RU2224306C2 - Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly - Google Patents
Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2224306C2 RU2224306C2 RU2002106147/06A RU2002106147A RU2224306C2 RU 2224306 C2 RU2224306 C2 RU 2224306C2 RU 2002106147/06 A RU2002106147/06 A RU 2002106147/06A RU 2002106147 A RU2002106147 A RU 2002106147A RU 2224306 C2 RU2224306 C2 RU 2224306C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- reactor
- teu
- emitter
- thermionic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
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 ground-based mining of fuel elements, in particular electric generating elements (EGE), the thermionic assembly of which is called an electric generating channel (EGC).
Важнейшим этапом разработки термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) является подтверждение ресурсно-энергетических характеристик ЭГК, образующих активную зону ТРП. ЭГК может состоять из одного ЭГЭ или представлять последовательно соединенную электрогенерирующую сборку 5ЕГЭ, в которых совершается полный цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. Поэтому ресурсные испытания ЭГЭ в реакторе (в составе петлевого канала (ПК) в исследовательском реакторе иди в составе ТРП) являются определяющим этапом при создании ЭГК и ТРП в целом [1]. Экспериментальная отработка твэлов в наземных реакторах связана с большими экономическими затратами и чем длительнее планируемый эксперимент, тем выше затраты. The most important stage in the development of a thermionic converter reactor (TRP) is the confirmation of the resource-energy characteristics of EGCs that form the active zone of the TRP. EGC can consist of one EGE or represent a series-connected electric generating assembly 5EGE, in which a complete cycle of conversion of thermal energy into electrical energy takes place. Therefore, the resource tests of the EGE in the reactor (as part of the loop channel (PC) in the research reactor, go as part of the TRP) are the determining stage in the creation of EGC and TRP as a whole [1]. The experimental development of fuel rods in surface reactors is associated with high economic costs and the longer the planned experiment, the higher the costs.
Большинство испытанных в реакторах экспериментальных ЭГЭ имели оболочечные термоэмиссионные твэлы, когда нагрузка, создаваемая давлением газообразных продуктов деления (ГПД). воспринимается эмиттерной оболочкой. Причем качественным решением позволяющим снизить давление на оболочку твэла от ГПД является организованный вывод ГПД через систему вентиляции, что позволяет существенно поднять ресурс твэла. Особенно работоспособная система вентиляции важна при разработке термоэмиссионных твэлов, у которых оболочка твэла работает при высоких температурах (~2000 К и более [1]) и не может длительно выдерживать высокие давления от выделяющихся в процессе деления ядерного горючего ГПД, что приводит к короткому замыканию эмиттера с коллектором и прекращению генерации электроэнергии. Поэтому для высокотемпературных термоэмиссионных твэлов ресурс работы ЭГЭ будет во многом определяться надежным выводом ГПД, т.е. работоспособностью системы вентиляции. Most of the experimental EGEs tested in reactors had clad thermionic fuel elements when the load created by the pressure of gaseous fission products (GPA). perceived by the emitter shell. Moreover, a quality solution to reduce the pressure on the cladding of a fuel rod from the GPA is the organized withdrawal of the GPA through the ventilation system, which can significantly increase the resource of the fuel rod. A particularly efficient ventilation system is important in the development of thermionic fuel elements in which the cladding of a fuel element operates at high temperatures (~ 2000 K and more [1]) and cannot withstand high pressures from the GPA emitted during fission, which leads to an emitter short circuit with the collector and the cessation of electricity generation. Therefore, for high-temperature thermionic fuel elements, the EGE service life will be largely determined by the reliable GPA output, i.e. operability of the ventilation system.
Для оперативного анализа реакторных испытаний, при ресурсной отработке термоэмиссионных ЭГЭ, представляет интерес использование инженерных методик, отражающих расчетно-теоретические исследования поведения горючего в топливно-эмиттерном узле (ТЭУ). For the operational analysis of reactor tests, during the resource development of thermionic EGE, it is of interest to use engineering methods that reflect theoretical and theoretical studies of the behavior of fuel in a fuel-emitter unit (TEU).
