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 102413)

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(TEC)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[1-3],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反应堆的进一步发展[4-5]。因此,目前急需研发新型的电极材料,优化TEC的热电转换性能,提高其转换效率。TEC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[6]。实际工程应用中一般在其电极间隙中引入铯(Cs)的蒸气,形成铯热离子能量转换器,其相对真空TEC能有效提高转换效率。影响TEC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TEC的热电输出性能均有着重要影响[7-9]。因此,要提高TEC的转换效率,首先应开展电极对材料热电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[1]。俄罗斯从20世纪50年代就开始进行热离子能量转换理论方面的研究; 60年代中期开始TOPAZ和ENISY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30多座地面堆装置,于1987和1988年发射了两个TOPAZ反应堆电源系统。美国方面60～70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90年代初期的TIP项目,美国引进了俄罗斯的ENISY电源系统并在此基础上设计出先进的SPACE-R电源系统。2000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20世纪70年代针对圆柱形电极对开展过一些基础性研究[10-11],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TEC的样件并在热物理台架上进行了发电试验考验,为TEC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、分析及评价的方法,并根据测试结果优化其热电转换性能。

1.1 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1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16 mm,电极间距可调节,调节范围为0.1～1 mm。

图1 平板型电极系统的原理图及结构示意图

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2 000 K,可调节范围为1 400～1 873 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773～1 073 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,装置中通过铯壶向电极系统供铯。铯壶放在大法兰外部,其安装结构及测温方式示于图2,铯壶具有单独加热管,温度的控制范围在150～400 ℃之间,与铯壶相通的管路、构件的温度均高于400 ℃,铯管路的加热采用分段的形式,建立铯壶与管路的温度梯度,以保证铯壶位置处的温度最低。

图2 铯壶的安装结构图及测温示意图

在发电试验过程中,利用平板电极型基础试验装置的测试系统测量恒定发射极温度(TE为常数)下的伏安特性曲线。测量时将给转换器的电极回路输入一个三角波型的电流脉冲(图3)作为外部电子负载,周期时间约0.5 s,在该过程中,快速改变电子负载所消耗的电流(0～40 A),并利用测试系统记录从空载到短路各点的电流电压,然后做出不同发电参数下热离子能量转换试验装置的输出伏安特性曲线(j-V曲线),并基于此对电极材料的电特性进行分析。由于整个测量周期时间较短(约0.5 s),电极的温度由于热惯性而保持恒定,所以可认为测试是在恒定TE下获得的曲线,不用考虑其温度变化对输出特性造成的影响。

图3 负载所提供的电流脉冲示意图

1.2 电极对材料及发电试验方案

W-Mo电极对是热离子能量转换器在台架试验及工程应用中所采用的较为成熟的电极对材料,因此本次研究中将采用该电极对开展热离子能量转换发电试验。发射极材料为多晶纯W,其制备工艺采用化学气相沉积(CVD)技术;接收极材料为纯Mo,制备工艺为电子束熔炼。获得电极材料后根据平板电极的结构形式完成电极组件的加工和焊接,电极组件安装至试验装置前对其表面进行机械抛光。

本次热离子发电试验将通过发射极吸铯功函数的测试分析结果评价所建立测试技术的准确性,并根据TE和TCs的调节优化TEC的热电转换性能。因此,试验中TE设置为1 600、1 800、1 900 K 3个温度点,对应于每种TE设置的TCs为564、577和591 K,共进行9次发电试验。其中,TE和TCs的温度选择一方面是基于装置可调节的工作温度范围,另一方面是基于以往的研究经验和试验数据。两电极之间的间隙距离设置为0.5 mm,在试验过程中保持不变,接收极温度控制在800～1 000 K内。

