Расчетно-экспериментальное моделирование процессов термоэмиссии в ядерно-энергетических установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Белкин Андрей Викторович

• Белкин Андрей Викторович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Белкин Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕРМОЭМИССИОННОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ЭНЕРГИИ

1.1. Описание термоэмиссионного преобразователя энергии

1.2. Вакуумный режим работы термоэмиссионного преобразователя энергии

1.3. Диффузионный режим работы термоэмиссионного преобразователя энергии

1.4. Дуговой режим работы термоэмиссионного преобразователя

Формулировка цели и задач работы

2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

2.1. Расчетная модель работы выхода материала электрода

2.2. Уравнения переноса заряженных частиц в межэлектродном зазоре

2.3. Сравнение расчетных моделей термоэмиссионного преобразователя энергии

Основные выводы к главе

3. РАСЧЕТ ПЕТЛЕВОГО КАНАЛА С МАКЕТАМИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА

3.1. Назначение петлевого канала

3.2. Реакторные испытания петлевого канала «ПК-1»

3.3. Результаты расчета петлевого канала «ПК-1» (пусковой режим)

3.4. Результаты расчета петлевого канала «ПК-1» (энергетический режим)

3.5. Реакторные испытания петлевого канала «ПК-2»

3.7. Результаты расчета петлевого канала «ПК-2» (энергетический режим, цикл 1)

3.8. Результаты расчета петлевого канала «ПК-2» (энергетический режим, цикл 2)

3.9. Результаты расчета петлевого канала «ПК-2» (энергетический режим, цикл 3)

3.10. Результаты расчета петлевого канала «ПК-2» (энергетический режим, цикл 4)

3.11. Результаты расчета петлевого канала «ПК-2» (энергетический режим, цикл 5)

3.12. Анализ состояния петлевого канала «ПК-2»

Основные выводы к главе

4. РАСЧЕТ ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4.1. Методики комплексного расчета термоэмиссионного преобразователя энергии

4.2. Методика комплексного расчета термоэмиссионного реактора-преобразователя

4.3. Основные принципы проектирования электрогенерирующего канала

4.4. Выбор оптимальной длины электрогенерирующего элемента

4.5. Выбор оптимальной конструкции электрогенерирующего канала

4.6. Выбор оптимальной конструкции реактора

4.7. Расчет характеристик реактора в стационарном состоянии

4.8. Расчет характеристик реактора в нестационарном состоянии

Основные выводы к главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

Список основных обозначений и принятых сокращений

Список использованной литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное моделирование процессов термоэмиссии в ядерно-энергетических установках»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы в области создания программных средств для комплексного расчета ядерно-энергетических установок с термоэмиссионным преобразованием энергии обусловлена: возобновлением разработки технологий проектирования электрогенерирующих элементов и созданием современных энергетических установок с прямым преобразованием энергии; ограниченной возможностью применения (упрощенные математические модели) созданных ранее методов расчета термоэмиссионных процессов в электрогенерирующем элементе; необходимостью разработки современных программных средств для моделирования термоэмиссионных процессов в ядерно-энергетических установках на основе математически корректных методов для физически обоснованных моделей.

Изначально из-за отсутствия мощных вычислительных машин разрабатываемые методы расчета характеристик термоэмиссионных систем основывались на аналитическом решении системы уравнений электрогенерирующих элементов, что приводило к упрощению математических моделей описания теплоэлектрофизических процессов. Введенные приближения заключались в постоянстве температуры анода и плотности эмиссионного тока по длине электрогенерирующего элемента. Позднее были применены вариационные методы для решения нелинейного уравнения теплопроводности для катода, позволяющие более точно определить распределение температуры его поверхности [1].

Дальнейшим развитием методов расчета стала разработка численных методов решения системы нелинейных дифференциальных уравнений для электрогенерирующего элемента. Однако, используемая при расчетах математическая модель тепловых и электрических процессов в электрогенерирующем элементе сводится к системе одномерных нелинейных уравнений, описывающих распределение температуры катода и анода, разности потенциалов между электродами и их распределение по длине

электрогенерирующего элемента. Тем не менее, в математические модели закладываются эмпирические локальные вольт-амперные характеристики электрогенерирующего элемента. Использование таких вольт-амперных характеристик ограничивает их применение в других конструкциях электрогенерирующего элемента и/или электрогенерирующего канала.

Термоэмиссионное преобразование энергии в активной зоне ядерно -энергетической установки взаимосвязано с нейтронно-физическими, теплофизическими и теплогидравлическими процессами. Соответственно расчет характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя представляет собой комплексную задачу всего цикла преобразования энергии: нейтронно-физические - теплогидравлические - теплоэлектрофизические - электрофизические процессы. Каждый элемент цикла является отдельной подзадачей, которая связана граничными условиями с соседней подзадачей. Определение характеристик подобных сложных систем необходимо проводить в совокупности всех подзадач с использованием нового расчетного инструмента - интегральной системы физического проектирования.

Объект исследования: ядерно-энергетическая установка с термоэмиссионным преобразованием энергии.

Предмет исследования: процесс термоэмиссионного преобразования энергии в электрогенерирующем элементе, находящийся в многоэлементном электрогенерирующем канале.

Цель работы: создание методики комплексного расчета термоэмиссионного реактора-преобразователя с математической моделью термоэмиссионного преобразователя энергии на основе уравнений переноса заряженных частиц.