Рассматриваем высокотемпературный ТЭУ (с температурой эмиттера ~2000 К и выше), состоящий из цилиндрической эмиттерной оболочки, с находящимся внутри нее высоколетучим ядерным горючим (типа диоксида урана), и системой вентиляции ГПД. Система вентиляции выполнена в виде осесимметричной центральной трубки из тугоплавкого металла (например сплавов на основе W иди Мо), пронизывающей топливный сердечник [2]. С целью снижения выхода из ТЭУ паров горючего, выходящих вместе с ГПД, конец трубки в горячей зоне ТЭУ выполнен в виде капиллярного наконечника. Для рассматриваемых высокотемпературных термоэмиссионных твэлов в топливном сердечнике происходят интенсивные процессы тепло- и массопереноса (десятки часов [3]), приводящие к перестройке исходной структуры ядерного горючего и образованию центральной газовой полости с изотермической поверхностью, куда стекаются газообразные продукты деления. Особенно интенсивные процессы массопереноса горючего наблюдаются для высоколетучих топливных материалов (ТМ), типа диоксида урана. Работоспособность системы вентиляции будет определяться возможностью беспрепятственного удаления ГПД за пределы ТЭУ и зависит от относительного геометрического положения поверхности центральной газовой полости и трубки с капиллярным наконечником. Очевидно, для беспрепятственного выхода ГПД из центральной газовой полости часть трубки с капиллярным наконечником должна находиться в зоне газовой полости, что является необходимым условием работоспособности системы вентиляции ТЭУ. We consider a high-temperature TEU (with an emitter temperature of ~ 2000 K and higher), consisting of a cylindrical emitter shell, with high-volatile nuclear fuel (such as uranium dioxide) inside it, and a GPA ventilation system. The ventilation system is made in the form of an axisymmetric central tube made of refractory metal (for example, alloys based on W or Mo) penetrating the fuel core [2]. In order to reduce the exit from the TEU of fuel vapors leaving together with the GPA, the end of the tube in the hot zone of the TEU is made in the form of a capillary tip. For the considered high-temperature thermionic fuel elements in the fuel core, intense processes of heat and mass transfer (tens of hours [3]) occur, leading to the rearrangement of the initial structure of nuclear fuel and the formation of a central gas cavity with an isothermal surface where gaseous fission products flow. Particularly intense processes of fuel mass transfer are observed for highly volatile fuel materials (HM), such as uranium dioxide. The operability of the ventilation system will be determined by the ability to freely remove the GPA beyond the TEU and depends on the relative geometric position of the surface of the central gas cavity and the tube with a capillary tip. Obviously, for the GPA to freely exit the central gas cavity, a part of the tube with a capillary tip should be in the gas cavity zone, which is a necessary condition for the operability of the TEU ventilation system.
Известны способы ресурсных испытаний термоэмиссионных ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ при разработке реактора-термоэмиссионного преобразователя космического назначения "ТОПАЗ-2" [4]. Испытывались одноэлементные ЭГК с вентиляционным каналом в топливном сердечнике и оптимизированной структурой топливного материала (ТМ). Основной особенностью ресурсных испытаний данных ЭГК являлось то, что испытания проводились при относительно "низкой" максимальной температуре эмиттерной оболочки (~1600 К и менее), в результате чего наблюдался незначительный осевой массоперенос ТМ в вентиляционном канале и очень медленное зарастание его конденсатом ТМ не явилось основным фактором определяющим запланированный ресурс работы данных ЭГК. Более значительный вклад в ресурсные характеристики этих ЭГК, в данном температурном интервале, дает деформация эмиттерной оболочки от распухания "захоложенного" горючего в районе поясов дистанционаторов и, по-видимому, этот фактор будет определяющим в прогнозируемом ресурсе. Known methods of life tests of thermionic EGE with ventilated TEU in the development of the reactor-thermionic converter of space purpose "TOPAZ-2" [4]. Single cell EGCs were tested with a ventilation channel in the fuel core and an optimized structure of the fuel material (TM). The main feature of the life tests of the EGC data was that the tests were carried out at a relatively "low" maximum temperature of the emitter shell (~ 1600 K and less), as a result of which there was a slight axial mass transfer of the TM in the ventilation duct and its very slow overgrowth with the TM condensate was not the main factor determining the planned life of the EGC data. A more significant contribution to the resource characteristics of these EGCs in this temperature range is provided by the deformation of the emitter shell from the swelling of the “cramped” fuel in the region of the distance controllers belts, and this factor will probably be the determining factor in the predicted resource.
Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что он не охватывают высокотемпературный диапазон (с температурой эмиттерной оболочки более 1600 К), где с возрастанием температуры резко активизируются процессы перестройки структуры горючего в результате массопереноса. Особенно это касается высоколетучих топливных материалов, например, диоксида урана, в результате чего вклад в ресурсную составляющую таких факторов как исходная структура ТМ, нагрузки на эмиттерную оболочку от распухающего ТМ будут снижаться и резко увеличиваться процессы осевого массопереноса ТМ, приводящего к зарастанию вентиляционного канала, выходу его из строя, а значит и нарушению работоспособности ЭГЭ. The main disadvantage of this method of life testing is that it does not cover the high temperature range (with an emitter shell temperature of more than 1600 K), where the process of restructuring the fuel structure as a result of mass transfer is sharply activated with increasing temperature. This is especially true for highly volatile fuel materials, for example, uranium dioxide, as a result of which the contribution to the resource component of such factors as the initial TM structure, the stresses on the emitter shell from the swelling TM will decrease and the axial mass transfer of TM, which leads to overgrowing of the ventilation duct, will increase sharply. it is out of order, and therefore a violation of the performance of the EGE.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции ТЭУ, включающий его установку в составе ЭГК в реактор, измерение тепловой мощности ЭГЭ при неизменной тепловой мощности реактора и оценку температуры эмиттера, изложенный в [5]. Суть способа заключается в том, что в процессе эксперимента измеряют тепловую мощность ЭГЭ и оценивают температуру эмиттера в момент скачкообразного падения активности ГПД, затем определяют максимальный остаточный ресурс термоэмиссионного ЭГЭ по предлагаемому выражению, куда входят, кроме перечисленных выше параметров, геометрические характеристики ТЭУ и теплофизические характеристики материалов эмиттерной оболочки и ТМ. Ресурс работы термоэмиссионного ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ разбивают как бы на два временных интервала: первый интервал (τ1) характеризуется работоспособной системой вентиляции ГПД из ТЭУ, снимающей нагрузку с эмиттерной оболочки ЭГЭ от ГПД; второй интервал (τ2) определяет остаточный ресурс работы ЭГЭ, когда оболочка твэла воспринимает давление от распухающего ТМ и от ГПД накапливающихся в центральном канале ТЭУ. Причем в данном способе определяют максимальный остаточный ресурс работы ЭГЭ (τ2 = τ
Основным недостатком данного способа ресурсных испытаний является то, что в начале испытаний не анализируется необходимое условие работоспособности системы вентиляции ТЭУ, тем самым необоснованно продлеваются сроки дорогостоящих реакторных испытаний ЭГК. The main disadvantage of this method of life tests is that at the beginning of the tests the necessary condition for the operability of the TEU ventilation system is not analyzed, thereby unreasonably prolonging the terms of expensive reactor tests of EGCs.
Задачей является сокращение сроков экспериментальной отработки в реакторе термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции ТЭУ. The objective is to reduce the time required for experimental development of a thermionic EGE in a reactor with a TEU ventilation system.
Задача достигается тем, что в способе ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла, включающий его установку в составе электрогенерирующего канала в реактор, измерение тепловой мощности эдектрогенерирующего элемента при неизменной тепловой мощности реактора, оценку температуры эмиттера те, сразу после вывода реактора на постоянный уровень тепловой мощности дополнительно измеряют температуру торцевой оболочки топливно-эмиттерного узла Т2 в месте соединения ее с системой вентиляции, определяют максимальную температуру в топливно-эмиттерном узде Т0, а работоспособность системы вентиляции определяют по соотношению
где π4 = (λэ/λг)((T0-T2)/(T0-TE))(r
ε - относительное содержание горючего;
λэ- эквивалентная теплопроводность трубки, Вт/(м•град);
λг - теплопроводность горючего, Вт/(м•град);
rт, lт - радиус и длина трубки системы вентиляции, м;
Lc - длина топливного сердечника, м;
Т0, [К]; Т2, [К]; ТЕ, [К].The objective is achieved by the fact that in the method of life tests of a thermionic power generating element with a ventilation system of its fuel-emitter unit, including its installation as a part of the power generating channel in the reactor, measuring the thermal power of the electro-generating element at a constant thermal power of the reactor, estimating the temperature of the emitter, immediately after the output reactor at a constant level of thermal power additionally measure the temperature of the end shell of the fuel-emitter node T 2 at the junction I have it with the ventilation system, determine the maximum temperature in the fuel-emitter bridle T 0 , and the operability of the ventilation system is determined by the ratio
where π 4 = (λ e / λ g ) ((T 0 -T 2 ) / (T 0 -T E )) (r
ε is the relative fuel content;
λ e - equivalent thermal conductivity of the tube, W / (m • deg);
λ g - thermal conductivity of the fuel, W / (m • deg);
r t , l t - radius and length of the tube of the ventilation system, m;
L c is the length of the fuel core, m;
T 0 , [K]; T 2 , [K]; T E , [K].