在进行TEC电特性计算时需建立一些数学公式及模型,涉及到多种数学符号及上下标符号,其表达含义及计量单位列于表1。

表1 建模所用符号及其代表的含义、单位

2.1 最佳铯压计算

发电试验时,充铯蒸气压力由理论计算得出,通过Cs的热动力学饱和数据可利用铯壶的温度判断电极间隙内的铯蒸气压,其可通过以下关系式[12]给出:

(1)

2.2 电特性参数的计算

根据热离子发电试验的测试结果对W-Mo电极对的输出电特性进行计算分析。在发电试验过程中,通过测试及数据采集系统可获得不同工作条件下的伏安特性曲线(j-V曲线),其典型图形如图4所示。本研究中将采用文献[13-14]中Nottingham等提出的图形分析技术,利用所测得的j-V曲线进行TEC电极电特性参数及输出功率密度的计算。该技术的分析手段是寻找曲线中的关键点,获得其电流密度,并利用经验公式计算饱和电流密度,从而进行下一步输出电特性的分析计算。

图4 典型的吸铯热离子能量转换器输出电流特性

j-V曲线中的关键点为铯电弧工况下输出电流饱和区和阻塞区之间的分界点,在实际试验获得的曲线中往往通过在低输出电压区域内,沿输出电流密度的增大趋势做出两条斜率不同的直线,获得其交叉点,即为关键点k的位置。利用该点所对应的输出电流密度j′,采用经验公式(式(2))来计算出发射极的饱和电流密度[15]js。

js=j′(1+10pCsd)

(2)

而发射极的有效功函数ΦE则通过其输出饱和电流密度js进行计算:

(3)

热离子转换器的输出功率密度Pe,是将测得的输出电流密度j,与相对应的输出电压V相乘得到的,即:

Pe=jV

(4)

3.1 W发射极吸铯功函数的计算与验证

图5为W-Mo电极对在不同发电参数下测量获得的j-V曲线,根据曲线特征可看出其基本符合热离子能量转换器的典型输出电流曲线特征。为便于计算电极的饱和输出电流密度,根据式(1)计算获得不同铯壶温度TCs时所对应的铯压:TCs=564 K时,pCs=189.7 Pa;TCs=577 K时,pCs=267.7 Pa;TCs=591 K时,pCs=381.3 Pa。

图5 W-Mo电极对在不同发电参数下的伏安特性曲线

然后根据图形分析方法,从j-V曲线中寻找关键点k,如图中“+”号所示,同时获取该点对应的电流密度j′,利用式(2),计算出电极的饱和电流密度。不同发电条件下获得的关键点电流密度和饱和电流密度列于表2。

表2 W-Mo电极对在不同条件下的输出电流密度

最后,将饱和电流密度和相应的发电参数代入式(3)可计算得到W发射极在不同条件下的有效功函数,以及所对应的TE/TCs,列于表3。

表3 W发射极的有效功函数以及对应的TE/TCs

为对本次试验测量和计算方法的准确性进行评估,将利用试验数据计算得到的W发射极吸铯功函数与相关文献中的理论或试验值进行对比分析。Rasor等[16]在热离子能量转换理论方面做过大量研究,并针对金属发射极表面的功函数进行了系统的计算推导和数据对比,因此将其作为本次W发射极功函数的校验参考值。将本次试验中计算的W发射极有效功函数与Rasor等的值进行对比,结果如图6所示。从图6可看出,本次计算结果与相同参数范围内的对比值之间吻合较好,大部分数据的平均测量误差<5%(图6中圆圈内)。为获得最大的偏差值,分别选择与理论和试验数据之间偏差最大的测量值进行计算,计算结果如下:

图6 本次试验W发射极的有效功函数与文献[16]中值的对比

通过以上计算结果可看出,利用平板型W-Mo电极对发电试验数据计算分析获得的W发射极吸铯功函数,与代表性文献中的理论与试验值相比较,测量偏差明显小于10%。因此,可认为本研究中所建立的平板型电极对热离子发电特性的测试技术准确合理,可用来分析电极材料的输出电特性特征。

