平板型電極對熱離子能量轉換特性的測試技術研究

馬 茹,金 睿,么斯雨,任思琪,齊立君,鐘武燁

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究所,北京 102413)

熱離子核反應堆是空間核電源的重要技術路線之一,具有體積小、結構緊湊、比質量小等優點,且技術較為成熟可靠。熱離子能量轉換器(TEC)是熱離子核反應堆的關鍵核心部件,能夠將核裂變產生的熱能直接轉換成電能,是一種靜態熱電轉換裝置[1-3],其轉換效率及服役壽命對空間熱離子反應堆電源的總體性能起著決定性的影響,而相對較低的轉換效率限制了熱離子核反應堆的進一步發展[4-5]。因此,目前急需研發新型的電極材料,優化TEC的熱電轉換性能,提高其轉換效率。TEC工作時,發射極被加熱到高溫,金屬表面發射電子,飛躍電極間隙到達接收極,并通過外電路負載做功后返回發射極,形成電回路,實現熱能向電能的直接轉換[6]。實際工程應用中一般在其電極間隙中引入銫(Cs)的蒸氣,形成銫熱離子能量轉換器,其相對真空TEC能有效提高轉換效率。影響TEC熱電轉換性能的因素較多,除了服役環境工況,發電時的參數選擇,如電極對的材料類型、電極溫度、銫壓及電極間隙距離等對TEC的熱電輸出性能均有著重要影響[7-9]。因此,要提高TEC的轉換效率,首先應開展電極對材料熱電轉換基礎性能的研究。

俄羅斯(含前蘇聯)和美國是熱離子能量轉換技術研究的先驅[1]。俄羅斯從20世紀50年代就開始進行熱離子能量轉換理論方面的研究; 60年代中期開始TOPAZ和ENISY計劃,建造了大量的臺架設施,包括銫低溫等離子體發生裝置、平板狀和管狀的基礎實驗裝置、全尺寸單根發電元件的堆外發電臺架(“里克”熱物理臺架)以及30多座地面堆裝置,于1987和1988年發射了兩個TOPAZ反應堆電源系統。美國方面60～70年代也開展過大量的熱離子能量轉換的基礎研究,特別是通過90年代初期的TIP項目,美國引進了俄羅斯的ENISY電源系統并在此基礎上設計出先進的SPACE-R電源系統。2000年后,俄美等研究者開啟了高性能熱離子能量轉換技術的研究。我國在20世紀70年代針對圓柱形電極對開展過一些基礎性研究[10-11],驗證了熱離子能量轉換技術的可行性。我國自“九五”以來,成功研制出了TEC的樣件并在熱物理臺架上進行了發電試驗考驗,為TEC的持續發展和試驗研究創造了必要的條件。但由于我國之前缺乏電極等溫等勢的發電實驗裝置平臺,因此尚未開展電極材料基礎發電性能數據的研究,不利于新型電極材料的迭代研發。目前,我國建立了一臺平板型電極熱離子能量轉換基礎試驗裝置,可實現電極等溫等勢的發電試驗,進行發電過程中電極基礎性能數據的測試。本文將基于該基礎試驗裝置建立平板型電極電特性的測試、計算、分析及評價的方法,并根據測試結果優化其熱電轉換性能。

1 發電試驗裝置及試驗方案

1.1 熱離子基礎試驗裝置及測試方法

平板型電極熱離子轉換基礎試驗裝置由電極系統、真空系統、加熱冷卻系統、銫系統、測量及數據采集系統以及相應的支撐連接構件和控制系統等組成。基礎試驗裝置的電極系統示意圖如圖1所示,主要由發射極組件、接收極組件和中間連接段組成。其中電極表面為圓形平面,采用水平式結構,正對面的直徑約16 mm,電極間距可調節,調節范圍為0.1～1 mm。