Задачи работы:

- анализ физических процессов в термоэмиссионном преобразователе энергии, изучение методик моделирования термоэмиссионных процессов;

- создание расчетно-экспериментальной методики определения локальной вольт-амперной характеристики термоэмиссионного преобразователя;

- анализ результатов моделирования вольт-амперной характеристики в электрогенерирующем элементе с экспериментальными данными;

- создание методики комплексного моделирования физических процессов в ядерно-энергетических установках с термоэмиссионным преобразованием энергии;

- применение методики комплексного моделирования процессов термоэмиссионного преобразования энергии в проектировании термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Методы исследования используют фундаментальные положения ядерной физики, физики поверхности и физики низкотемпературной плазмы; законы сохранения и преобразования энергии в виде дифференциальных и алгебраических уравнений. Помимо этого, используются расчетные выражения для поверхности металлов в системе «Ме-СБ» и низкотемпературной плазмы в межэлектродном пространстве.

Обоснованность результатов заключается в использовании основных положений ядерной физики, физики поверхности и физики низкотемпературной плазмы. Применяемые различные соотношения из указанных областей физики подтверждены экспериментальными исследованиями. Математические модели, полученные из источников, применяются только в тех границах и условиях, для которых они определены и корректны.

Достоверность полученных результатов основывается на использовании общепринятых методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений. Анализ проведенного расчетного моделирования различных вариантов термоэмиссионных систем позволяет сделать вывод о том, что полученные результаты согласуются с теоретическими положениями рассмотренных областей физики и сопоставимы с результатами экспериментов по работе термоэмиссионного преобразователя.

Научная новизна:

- впервые получена универсальная зависимость работы выхода электрода термоэмиссионного преобразователя от параметра Рейзора с максимальной погрешностью не более 15% для расчета эмиссионных свойств электрода;

- впервые получена зависимость скорости ионизации атомов цезия от температуры электронов в зазоре;

- получена новая расчетно-экспериментальная методика определения локальной вольт-амперной характеристики термоэмиссионного преобразователя для различных конструкций электрогенерирующего канала;

- создан расчетный метод определения нейтронно-физических, теплоэлектрофизических и электрофизических характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя нового поколения.

Теоретическая значимость:

- получена модель расчета работы выхода электрода для наиболее применяемых материалов в термоэмиссионном преобразователе энергии с максимальной погрешностью не более 15%;

- создана расчетная модель термоэмиссионного преобразователя на основе уравнений переноса с уточненными граничными условиями на поверхности электродов;

- получен анализ алгоритма комплексного расчета ядерно-энергетической установки с термоэмиссионным преобразованием энергии;

Практическая значимость:

- применение расчетного моделирования локальной вольт-амперной характеристики позволяет оценить эффективность электродной пары в электрогенерирующем элементе на этапе исследования и проектирования термоэмиссионного реактора-преобразователя нового поколения;

- использование комплексной методики расчета термоэмиссионных процессов позволяет на этапе проектирования определить энергетические характеристики реактора-преобразователя нового поколения и провести

оптимизацию конструкции электрогенерирующего канала по различным критериям;

Полученные результаты моделирования термоэмиссионных систем внедрены в АО «НИКИЭТ» для подготовки и проведения стендовых и реакторных испытаний макетов электрогенерирующих каналов.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Физическая модель термоэмиссионного преобразователя энергии на основе уравнений переноса заряженных частиц.

2. Методика комплексного расчета термоэмиссионного преобразования энергии на основе этапов моделирования: нейтронно-физических, теплогидравлических, теплоэлектрофизических и электрофизических характеристик реактора-преобразователя.

3. Результаты расчета нейтронно-физических, теплогидравлических и электрофизических характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя на основе предложенной концепции ядерной установки с прямым преобразованием энергии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на V Международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (Москва, 2018) и на конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» (Москва, 2019).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, включенном в перечень ВАК, 2 статьи в журнале, индексируемом в международных базах данных Scopus и Web of Science.

Личный вклад диссертанта заключался в разработке математической модели расчета работы выхода электрода, локальной вольт-амперной характеристики и методики комплексного расчета термоэмиссионного реактора-преобразователя. Разработанная физическая модель термоэмиссионного

преобразователя энергии получена лично автором. Диссертант самостоятельно разработал новые методики расчета теплоэлектрофизических характеристик, непосредственно принимал участие в реакторных испытаниях петлевого канала. В ходе выполнения научной работы автор участвовал в проектировании двух петлевых каналов, трех термоэмиссионных реакторов-преобразователей.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. Объем научной работы составляет 191 страницу. В работу включены 95 рисунков, 54 таблицы и приложение, список использованной литературы включает 82 наименования.

Содержание работы

Во введении представлено обоснование актуальности рассматриваемой темы, определен объект исследования, сформулированы методы исследования, а также поставлены цели и задачи научной работы.

В первой главе представлены описания физических моделей термоэмиссионного преобразователя энергии, предлагаемые в методической литературе, сформулированы основные трудности математического моделирования работы термоэмиссионного преобразователя.

Во второй главе приведены математические методы, с помощью которых проводится оценка физических характеристик термоэмиссионного преобразователя энергии в различных режимах его работы. В главе 2 формулируются основные уравнения переноса заряженных частиц в межэлектродном зазоре, которые определяют комплексную математическую модель термоэмиссионного преобразователя энергии в составе ядерно-энергетической установки, а также алгоритм расчета процессов термоэмиссии в реакторе-преобразователе, показаны особенности физической модели. Представлен анализ полученных результатов расчетной модели.

