для оценки ΔT - перепада температуры по ТМ в ТЭУ - по выражению (8), с учетом (9) и (10), находим ΔT ≈ 500 К. Подставляя полученные значения в выражение (1), определяем максимальный остаточный ресурс ЭГЭ t m 2 ax ≈ 5·105 с.
Таким образом, предложен способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, позволяющий:
1. Провести расчеты конечного инженерного эффекта: выход газообразных продуктов деления из топливного материала и деформацию эмиттерной оболочки топливно-эмиттерного узла электрогенерирующего элемента в зависимости от параметров эксплуатации. Такая модель имеет упрощения в детализации физических представлений и включает параметры, позволяющие нормировать модель на экспериментальный результат.
As a specific example, we consider the use of the method of life tests of thermionic EGE with TEU for the constructional version of EGE with ventilated TEU shown in FIG. 3, where uranium dioxide is used as a TM, and a single-crystal Mo-3XNb alloy is used as the material of EO EGE. The coefficient of thermal conductivity of uranium dioxide in the calculations is taken equal to 2.6 W / (m. grad). The creep index (m) and creep coefficient (B 1 ) of the EO material are determined from the experimental dependences of the steady-state creep rate of the Mo-3% Nb single-crystal alloy on stresses according to [12]. We take the following geometric parameters characteristic of a typical EGE: ε p = 0.3; δ e = 0.1; D = 1.5 · 10 -2 m; d = 3 · 10 -4 m. Suppose that at the time of a sudden drop in the activity of the GPA removed from the ventilated TEU, the thermal power q F released in the TEU EGE was fixed at 9 · 10 5 W / m 2 and the emitter temperature T e was estimated according to one of the methods [10] equal to 2173 K. Moreover, from [12] for the single-crystal alloy Mo-3% Nb, at T e = 2173 K, we have m = 3.52 and B 1 = 1.58 · 10 -27 (Pa) -m · s -1 . To estimate ΔT, the temperature difference in TM in TEU, by expression (8), taking into account (9) and (10), we find ΔT ≈ 500 K. Substituting the obtained values in expression (1), we determine the maximum residual EGE resource t m 2 ax ≈ 5 · 10 5 s.
Thus, a method for life tests of a thermionic power generating element with a fuel-emitter assembly is proposed, which allows:
1. Calculate the final engineering effect: the output of gaseous fission products from the fuel material and the deformation of the emitter shell of the fuel-emitter assembly of the power generating element, depending on the operating parameters. Such a model has simplifications in detailing physical representations and includes parameters that allow normalizing the model to an experimental result.

2. Решить вопросы прогнозирования ресурса работы электрогенерирующего элемента, являющиеся ключевыми при конструировании термоэмиссионного реактора-преобразователя. 2. To solve the problems of predicting the service life of the electric generating element, which are key in the design of the thermionic converter reactor.

3. Сократить сроки экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и электрогенерирующего канала в целом при дорогостоящих реакторных испытаниях. 3. To reduce the time for experimental testing of thermionic power generating elements and the power generating channel as a whole in case of expensive reactor tests.

ЛИТЕРАТУРА
1. Испытания многоэлементных термоэмиссионных экспериментальных сборок/ В. И. Бержатый, Н.А.Грибоедов, В.П.Грицаенко и др. -Атомная энергия, т. 31, вып. 6, 1971, с. 585-588.
LITERATURE
1. Tests of multi-element thermionic experimental assemblies / V. I. Berzhaty, N. A. Griboedov, V. P. Gritsaenko and others. -Atomic energy, vol. 31, no. 6, 1971, p. 585-588.

2. Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях /Е.С.Бекмухамбетов, А.С.Карнаухов, В.А.Корнилов и др. /Сб.: РКТ. Сер. ХII//РКК "Энергия", Королев, 1996. Вып. 2-3: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРД большой мощности. ч.2, с.116. 2. Neutron diffraction studies of thermionic EGCs during loop reactor tests / E.S. Bekmukhambetov, A.S. Karnaukhov, V. A. Kornilov et al. / Sat: RKT. Ser. XII // RSC Energia, Korolev, 1996. Issue. 2-3: Cosmic thermionic emission nuclear power plants and high-power propulsion engines. Part 2, p.116.

3. Дегальцев Ю.Г., Пономарев-Степной Н.Н., Кузнецов В.Ф. Поведение высокотемпературного ядерного топлива при облучении. Москва. Энергоатомиздат. 1987, с. 15. 3. Degaltsev Yu.G., Ponomarev-Stepnoy N.N., Kuznetsov V.F. The behavior of high-temperature nuclear fuel during irradiation. Moscow. Energoatomizdat. 1987, p. fifteen.