На фиг. 1 представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с системой вентиляции топливно-эмиттерного узла. На фиг.2 представлена конструкционная схема реактора с петлевым каналом. На фиг.3 представлены графики, поясняющие суть способа. In FIG. 1 shows a general view of a thermionic electric power generating element with a ventilation system of a fuel-emitter unit. Figure 2 presents the structural diagram of the reactor with a loop channel. Figure 3 presents graphs explaining the essence of the method.
На фиг. 1 обозначено: 1 - термоэмиссионный электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 2 - эмиттер ЭГЭ; 3 - коллектор ЭГЭ; 4 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ); 5 - ядерное горючее; 6 - система вентиляции ТЭУ; 7 - дистанционатор ЭГЭ; 8 - торцевая оболочка ТЭУ; 9 - коммутационная перемычка; 10 - датчик температуры; 11 - трубка; 12 - поверхность центральной газовой полости; 13 - капиллярный наконечник; 14 - датчик тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ; 15 - коллекторная изоляция; 16 - чехловая трубка ЭГК; 17 - изоляция. In FIG. 1 is indicated: 1 - thermionic electric power generating element (EGE); 2 - EGE emitter; 3 - collector EGE; 4 - fuel-emitter unit (TEU); 5 - nuclear fuel; 6 - ventilation system TEU; 7 - EGE remote control; 8 - end shell of TEU; 9 - switching jumper; 10 - temperature sensor; 11 - a tube; 12 - the surface of the Central gas cavity; 13 - capillary tip; 14 - sensor thermal power allocated to the TEU; 15 - collector insulation; 16 - cover tube EGC; 17 - isolation.
На фиг.2 обозначено: 18 - резервуар-отстойник ГПД; 19 - ядерный реактор; 20 - отражатель с органами системы управления и защиты; 21 - активная зона; 22 - петлевой канал (ПК); 23 - электрогенерирующий канал (ЭГК). In figure 2, it is indicated: 18 — GPA sedimentation tank; 19 - a nuclear reactor; 20 - reflector with control and protection system bodies; 21 - active zone; 22 - loop channel (PC); 23 - electricity generating channel (EGC).
На фиг. 3 изображена зависимость коэффициента относительного покрытия внешней поверхности трубки конденсатом ядерного горючего от коэффициента π4.
Способ реализуется следующим образом. Термоэмиссионный ЭГЭ 1 с системой вентиляции 6 топливно-эмиттерного узла 4 в составе электрогенерирующего канала 23 помещают в петлевой канал 22, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком 14 тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ 4, датчиком температуры 10, расположенном в месте соединения оболочки 8 с трубкой 11 системы вентиляции 6). ПК 22 с ЭГК 23 помещают в ячейку активной зоны 21 ядерного реактора 19. Реактор 19 выводят на планируемую тепловую мощность, фиксируя тепловую мощность ЭГЭ 1 с помощью датчика 14 по методу, изложенному в [6] , в частности с помощью датчиков теплового потока. В процессе работы реактора 19, при выводе его на планируемую тепловую мощность, в ТЭУ 4 происходит деление ядерного горючего 5 с образованием газообразных продуктов деления, выходящих через систему вентиляции 6 за пределы ТЭУ 4 и затем реактора 19 в резервуар-отстойник 18. Тепло, выделяющееся при реакции деления горючего 5, разогревает эмиттер 2, вызывая таки образом эмиссию электронов с эмиттера 2 и конденсацию их на коллектор 3. При этом одновременно с ростом тепловой мощности реактора 19 возрастает температура топливного сердечника с максимумом в центральной зоне ТЭУ 14. Это обстоятельство приводит к интенсивной переконденсации ядерного горючего 5 (особенно это касается топливных материалов с высокой упругостью пара и низкой теплопроводностью, например диоксида урана) с перестройкой его структуры и образованием центральной газовой полости с изотермической поверхностью 12. Присутствие системы вентиляции 6 в ТЭУ 4 приводит к тому, что часть тепла из центральной части ТЭУ 4 отводится к периферии на оболочку 8 по трубке 11, выполненной из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности чем горючее 5, вызывая процесс трансформации изотермической поверхности 12 центральной газовой полости. Сразу после вывода реактора 19 на планируемый уровень мощности проводим измерение температуры торцевой оболочки 8 ТЭУ 4 в месте соединения ее с трубкой 11 системы вентиляции 6 с помощью датчика 10 (эти измерения можно проводить, например, по методам, изложенным в [6]). Проводим оценку температуры эмиттера 2, например, одним из методов, описанных в [6]. Зная тепловыделение в ТЭУ 4 и температуру эмиттера 2, определяем максимальную температуру в ТЭУ 4, например воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности [7]. Зная геометрические характеристики системы вентиляции 6 и ТЭУ 4, физические характеристики используемого горючего 5, а также относительное содержание горючего 5 в ТЭУ 4, определяем необходимое условие работоспособности системы вентиляции термоэмиссионного ЭГЭ 1 по соотношению (1).In FIG. Figure 3 shows the dependence of the coefficient of relative coverage of the outer surface of the tube with a nuclear fuel condensate on the coefficient π 4 .