В третьей главе проводится сравнительный анализ полученной модели расчета вольт-амперной характеристики с экспериментальными данными. В

анализе применяется сравнение с результатами измерений макетов электрогенерирующих каналов.

В четвертой главе показано применение полученной расчетной модели для проектирования термоэмиссионного реактора-преобразователя. Помимо этого, в главе 4 представлено обсуждение результатов расчетного моделирования термоэмиссионного преобразователя при проектировании электрогенерирующего канала в активной зоне реактора.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Щукину Николаю Васильевичу за постановку актуальных задач и руководство на всех этапах работы над диссертацией, а также коллективу кафедры №5 НИЯУ МИФИ за полученные знания в области физики реакторов и коллективу отдела «Физических исследований и анализа ядерной безопасности» АО «НИКИЭТ» за возможность применения полученных знаний и приобретения опыта в области термоэмиссионных преобразователей.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕРМОЭМИССИОННОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ЭНЕРГИИ

1.1. Описание термоэмиссионного преобразователя энергии

Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП) представляет собой диод (рисунок 1.1), имеющий горячий катод и холодный анод. Режим производства электроэнергии описывается участком вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода, при котором к аноду приложено отрицательное напряжение относительно катода. Тогда электрическое поле в зазоре между электродами должно задерживать электроны. Если анод имеет работу выхода электронов с его поверхности меньшую, чем катод , то электрическое поле, задерживающее электроны в вакууме появится, когда полезное напряжение V на нагрузке-потребителе превысит контактную разность потенциалов (КРП) —

[2, 3].

Эмиссионные электроны

Межхпектродное пространство

-Л

Рисунок 1.1 - Термоэмиссионный преобразователь

Тогда сила тока в электрической цепи преобразователя начнет уменьшаться, поскольку часть вылетевших с катода электронов будет отбрасываться обратно электрическим полем. Такой режим работы ТЭП определяют как вакуумный

режим. Главным принципиальным преимуществом вакуумных преобразователей является отсутствие потерь энергии в зазоре на теплопроводность. Необратимые потери энергии, которые уменьшают КПД, определяются в значительной степени излучением. Существует два способа уменьшения доли энергетических потерь на излучение. Первый способ заключается в увеличении эмиссионного тока с поверхности катода, а второй способ - в уменьшении излучательной способности электродов. Но главным недостатком ТЭП в вакуумном режиме работы является возникновение задерживающего потенциала, который образуется пространственным зарядом электронов в зазоре между электродами. Чтобы увеличить силу тока через ТЭП необходимо ввести в вакуум положительные ионы, которые смогли бы компенсировать отрицательный заряд электронов в зазоре. Тогда между электродами в зазоре образуется низкотемпературная плазма [3 - 5]. Состояние плазмы связано с прохождением тока через межэлектродный зазор, и в зависимости от ее состояния определяют различные режимы работы термоэмиссионного преобразователя энергии.

Среднее выходное напряжение термоэмиссионного преобразователя энергии определяется порядком контактной разности потенциалов, а именно, 1 - 2 В. Термоэмиссионный преобразователь с электрической мощностью, которая может компенсировать потери энергии на излучение в зазоре, должен иметь плотность тока не менее 10 А/см2. Необходимость большой контактной разности потенциалов и высокой плотность тока эмиссии предопределяет температуру катода порядка 1800 - 2200 К [5].

Таким образом, термоэмиссионный преобразователь энергии представляет собой высокотемпературный и низковольтный источник электрической энергии.

Рабочим телом термоэмиссионных преобразователей является газ свободных электронов в межэлектродном зазоре. ТЭП по принципу работы разделяется на вакуумный и плазменный. В вакуумных преобразователях заряд переносится только электронами. Вылетевшие с катода электроны образуют в зазоре отрицательный заряд, вследствие которого возникает электрическое поле,

отбрасывающее обратно часть электронов. Возможные виды распределения потенциальной энергии электронов в межэлектродном зазоре показаны на рисунке 1.2. Вакуумный режим возможен при очень малых межэлектродных зазорах. А именно тогда, когда высота потенциального барьера, который задерживает электроны, остается небольшой при плотностях тока до 10 А/см2. В результате, создание ТЭП с очень малыми зазорами между электродами, имеющими большую разницу температур, представляет весьма трудную технологическую задачу [6].

Наиболее перспективными преобразователями энергии являются плазменные преобразователи, в которых происходит компенсация отрицательного заряда электронов. В качестве источника компенсации используют положительные ионы цезия, поскольку он обладает наименьшим потенциалом ионизации Е1 = 3,89 эВ [7 - 9].

Рисунок 1.2 - Распределение потенциальной энергии электрона в

вакуумном режиме

Плазменные ТЭП различаются по принципу прохождения электронов через межэлектродный зазор: кнудсеновская и плотная плазма. Кнудсеновская плазма возможна при длине свободного пробега электронов 1е, которая больше межэлектродного зазора d. Заряженные частицы в электрическом поле будут двигаться практически без столкновений. На рисунке 1.3 изображены распределения потенциальной энергии электронов в прямопролетном режиме ТЭП. Кроме того, потенциал имеет скачок только непосредственно у электродов, а в самом зазоре поле отсутствует. Следовательно, наблюдается равенство

концентраций заряженных частиц (электронов и ионов). Но, если существует немонотонное распределение потенциала, то в межэлектродном зазоре образуется потенциальная яма для заряженных частиц. Тогда электроны и ионы будут попадать в яму и оставаться достаточно долго из-за редких столкновений. Выбраться из потенциальной ямы они смогут тогда, когда получат достаточную энергию при столкновении с другими носителями заряда. Такой эффект значителен даже при малых межэлектродных зазорах (й < 1е), поскольку степень заполнения потенциальной ямы не зависит от отношения 1е/й [10 - 13].

