Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЕНТИЛИРУЕМОГО ТВЭЛА
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЕНТИЛИРУЕМОГО ТВЭЛА

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЕНТИЛИРУЕМОГО ТВЭЛА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: атомная энергетика. Сущность изобретения: в процессе испытаний вентилируемого твэла в реакторе определяют скорость выноса топливного материала (ТМ) из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение заданного отрезка времени, определяют изменение массы ТМ в твэле, оценивают максимальную температуру (Тo) топлива, а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению

где qv - плотность тепловыделения в ТМ; Тe - температура оболочки твэла; rc - радиус топливного сердечника; εr - относительное объемное содержание ТМ в твэле. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2069918
Класс(ы) патента: H01J45/00
Номер заявки: 94021789/07
Дата подачи заявки: 08.06.1994
Дата публикации: 27.11.1996
Заявитель(и): Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Автор(ы): Корнилов В.А.; Синявский В.В.
Патентообладатель(и): Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Описание изобретения: Изобретение относится к атомной энергетике, к созданию и наземной отработке высокотемпературных твэлов, в том числе термоэмиссионных.
Одним из основных этапов разработки твэлов с системой вывода летучих и газообразных продуктов деления (ГПД) через вентилируемое устройство, выполненное, например, в виде газоотводной трубки, являются петлевые испытания в исследовательских реакторах, где изучаются все специфические проблемы, связанные с созданием длительно работающих тепловых и электрогенерирующих сборок.
Контролирование фундаментальной характеристики-теплопроводности топливного материала (ТМ) твэла во многом определяет достоверность получаемых экспериментальных результатов.
В основе большинства методов измерения теплопроводности лежит определение количества теплоты, прошедшей через измеряемый образец. Наиболее простым методом определения теплопроводности следует считать сравнительный метод. Он относится к стационарным методам и заключается в том, что количество теплоты, прошедшее через исследуемый образец, определяется из известных параметров эталонного образца, находящегося в идеальном контакте с исследуемым образцом [1]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения теплопроводности оксидного топлива, описанный в [2]
Способ включает размещение таблеток из UO2 или твэла из UO2 в специальном измерительном устройстве, реакторные испытания устройства с измерением плотности объемного тепловыделения в ТМ, измерение температуры наружной поверхности твэла и оценку теплопроводности диоксида урана.
Теплопроводность ТМ относится к структурно чувствительным свойствам, зависящим от ряда факторов: температуры, плотности, стехиометрического состава, технологии изготовления и т.д.
Поэтому определение теплопроводности UO2 в исходном, например, спеченном, состоянии может существенно отличаться от ее значения в рабочем состоянии, так как в высокотемпературных твэлах, каким является и термоэмиссионный твэл, в начале работы происходит переконденсация топлива, с перестройкой структуры топлива, изменением плотности, стехиометрии и другими эффектами, существенно влияющими на теплопроводность.
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения теплопроводности ТМ, поскольку результат не зависит от исходного и рабочего состояния ТМ.
Указанный технический результат достигается способом определения коэффициента теплопроводности (λ) оксидного ТМ для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности (qv) в ТМ сердечника твэла, температуры оболочки твэла (ТЕ) и оценку коэффициента теплопроводности ТМ, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса (J) ТМ из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение (q) в конденсате ТМ, вышедшего из твэла, и давление (Р) парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени (Δτ), удолетворяющего неравенству

определяют изменение массы ТМ ((Δm)) в твэле, оценивают максимальную температуру (Тo) топлива из выражения

а оценку коэффициента теплопроводности ТМ в твэле производят по уравнению

где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом ТМ, вышедшего из твэла [Вт]
ρ- плотность ТМ [кг/м3]
R суммарное сопротивление системы вентиляции [1/м]
А и В коэффициенты, зависящие от вида ТМ (для UO2 A=1,68·1032, B 7,4·108);
rc радиус топливного сердечника [м]
εr относительное объемное содержание ТМ в твэле;