The method is implemented as follows. Thermionic EGE 1 with a ventilation system 6 of the fuel-emitter unit 4 as part of the
Приведем вывод соотношения (1). Характеристикой работоспособности системы вентиляции ТЭУ примем параметр Ks=ls/lт - относительное покрытие внешней поверхности трубки конденсатом ядерного горючего, где ls - длина конденсата на внешней поверхности трубки, lт - длина трубки. Очевидно, что необходимым условием работоспособности системы вентиляции ТЭУ является соотношение Кs<1. Установим систему критериальных отношений, выражающих основные количественные закономерности изменения параметра Ks, обработав результаты численных расчетов температурного поля гетерогенного топливного сердечника ТЭУ с учетом переконденсации горючего в форме обобщенных безразмерных параметров.We present the derivation of relation (1). We take the parameter K s = l s / l t , the relative coverage of the outer surface of the tube with nuclear fuel condensate, where l s is the length of the condensate on the outer surface of the tube, and l t is the length of the tube. Obviously, a necessary condition for the operability of the TEU ventilation system is the ratio K s <1. We establish a system of criteria relations expressing the main quantitative laws of the change in the parameter K s , after processing the results of numerical calculations of the temperature field of the heterogeneous fuel core of the TEU taking into account the condensation of fuel in the form of generalized dimensionless parameters.
Рассматривается смешанная краевая задача для уравнения
div(λ gradT)=-q, (2)
где на внешней границе известна функция распределения температуры по эмиттерной оболочке электрогенерирующего элемента, на поверхности центральной газовой полости в конечном состоянии используется условие изотермичности (в уравнении λ, Т, q - коэффициент теплопроводности, температура, плотность тепловыделения, зависящие от координат, соответственно).We consider a mixed boundary value problem for the equation
div (λ gradT) = - q, (2)
where the temperature distribution function over the emitter shell of the power generating element is known at the outer boundary, the isothermal condition is used on the surface of the central gas cavity in the final state (in the equation λ, Т, q is the heat conductivity coefficient, temperature, and heat density, depending on the coordinates, respectively).
Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного ЭГЭ, используемый для вывода соотношения (1), рассмотрен в работе [2]. По результатам численного расчета строятся зависимости параметра Ks от ε и безразмерного комплекса π4, состоящего из параметров, определяющих относительную длину конденсата топливного материала на трубке:
π4 = (λэ/λг)((T0-T2)/(T0-TE))(r
где λэ = λT(1-r
π 4 = (λ e / λ g ) ((T 0 -T 2 ) / (T 0 -T E )) (r
where λ e = λ T (1-
Результаты расчетов, выполненные по методике [2] для диоксида урана и приведенные в [8] с определением конечной конфигурации поверхности центральной газовой полости, обработаны в координатах безразмерных параметров и представлены графически в виде зависимости Ks=f((π4, ε) на фиг.3. Полученные расчетные зависимости на фиг.3 в интервале ε=0,5-0,8, характерном для ТЭУ термоэмиссионных ЭГЭ, хорошо описываются эмпирической зависимостью вида
откуда и подучено соотношение (1).The calculation results performed by the method [2] for uranium dioxide and given in [8] with the determination of the final configuration of the surface of the central gas cavity were processed in the coordinates of dimensionless parameters and presented graphically in the form of the dependence K s = f ((π 4 , ε) on figure 3. The obtained calculated dependences in figure 3 in the interval ε = 0.5-0.8, typical for thermoelectric emission thermoelectric EGE, are well described by the empirical dependence of the form
whence relation (1) was obtained.