Рисунок 1.3 - Распределение потенциала в кнудсеновской плазме: монотонное (а), в недокомпенсированном режиме (б) и в перекомпенсированном

режиме (в)

В кнудсеновском режиме (или прямопролетный режим) возможно снять практически весь ток эмиссии при значительной концентрации положительных ионов. Однако реализовать кнудсеновский режим ТЭП возможно при не очень больших токах (порядка 1 А/см2), но при технологически доступных межэлектродных зазорах [14, 15]. Качественный вид вольт-амперной характеристики в прямопролетном режиме изображен на рисунке 1.4.

Режим плотной плазмы также различается по принципу ионизации: поверхностная или объемная. Поверхностная ионизация определяет образование ионов при столкновении атомов с поверхностью катода. При объемной ионизации основная масса ионов образуется в объеме межэлектродного зазора (МЭЗ). Первый режим с поверхностной ионизацией называется диффузионным, поскольку перенос электронов и ионов осуществляется за счет диффузии [14, 15].

Распределение потенциальной энергии электронов в диффузионном режиме изображено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Вид вольт-амперной характеристики прямопролетного режима

ефк ефк ефа ефа

еУ еУ

Рисунок 1.5 - Распределения электронного потенциала в диффузионном

режиме

В диффузионном режиме существуют следующие особенности: необходимая концентрация ионов для компенсации отрицательного заряда электронов возможна при условии, что работа выхода катода имеет достаточно высокое значение. Но высокая работа выхода катода определяет небольшой эмиссионный ток. По этой причине в диффузионном режиме (как и в прямопролетном) при небольших напряжениях ТЭП сила тока достигает насыщения, что ограничивает электрическую мощность самого преобразователя. Режим ТЭП с объемной ионизацией называется дуговым, поскольку в объеме МЭЗ образуется низковольтная дуга. В дуговом режиме распределение потенциалов и концентрации носителей заряда обеспечивает достаточную

генерацию ионов и отвод их на электроды. Помимо этого, у катода образуется область резкого изменения потенциала (так называемое катодное падение), где происходит основная генерация ионов в объеме. Распределение потенциальной энергии электронов в дуговом режиме представлено на рисунке 1.6. Особенностью дугового режима является второстепенный характер катода как источника ионов. Следовательно, работу выхода катода можно значительно уменьшить и обеспечить прохождение больших плотностей тока. Сила тока в дуговом режиме не имеет значения насыщения и увеличивается из-за эффекта Шоттки, уменьшения обратного тока и увеличения ионного тока [14, 15].

(Ьк и Ьа - протяженности прикатодной и прианодной неравновесных областей)

Еще одной особенностью дугового режима является то, что в объеме межэлектродного пространства устанавливается ионизационное равновесие (ионизация уравновешивается рекомбинацией). По причине реализации больших плотностей тока с поверхности катода дуговой режим считается наиболее перспективным [15, 16]. На рисунке 1.7 представлен качественный вид вольт-амперной характеристики ТЭП в дуговом режиме.

еУ

14

Рисунок 1.6 - Распределение потенциала в дуговом режиме

1.2. Вакуумный режим работы термоэмиссионного преобразователя

энергии

В самой простой конструкции ТЭП, т.е. две плоскопараллельные пластины из металла, разделенные вакуумным промежутком, электроны эмиссии создают отрицательный пространственный заряд в МЭЗ, электрическое поле которого препятствует дальнейшему продвижению электронов к аноду. Только те из них, которые могут преодолеть дополнительный потенциальный барьер, достигнут анода. Вид вакуумной вольт-амперной характеристики изображен на рисунке 1.8.

В вакуумном термоэмиссионном преобразователе из-за ограничения тока объемным зарядом электронов интересующие для практического использования удельные электрические мощности возможно получить только при очень малых зазорах (порядка нескольких микрометров). При наличии обратной эмиссии с анода и отличном от нуля коэффициенте отражения концентрация электронов в межэлектродном зазоре при том же значении силы тока увеличится, и влияние пространственного заряда электронов возрастет. Следовательно, необходимо еще уменьшить межэлектродный зазор в преобразователе для получения той же электрической мощности. В вакуумном ТЭП, помимо пространственного заряда

электронов, имеется еще одна серьезная проблема - невозможно управлять значением работы выхода электронов катода и анода [15, 16].

Рисунок 1.8 - Вид вольт-амперной характеристики вакуумного режима

Предположим, что температура анода достаточно низка, так что эмиссией электронов с него можно пренебречь. Параметры вакуумного преобразователя соответствуют параметрам идеального, когда распределение потенциала в зазоре таково, что максимум потенциальной энергии электрона находится на поверхности одного из электродов.

Рассмотрим построение вольт-амперной характеристики вакуумного режима [16]. Расчет начинается с плотности тока эмиссии с катода:

]3=А0(1-ЯЭф)ТК2ехр(-е^к) (1.1)

После чего задаваясь произвольным значением плотности тока У < ]8, из соотношения:

(12)

е<рт

находится величина При х = 0 (катод) (к = —схт и цк = е<рт/кТк.

