平板型电极对热离子能量转换特性的测试技术研究.pdf
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1、第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r 平板型电极对热离子能量转换特性的测试技术研究马茹,金睿,么斯雨,任思琪,齐立君,钟武烨(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所,北京 )摘要:为开展热离子能量转换器基础性能数据的研究,基于平板型电极热离子能量转换基础试验装置建立了针对电极对热电转换特性的测试技术,通过开展W M o电极对的热离子发电测试,对所建立的测试技术进行了验证及评价,并分析了热离子发电参数对输出特性的影响规律.结果表明:所建立的测试技术可准
2、确测量发射极有效功函数值;利用热离子基础试验装置测得的W M o电极对的最大输出功率密度为 W/c m,对应的发电参数为发射极温度 K,铯壶温度 K,输出电压 V.关键词:热离子能量转换;测试技术;平板型电极;发射极;输出功率密度中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:中核集团“青年英才”项目()通信作者:钟武烨d o i:/y z k y o u x i a n R e s e a r c ho nT e s t i n gT e c h n o l o g yf o rT h e r m i o n i cE n e r g yC o n v e r
3、 s i o nC h a r a c t e r i s t i c so fF l a tE l e c t r o d eP a i rMAR u,J I NR u i,YAOS i y u,R E NS i q i,Q IL i j u n,Z HONG Wu y e(R e a c t o rE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h i n a I n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g ,C h i n
4、 a)A b s t r a c t:T h e t h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r t e r i sas t a t i ct h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o nd e v i c e,w h i c h i s t h ec o r ec o m p o n e n to f t h e t h e r m i o n i cn u c l e a rr e a c t o r T o i m p r o v et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e
5、n c yo f t h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r t e r s,i t i sn e c e s s a r yt ot e s t i t sb a s i cp e r f o r m a n c ea n dc o n d u c t r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mo f i t s t h e r m o e l e c t r i cp e r f o r m a n c e A tp r e s e n t,ab a s i ce x
6、 p e r i m e n t a ld e v i c eo ft h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r t e rw i t ht h ef l a t e l e c t r o d ep a i rh a sb e e nd e v e l o p e d i nC h i n a,w h i c hc a nb eu s e dt oa c h i e v e i s o t h e r m a le q u i p o t e n t i a lo fe l e c t r o d e sd u r i n gt h ep o w e r
7、g e n e r a t i o ne x p e r i m e n t s H o w e v e r,t h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sm e t h o do f t h e r m o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o d e sh a sn o ty e tb e e ne s t a b l i s h e d,s o i t i su r g e n t t os e tu par e a s o n a b l e t e s t i
8、n gt e c h n o l o g yf o r t h ea n a l y s i so ft h eb a s i ct h e r m i o n i cp e r f o r m a n c e B yd r a w i n gi n s p i r a t i o nf r o mt h et h e o r ya n de m p i r i c a l f o r m u l ao f t h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r s i o n,a n dc o m b i n i n gw i t ht h et e s td a
9、 t ao fv o l t a mm e t r yc h a r a c t e r i s t i c so b t a i n e d i ne x p e r i m e n t s,a s p e c i a l i z e d t e s t i n g t e c h n o l o g y f o rt h et h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff l a te l e c t r o d ep a i r w a se s t a b l i s h e
10、d T h e n,t h et e s t so ft h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o no f W M oe l e c t r o d ep a i rw i t ht h eb a s i ce x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sc o n d u c t e d T h ee s t a b l i s h e dt e s t i n gt e c h n o l o g yw a sv a l i d a t e da n de v a l u a t e db yc o m p a r
11、 i n gt h ev a l u e so ft h ee f f e c t i v ew o r kf u n c t i o no ft h et u n g s t e ne m i t t e r t e s t e d i nt h ee x p e r i m e n t a l d e v i c ew i t ht h e t h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a l v a l u e s i nt h e l i t e r a t u r e A n dt h er e s u l t ss h o wt h
12、a tt h em e a s u r e dv a l u e so ft h ee f f e c t i v ew o r kf u n c t i o no f t h e e m i t t e r i n t h i s s t u d ya r e c o n s i s t e n tw i t h t h o s e i n t h e l i t e r a t u r e,i n d i c a t i n gt h a t t h ee s t a b l i s h e dt e s t i n gt e c h n o l o g yw a sa c c u r a
13、 t ea n dr e a s o n a b l e T h e r e f o r e,i tc a nb ea s s e r t e dt h a tt h i st e s t i n gt e c h n o l o g yc a nb eu s e dt oa n a l y z et h eo u t p u te l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so faf l a te l e c t r o d et y p et h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r s i o nd