На чертеже представлен общий вид термоэмиссионного электрогенерирующего элемента (ЭГЭ), в котором может быть реализован данный способ определения коэффициента теплопроводности ТМ.
На чертеже обозначено: 1 конденсат ТМ, вышедшего из твэла; 2 система вентиляции; 3 ТМ; 4 оболочка твэла (эмиттерная оболочка ЭГЭ); 5 - коллектор ЭГЭ; 6 коллекторная изоляция; 7 чехловая труба ЭГК; 8 датчик тепловой мощности, выделяемой в твэле; 9 датчик тепловой мощности, выделяемой в конденсате ТМ вне твэла; 10 изоляция; 11 жиклер.
Способ реализуется следующим образом.
ЭГК, представляющий последовательно соединенную сборку ЭГЭ с системами регистрации 8 и 9 тепловой мощности, выделяемой в ТМ 3 твэла и вышедшем конденсате 1, помещают в ячейку реактора.
В процессе работы реактора регистрируют по показаниям датчика 8 тепловыделение Q в ТМ 3 твэла и по показанию датчика 9 тепловыделения q в конденсате 1. Определяют изменение во времени тепловыделения в конденсате 1 (dq/dτ),, используя показания датчика 9. Определяем скорость выноса ТМ 3 из твэла (J) через систему вентиляции, используя соотношение

где Мo первоначальная масса ТМ 3 в твэле.
Плотность тепловыделения в ТМ (qv определяем, замеряя тепловыделения Q и q по показаниям датчиков 8 и 9, по соотношению

После вывода реактора на мощность, при которой планируется измерение коэффициента теплопроводности ТМ, производят выдержку в течение времени Δτ в соответствии с неравенством (1). В (1) dq известная погрешность измерения тепловой мощности, являющаяся характеристикой датчика 9.
За время Δτ определяет изменение массы ТМ (Δm) в твэле, вышедшего через систему вентиляции, с помощью соотношения
Δm= Δq·ρ/qv, (5)
где Δq изменение тепловой мощности, регистрируемое показаниями датчика 9.
Регистрируем суммарное давление парогазовой смеси в межэлектродном промежутке ЭГЭ (Р).
После чего по выражению (2) оцениваем максимальную температуру в твэле (Т.).
Определяем температуру эмиттерной оболочки ТE (например, методом реперной точки или методом сравнения вольт-амперных характеристик [4]) и по уравнению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле.
Выражения (2), (3) для оценки коэффициента теплопроводности ТМ в твэле получены следующим образом.
Выражение (2) получено из выражения для потока молекул ТМ (Δm/Δτ) в случае диффузии их в среде паров Сs и газообразных продуктов деления из топливного сердечника ЭГЭ через систему вентиляции, используя первый закон Фика