4. Ресурсные испытания термоэмиссионного преобразователя /Е.С.Бекмухамбетов, В. И.Бержатый, В.П.Грицаенко и др. - Атомная энергия, т. 35, вып. 6., 1973, с. 387-390. 4. Resource tests of the thermionic converter / E.S. Bekmukhambetov, V. I. Berzhaty, V. P. Gritsenko, etc. - Atomic energy, vol. 35, no. 6., 1973, p. 387-390.

5. Некоторые результаты послереакторных исследований шестиэлементной термоэмиссионной сборки, проработавшей 2670 ч. /Г.А.Батырбеков, Е.С.Бекмухамбетов, В. И. Бержатый и др. - Атомная энергия, т. 40, вып. 5, 1976, с. 382-384. 5. Some results of post-reactor studies of a six-element thermionic assembly, which worked for 2670 hours / G.A. Batyrbekov, E.S. Bekmukhambetov, V.I. Berzhaty et al. - Atomic energy, vol. 40, no. 5, 1976, p. 382-384.

6. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. -Москва. Энергоатомиздат, 1990, с. 39-95. 6. Sinyavsky V.V. Methods for determining the characteristics of thermionic fuel elements. -Moscow. Energoatomizdat, 1990, p. 39-95.

7. Л.М.Качанов. Теория ползучести. Физматгиз. Москва, 1960, с. 20. 7. L.M. Kachanov. Creep theory. Fizmatgiz. Moscow, 1960, p. 20.

8. В.И.Феодосьев. Сопротивление материалов. Физматгиз. Москва, 1962, с. 294. 8. V.I. Feodosiev. Strength of materials. Fizmatgiz. Moscow, 1962, p. 294.

9. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. Москва. Атомиздат. 1966, с. 9. 9. Zaimovsky A.S., Kalashnikov V.V., Golovnin I.S. Fuel elements of nuclear reactors. Moscow. Atomizdat. 1966, p. 9.

10. [9], с. 504. 10. [9], p. 504.

11. [6], с.73. 11. [6], p. 73.

12. Зубарев П. В., Тачкова Н.Г. Повышение жаропрочности монокристаллических тугоплавких металлов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Атомное материаловедение, выпуск 5(16). Государственный комитет по использованию атомной энергии СССР. 1982, с. 28. 12. Zubarev P.V., Tachkova N.G. Increasing the heat resistance of single-crystal refractory metals. Questions of atomic science and technology. Series: Atomic Materials Science, Issue 5 (16). State Committee for the Use of Atomic Energy of the USSR. 1982, p. 28.

Claims (1)

Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера, контроль активности газов на выходе из электрогенерирующего канала, отличающийся тем, что в качестве электрогенерирующего элемента использован электрогенерирующий элемент с вентилируемым топливно-эмиттерным узлом, и измерение тепловой мощности электрогенерирующего элемента и оценку температуры эмиттера производят в момент скачкообразного падения активности газов, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного электрогенерирующего элемента по выражению
Figure 00000006

где τ m 2 ax - максимальный остаточный ресурс, с;
εп - относительный объем газовой полости в топливно-эмиттерном узле электрогенерирующего элемента;
δэ - отношение толщины эмиттерной оболочки к его диаметру;
qF - тепловая мощность, поступающая из топлива на эмиттерную оболочку электрогенерирующего элемента, Вт/м2;
Тэ - температура эмиттера электрогенерирующего элемента, К;
D - диаметр эмиттера, м;
m - показатель ползучести материала эмиттерной оболочки;
B1 - коэффициент ползучести материала эмиттерной оболочки, (Па)-m·с-1;
d - величина межэлектродного зазора в электрогенерирующем элементе, м;
ΔT - перепад температуры по топливу в топливно-эмиттерном узле, К;
размерность коэффициента 4,14 · 10-13[1/град].
The method of life tests of a thermionic power generating element with a fuel-emitter assembly, including installing it as a part of the power generating channel in the reactor, measuring the heat power of the power generating element at constant thermal power of the reactor, estimating the temperature of the emitter, monitoring the activity of gases at the outlet of the power generating channel, characterized in that as an electro-generating element, an electro-generating element with a vented fuel-emitter unit was used, and measured e thermal power electricity generating element and the emitter temperature estimate produced at the time of abrupt fall gas activity is then determined maximum residual resource thermionic power generating element according to the expression
Figure 00000006