14、e v i c e Wh a tsm o r e,t h et h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o np e r f o r m a n c eo fW M oe l e c t r o d ep a i r sw a sf u r t h e rs t u d i e du s i n gt h i st e s t i n gt e c h n i q u e T h ei n f l u e n c eo fp o w e rg e n e r a t i o np a r a m e t e r s,i n c l u d i n ge
15、 m i t t e r t e m p e r a t u r ea n dc e s i u mp o t t e m p e r a t u r e,o nt h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fW M oe l e c t r o d ep a i rw e r ea n a l y z e dt h r o u g has e r i e so ft h e r m o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne x p e r i m e n t s T h er e s u l t ss h o
16、 wt h a tt h ee m i t t e rt e m p e r a t u r eh a sa m o r es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eo u t p u tp o w e rd e n s i t yo f t h et h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r t e r A st h ee m i t t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s,t h eo u t p u tv o l t a g ec o r r e s p o n d
17、 i n g l yi n c r e a s e s;a n d w i t h i nt h er a n g eo f Kf o rt h ee m i t t e rt e m p e r a t u r e,t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m a lc e s i u mp o t t e m p e r a t u r e i s K,w i t hc e s i u mp r e s s u r eo f P a M o r e o v e r,t h em a x i m u mo u t p u tp o w e rd e n s
18、i t yo ft h e W M oe l e c t r o d ep a i rm e a s u r e du s i n gt h et h e r m i o n i cb a s i ce x p e r i m e n t a l d e v i c e i s W/c m,c o r r e s p o n d i n g t o t h ep o w e rg e n e r a t i o np a r a m e t e r so ft h ee m i t t e r t e m p e r a t u r eTE K,c e s i u mp o t t e m p
19、 e r a t u r eTC s K,a n do u t p u tv o l t a g eV V T h i s r e s u l t c a np r o v i d ep a r a m e t e r r e f e r e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o no f t h eW M oe l e c t r o d ep a i r i nt h e r m i o n i ce n e r g yc o n v e r t e r s K e yw o r d s:t h e r m i o n i c e n e r g yc
20、 o n v e r s i o n;t e s t i n g t e c h n o l o g y;f l a t e l e c t r o d ep a i r;e m i t t e r;o u t p u tp o w e rd e n s i t y热离子核反应堆是空间核电源的重要技术路线之一,具有体积小、结构紧凑、比质量小等优点,且技术较为成熟可靠.热离子能量转换器(T E C)是热离子核反应堆的关键核心部件,能够将核裂变产生的热能直接转换成电能,是一种静态热电转换装置 ,其转换效率及服役寿命对空间热离子反应堆电源的总体性能起着决定性的影响,而相对较低的转换效率限制了热离子核
21、反应堆的进一步发展 .因此,目前急需研发新型的电极材料,优化T E C的热电转换性能,提高其转换效率.T E C工作时,发射极被加热到高温,金属表面发射电子,飞跃电极间隙到达接收极,并通过外电路负载做功后返回发射极,形成电回路,实现热能向电能的直接转换.实际工程应用中一般在其电极间隙中引入铯(C s)的蒸气,形成铯热离子能量转换器,其相对真空T E C能有效提高转换效率.影响T E C热电转换性能的因素较多,除了服役环境工况,发电时的参数选择,如电极对的材料类型、电极温度、铯压及电极间隙距离等对T E C的热电输出性能均有着重要影响 .因此,要提高T E C的转换效率,首先应开展电极对材料热电
22、转换基础性能的研究.俄罗斯(含前苏联)和美国是热离子能量转换技术研究的先驱.俄罗斯从 世纪 年代就开始进行热离子能量转换理论方面的研究;年代中期开始T O P A Z和E N I S Y计划,建造了大量的台架设施,包括铯低温等离子体发生装置、平板状和管状的基础实验装置、全尺寸单根发电元件的堆外发电台架(“里克”热物理台架)以及 多座地面堆装置,于 和 年发射了两个T O P A Z反应堆电源系统.原子能科学技术第 卷美国方面 年代也开展过大量的热离子能量转换的基础研究,特别是通过 年代初期的T I P项目,美国引进了俄罗斯的E N I S Y电源系统并在此基础上设计出先进的S P A C E
23、R电源系统.年后,俄美等研究者开启了高性能热离子能量转换技术的研究.我国在 世纪 年代针对圆柱形电极对开展过一些基础性研究 ,验证了热离子能量转换技术的可行性.我国自“九五”以来,成功研制出了T E C的样件并在热物理台架上进行了发电试验考验,为T E C的持续发展和试验研究创造了必要的条件.但由于我国之前缺乏电极等温等势的发电实验装置平台,因此尚未开展电极材料基础发电性能数据的研究,不利于新型电极材料的迭代研发.目前,我国建立了一台平板型电极热离子能量转换基础试验装置,可实现电极等温等势的发电试验,进行发电过程中电极基础性能数据的测试.本文将基于该基础试验装置建立平板型电极电特性的测试、计算
24、、分析及评价的方法,并根据测试结果优化其热电转换性能.发电试验装置及试验方案 热离子基础试验装置及测试方法平板型电极热离子转换基础试验装置由电极系统、真空系统、加热冷却系统、铯系统、测量及数据采集系统以及相应的支撑连接构件和控制系统等组成.基础试验装置的电极系统示意图如图所示,主要由发射极组件、接收极组件和中间连接段组成.其中电极表面为圆形平面,采用水平式结构,正对面的直径约 mm,电极间距可调节,调节范围为 mm.图平板型电极系统的原理图及结构示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a ma n ds t r u c t u r a l s c h e m a
25、 t i cd i a g r a mo f f l a t e l e c t r o d es y s t e m该装置的真空系统包括内真空和外真空两套系统,其中内真空系统为准无油真空系统,主要控制平板电极间隙空间内的真空环境;而外真空系统则主要控制发射极加热器以及整个电极系统的高真空工作环境.发射极内腔采用纯钨丝线圈作为热离子对其进行加热,并附加偏压进行电子轰击,能使发射极温度TE达 K,可调节范围为 K;接收极受发射极的辐射加热,并采用水冷铜套管加氦气间隙两者相结合的方式冷却控温,温度可调节范围为 K.在平板电极系统内充入铯蒸气可显著提高电极间隙内的电离率和转换器的发电效率,装置中通过
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