7.5. Особенности определения давления пара цезия в межэлектродных зазорах термоэмиссионных электрогенерирующих сборок
Несмотря на кажущуюся простоту, точно определить давление пара цезия рСз в МЭЗ ЭГС не всегда удается. Погрешность определения pCs в МЭЗ зависит от типа источника пара цезия и режимов его работы, особенностей всей цезий-вакуумной системы, систем измерения [29].
Для термостатируемых систем рСs в ЭГС определяется по температуре насыщения TCs зеркала жидкого цезия в термостате. Наиболее надежными считаются следующие результаты работы
В отличие от термостатируемых в циркуляционных системах (ГПРТ) давление пара цезия в МЭЗ не равно давлению в зоне испарения жидкого цезия, а определяется еще гидравлическими характеристиками системы и поэтому требует или установки датчика давления в зоне отбора пара цезия в ЭГС или специальных расчетных поправок относительно температуры (давления) в зоне испарения.
Для испарительно-конденсационного ГПРТ, схема которого приведена на рис. 5.10, определение pCs в ЭГС достаточно сложно и может быть найдено лишь на основе гидродинамических расчетов.
Для источника пара цезия в виде фитильной тепловой трубы давление пара цезия, подаваемого в ЭГС, будет определяться показаниями термопары, установленной напротив отверстия узла забора пара (центральной трубки). Значения всех остальных температур, включая показания термопар на донышке, наружной стенке и даже в паровом потоке ниже этого отверстия, не определяют pCs в ЭГС и могут превышать показания контрольной термопары, а следовательно, и температуры насыщения пара цезия, на 10—30 °C.
Для источника в виде ГРТТ теоретически pCs должно быть равно давлению газа в ГРТТ. Однако это действительно только на границе раздела газ-пар. Реально они различаются, поэтому на практике пользуются выполненными в лаборатории тарировочными зависимостями
. При наличии изотермического участка в рабочей зоне ГРТТ pCs с достаточной точностью определяется по температуре этой зоны.
В принципе для определения pCs на входе в ЭГС могут быть использованы и специальные датчики давления, которые с успехом применяются при исследованиях ТЭП, моделей ЭГЭ и ЭГС и при стендовых испытаниях цезиевых систем. На рис. 5.7 и 5.8 приведены схемы мембранного и электроразрядного датчиков, используемых при стендовых испытаниях для определения pCs. В ПК они не нашли применения из-за габаритных ограничений.
О возможности оценки распределения давления пара цезия в межэлектродных зазорах элементов испытываемой термоэмиссионной сборки. В ЭГС из п последовательно соединенных ЭГЭ с выводом ГПД в МЭЗ существует встречный поток пара цезия и ГПД. В результате парциальное давление ГПД увеличивается в сторону, противоположную направлению входа пара цезия, а давление пара цезия снижается, причем в установившемся режиме суммарное давление ГПД и пара цезия постоянны вдоль ЭГС. Один из способов определения давления пара цезия в каждом ЭГЭ с учетом встречного потока ГПД описан в [266].
Полученное
позволяет уточнить эмиссионно-адсорбционные свойства эмиттера и коллектора каждого ЭГЭ, а следовательно, и их энергетическую эффективность в процессе испытаний, в том числе ресурсных.
Методы обнаружения и регистрации коротких замыканий электродов и определение числа работоспособных элементов
Состояние ЭГС и изменение выходной электрической мощности со временем может определяться не только изменением теплофизических свойств электродов и топливно-эмиттерного узла, но также определяется по различного рода отказам в испытываемой ЭГС. Причинами отказов могут быть напряженность рабочего режима ЭГС, значительное число термокачек вследствие срабатываний аварийной защиты реактора, несовершенством конструкции и технологии изготовления ЭГС и ее основных узлов, качеством проведения петлевого эксперимента. Основными типами отказов являются межэлектродные замыкания (короткие замыкания элементов) и нарушения работоспособности коллекторной изоляции.
Анализ реакторных испытаний большого числа ЭГС различных типов, изготовленных в разных организациях по различающимся технологиям, показывает, что к настоящему времени наиболее распространенным типом отказов ЭГС все же следует считать короткие замыкания в ЭГЭ. Причинами замыканий могут быть увеличение диаметра эмиттера вследствие радиационного распухания топливной композиции сердечника, механические деформации вследствие термических напряжений или ухудшения механических свойств материалов оболочек под действием облучения, образование токопроводящих «мостиков» вследствие массопереноса с эмиттера на коллектор или выноса топлива в межэлементный промежуток или даже в МЭЗ, расслоение «составных» эмиттера или коллектора, например, вольфрамового слоя на ниобиевом коллекторе и, возможно, другие.
Оценка межэлектродного зазора в процессе испытаний может быть проведена несколькими методами. Так, в [29] предложен метод определения ширины МЭЗ посредством периодического заполнения МЭЗ нейтральным газом (гелием), а в [267] — из анализа колебаний низковольтного разряда. Возможен также качественный анализ изменения МЭЗ в процессе испытаний из получаемых ВАХ, если они не искажены другими процессами. Однако все эти методы не отличаются высокой точностью и практически не используются при испытаниях.
