- Лабораторные стенды для исследования и испытаний макетов электрогенерирующих элементов многоэлементных сборок
В отличие от большого объема стендовых испытаний одноэлементных ЭГС испытания макетов многоэлементных ЭГС не получили такого широкого распространения в основном из-за трудностей моделирования распределения теплового потока с сердечника на эмиттерную оболочку и практической невозможности испытаний более двух моделей ЭГЭ из-за сложности обеспечения независимого электрообогрева каждого из ЭГЭ.
Лабораторные и стендовые исследования и испытания макетов ЭГЭ многоэлементных ЭГС проводились как с целью демонстрации возможности получения высоких плотностей мощности в реальных конструкциях термоэмиссионного преобразователя с изучением потерь на электродах и коммутации (104— 105], так и для исследования взаимного влияния отдельных ЭГЭ друг на друга, в том числе при неоднородном поле тепловыделения (106). В отличие от петлевых испытаний многоэлементных ЭГС при испытаниях макетов ЭГЭ возможно измерение температурных полей эмиттера и коллектора, а также эмиссионно-адсорбционных и теплофизических свойств электродов. Эти результаты использовались для обоснования программы петлевых испытаний и анализа результатов этих испытаний [78, 80, 107]. В то же время при испытаниях макетов трудно моделируется реальное распределение теплового потока на эмиттер, что в какой-то мере снижает ценность этих испытаний. Для отработки режимов обезгаживания использовали модели ЭГЭ с топливом, внутрь которого устанавливался электронагреватель.
Устройство для ресурсных испытаний макетов коаксиальных ЭГЭ. Применительно к программе создания энергонапряженных ЭГС в [105] описан лабораторный прибор для исследований и ресурсных испытаний макетов ЭГЭ, которые по используемым материалам, технологии и конструкционному оформлению в основном имитируют испытываемые в реакторе многоэлементные ЭГС серии ЭС-6 [39, 40]. Конструкция экспериментального прибора приведена на рис. 2.26. Эмиттером макета ЭГЭ служила вольфрамовая или вольфрам-рениевая трубка 1 диаметром 10, толщиной стенки 0,65 и рабочей длиной 30 мм, жестко скрепленная с молибденовой шиной 2. Коллекторный узел состоял из ниобиевого коллектора 3 толщиной 1 мм, изоляции 4 из А12О3 толщиной 0,5 мм и несущей трубки 5. Ширина МЭЗ обеспечивалась двумя поясами из шести или восьми дистанционирующих элементов 6 из ВеО диаметром 0,6 и длиной 3 мм. Эмиттер нагревался электронной бомбардировкой с нагревателя 7, изготовленного из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм и установленного по оси эмиттерной трубки.
Рис. 2.26. Конструкция экспериментального прибора для ресурсных испытаний макета энерго-напряженного электрогенерирующего элемента
Система отвода тепла с коллекторного пакета включала графитовую цангу 8, медную втулку 9 с водяным охлаждением и электронагреватель 10. К нижней части коллекторного узла подсоединялся сапфировый люк 11, через который при помощи оптических приборов можно было контролировать ширину МЭЗ и дистанционаторы, а также измерять температуру торцовой части эмиттера. Принципиальная электрическая схема нагрева эмиттера при ресурсных испытаниях макета ЭГЭ приведена на рис. 2.27.
Перед сборкой все узлы макета ЭГЭ проходили технологический цикл предварительной подготовки, включающий химическую очистку поверхностей, обезгаживание при температурах выше рабочих, контроль основных размеров и электросопротивлений. После сборки прибора проводили сточасовые термовакуумные испытания прибора при температурах основных узлов, превышающих рабочие на 100—200 К.
Рис. 2.27. Принципиальная электрическая схема нагрева эмиттера:
РНО — однофазный регулятор напряжения; Тр — трансформатор, В — выпрямитель; К — коллектор; Э — эмиттер; Hэ — нагреватель эмиттера, V — измеритель напряжения; А — измеритель тока; R — балластный резистор; Яр — регулируемый резистор; МУ — магнитный усилитель; Ст — стабилизатор
Рис. 2.28. Принципиальная электрическая схема снятия ВАХ по точкам:
МП — магнитный пускатель, РНТ — трехфазный регулятор напряжения, Тр —трансформатор; В — выпрямитель; Кл — ключ; Rш — шунтовой резистор; А — измеритель тока; V — измеритель напряжения; Э — эмиттер; К — коллектор; Rр — регулируемый резистор
Затем при температуре термостата 150—200 °C вскрывалась металлическая ампула с цезием и начинались испытания в генераторном режиме. Во время ресурсных испытаний периодически снимались изотепловые (по точкам) и динамические изотермические ВАХ. Принципиальные схемы использованных систем снятия ВАХ приведены на рис. 2.28 и 2.29.
