[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

说明书

本发明公开了一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法，该实验装置包括热离子燃料元件、加热棒、水冷套管、氦气室等，配套设备有氦气系统、冷却水系统、铯蒸气系统、电路系统及数据测量采集系统；实验中热离子燃料元件发射极的最高运行温度可达1600℃，能够通过调节燃料元件的加热功率和气体压力以模拟热离子燃料元件不同的工况，获取热离子燃料元件的伏安特性曲线、热电转换效率等热电转换性能参数；实验装置结构简单。

技术领域

本发明属于热离子燃料元件技术领域，具体涉及一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法。

背景技术

热离子转换是静态热电转换中的一种重要转换方式，热离子燃料元件是热离子核反应堆中的核心组件。热离子燃料元件能够直接通过热离子转换将元件内核燃料发生裂变产生的热量转化为电能输出，具有结构紧凑、工作可靠等优点。但同时热离子发射的效率受到热离子燃料元件发射极和热离子燃料元件接收极温度、极间间隙宽度、极间电压和极间铯蒸气压力等因素的影响，燃料元件工作的性能分析十分复杂。目前，国内外对热离子燃料元件开展了大量的热工性能分析和热电发射特性研究，但针对原尺寸热离子燃料元件的热电发射特性实验较少。因此为了提高热离子燃料元件的经济性和安全性，开展实验对热离子燃料元件的热电性能进行测定以确定合适的工作参数和几何尺寸十分必要。

国内外已经开展了一系列热离子燃料元件的热电特性实验，但绝大多数实验台架结构比较复杂，且没有涉及工程背景。如David W.Luchau等人在公开发表的一篇文献(David W.Luchau,Hoby D.Follis,Christopher A.Schreiber.Thermionic Fuel ElementTest Rig:Testing of Single Cell Thermionic Fuel Element Technology.AIPConference Proceedings 301,1031(1994))介绍的单节热离子燃料元件实验台架，实验台架主体为多层的套管结构，由内向外以此为加热棒、热离子燃料元件、内外侧带有氦气间隙的加热管和水冷套管，实验中通过改变加热管功率调节氦气温度以控制接收极温度，使燃料元件达到指定工况。但该实验台架结构过于复杂，实验操作困难。又如Mohamed S.El-Genk等人公开发表的文献(Mohamed S.E1-Genk,Huimin Xue.Simulation of FissionHeated Thermionic Fuel Elements Using Uniform Electrical Heating.AIPConference Proceedings 301,287(1994))，由于采用均匀电加热，燃料元件的发射电流密度分布在中部出现下凹，与燃料元件的堆内行为相差较大。国内开展了一部分堆内和堆外的热离子燃料元件实验，但实验变量单一，不能得到全面的热离子燃料元件热电转换特性。如曹绳全等开展的热离子燃料元件堆外实验(曹绳全,杨继材等.反应堆热离子转换器.核科学与工程,1984,4(3):227-232)，采用电子轰击加热，只能获得在不同发射极温度和铯温度下燃料元件输出电压和电流的关系，没有更深入考虑较高接收极温度对燃料元件热电特性的影响，同时加热手段较复杂。

因此，希望设计一种实验方案以克服现有技术缺陷，满足便于开展、接近热离子燃料元件实际工况、能够考虑多变量的热离子燃料元件热电特性实验要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有实验设计的缺点，提供一种测定热离子燃料元件热电转换性能实验装置及方法，该实验装置可以测得热离子燃料元件在稳态工况下伏安特性和热电转换效率随发射极温度、接收极温度和铯蒸气压力的变化，为热离子燃料元件的设计和性能分析提供实验验证。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：