3.2 W-Mo电极对的电特性分析

根据平板电极型热离子能量转换试验装置测得的W-Mo电极对在不同发电条件下的j-V曲线,计算得出其在不同TCs和TE下的输出功率特征分别如图7、8所示。从图可看出,转换器的输出功率密度随输出电压均呈现出先增大后减小的趋势,即在输出过程中存在一峰值,该峰值即为不同发电条件下获得的最大输出功率密度,列于表4。

表4 W-Mo电极对在不同发电参数下的输出功率密度

图7 W-Mo电极对在不同TCs下的输出功率密度曲线

观察TE对输出功率密度的影响(图7),可看出,在TCs为564、591 K时,随着TE的增加,输出功率最大值也逐渐增大,而在TCs为577 K时,最大输出功率则随TE升高先增大后减小(图8)。而在不同TE下观察温度对输出功率密度的影响,可看出最大输出功率密度对应的TCs均为577 K,这说明在TE为1 600、1 800、1 900 K时的最佳铯压均为267.7 Pa。另外,对比TE和TCs的影响,可以看出在本次所考察温度范围内,TEC输出功率密度随TE波动的最大值为2.42 W/cm2(TCs=564 K),而随TCs波动的最大值为1.47 W/cm2(TE=1 800 K),说明TE对TEC输出功率密度的影响更明显。

图8 W-Mo电极对在不同TE下的输出功率密度曲线

根据理查森电子方程jS=AT2exp(-φ/kT)可知,发射电流密度与TE呈平方关系。提高TE可使转换器的输出功率成倍增加,但TE将受材料的蒸气压、蒸发速度、高强温度等因素限制,一般情况下,TE需控制在2 073 K以下。随着TE的增加,热离子转换器的输出功率和效率迅速增加,同时要获得最大输出功率的TCs也必须增加。但两者的比值仍增加,所以发射极的有效功函数ΦE是增加的,列于表3。另一方面,随着TCs的增加,接收极的有效功函数ΦC是降低的。再则,随着TE的增加,发射极表面热电离的铯正离子数增加,体积电离产生的铯正离子数也增多,有效地中和了空间电荷,电子在电极空间传输的能量损失极大减小。因此,转换器的输出电压随TE增加也会增加,列于表4。

本次试验中,转换器的最大输出功率为5.6 W/cm2,对应的发电参数为TE=1 800 K,TCs=577 K,输出电压V=0.70 V。因此,在利用W-Mo电极对进行热离子发电时,要想获得较高的输出性能,应将发电参数控制在该值附近。

基于平板电极型热离子能量转换基础试验装置建立了针对电极对材料热电转换特性的测试技术,并开展了W-Mo电极对的热离子发电测试,对所建立的测试方法进行验证及评价,同时对W-Mo电极对的热电转换特性进行了分析,得出的结论如下:

1) 通过平板型电极对热电转换特性的测试技术可以准确测量发射极有效功函数;

2)TE相比TCs对输出功率密度的影响更明显,且在1 600～1 900 K的发射极温度范围内,对应的最佳铯压均为267.7 Pa(TCs=577 K);

3) 平板型W-Mo电极对的最大输出功率为5.6 W/cm2,对应的发电参数为发射极温度TE=1 800 K,铯壶温度577 K,输出电压0.7 V。

利用平板电极型热离子能量转换基础试验装置及所建立的测试技术能有效开展不同电极材料热离子能量转换基础特性的研究,一方面可根据不同电极对材料的发电特性筛选出表现优异,如转换效率高、性能稳定或应用温度低的电极对材料;另一方面针对所选择的电极对材料,可根据其不同条件下的输出特性筛选出较优的工作参数,如TE、TCs及TC等。由于平板电极型转换器的试验周期短,试验操作相对简单易控,且研究成本低,可大大促进新型电极材料的研发以及高效TEC的研制,推动了TEC未来在空间反应堆及地面小型发电源中的应用。

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