Используя зависимость безразмерного потенциала ц (ц = е(<т — <)/кТк) от безразмерной координаты % (% = с (х — хт) в вакуумном диоде для известной величины цк, находим (к и, подсчитав по заданной плотности тока величину с, определяется хт. Величина с определяется как с = 9,174 • 105Т-3/А]1/2. Далее для х = й (анод) определяется и по зависимости безразмерного потенциала ц от

безразмерной координаты % в вакуумном диоде определяются величины ца и фа. Полезное напряжение вычисляется как V = <рк — <ра + <ра. Если в процессе расчета получается хт> й, то потенциальная энергия электрона у анода фа определяется как <ра = кТк/е Ы(]5/Д

Задаваясь другим значением ] < , аналогичным образом определяется следующая точка вольт-амперной характеристики вакуумного режима работы преобразователя. Вольт-амперная характеристика вакуумного ТЭП изображена на рисунке 1.9, которая качественно совпадает с зависимостью на рисунке 1.8.

1.2 —1— 0.8 Л А

п Л

Л 5

.-в-

5 0 5 10 15 20

Полезное напряжение V, В

Рисунок 1.9 - Вольт-амперная характеристика вакуумного режима

Вакуумный режим ТЭП имеет крайне низкие выходные характеристики. Расчет ТЭП в вакуумном режиме имеет практическую ценность при термовакуумной подготовке электрогенерирующего канала (ЭГК). С помощью вакуумной вольт-амперной характеристики определяются физические параметры термоэмиссионного преобразователя энергии (вакуумная работа выхода катода, максимум электронного потенциала). Математическая модель вакуумного режима ТЭП содержит зависимость безразмерного потенциала ц от безразмерной координаты %. Точность определения этой зависимости, в основном, и определяет точность расчета вакуумной вольт-амперной характеристики.

1.3. Диффузионный режим работы термоэмиссионного преобразователя

энергии

Термоэмиссионный метод преобразования энергии не мог бы претендовать на практическое использование, если бы не существовало такого элемента как цезий. Цезий подается в межэлектродный зазор в виде паровой фазы и образует на электродах равновесное покрытие, параметры которого определяется давлением пара и температурой электродов. Поскольку цезиевая пленка находится в динамическом равновесии с паром и постоянно возобновляется, электроды имеют стабильную эмиссию и длительный срок службы. Однако основной функцией цезия в МЭЗ является образование положительных ионов. При определенном соотношении между давлением пара цезия, температурой и работой выхода электродов концентрации положительных ионов и электронов выравниваются, и пространственный заряд исчезает. Вольт-амперная характеристика такого преобразователя совпадает с характеристикой идеального ТЭП при равенстве значений работы выхода электродов [15].

Появление паров цезия в межэлектродном пространстве преобразователе способствует образованию двух процессов. Во-первых, в МЭЗ увеличивается сопротивление плазмы, что приводит к уменьшению силы тока и напряжения. Во-вторых, в объеме ТЭП появляется источник ионов, что позволяет получить значительно большую силу тока. Влияние второго процесса превалирует над первым, поэтому полезная электрическая мощность ТЭП возрастает, несмотря на некоторое уменьшение полезного напряжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Белкин Андрей Викторович, 2022 год

Список использованной литературы

1. Ушаков, Б.А. Основы термоэмиссионного преобразования энергии / Б. А. Ушаков, В. Д. Никитин, И. Я. Емельянов. - Москва: Атомиздат, 1974.-288 с.

2. Кузнецов, В.А. Ядерные реакторы космических энергетических установок / В. А. Кузнецов. - Москва: Атомиздат, 1977.-240 с.

3. Арефьев, К.М. Основы термоэлектронного и магнитогидродинамического преобразования энергии: научное издание / К. М. Арефьев, И. И. Палеев. -Москва: Атомиздат, 1970.-215 с.

4. Елисеев, В.Б. Термоэмиссионные преобразователи энергии / В. Б. Елисеев, А. П. Пятницкий, Д. И. Сергеев. - Москва : Атомиздат, 1970.-136 с.

5. Куландин, А.А. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ / А. А. Куландин, С. В. Тимашев, В. Д. Атамасов. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1987.-328 с.

6. Кузнецов, В.А., Термоэмиссионная энергетика. Часть I. / В. А. Кузнецов, П. П. Щербинин. - Обнинск: ФЭИ, 1982.-71 с.

7. Роза да, А.В. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы / А. В. Роза да: пер. с англ.-Долгопрудный: Интеллект Групп, 2010.-703 с.

8. Зродников, А.В. Прямое преобразование энергии: сборник трудов 4-й научно-практической конференции Минатома России «Использования достижения фундаментальных исследований в ядерных технологиях». -Москва, 2003.-122 с.

9. Моргулис, Н.Д. Термоэлектронный (плазменный) преобразователь энергии / Н. Д. Моргулис. - Москва: Госатомиздат, 1961.-83 с.

10. Кей, Д. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую / Д. Кей, Д. Уэлш. - Москва: Госатомиздат, 1961.-208 с.

11. Стаханов, И.П. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии / И. П. Стаханов, А. С. Степанов. - Москва: Атомиздат, 1973.-392 с.

12. Houston J.M. Theoretical performance of the thermionic energy conversion // J. Appl. Phys., 1959. Vol. 30. No. 1. P. 4.

