Введение к работе
з
Актуальность работы. В настоящее время ведутся работы по созданию коммерчески привлекательных электрогенерирующих систем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе апробированной в космосе наукоёмкой термоэмиссионной технологии.
Разработанные в ГНЦ РФ-ФЭИ термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) на основе низкотемпературных высокоэффективных электродных материалов в проведённых экспериментах показали значительное увеличение коэффициента преобразования тепловой энергии в электрическую при пониженных температуре и плотности энергосъёма.
В соответствии с экспериментальными данными о характеристиках рабочего
процесса низкотемпературного высокоэффективного ТЭП, полученными в лабо
ратории исследования фундаментальных проблем преобразования различных ви
дов энергии ГНЦ РФ-ФЭИ, с которой диссертант сотрудничал в ходе выполнения
настоящей работы, впервые появилась принципиальная возможность разработки
коммерчески привлекательных термоэмиссионных электрогенерирующих систем
(ТЭС) с к.п.д. преобразования тепловой энергии в электричество (20-25) %.
Особенностью ТЭП на основе низкотемпературных высокоэффективных электродных материалов является рабочий режим с пониженной плотностью энергосъёма, что потребовало разработки новых конструктивных форм ТЭС с увеличенной площадью эмиссионной поверхности и сложной геометрией электродов. В настоящее время в ГНЦ РФ-ФЭИ создаётся новая технологическая платформа низкотемпературных ТЭС, на базе которой ведётся разработка проекта коммерчески привлекательной микро АЭС с установленной электрической мощностью до 5 МВт с к.п.д. (15-20) %. Обоснование проектных решений ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения в части ТЭС потребовало модернизации существующих и разработки новых методик расчёта теплоэлектрофизических характеристик вследствие существенного изменения конструктивных форм и условий протекания термоэмиссионного процесса.
Основные уравнения математической модели тепловых и электрических процессов, протекающих в единичном электрогенерирующем элементе (ЭГЭ) ЯЭУ прямого преобразования энергии, были впервые получены Ю. С. Юрьевым в начале 60-х годов. Разработка методов решения системы нелинейных уравнений ЭГЭ была проведена Синявским В. В., Бабушкиным Ю. В., Зиминым В. П., Мен-дельбаумом М. А., Савиновым А. П., Линником В. А., Шиманским А. А., Ружни-ковым В. А. и др. Первоначально, из-за отсутствия достаточно мощных вычислительных машин, разрабатываемые методы расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС основывались на аналитическом решении системы уравнений ЭГЭ, что приводило к необходимости упрощения математической модели. В частности, приходилось вводить допущения о линейности локальной вольт-амперной характеристики (ВАХ) ТЭП, постоянстве температуры коллектора и плотности эмиссионного тока по длине ЭГЭ. При этих допущениях уравнение теплопроводности для коллектора вообще исключалось из математической модели, а уравнение теплопроводности для эмиттера при условии линеаризации члена, описывающего теплопередачу излучением, и уравнение для межэлектродного напряжения становились линейными и допускали аналитическое решение. Позднее для решения нелинейного уравнения теплопроводности для эмиттера были применены вариационные методы и метод Галёркина, позволяющие более точно рассчитать распределение температуры его поверхности. Дальнейшее развитие методов расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС ЯЭУ прямого преобразования энергии было связано с разработкой численных методов решения системы нелинейных дифференциальных уравнений ЭГЭ. Конечным этапом в эволюции расчётных методик явилось создание программных комплексов (ПК), позволяющих проводить расчёт нейтронных, теплоэлектрофизических, термомеханических и других характеристик ЯЭУ прямого преобразования энергии. В настоящее время совершенствование методик расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС сводится, в основном, к сохранению созданных ранее методик и их адаптации под современную вычислительную технику.
Актуальность работ в области создания новых методик расчёта теплоэлектрофизических характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих систем, в первую очередь, обусловлена:
проведением в настоящее время работ по созданию коммерчески привлекательных электрогенерирующих систем прямого преобразования энергии на основе апробированной в космосе наукоёмкой термоэмиссионной технологии, в том числе для ЯЭУ нового поколения;
ограниченной возможностью использования созданных ранее методик расчёта теплоэлектрофизических характеристик для расчёта ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов;
наличием большого объёма экспериментальных данных о рабочем процессе высокоэффективного низкотемпературного ТЭП в отсутствие эффективной методики их использования в расчётных кодах;
необходимостью создания современного программного обеспечения для проведения расчётов теплоэлектрофизических характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих систем на основе математически корректных методов в рамках физически обоснованных моделей;
необходимостью проведения теплоэлектрофизических расчётов в обоснование концепции ТЭС коммерчески привлекательной ЯЭУ прямого преобразования энергии.