Рис. 2.29. Принципиальная электрическая схема снятия ВАХ импульсным методом.
7 — блок управления тиристорами, 2 — осциллограф; 3 — блок коммутации и получения осевых меток; Э — эмиттер, К — коллектор; ВУ — управляемый вентиль; Тр — трансформатор; РИТ — трехфазный регулятор напряжения; Rш— шунтовой резистор, Rр — регулируемый резистор
Максимальная плотность электрической мощности при продолжительности испытаний 3300 ч была достигнута при испытаниях прибора ЛЭС-5 с вольфрамрениевым эмиттером, причем первые 2000 ч ЭГЭ стабильно генерировал на электродах 25 Вт/см2, затем был переведен в форсированный режим работы с плотностью электрической мощности 32 Вт/см2. Испытания были прекращены в результате разгерметизации прибора.
Лабораторные исследования влияния последовательно соединенных электрогенерирующих элементов друг на друга. В многоэлементных ЭГС наряду с обычным электрическим влиянием разно-нагруженных ЭГЭ друг на друга существует еще и тепловое влияние, которое может привести не только к изменению общей ВАХ ЭГС, но и к изменениям ВАХ отдельных ЭГЭ. Одним из основных недостатков петлевых испытаний ЭГС является невозможность измерения температурных полей каждого ЭГЭ, а также исследования их взаимовлияния. Такие исследования проводятся в стендовых условиях на лабораторных двухэлементных моделях части ЭГС.
Рис. 2.30 Типичная ВАХ ЗГС при поджиге «обратного» разряда (стрелками указано направление съема ВАХ)
Рис 2.31. Схема конструкции лабораторного макета ЭГС для исследований совместной работы двух последовательно соединенных ЭГЭ:
1 — эмиттер с коммутацией; 2 — коллектор, 3 — коллектор коммутированный с эмиттером; 4 — коллекторная изоляция; 5 — корпус (чехол) коллекторного пакета, 6 — эмиттер, 7 — корпус экспериментальной сборки; 8 — коммутационная перемычка, 9 — канал с теплоносителем; 10 — электронагреватель
Аналогичные исследования проведены Шоком [110], который обнаружил появление так называемых обратных разрядов — электронного тока с коллектора (или коммутационной перемычки) на эмиттер соседнего ЭГЭ. Подобные явления наблюдались и при петлевых испытаниях ЭГС (27, 111), типичная ВАХ шестиэлементной ЭГС при поджигах «обратного разряда» приведена на рис. 2.30. При возникновении таких явлений происходит резкое изменение ВАХ ЭГС, эквивалентное короткому замыканию одного из ЭГЭ.
В (106) описано устройство и результаты исследования теплового влияния соседних ЭГЭ друг на друга в условиях их непосредственного контакта в лабораторной двухэлементной модели ЭГС, представляющей собой два цилиндрических термоэмиссионных диода, соединенных один с другим внутренней коммутационной шиной (рис. 2.31). Геометрические размеры, конструкция и материалы электродов соответствовали ЭГС реактора «Топаз». Цилиндрические эмиттеры были оснащены электронагревателями косвенного нагрева электродов с возможностью плавного и независимого регулирования их электрической мощности. Общий коллекторный пакет имел возможность осуществления регулируемого теплосъема. В пазах эмиттера и коллектора были установлены вольфрам-рениевые термопары с наружным диаметром не более 0,8 мм, позволяющие измерять распределение температур по эмиттеру и коллектору каждого ЭГЭ не только в режиме холостого хода, но и в токовых режимах. Это давало возможность анализировать влияние токовых режимов на деформацию температурных условий и выявить особенности теплового влияния элементов В экспериментах снимались ВАХ как сборки, так и каждого элемента при одновременном измерении температурных полей электродов.