13. Wilson V.C. Conversion of heat to electricity by thermionic emission // J. Appl. Phys., 1959. Vol. 30. No. 2. P. 475.

14. Wilkins W.R., Gyftopoulos E.P. Transport phenomena in low energy plasmas // J. Appl. Phys., 1966. Vol. 37. No. 5. Pp. 3533 - 3540.

15. Бакшт, Ф.Г. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Ф. Г. Бакшт, Г. А. Дюжев, А. М. Марциновский, Б. Я. Мойжес, Г. Е. Пикус, Э. Б. Сонин, В. Г. Юрьев. - Москва: изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973.-480 с.

16. Квасников, Л.А. Рабочие процессы в термоэмиссионных преобразователях ядерных энергетических установок / Л. А. Квасников, В. З. Кайбышев, А. Г. Каландаришвили. - Москва: изд-во МАИ, 2001.-208 с.

17. Касиков, И.И. Предельный КПД термоэмиссионного диода / И. И. Касиков, П. П. Щербинин. - Обниск: ФЭИ, 1986.-23 с.

18. Королев, Ю.Д. Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной плазме: учебное пособие / Ю. Д. Королев. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008.-116 с.

19. Лебедев, М.А. Исследование низкотемпературной цезиевой плазмы в низковольтной дуге / М. А. Лебедев // Прикладная механика и техническая физика. - 1965. - № 2. - С. 41-46

20. Моргулис, Н.Д. Физические явления при работе катода дугового разряда в парах цезия / Н. Д. Моргулис, П. М. Марчук // Украинский физический журнал. -1956. - том 1. - № 1. - С. 59-64.

21. Лазаренко, Д.Г. Математическая модель для расчета тепло-, электрофизических характеристик цилиндрического электрогенерирующего канала / Д. Г. Лазаренко // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2007. -№3. -Вып. 2. - С. 89-100.

22. Бакшт, Ф.Г. Низковольтная дуга в термоэмиссионных преобразователях. Сравнение с экспериментом / Ф. Г. Бакшт // Журнал технической физики. - 1967.

- том 38. -№ 7. - С. 1075.

23. Дюжев, Г.А. Некоторые особенности вольт-амперных характеристик термоэмиссионных преобразователей в дуговом режиме / Г. А. Дюжев // Журнал технической физики. - 1967. - том 37. - №. 10. - С. 1825.

24. Белоконь, Г.А. К теории низковольтной дуги в термоэмиссионном преобразователе / Г. А. Белоконь, Э. Б. Сонин // Журнал технической физики. -1969. - том 39. - №. 11. - С. 2105.

25. Стаханов, И.П. О вольт-амперных характеристиках низковольтного дугового разряда / И. П. Стаханов, И. И. Касиков // Журнал технической физики.

- 1969. - том 39. - № 8. - С. 1496.

26. Wilkins D.R. A Unified Theoretical Description of Thermionic Converter Performance Characteristics // J. Appl. Phys., 1968. Vol. 39. No. 5. P. 2452.

27. Морозова, И.Г. Физика электронных приборов: Учебник для вузов / И. Г. Морозова. - Москва: Атомиздат, 1980.-392 с.

28. Luke K.P. Thermionic work function of a single crystal // Sc. D. thesis. MIT, Cambridge, 1964.

29. Steiner D., Gystopoulos E.P. An equation for the prediction of the bare work functions // Proc. 27h Annu. Conf. Phys. Electron. Cambridge, 1967. Pp. 160 - 168.

30. Hastopoulos G.N., Gystopoulos E.P. On the relation between work function and other thermophysical properties // Proc. Thermionic Convers. Spec. Conf. Miami Beach, 1970. Pp. 434 - 440.

31. Ярыгин, В.И. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии. Часть 1. Введение в специальность: Учебное пособие / В. И. Ярыгин. -Обнинск: ИАТЭ, 2006.-104 с.

32. Бродский, А.М. Теория электронной эмиссии из металлов / А. М. Бродский, Ю. Я. Гуревич. - Москва: изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973.-256 с.

33. Острецов, И.Н. Об уравнении термоэлектронной эмиссии в плазму / И. Н. Острецов, В. А. Петросов, А. А. Поротников, Б. Б. Родневич // Прикладная механика и техническая физика. - 1972. - № 3. - С. 40-45.

34. Rasor N.S., Warner C. Correlation of Emission Process for Adsorbed Alkali Films on Metal Surfaces // J. Appl. Phys. 1964. Vol. 35. No. 9. Pp. 2589 - 2600.

35. Rasor N.S., Britt E.J. Annual progress report for US Atomic Energy Commission. Contract AT (II-I)-2263, section VII, 1972.

36. Бабушкин, Ю.В. Моделирующая система KOPTES для исследования тепловых и электрических процессов в термоэмиссионных системах преобразования энергии / Ю. В. Бабушкин, В. П. Зимин, В. В. Синявский // Ракетно-космическая техника. - 1996. - Серия XII. - № 1 - 2. - С. 60 - 78.

37. Рейзор, Н. Общие зависимости для адсорбции на металлических поверхностях. «Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и топливные элементы» / Н. Рейзор. // Информ. бюл. Москва: изд-во ВИНИТИ. -1971. - № 5. - С. 112 - 119.

38. Swanson L.W., Strayer R.W. Field-electron-microscopy studies of cesium layers on various metals: work function change // J. Chem. Phys. 1968. Vol. 48. No. 6. P. 2421.