Цель диссертационной работы - модификация существующих и разработка новых методик расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов с использованием экспериментальных данных о ВАХ ТЭП в широком диапазоне изменения параметров рабочего процесса для обоснования проектных решений ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
анализ существующих методик расчёта теплоэлектрофизических характери
стик ТЭС и определение направления их модификации для проведения работ в
6 обоснование проектных решений ЯЭУ прямого преобразования энергии нового
поколения;
разработка унифицированной методики использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП, основанной на аппроксимации многомерными функциями банков экспериментальных данных;
модификация существующего программного кода для расчёта теплоэлек-трофизических характеристик ТЭС путём использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП;
разработка инженерной методики расчёта ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов для ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения на основе их двумерной математической модели с использованием дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в том, что
впервые предложена методика использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП в расчётах теплоэлек-трофизических характеристик ТЭС, позволившая использовать накопленный экспериментальный материал непосредственно в расчётных кодах;
впервые получены многомерные аппроксимирующие функции для экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП с электродной парой \У(110)-\Уполикр. и с электродной парой Рі-ВХ2У, интегрируемые в существующие коды для расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС;
создана методика расчёта ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов для ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения на основе двумерной математической модели, впервые позволяющая использовать в широком диапазоне изменения параметров термоэмиссионного процесса дискретные экспериментальные данные о ВАХ энергетического режима работы ТЭП.
Практическая значимость заключается в том, что
показана возможность аппроксимации дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП многомерными функциями с использованием стандартных методов многомерной аппроксимации с оцененной погрешностью не более 5 %;
решена задача численного моделирования ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов в полном объёме, включая распределения температуры и потенциала не только непосредственно на электродах, но и в окружающих их конструкционных элементах, что позволит выполнить расчёт термомеханических напряжений для обоснования проектных решений ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения;
разработанные коды позволяют существенно снизить временные затраты при проведении вариантных расчётов теплоэлектрофизических характеристик в обоснование проектных решений ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов, в том числе для ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения.
Положения, выносимые на защиту.
Унифицированная методика использования дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП для расчётов теплоэлектрофизических характеристик ТЭС, основанная на аппроксимации многомерными функциями банков экспериментальных данных.
Методика расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов, в том числе для ЯЭУ прямого преобразования энергии нового поколения, на основе двумерной математической модели с использованием дискретных экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП.
Результаты расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС со сложной геометрией конструктивных элементов с использованием многомерных аппроксимирующих функций для экспериментальных данных о ВАХ энергетического режима работы ТЭП с эффективными электродными парами W(110)-\Уполикр. и Рі-ВХ2У.
Достоверность результатов, положений и выводов. Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием математического аппарата и подтверждается данными использования разработанных методик и кодов для решения ряда практических задач. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы большим объёмом проведенных вариантных расчётов и сравнением полученных результатов с ранее опубликованными данными.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:
Международная научно-практическая конференция «Малая энергетика -2006», Москва, 21-24 ноября 2006.
X Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров -2007», г. Обнинск, 1-4 октября 2007 г.
Научно-техническая конференция «Возможности использования ЯЭУ для решения задач ближнего космоса и энергоснабжения напланетных станций и КА исследования дальних планет», Москва, 29-30 ноября 2007 г.
Международный конгресс по усовершенствованным ядерным энергетическим установкам, 8-12 июня 2008 г. (ICAPP 2008), г. Анахейм (Калифорния), США, доклад № 8193 (International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '08), Anaheim, CA, USA, June 8-12, 2008).
6-я Курчатовская молодежная научная школа, Москва, 17 - 19 ноября 2008 г.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12-ти публикациях. Две из них являются статьями в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных изданий. Пять докладов опубликованы в трудах международных конференций.
Личный вклад диссертанта. Разработанные методы, выполненные расчётные исследования и представленные в диссертации результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор самостоятельно предложил и разработал методики расчёта теплоэлектрофизических характеристик ТЭС, алго-
ритмы и программы аппроксимации экспериментальных данных, получил основные результаты по оптимизации теплоэлектрофизических характеристик ТЭС для ЯЭУ нового поколения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объём диссертации - 130 страниц. Диссертация содержит 41 рисунок, список использованной литературы включает 99 наименований.