Определение межэлектродных замыканий в рабочем режиме испытаний. Для определения возможных замыканий в отдельных ЭГЭ в процессе проведения петлевого эксперимента исследуются переходные процессы после скачкообразного изменения электрической нагрузки при постоянной тепловой мощности реактора [268]. Сущность метода показана на рис. 7.15 и состоит в следующем. Быстрое переключение нагрузки с электрического сопротивления R1 на R2 при постоянной тепловой мощности С) = const приводит к практически мгновенному изменению выходных тока I и напряжения V ЭГС (переход из точки А в точку Б на рис. 7.15,а), а температуры эмиттера Тэ и коллектора Тк принимают новые стационарные значения с некоторым запаздыванием из-за тепловой инерционности топливно-эмиттерного узла (рис. 7.15,б). Поэтому после скачка тока и напряжения происходит их плавное изменение вследствие изменения внутреннего сопротивления ЭГС при изменении температуры эмиттера и коллектора (переход из точки Б в точку В).
Обычно в системах теплосброса ПК напротив каждого ЭГЭ в их среднем сечении стараются установить термопары, показания которых позволяют определить наличие замыканий между электродами в отдельных ЭГЭ. Замыкание электродов ЭГЭ приводит к уменьшению абсолютного значения скорости изменения температуры несущей трубки ЭГС и к изменению ее знака при переключении нагрузки. Изменение скорости зависит от электрического сопротивления между электродами в месте замыкания и от его удаленности от точки измерения температуры. Если изменение нагрузки приводит к увеличению выходного тока ЭГС, то при этом для нормально работающей ЭГС, т. е. при отсутствии межэлектродных замыканий, температура коллекторов ЭГЭ в начальный момент времени увеличивается, поскольку в тепловом балансе коллектора увеличивается теплота конденсации электронов, а остальные составляющие теплового баланса остаются практически неизменными из-за тепловой инерции топливноэмиттерного узла и коллекторного пакета. В дальнейшем, вследствие снижения Тэ уменьшаются плотность теплового потока излучением и теплопроводностью через цезиевый пар и температура коллектора, а соответственно Тнт начинает снижаться. Если ЭГЭ имеет замыкания между электродами, то при увеличении тока нагрузки из-за снижения напряжения между электродами, уменьшается джоулев нагрев в месте замыкания и температура коллектора начинает понижаться. Таким образом, регистрируя показания термопар корпуса ЭГС в момент изменения тока ЭГС и после него, можно обнаружить наличие замыкания между электродами ЭГЭ, если замыкание находится вблизи места заделки термопар.
По мере удаления места замыкания от места заделки термопар, влияние джоулева нагрева в месте замыкания уменьшается и зависимость Тнт от времени приближается к зависимости, характерной для нормально работающего ЭГЭ. В этом случае при получении переходной характеристики Тнт, качественно совпадающей с характеристикой нормально работающего ЭГЭ, наличие и номер ЭГЭ, где имеет место замыкание между электродами, можно определить из анализа распределения скорости изменения температуры Тнт вдоль корпуса ЭГС в момент изменения тока ЭГС. Для нормально работающей ЭГС скорость изменения Τнт в начальный момент времени пропорциональна плотности тока между электродами в месте установки термопары, которое можно оценить расчетным путем, например, по алгоритмам расчета ВАХ ЭГС [240]. Построив расчетное и экспериментальное распределения скорости изменения Тнт вдоль ЭГС в момент изменения тока ЭГС и, сравнив эти распределения, можно сделать вывод о замыкании электродов в ЭГЭ, для которых экспериментально полученная скорость изменения Тнт существенно меньше расчетной.
Измерение межэлектродного зазора проводится после испытаний при разделке испытанной ЭГС в «горячих» камерах или с использованием нейтронной радиографии. Отметим, что в последнем случае возможно измерение МЭЗ в процессе ресурсных испытаний, если периодически испытываемый ПК извлекают из ячейки реактора и проводят его нейтронографию [269].
Рис. 7.16. Схема определения числа работоспособных ЭГЭ из сравнения расчетных (штриховые линии) и экспериментальных (точки) изотепломощностных ВАХ (цифры у кривых — число работоспособных ЭГЭ в ЭГС)
Методы контроля числа работоспособных элементов и определения мест коротких замыканий подробно описаны в [29]. На ранних стадиях испытаний использовался метод определения числа работоспособных ЭГЭ в ЭГС из подсчета числа поджигов разряда при переходе ЭГС из диффузионного режима работы в разрядный. В настоящее время наиболее надежными из косвенных способов можно считать метод сравнения рассчитанных для разного числа ЭГЭ статических ВАХ с экспериментальными (рис. 7.16) и определение координат и времени наступления короткого замыкания в отдельных ЭГЭ по показаниям термопар или датчиков теплового потока, установленных на несущей трубке ЭГС или в системе теплосброса ПК.
Непосредственное определение коротких замыканий ЭГЭ и следовательно, числа работоспособных ЭГЭ в ЭГС, проводится также после испытаний при разделке испытанной ЭГС в «горячих» камерах или с использованием нейтронной радиографии (см. рис. 4.32 и 4.34).