Результаты исследований показали, что при «нормальных» режимах экспериментальные ВАХ сборки получаются простым суммированием ВАХ двух ЭГЭ, напряжение холостого хода каждого ЭГЭ 1,3—1,5 В. При больших токах менее нагруженный ЭГЭ играет роль нагрузки, причем снижение полезной мощности сборки вызвано обычным явлением равнонагруженности элементов. Аномалии появляются, когда температура на торце без коммутации становится близкой к температуре на внутренней коммутационной шине. Возникает деформация температурного поля ЭГЭ с коммутацией, в районе внутренней коммутации наблюдается более сильное влияние электронного охлаждения, напряжение холостого хода ЭГЭ без коммутации становится меньше, а ВАХ круче, и, наконец, появляются срывы ВАХ с переходом в область отрицательных токов. Такие аномалии связаны с возникновением внутреннего контура тока вследствие эмиссии электронов с коммутационной шины на глухой торец ЭГЭ, который снижает напряжение ЭГЭ.
Комплексные стендовые испытания макетов электрогенерирующих элементов с циркуляционной жидкометаллической системой отвода тепла. При подготовке к ядерно-энергетическим испытаниям ТРП в составе ЯЭУ «Топаз» был выполнен комплекс экспериментальных исследований макетов ЭГЭ, которые по геометрии, материалам и температурным условиям на электродах воспроизводили натурные параметры, реализуемые в ЭГС ТРП «Топаз». Такие исследования проводились на специально приспособленных для этих целей жидкометаллических теплофизических стендах ФЭИ с циркулирующим натрий-калиевым теплоносителем [104]. Задачей этих испытаний было обоснование режимов подготовки и проведения ядерно-энергетических испытаний ЯЭУ «Топаз». Одновременно решались задачи определения количественных характеристик составляющих теплового баланса и теплопереноса в МЭЗ в зависимости от условий обезгаживания используемых материалов, неизотермичности электродов, состояния их рабочих поверхностей и т. п.
Исследования характеристик проводились, исходя из того, что энергобаланс в МЭЗ может быть записан в виде
Экспериментальные модели проектировались таким образом, чтобы можно было с максимально возможной точностью исследовать один или два из приведенных в (2.5) составляющих теплового баланса. Поэтому было спроектировано и испытано три основных варианта моделей рабочих участков с экспериментальными ЭГЭ (рис. 2.32).
Модель 1: источник тепла — электронагреватель внутри эмиттерного узла, обеспечивающий профиль тепловыделения, соответствующий расчетному энерговыделению в штатном ЭГЭ.
Модель 2: использовалась схема ЭГЭ с внешним расположением эмиттера относительно коллектора, что позволяло практически полностью ликвидировать какие-либо потери тепла с коллектора и соответственно повысить точность измерений, а также разместить вблизи эмиттерной поверхности большое число термопар для контроля за профилем температуры вдоль эмиттера в любых режимах работы.
Модель 3: в качестве нагревателя эмиттера использовалась высокотемпературная тепловая труба, обеспечивающая постоянство температуры вдоль эмиттера в любых режимах работы.
Во всех вариантах рабочих участков охлаждение коллектора осуществлялось циркулирующим эвтектическим сплавом NaK — штатным теплоносителем ЯЭУ «Топаз». Использование системы охлаждения на основе жидкометаллического контура позволило достаточно успешно решить две задачи: обеспечить независимость температуры коллектора от температуры эмиттера и достаточно точно определить тепловую мощность, выделяющуюся на коллекторе. Именно последнее — достаточно точное определение количества тепла на коллекторе — было положено в основу методик проведения экспериментов.
Рис. 2.32. Конструкционные схемы рабочих участков для стендовых исследований ЭГЭ с жидкометаллическим контуром охлаждения: 1 — эмиттерный узел; 2 — коллекторный узел; 3 — электронагреватель; 4 — термопара; 5 — МЭЗ; 6 — контур теплоносителя; 7 — корпус рабочего участка; 8 — тепловая труба
Исследование тепловых характеристик ЭГЭ при изменении различных параметров его работы проводилось путем измерения снимаемой с коллектора тепловой мощности в сравнении с каким-либо базовым режимом (например, режимом холостого хода при давлении пара цезия, равным нулю и т.п.)
где h — параметр (температура, ток, давление пара цезия и т. д.). Расчет проводился по формуле (2.5), записанной в виде
где Qк — количество тепла, снимаемого с коллектора.
Определение электрических характеристик проводилось традиционным способом — регистрацией изотермических и изомощностных ВАХ.
В качестве примера на рис. 2.33 приведены полученные при испытаниях макетов ЭГЭ зависимости плотности электрической мощности и полного КПД преобразования тепла в электрическую энергию от плотности теплового потока с эмиттера.