Получив зависимость KS = f(π4,ε), можно, исходя из известных граничных условий (Т2, ТЕ), теплофиэических характеристик (λэ,λг,λт), геометрических характеристик (rт, lт, r2, Lc, Rc), относительного содержания горючего в ТЭУ (ε) и известного тепдовыдедения в ТЭУ, прогнозировать степень покрытия конденсатом горючего трубки и, таким образом, определять реализуемость необходимого условия работоспособности системы вентиляции ТЭУ термоэмиссионного ЭГЭ.Having obtained the dependence K S = f (π 4 , ε), it is possible, based on the known boundary conditions (T 2 , T E ), thermophysical characteristics (λ e , λ g , λ t ), geometric characteristics (r t , l t , r 2 , L c , R c ), the relative fuel content in the TEU (ε) and the known heat dissipation in the TEU, to predict the degree of coverage of the fuel pipe with condensate and, thus, determine the feasibility of the necessary working condition for the ventilation system of the TEU of the thermionic EGE.
В качестве конкретного примера рассмотрим использование способа ресурсных испытаний термоэмиссионного ЭГЭ с системой вентиляции его ТЭУ для конструкционного варианта ТЭУ представленного на фиг.1, где в качестве горючего используется диоксид урана. Термоэмиссионный ЭГЭ с вентилируемым ТЭУ в составе ЭГК помещают в ПК, снабженный необходимыми устройствами регистрации (датчиком тепловой мощности выделяемой в ТЭУ. датчиком температуры торцевой оболочки ТЭУ). ПК с ЭГК помещают в ячейку активной зоны ядерного реактора. Реактор выводят на планируемую тепловую мощность и поддерживают ее неизменной в течении данных ресурсных испытаний. Коэффициент теплопроводности диоксида урана при расчетах принимаем равным λг = 2,5 Вт/(м•град), а коэффициент теплопроводности трубки, выполненной из сплава на основе вольфрама, принимаем равным λT = 100 Вт/(м•град). Примем следующие геометрические параметры ТЭУ с системой вентиляции, характерные для типичного ЭГЭ: Rc=10-2 м; Lc= 0,1 м; rт=2•10-3 м; r2=1,5•10-3 м; lт=6•10-2 м. Относительное содержание горючего в ТЭУ принимаем ε=0,7.As a specific example, we consider the use of the method of life tests of thermionic EGE with the ventilation system of its TEU for the constructional version of the TEU shown in figure 1, where uranium dioxide is used as fuel. Thermionic EGE with a vented TEU as part of the EGC is placed in a PC equipped with the necessary recording devices (thermal power sensor emitted in the TEU. Temperature sensor for the end shell of the TEU). PCs with EGCs are placed in the core of a nuclear reactor. The reactor is brought to the planned thermal power and maintained unchanged during these life tests. In the calculations, the thermal conductivity coefficient of uranium dioxide is taken equal to λ g = 2.5 W / (m • deg), and the thermal conductivity coefficient of a tube made of a tungsten-based alloy is taken equal to λ T = 100 W / (m • deg). Let us take the following geometrical parameters of a TEU with a ventilation system, characteristic of a typical EGE: R c = 10 -2 m; L c = 0.1 m; r t = 2 • 10 -3 m; r 2 = 1.5 • 10 -3 m; l t = 6 • 10 -2 m. The relative fuel content in the TEU is taken ε = 0.7.
В процессе эксперимента проводим измерения тепловой мощности, выделяемой в ТЭУ, с помощью датчика, в качестве которого может быть использован секционированный калориметр интегрального теплового потока [9]. Положим, что в результате измерения подучили тепловыделение в ТЭУ Q=2,2•103 Вт, откуда плотность объемного тепловыделения в ядерном горючем ТЭУ q=Q/(π•Rc 2•Lc•ε)= 108 Вт/м3. Проводим оценку температуры эмиттера ТЕ, например, методом теплового баланса [10], в результате получили ТЕ=2010 К. Датчиком температуры, например термопарой, фиксируем температуру торцевой ободочки ТЭУ в месте соединения ее с трубкой системы вентиляции ТЭУ T2=1900 K. Предполагая контакт топливного сердечника с эмиттерной оболочкой, зная плотность тепловыделения в ТЭУ q и температуру эмиттерной оболочки ТЕ, определяем максимальную температуру в ТЭУ Т0, равную температуре на поверхности центральной газовой полости, например, воспользовавшись частным случаем решения уравнения теплопроводности для полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности, из [7] по выражению
где rв - внутренний радиус полого топливного цилиндра, который можно определить в первом приближении, зная ε, из выражения rв=Rc(1-ε)1/2=5,5•10-3 м.During the experiment, we measure the thermal power released in the TEU using a sensor, which can be used as a partitioned calorimeter of the integral heat flux [9]. Suppose that, as a result of the measurement, we obtained the heat release in the TEU Q = 2.2 • 10 3 W, whence the density of the volume heat release in the nuclear fuel-based TEU q = Q / (π • R c 2 • L c • ε) = 10 8 W / m 3 . We estimate the temperature of the emitter T E , for example, using the heat balance method [10], as a result we obtain T E = 2010 K. Using a temperature sensor, for example, a thermocouple, we fix the temperature of the end face of the TEU at the junction with the tube of the TEU ventilation system T 2 = 1900 K Assuming the contact of the fuel core with the emitter shell, knowing the heat density in TEU q and the temperature of the emitter shell T E , we determine the maximum temperature in TEU T 0 equal to the temperature on the surface of the central gas cavity, for example, using in a special case of solving the heat equation for a hollow cylinder with heat sources cooled from the outer surface, from [7] according to the expression
where r in - inner radius of the hollow cylinder of the fuel, which can be determined in the first approximation, knowing ε, expression of r in = R c (1-ε) 1/2 = 5,5 • 10 -3 m.
