[发明专利]测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法

权利要求书

1.一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：包括热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)组成热离子燃料元件工作段，热离子燃料元件工作段置于水冷套管(4)中，加热棒(1)置于热离子燃料元件发射极(2)内；热离子燃料元件接收极(3)和水冷套管(4)间的间隙与上氦气室(7)和下氦气室(8)相通；

热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)两端各有一电极导线(5)，分别经由上氦气室(7)和下氦气室(8)中伸出；加热棒(1)上端的加热棒导线(6)置于位于上氦气室(7)上端的真空室(9)中，被真空室(9)中的导线连接件(10)夹紧；热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)表面采用开浅槽埋入的方式贴有多个热电偶，热电偶连接至数据采集系统(34)；真空室(9)连接有第三抽真空泵(32)和第六过滤器(33)；以上共同组成了实验装置的实验段模块；

上氦气室(7)和下氦气室(8)通过三通管(11)连接，三通管(11)的另一个管口分别连接有第一抽真空泵(14)和第二过滤器(15)以及氦气罐(12)和第一过滤器(13)两条支管线，用于将上氦气室(7)和下氦气室(8)在实验前抽真空和充入氦气；上氦气室(7)和下氦气室(8)表面布置有用于改变气体压力的加热器(16)；上氦气室(7)和下氦气室(8)内安装有压力传感器以检测内部压力，以上共同组成了实验装置的氦气系统；

热离子燃料元件通过循环的冷却水进行冷却，冷却水在实验开始前储存在冷却水箱(17)中，冷却水箱(17)通过第三过滤器(18)和水泵(19)连接至水冷套管(4)底部的入水管(20)，实验时冷却水通过第三过滤器(18)和水泵(19)由入水管(20)流入冷却热离子燃料元件，由水冷套管(4)顶部的出水管(21)流出后经过第一换热器(22)冷却进入捕获水箱(23)，最后流回冷却水箱(17)形成循环；入水管(20)和出水管(21)上安装有热电阻以检测冷却水的出入口温度，入水管(20)上安装有流量计；以上共同组成了实验装置的冷却水系统；

热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的间隙在热离子燃料元件底端分别与第二抽真空泵(24)和第四过滤器(25)以及铯储存罐(26)和第五过滤器(27)两条支管线连接；铯储存罐(26)上布置有镍铬合金加热器(28)，铯蒸气由铯储存罐(26)中产生；热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的间隙在燃料元件顶端经过第二换热器(29)与铯回收器(30)连接；铯储存罐(26)内布置热电偶以检测铯温度从而控制铯蒸气压力，铯回收器(30)内布置热电偶以监控铯温度防止铯发生凝结；实验中铯蒸气压力通过改变镍铬合金加热器(28)的加热功率控制，以上共同组成了实验装置的铯蒸气系统；

热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)中的每一极的两个电极导线先汇集再与负载电阻(31)相接；实验进行时热离子燃料元件发射极(2)作为正极、热离子燃料元件接收极(3)作为负极，通过电极导线(5)与负载电阻(31)相连，形成电路；电路上接有电压表和电流表测量输出电压和电流；以上共同组成了实验装置的电路系统；

加热棒(1)的横截面积在轴向上两端最大，向中心逐渐变小，从而通过改变电阻值沿轴向分布改变加热棒(1)的功率密度分布以模拟反应堆内实际的燃料元件功率密度分布。

2.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述加热棒(1)的加热功率和铯储存罐(26)的电加热功率均通过可编程逻辑控制器实现实时远程调控。

3.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述铯储存罐(26)和铯回收器(30)的热电偶、热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)的热电偶、入水管(20)和出水管(21)上布置的热电阻、入水管(20)上布置的流量计、上氦气室(7)和下氦气室(8)以及真空室(9)的压力传感器、电路上的电压表和电流表均通过NI数据采集系统连接到数据采集系统(34)上。

4.根据权利要求1所述的测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置，其特征在于：所述热离子燃料元件与实际反应堆堆芯燃料元件尺寸比为1：1，因此该实验装置能够真实地反映燃料元件在稳态工况下的热电特性。

5.权利要求1至4任一项所述实验装置对应的实验方法，其特征在于：实验开始前对实验装置进行水压、气密性检测，确保实验回路在高温下的边界完整，具体实验方法如下：启动第三抽真空泵(32)将真空室(9)抽真空；打开冷却水箱(17)阀门，启动水泵(19)使冷却水开始循环流动；然后启动氦气系统：使用第一抽真空泵(14)将热离子燃料元件接收极(3)和水冷套管(4)之间的间隙抽真空，然后将氦气罐(12)内氦气充入热离子燃料元件接收极(3)和水冷套管(4)之间的间隙；接着启动铯蒸气系统：使用第二抽真空泵(24)将热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)之间的间隙抽真空，启动镍铬合金加热器(28)加热铯储存罐(26)，向热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)之间的间隙充入铯蒸气；铯蒸气由铯储存罐(26)进入热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)之间的间隙后经出气口流出，经过第二换热器(29)冷却后进入铯回收器(30)，同时注意铯回收器(30)温度避免铯发生凝结；调节负载电阻(31)电阻值至目标值；启动加热棒(1)对热离子燃料元件进行加热，逐步提高加热功率至目标功率，保持目标功率，缓慢调节氦气罐(12)加热器功率和铯储存罐(26)加热器功率使热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)温度以及铯蒸气压力达到目标值；保持一定时间使热离子燃料元件温度分布和热电发射达到稳态；当测得温度达到稳定时，开始记录热离子燃料元件的热离子燃料元件发射极(2)和热离子燃料元件接收极(3)温度、铯蒸气和氦气压力、输出电压和电流，计算输出电功率。