39. Бундшу, В. Работа выхода тугоплавких металлов в цезиевой плазме высокого давления при низкой температура образца. Термоэмиссионное преобразование энергии / В. Бундшу: пер. с англ. - Москва: Атомиздат, 1971.-260 с.

40. Ивановский, Р.И. Компьютерные технологии в науке и образовании. Практика применения систем MathCAD 8.0 Pro и MathCAD 2000 Pro: Учебное пособие / Р. И. Ивановский. - Санкт-Петербург: изд-во СПбГТУ, 2000.-432 с.

41. Рабинович, С.Г. Погрешность измерений / С. Г. Рабинович. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1978.-262 с.

42. Кармазин, В.П. Расчет вольт-амперных характеристик термоэлектронного преобразователя в диффузионном режиме / В. П. Кармазин, И. П. Стаханов // Прикладная механика и техническая физика. - 1963. - № 5. - С. 3-10.

43. Жданов, В.М. Диффузия и перенос тепла в многокомпонентной полностью ионизованной плазме / В. М. Жданов, П. Н. Юшманов // Прикладная механика и техническая физика. - 1980. - № 4. - С. 24-35.

44. Сонин, Э. Б. Решение кинетического уравнения для электронов на ЭВМ / Э. Б. Сонин // Прикладная механика и техническая физика. - 1966. - № 4. - С. 6068.

45. Кайбышев, В.З. Аналитическая модель расчета вольт-амперных характеристик термоэмиссионного преобразователя энергии / В. З. Кайбышев, В. И. Чеботарев // Атомная энергия. - 2012. - том 112. - № 5. - С. 270 - 276.

46. Александров, А.Ф. Стационарное распределение заряженных частиц в диффузионном приближении / А. Ф. Александров, С. С. Амбарян, В. Е. Мицук,

B. А. Погосян // Прикладная механика и техническая физика. - 1969. - № 2. - С. 62-66.

47. Пекуровский, Л. Е. Коэффициенты переноса для частично ионизованной двутемпературной плазмы с разными массами ионов и нейтральных частиц / Л. Е. Пекуровский // Прикладная механика и техническая физика. - 1967. - № 3. -

C. 16-24.

48. Кучеров, Р.Я. Кинетическая теория диода, заполненного разреженной плазмой / Р. Я. Кучеров, Л. Э. Рикенглаз // Журнал технической физики. - 1962. -том 32. - № 10. - С. 1275.

49. Кучеров, Р.Я. Слабоионизованная разреженная плазма в плоском диоде / Р. Я. Кучеров, Ю. А. Шуандер // Журнал технической физики. - 1964. - том 34. -№ 1. - С. 66.

50. Каганов, М.И. К кинетической теории плазменного термоэлемента низкого давления / М. И. Каганов, Р. Я. Кучеров, Л. Э. Рикенглаз // Журнал технической физики. - 1961. - том 31. - № 5. - С. 588.

51. Веселовский, И.С. Коэффициент электронной рекомбинации в плазме при тройном столкновении / И. С. Веселовский // Журнал технической физики. - 1969. - том 39. - № 2. - С. 271.

52. Брагинский, С.И. Явления переноса в полностью ионизованной двухтемпературной плазме / С. И. Брагинский // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1957. - том 33. - № 2. - С. 459.

53. Марчук, Г.И. Методы вычислительной математики / Г. И. Марчук. -Новосибирск: Наука, сибирское отделение, 1973.-231 с.

54. АО «ГНЦ РФ-ФЭИ». Расчет выходных характеристик ЭГК. Техническая справка. Инв. 224/31.01-03/121, 2018.

55. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П. В. Новицкий, И. А. Зограф. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1991.-304 с.

56. Синявский, В.В. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов /

B. В. Синявский, В. И. Бержатый, В. А. Маевский. - Москва: Атомиздат, 1981.96 с.

57. АО «НИКИЭТ». Результаты расчетного моделирования испытаний петлевого электрогенерирующего канала в реакторе ИВВ-2М. Техническая справка. Инв. Д-211-3029, 2016.

58. Бать, Г.А. Исследовательские ядерные реакторы / Г. А. Бать, А. С. Коченов, Л. П. Кабанов. - Москва: Энергоатомиздат, 1985.-272 с.

59. Кириллов, П.Л. Тепло-, массообмен в ядерных энергетических установках / П. Л. Кириллов, Г. П. Богословская. - Москва: Энергоатомиздат, 2000.-250 с.

60. Петухов, Б.С. Теплообмен в ядерных энергетических установках / Б. С. Петухов, Л. Г. Генин, С. А. Ковалев. - Москва: Энергоатомиздат, 1986.-408 с.

61. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление /

C. С. Кутателадзе. - Москва: Энергоатомиздат, 1990.-368 с.

62. Уонг, Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Х. Уонг. - Москва: Атомиздат, 1979.-216 с.

63. Кузнецов, В.А. Ядерные реакторы космических энергетических установок /

B. А. Кузнецов. - Москва: Атомиздат, 1977.-240 с.

64. Марчук, Г.И. Численные методы расчета ядерных реакторов / Г. И. Марчук. - Москва: Атомиздат, 1958.-381 с.

65. Виноградов, Е.Г. Методика расчета электротеплофизических характеристик термоэмиссионного электрогенерирующего канала: Учебное пособие / Е. Г. Виноградов, В. И. Ярыгин. - Обнинск: ИАТЭ, 2008.-11 с.