圖1 平板型電極系統的原理圖及結構示意圖

該裝置的真空系統包括內真空和外真空兩套系統,其中內真空系統為準無油真空系統,主要控制平板電極間隙空間內的真空環境;而外真空系統則主要控制發射極加熱器以及整個電極系統的高真空工作環境。發射極內腔采用純鎢絲線圈作為熱離子對其進行加熱,并附加偏壓進行電子轟擊,能使發射極溫度TE達2 000 K,可調節范圍為1 400～1 873 K;接收極受發射極的輻射加熱,并采用水冷銅套管加氦氣間隙兩者相結合的方式冷卻控溫,溫度可調節范圍為773～1 073 K。

在平板電極系統內充入銫蒸氣可顯著提高電極間隙內的電離率和轉換器的發電效率,裝置中通過銫壺向電極系統供銫。銫壺放在大法蘭外部,其安裝結構及測溫方式示于圖2,銫壺具有單獨加熱管,溫度的控制范圍在150～400 ℃之間,與銫壺相通的管路、構件的溫度均高于400 ℃,銫管路的加熱采用分段的形式,建立銫壺與管路的溫度梯度,以保證銫壺位置處的溫度最低。

圖2 銫壺的安裝結構圖及測溫示意圖

在發電試驗過程中,利用平板電極型基礎試驗裝置的測試系統測量恒定發射極溫度(TE為常數)下的伏安特性曲線。測量時將給轉換器的電極回路輸入一個三角波型的電流脈沖(圖3)作為外部電子負載,周期時間約0.5 s,在該過程中,快速改變電子負載所消耗的電流(0～40 A),并利用測試系統記錄從空載到短路各點的電流電壓,然后做出不同發電參數下熱離子能量轉換試驗裝置的輸出伏安特性曲線(j-V曲線),并基于此對電極材料的電特性進行分析。由于整個測量周期時間較短(約0.5 s),電極的溫度由于熱慣性而保持恒定,所以可認為測試是在恒定TE下獲得的曲線,不用考慮其溫度變化對輸出特性造成的影響。

圖3 負載所提供的電流脈沖示意圖

1.2 電極對材料及發電試驗方案

W-Mo電極對是熱離子能量轉換器在臺架試驗及工程應用中所采用的較為成熟的電極對材料,因此本次研究中將采用該電極對開展熱離子能量轉換發電試驗。發射極材料為多晶純W,其制備工藝采用化學氣相沉積(CVD)技術;接收極材料為純Mo,制備工藝為電子束熔煉。獲得電極材料后根據平板電極的結構形式完成電極組件的加工和焊接,電極組件安裝至試驗裝置前對其表面進行機械拋光。

本次熱離子發電試驗將通過發射極吸銫功函數的測試分析結果評價所建立測試技術的準確性,并根據TE和TCs的調節優化TEC的熱電轉換性能。因此,試驗中TE設置為1 600、1 800、1 900 K 3個溫度點,對應于每種TE設置的TCs為564、577和591 K,共進行9次發電試驗。其中,TE和TCs的溫度選擇一方面是基于裝置可調節的工作溫度范圍,另一方面是基于以往的研究經驗和試驗數據。兩電極之間的間隙距離設置為0.5 mm,在試驗過程中保持不變,接收極溫度控制在800～1 000 K內。

2 電特性參數的計算方案

在進行TEC電特性計算時需建立一些數學公式及模型,涉及到多種數學符號及上下標符號,其表達含義及計量單位列于表1。

表1 建模所用符號及其代表的含義、單位

2.1 最佳銫壓計算

發電試驗時,充銫蒸氣壓力由理論計算得出,通過Cs的熱動力學飽和數據可利用銫壺的溫度判斷電極間隙內的銫蒸氣壓,其可通過以下關系式[12]給出:

(1)