Откуда по (5) определяем Т0=2341 К, а из (3) π4 = 1,55•10-2. Из выражения (4) находим Ks=0,38, т.е. Ks<1, что соответствует соотношению (1), необходимое условие работоспособности системы вентиляции ТЭУ выполнено.From where, by (5), we determine T 0 = 2341 K, and from (3) π 4 = 1.55 • 10 -2 . From expression (4) we find K s = 0.38, i.e. K s <1, which corresponds to relation (1), the necessary condition for the operability of the TEU ventilation system is fulfilled.
Таким образом, предложен способ ресурсных испытаний термоэмиссионного эдектрогенерирующего элемента с системой вентиляции его топливно-эмиттерного узла, позволяющий:
1. Решать вопросы прогнозирования ресурса работы высокотемпературного термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, определять в координатах обобщенных переменных необходимое условие работоспособности системы вентиляции топливно-эмиттерного узла, являющиеся ключевыми при конструировании термоэмиссионного реактора-преобразователя.Thus, a method of life tests of a thermionic emitting electro-generating element with a ventilation system of its fuel-emitter unit is proposed, which allows:
1. To solve the problems of predicting the service life of a high-temperature thermionic power generating element, to determine, in the coordinates of the generalized variables, the necessary condition for the operability of the ventilation system of the fuel-emitter unit, which are key in the design of the thermionic converter reactor.
2. Прогнозировать сроки экспериментальной отработки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов и эдектрогенерирующего канала в целом, при этом сократить стоимость дорогостоящих реакторных испытаний. 2. Predict the timing of the experimental development of thermionic power generating elements and the power-generating channel as a whole, while reducing the cost of expensive reactor tests.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корнилов В.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Об эффективности введения в программу создания энергонапряженных и долгоресурсных термоэмиссионных ЭГК этапа петлевых реакторных испытаний ампульных устройств с макетами топливно-эмиттерных узлов с нейтронографическим методом неразрушающего контроля. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И.И.Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с. 300-309.LITERATURE
1. Kornilov V.A., Sinyavsky V.V., Yuditsky V.D. On the effectiveness of introducing into the program for creating energy-intensive and long-life thermionic EGCs the stage of loop reactor tests of ampoule devices with mock-ups of fuel-emitter units with the neutron diffraction method of non-destructive testing. Fifth International Conference "Nuclear Energy in Space". Sat reports under the general ed. prof. I.I. Fedika.
2. Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного топливного элемента. Атомная энергия, 1980, том 49, вып.6, с.393-394. 2. Kornilov V.A., Sukhov Yu.I., Yuditsky V.D. Method for calculating the temperature fields of a heterogeneous fuel core of a thermionic fuel element. Atomic Energy, 1980, Volume 49, Issue 6, pp. 393-394.
3. Корнилов В. А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, 1982, том 53, вып.2, с. 74-76. 3. Kornilov V. A., Yuditsky V. D. Modeling of heat and mass transfer in the core of a thermionic fuel element. Atomic Energy, 1982, Volume 53,
4. Дегальцев Ю.Г., Слабкий В.Д., Гонтарь А.С. Обобщение результатов послереакторных исследований одноэлементных ЭГК, прошедших ЯЭИ в опытных установках Я-82, 81, и прогнозирование ресурса. Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе". Сб. докладов под общей ред. проф. И. И.Федика. Часть 2. Подольск, Моск. обл., 1999, с.272-279. 4. Degaltsev Yu.G., Weak V.D., Gontar A.S. A generalization of the results of post-reactor studies of single-element EGCs that underwent nuclear power research in experimental facilities I-82, 81, and resource prediction. Fifth International Conference "Nuclear Energy in Space". Sat reports under the general ed. prof. I.I. Fedika.