where τ m 2 ax - maximum residual life, s;
ε p - the relative volume of the gas cavity in the fuel-emitter node of the power generating element;
δ e - the ratio of the thickness of the emitter shell to its diameter;
q F is the heat power coming from the fuel to the emitter shell of the power generating element, W / m 2 ;
T e - emitter temperature of the power generating element, K;
D is the diameter of the emitter, m;
m is the creep rate of the material of the emitter shell;
B 1 - creep coefficient of the material of the emitter shell, (Pa) -m · s -1 ;
d is the magnitude of the interelectrode gap in the power generating element, m;
ΔT is the temperature difference in fuel in the fuel-emitter unit, K;
coefficient dimension 4.14 · 10 -13 [1 / deg].
RU99110461/06A 1999-05-17 1999-05-17 Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit RU2165654C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110461/06A RU2165654C2 (en) 1999-05-17 1999-05-17 Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99110461/06A RU2165654C2 (en) 1999-05-17 1999-05-17 Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99110461A RU99110461A (en) 2001-02-20
RU2165654C2 true RU2165654C2 (en) 2001-04-20

Family

ID=20220020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99110461/06A RU2165654C2 (en) 1999-05-17 1999-05-17 Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2165654C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550744C1 (en) * 2014-05-21 2015-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Single-crystal emitter shell and method of its manufacture
RU2673061C1 (en) * 2017-12-12 2018-11-22 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of predicting efficiency of thermionic electrogenerated element with a ventilate fuel element

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WO 93\03494 A1, 18.02.1993. *
БЕКМУХАМБЕТОВ Е.С. и др. Ресурсные испытания термоэмиссионного преобразователя, Атомная энергия, 1973, т.35, вып.6, с.387-390. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550744C1 (en) * 2014-05-21 2015-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Single-crystal emitter shell and method of its manufacture
RU2673061C1 (en) * 2017-12-12 2018-11-22 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of predicting efficiency of thermionic electrogenerated element with a ventilate fuel element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2172943B1 (en) Doppler reactivity coefficient measuring method
Shewfelt et al. A high-temperature creep model for Zr-2.5 wt% Nb pressure tubes
KR20100099689A (en) Method of measuring the internal surface temperature of a pipe and associated device
RU2165654C2 (en) Method for life tests of thermionic power-generating element with fuel-emitter unit
JPS5842404B2 (en) Method and device for measuring the internal gap of nuclear reactor fuel rods
Shewfelt et al. A high-temperature longitudinal strain rate equation for Zr-2.5 wt% Nb pressure tubes
US3084541A (en) Gauge for measuring the displacement of a body
CN114420329B (en) Method for measuring nuclear reactor fuel temperature
RU2224306C2 (en) Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly
Testa et al. In-pile fuel studies for design purposes
Paramonov et al. Test results of Ya-21u thermionic space power system
RU1803939C (en) Method of determination of interelectrode gap of elements under loop life test of electricity-generating channels
Hosoma et al. Accurate volume measurement system for plutonium nitrate solution
RU2228549C1 (en) Method for evaluating heat release in fuel element when refining it in loop channel
RU2673061C1 (en) Method of predicting efficiency of thermionic electrogenerated element with a ventilate fuel element
DUCHENE-CEAISACLAY DEVELOPMENT OF A" MIXED INCORE SYSTEM'(FIXED AND MOVABLE) BASED ON SUBIUINIATURIZED FISSION CHAMBEllS DESCRIPTION AND FIRST TEST RESULTS
Hertel Development of a Novel MEMS Thermal Sensor Array for Pebble Bed HTGRs
Stuckert et al. Experimental and modeling results of the QUENCH-19 bundle tests with FeCrAl claddings
RU2004032C1 (en) Method of determination of distribution of pressure of vapor of cesium in interelectrode gaps of elements of current-generating channel under loop tests
Kato et al. Self-Limiting Power Excursion Characteristics of Light Water Reactor,(III) Instrumentation for HTR-Pulse Operation
KR800001625B1 (en) Method and apparatus for mintoring the axial power distribution within the core of anuclear nuclear reactor exterior of the reactor
Sumida et al. Preliminary Test of Thermionic Converter/Heat Pipe Assembly
RU2042230C1 (en) Thermal emission reactor transducer
RU2223559C2 (en) Method for life tests of thermionic power-generating cells with cooled fuel-emitter assembly
Wakayama et al. Development on experimental VHTR instrumentation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20030518