2.2 電特性參數的計算

根據熱離子發電試驗的測試結果對W-Mo電極對的輸出電特性進行計算分析。在發電試驗過程中,通過測試及數據采集系統可獲得不同工作條件下的伏安特性曲線(j-V曲線),其典型圖形如圖4所示。本研究中將采用文獻[13-14]中Nottingham等提出的圖形分析技術,利用所測得的j-V曲線進行TEC電極電特性參數及輸出功率密度的計算。該技術的分析手段是尋找曲線中的關鍵點,獲得其電流密度,并利用經驗公式計算飽和電流密度,從而進行下一步輸出電特性的分析計算。

圖4 典型的吸銫熱離子能量轉換器輸出電流特性

j-V曲線中的關鍵點為銫電弧工況下輸出電流飽和區和阻塞區之間的分界點,在實際試驗獲得的曲線中往往通過在低輸出電壓區域內,沿輸出電流密度的增大趨勢做出兩條斜率不同的直線,獲得其交叉點,即為關鍵點k的位置。利用該點所對應的輸出電流密度j′,采用經驗公式(式(2))來計算出發射極的飽和電流密度[15]js。

js=j′(1+10pCsd)

(2)

而發射極的有效功函數ΦE則通過其輸出飽和電流密度js進行計算:

(3)

熱離子轉換器的輸出功率密度Pe,是將測得的輸出電流密度j,與相對應的輸出電壓V相乘得到的,即:

Pe=jV

(4)

3 發電試驗結果及討論

3.1 W發射極吸銫功函數的計算與驗證

圖5為W-Mo電極對在不同發電參數下測量獲得的j-V曲線,根據曲線特征可看出其基本符合熱離子能量轉換器的典型輸出電流曲線特征。為便于計算電極的飽和輸出電流密度,根據式(1)計算獲得不同銫壺溫度TCs時所對應的銫壓:TCs=564 K時,pCs=189.7 Pa;TCs=577 K時,pCs=267.7 Pa;TCs=591 K時,pCs=381.3 Pa。

圖5 W-Mo電極對在不同發電參數下的伏安特性曲線

然后根據圖形分析方法,從j-V曲線中尋找關鍵點k,如圖中“+”號所示,同時獲取該點對應的電流密度j′,利用式(2),計算出電極的飽和電流密度。不同發電條件下獲得的關鍵點電流密度和飽和電流密度列于表2。

表2 W-Mo電極對在不同條件下的輸出電流密度

最后,將飽和電流密度和相應的發電參數代入式(3)可計算得到W發射極在不同條件下的有效功函數,以及所對應的TE/TCs,列于表3。

表3 W發射極的有效功函數以及對應的TE/TCs

為對本次試驗測量和計算方法的準確性進行評估,將利用試驗數據計算得到的W發射極吸銫功函數與相關文獻中的理論或試驗值進行對比分析。Rasor等[16]在熱離子能量轉換理論方面做過大量研究,并針對金屬發射極表面的功函數進行了系統的計算推導和數據對比,因此將其作為本次W發射極功函數的校驗參考值。將本次試驗中計算的W發射極有效功函數與Rasor等的值進行對比,結果如圖6所示。從圖6可看出,本次計算結果與相同參數范圍內的對比值之間吻合較好,大部分數據的平均測量誤差<5%(圖6中圓圈內)。為獲得最大的偏差值,分別選擇與理論和試驗數據之間偏差最大的測量值進行計算,計算結果如下:

圖6 本次試驗W發射極的有效功函數與文獻[16]中值的對比

通過以上計算結果可看出,利用平板型W-Mo電極對發電試驗數據計算分析獲得的W發射極吸銫功函數,與代表性文獻中的理論與試驗值相比較,測量偏差明顯小于10%。因此,可認為本研究中所建立的平板型電極對熱離子發電特性的測試技術準確合理,可用來分析電極材料的輸出電特性特征。

3.2 W-Mo電極對的電特性分析

根據平板電極型熱離子能量轉換試驗裝置測得的W-Mo電極對在不同發電條件下的j-V曲線,計算得出其在不同TCs和TE下的輸出功率特征分別如圖7、8所示。從圖可看出,轉換器的輸出功率密度隨輸出電壓均呈現出先增大后減小的趨勢,即在輸出過程中存在一峰值,該峰值即為不同發電條件下獲得的最大輸出功率密度,列于表4。