66. Алексеев, А.А. Расчет ЭГК с учетом продольной теплопроводности / А.А. Алексеев // Сборник докладов Международной конференции «Ядерная энергетика в космосе - 2005». - Москва-Подольск, 2005. - том 3. - С. 531 - 532.

67. Бабушкин, Ю.В. Методы расчета вольт-амперных характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих сборок / Ю. В. Бабушкин, В. П. Зимин // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - том 309. - №2. -

C. 135 - 139.

68. Бабушкин, Ю.В. Математическое обеспечение для моделирования термоэмиссионных систем / Ю. В. Бабушкин, В. П. Зимин // Известия Томского политехнического университета - 2006. - том 309. - №1. - С. 51 - 55.

69. Бабушкин, Ю.В. Программное обеспечение и результаты моделирования термоэмиссионных систем / Ю. В. Бабушкин, В. П. Зимин, Е. А. Хомяков // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - том 309. - № 3. - С. 53 - 57.

70. Синявский, В.В. Имитационная модель взаимосвязанных нейтронно-физических, тепловых и электрических процессов для исследования статических, динамических и ресурсных характеристик термоэмиссионного реактора-преобразователя на быстрых нейтронах / В. В. Синявский, А. П. Савинов, В. И. Алимов // Ракетно-космическая техника. - 1996. - Серия XII. - № 2 - 3. - С. 49 - 63.

71. Сидельников, В.Н. О роли эмиссии электронов с коллектора термоэмиссионного преобразователя / В. Н. Сидельников // Журнал технической физики. - 1983. - №3. - С. 385 - 390.

72. Сидельников, В.Н. Универсальная одномерная модель TOR термоэмиссионного преобразователя / В. Н. Сидельников // Сборник трудов 29 Международной конференции по инженерным проблемам преобразования энергии, США, Монтерей. - 1994. - том 2. - С. 1078 - 1081.

73. Коноплев, А.А. Эмпирический метод расчета вольтамперных характеристик разрядного режима ТЭП / А. А. Коноплев, В. Д. Юдицкий, Л. И. Пушина // Журнал технической физики. - 1975. - том XLV. - № 2. - С. 314 -319.

74. Алексеев, Н.И. Статус MCU-5 / Н.И. Алексеев, С. Н. Большагин, Е. А. Гомин // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. - 2011. - № 4. - С. 5 - 23.

75. Забродская, С.В. РОСФОНД - российская национальная библиотека нейтронных данных / С. В. Забродская, А. В. Игнатюк, В. Н. Кощеев // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерные константы. - 2007. - № 1. - С. 2 - 3.

76. Баринов, С.В. Использование системы подготовки многогрупповых нейтронных данных COMSYST/ABBN в программном комплексе FACT-BR для трехмерных нейтронно-физических расчетов реактора БРЕСТ-ОД-300: сборник докладов семинара «Нейтроника-99», - ГНЦ РФ ФЭИ, 1999.- 5 с.

77. Комплекс программ CONSYST/ABBN - подготовка констант БНАБ к расчетам реакторов и защиты. Отчет о НИР. ГНЦ РФ ФЭИ. Инв. № 9865. 1998.

78. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021611537 Российская Федерация / А.Н. Иванюта, А.И. Ионов, Т.Ю. Сахарова. - № 2021610722; заявл. 26.01.2021; опубл. 01.02.2021.

79. Тальченко, В.Г. Численное моделирование кинетики быстрого реактора с регулирующими органами в бериллиевом отражателе / В. Г. Тальченко,

A. П. Савинов, Ю. А. Соболев, М. С. Суханов // Вопросы атомной науки и техниник. - 1982. - № 5. - С. 38 - 43.

80. Чиркин, В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники /

B. С.Чиркин. - Москва: Атомиздат, 1968.-484 с.

81. Герасимов, В.В. Материалы ядерной техники: Учебник для вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное / В. В. Герасимов, А. С. Монахов. -Москва: Энергоиздат, 1982.-288 с.

82. Корн, Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн, Т. Корн. - Москва: Наука, 1974.-832 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» Акционерное общество «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники

имени H.A. Доллежаля» (АО «НИКИЭТ»)

ЖДАЮ

генерального ора по НИОКР

A.B. Лопаткин

% <■ 05- 2.0ZO

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Белкина A.B.

«МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ»

Результаты диссертационной работы Белкина A.B. использованы при подготовке, проведении и анализе реакторных испытаний петлевого канала с макетами электрогенерирующих каналов, а также при проектировании ядерно-энергетических установок с термоэмиссионном преобразованием энергии специального назначения.

Разработанная комплексная методика расчета термоэмиссионных систем диссертационной работы Белкина A.B. позволила на стадиях проектирования ядерных установок проводить оптимизационные физические и конструкционные исследования. Результатами исследований стали уменьшение массогабаритных характеристик и увеличение длительности ресурса и выходных энергетических параметров установок специального назначения.

Результаты диссертационной работы Белкина A.B. позволяли проводить анализ и оценку физических характеристик макетов электрогенерирующих каналов в процессе реакторных испытаний. Исследования Белкина A.B. внесли вклад в создание новых программных комплексов, которые моделируют штатные и аварийные режимы работы ядерно-энергетических установок с термоэмиссионным преобразованием энергии.

Начальник отдела физических исследований и анализа ядерной безопасности

М.И. Рождественский