5. Пат. RU 2165654 С2, МКИ G 21 D 7/04, Н 01 J 45/00. Способ ресурсных испытаний термоэмиссионного электрогенерирующего элемента с топливно-эмиттерным узлом / В.А.Корнилов // Изобретения. 20.02.2001, бюл. N5. 5. Pat. RU 2165654 C2, MKI G 21 D 7/04, H 01 J 45/00. The method of life tests of a thermionic electric generating element with a fuel-emitter unit / V.A. Kornilov // Inventions. 02/20/2001, bull. N5.
6. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.39-95. 6. Sinyavsky V.V. Methods for determining the characteristics of thermionic fuel elements. M .: Energoatomizdat, 1990, p. 39-95.
7. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966, с.504. 7. Zaimovsky A.S., Kalashnikov V.V., Golovnin I.S. Fuel elements of nuclear reactors. M .: Atomizdat, 1966, p. 504.
8. Корнилов В.А. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных эдектрогенерирующих каналов / Сб.: PKT. Cep. XII. Выпуск 2-3 // РКК "Энергия", г.Королев, 1996. Космические термоэмиссионные ядерные энергетические установки и электроракетные двигатели большой мощности. Ч.2, с.99-112. 8. Kornilov V.A. Processes of heat and mass transfer in high-temperature fuel rods of thermionic emission electro-generating channels / Sat .: PKT. Cep. XII. Issue 2-3 // RSC Energia, Korolev, 1996. Space thermionic nuclear power plants and high-power electric rocket engines.
9. [6], с.48. 9. [6], p. 48.
10. [6], с.73. 10. [6], p.73.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002106147/06A RU2224306C2 (en) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002106147/06A RU2224306C2 (en) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002106147A RU2002106147A (en) | 2003-09-10 |
RU2224306C2 true RU2224306C2 (en) | 2004-02-20 |
Family
ID=32172412
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002106147/06A RU2224306C2 (en) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2224306C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
-
2002
- 2002-03-12 RU RU2002106147/06A patent/RU2224306C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
---|---|---|
Libby et al. | Theoretical study of burning carbon particles | |
Stuckert et al. | Experimental results of the QUENCH-16 bundle test on air ingress | |
CN104034651A (en) | Experiment device special for evaluating corrosion performance of nuclear station cladding material in high temperature steam | |
Sepold et al. | Reflooding experiments with LWR-type fuel rod simulators in the QUENCH facility | |
RU2224306C2 (en) | Method for life tests of thermionic power- generating cell with cooling system of its fuel- emitter assembly | |
More et al. | Exposure of ceramics and ceramic matrix composites in simulated and actual combustor environments | |
Jensen et al. | Development of advanced instrumentation for transient testing | |
RU2673061C1 (en) | Method of predicting efficiency of thermionic electrogenerated element with a ventilate fuel element | |
Rempe et al. | New sensors for in-pile temperature measurement at the advanced test reactor national scientific user facility | |
RU2223559C2 (en) | Method for life tests of thermionic power-generating cells with cooled fuel-emitter assembly | |
US4567013A (en) | Hydrogen measuring device | |
JP2007205799A (en) | Coolant temperature measuring instrument for boiling water nuclear reactor and its measurement method | |
Sabharwall et al. | Preconceptual Design of Multifunctional Gas-Cooled Cartridge Loop for the Versatile Test Reactor: Instrumentation and Measurement—Part II | |
Austregesilo et al. | Post-test calculation and uncertainty analysis of the experiment QUENCH-07 with the system code ATHLET-CD | |
RU2198437C2 (en) | Method and device for calculating temperature of fuel element can during its experimental run in nuclear reactor | |
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 | |
Yilgor et al. | Experimental Investigation of Heat Pipe Flow Dynamics and Performance | |
Paramonov et al. | Test results of Ya-21u thermionic space power system | |
Fehrenbach et al. | Description of the blowdown test facility COG program on in-reactor fission product release, transport, and deposition under severe accident conditions | |
Woods et al. | Scaling Studies for Advanced High Temperature Reactor Concepts, Final Technical Report: October 2014—December 2017 | |
RU2070751C1 (en) | Loop device for testing thermionic power-generating assemblies | |
Stuckert et al. | Experimental and modeling results of the QUENCH-19 bundle tests with FeCrAl claddings | |
Senn et al. | Experimental Measurement of Gamma Heat in the High Flux Isotope Reactor | |
Bump | Mechanical and Thermal Analysis of Cylindrical Fuel Elements During Off-Normal Conditions After Extended Burnup |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040313 |