表4 W-Mo電極對在不同發電參數下的輸出功率密度

圖7 W-Mo電極對在不同TCs下的輸出功率密度曲線

觀察TE對輸出功率密度的影響(圖7),可看出,在TCs為564、591 K時,隨著TE的增加,輸出功率最大值也逐漸增大,而在TCs為577 K時,最大輸出功率則隨TE升高先增大后減小(圖8)。而在不同TE下觀察溫度對輸出功率密度的影響,可看出最大輸出功率密度對應的TCs均為577 K,這說明在TE為1 600、1 800、1 900 K時的最佳銫壓均為267.7 Pa。另外,對比TE和TCs的影響,可以看出在本次所考察溫度范圍內,TEC輸出功率密度隨TE波動的最大值為2.42 W/cm2(TCs=564 K),而隨TCs波動的最大值為1.47 W/cm2(TE=1 800 K),說明TE對TEC輸出功率密度的影響更明顯。

圖8 W-Mo電極對在不同TE下的輸出功率密度曲線

根據理查森電子方程jS=AT2exp(-φ/kT)可知,發射電流密度與TE呈平方關系。提高TE可使轉換器的輸出功率成倍增加,但TE將受材料的蒸氣壓、蒸發速度、高強溫度等因素限制,一般情況下,TE需控制在2 073 K以下。隨著TE的增加,熱離子轉換器的輸出功率和效率迅速增加,同時要獲得最大輸出功率的TCs也必須增加。但兩者的比值仍增加,所以發射極的有效功函數ΦE是增加的,列于表3。另一方面,隨著TCs的增加,接收極的有效功函數ΦC是降低的。再則,隨著TE的增加,發射極表面熱電離的銫正離子數增加,體積電離產生的銫正離子數也增多,有效地中和了空間電荷,電子在電極空間傳輸的能量損失極大減小。因此,轉換器的輸出電壓隨TE增加也會增加,列于表4。

本次試驗中,轉換器的最大輸出功率為5.6 W/cm2,對應的發電參數為TE=1 800 K,TCs=577 K,輸出電壓V=0.70 V。因此,在利用W-Mo電極對進行熱離子發電時,要想獲得較高的輸出性能,應將發電參數控制在該值附近。

4 結論

基于平板電極型熱離子能量轉換基礎試驗裝置建立了針對電極對材料熱電轉換特性的測試技術,并開展了W-Mo電極對的熱離子發電測試,對所建立的測試方法進行驗證及評價,同時對W-Mo電極對的熱電轉換特性進行了分析,得出的結論如下:

1) 通過平板型電極對熱電轉換特性的測試技術可以準確測量發射極有效功函數;

2)TE相比TCs對輸出功率密度的影響更明顯,且在1 600～1 900 K的發射極溫度范圍內,對應的最佳銫壓均為267.7 Pa(TCs=577 K);

3) 平板型W-Mo電極對的最大輸出功率為5.6 W/cm2,對應的發電參數為發射極溫度TE=1 800 K,銫壺溫度577 K,輸出電壓0.7 V。

利用平板電極型熱離子能量轉換基礎試驗裝置及所建立的測試技術能有效開展不同電極材料熱離子能量轉換基礎特性的研究,一方面可根據不同電極對材料的發電特性篩選出表現優異,如轉換效率高、性能穩定或應用溫度低的電極對材料;另一方面針對所選擇的電極對材料,可根據其不同條件下的輸出特性篩選出較優的工作參數,如TE、TCs及TC等。由于平板電極型轉換器的試驗周期短,試驗操作相對簡單易控,且研究成本低,可大大促進新型電極材料的研發以及高效TEC的研制,推動了TEC未來在空間反應堆及地面小型發電源中的應用。