где W средняя скорость теплового движения молекул ТМ;
L средняя длина свободного пробега молекул ТМ в парогазовой смеси;
no концентрация пара ТМ в сердечнике ЭГЭ;
mтм масса молекулы ТМ;
R сопротивление газоотводного устройства.
R = Σ l1/r2i , (7)
где li и ri длина и радиус отдельных участков газоотводного устройства соответственно.
Выражение для no в зависимости от Тo можно получить из выражения равновесия между паровой и адсорбированной фазой стехиометричного UO2 [5]
lgP [мм рт.ст. -32258/Т + 12,183. (8)
Используя известные выражения для L и W из [6] и no из формулы (8), из (6) получаем выражения (2) для максимальной температуры ТМ в твэле (Тo).
Уравнение для коэффициента теплопроводности ТМ в твэле (3) получаем, используя формулу для расчета температурных полей полого цилиндра с источниками тепла, охлаждаемого с наружной поверхности (7). В уравнении (3) использовано выражение для Тo из (2) и соотношение
1-εr= r2o/r2c,
где ro внутренний радиус полого топливного цилиндра (см. чертеж).
В качестве примера рассмотрим использование способа определения λ для типичного ЭГЭ, где в качестве ТМ используется диоксид урана.
Пусть радиус топливного сердечника rc 5·10-3, относительное объемное содержание ТМ в твэле er= 0,7 0,7 и первоначальная масса ТМ в твэле Мo 33·10-3 кг.
Положим, что датчики тепловой мощности 8 и 9 (см. чертеж) в сумме показывают тепловую мощность, выделяемую в ТМ, q+Q=1800 Вт, а скорость измерения тепловой мощности, измеряемая по показанию датчика 9, dq/dτ=5,46·10-6 Вт/с. 5,46 · 10-6 Вм/с.
Тогда по соотношению (4) получим J 10-10 кг/с.
Исходя из опыта эксплуатации датчиков, примем погрешность измерения тепловой мощности датчика 9 δq. Таким образом, измерив тепловыделение в ТМ q+Q, зная M0 и ρ ТМ, имеем qv 6·108 Вт/м3.
По соотношению (1) оцениваем минимальное время выдержки (Δτmin) при постоянной тепловой мощности
Δτmin= 3,66·103c.
Принимаем, в соответствии с неравенством (1), время выдержки Δτ= 106 с 106 c. Регистрируем приращение тепловой мощности Δq за отрезок времени Δτ по показаниям датчика 9. Из анализа типичных результатов испытаний примем Dq= 5,45 Вт 5,45 Вт.
Зная плотность тепловыделения в ТМ (qv), определяем приращение массы Δm=10-4 кг по соотношению (5) Δm 10-4 кг. Основное сопротивление газоотводного устройства 2 (см. чертеж) оказывает жиклер 11, сопротивление которого R l/r2 (здесь l длина жиклера, r радиус жиклера). Для типичного ЭГЭ R 1,6·106 1/м. Давление парогазовой смеси, регистрируемое в системе вентиляции, примем Р 1330 Па.
По выражению (2) оцениваем максимальную температуру (Тo). Уравнение (2) можно решить, например, итерационным методом [8] Получаем Тo 2860 К.
Определив температуру эмиттерной оболочки ТE (например, ТE 2273 К), по выражению (3) оцениваем коэффициент теплопроводности ТМ в твэле λ= 2,16 Вт/(м·град) 2,16 Вт/(м·град).
Таким образом, предложенный метод позволяет определить коэффициент теплопроводности оксида урана непосредственно в рабочих условиях с учетом перестройки структуры топлива, а также влияния возможных легирующих добавок.
1. Теплопроводность твердых тел. Справочник под ред. А.С.Охотина. М. Энергоатомиздат, 1984 г. с.19.
2. Спиридонов Ю.Г. и др. Внутриреакторные исследования теплофизических характеристик твэлов на основе UO2. Сборник докладов на юбилейной конференции ХХ лет атомной энергетики, том 2, с.3-5, ФЭИ, г.Обнинск, 1974.
3. С. Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Из-во "Мир", М. 194, с. 79.
4. Синявский В.В. Особенности определения температуры эмиттера при испытаниях термоэмиссионых преобразователей. ТВТ, т. 12, N 6, с.1267-1271, 1974.
5. Горбань Ю.А. и др. Исследование испарения двуокиси и карбидов урана. Атомная энергия, 1967, т.22, вып.6, с.465-467.
6. С.Дэшман. Научные основы вакуумной техники. Мир, М. 1964, с.68 и 84.
7. Займовский А.С. и др. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М. Атомиздат, 1966, с.504.
8. Г. Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Издание второе, М. 1970, с.572.
Формула изобретения: Способ определения коэффициента теплопроводности оксидного топливного материала для вентилируемого твэла, включающий измерение в процессе испытаний твэла плотности тепловой мощности qv в топливном материале сердечника твэла, температуры оболочки твэла Tε и оценку коэффициента теплопроводности топливного материала, отличающийся тем, что в процессе испытаний определяют скорость выноса J топливного материала из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение q в конденсате топливного материала, вышедшего из твэла, и давление P парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени Dt, определяемого из выражения

определяют изменение массы топливного материала Δm в твэле, оценивают максимальную температуру T0 топлива из соотношения

а оценку коэффициента теплопроводности λ топливного материала в твэле производят по уравнению

где δq погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом топливного материала, вышедшего из твэла, Вт;
ρ плотность топливного материала, кг/м3;
R суммарное сопротивление системы вентиляции, 1/м;
A и B коэффициенты, зависящие от вида топливного материала (для VO2 A 1,68·1032, B 7,4·108);
rс радиус топливного сердечника, м;
er относительное объемное содержание топливного материала в твэле:
Δτ[c]; Δm[кг]; J [кг/с] qv [Вт/м3] TΕ[K]; T0 [K]