平板型電極對(duì)熱離子能量轉(zhuǎn)換特性的測試技術(shù)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(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所,北京 102413)

熱離子核反應(yīng)堆是空間核電源的重要技術(shù)路線之一,具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn),且技術(shù)較為成熟可靠。熱離子能量轉(zhuǎn)換器(TEC)是熱離子核反應(yīng)堆的關(guān)鍵核心部件,能夠?qū)⒑肆炎儺a(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能,是一種靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換裝置[1-3],其轉(zhuǎn)換效率及服役壽命對(duì)空間熱離子反應(yīng)堆電源的總體性能起著決定性的影響,而相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率限制了熱離子核反應(yīng)堆的進(jìn)一步發(fā)展[4-5]。因此,目前急需研發(fā)新型的電極材料,優(yōu)化TEC的熱電轉(zhuǎn)換性能,提高其轉(zhuǎn)換效率。TEC工作時(shí),發(fā)射極被加熱到高溫,金屬表面發(fā)射電子,飛躍電極間隙到達(dá)接收極,并通過外電路負(fù)載做功后返回發(fā)射極,形成電回路,實(shí)現(xiàn)熱能向電能的直接轉(zhuǎn)換[6]。實(shí)際工程應(yīng)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(zhuǎn)換器,其相對(duì)真空TEC能有效提高轉(zhuǎn)換效率。影響TEC熱電轉(zhuǎn)換性能的因素較多,除了服役環(huán)境工況,發(fā)電時(shí)的參數(shù)選擇,如電極對(duì)的材料類型、電極溫度、銫壓及電極間隙距離等對(duì)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(zhuǎn)換效率,首先應(yīng)開展電極對(duì)材料熱電轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)性能的研究。

俄羅斯(含前蘇聯(lián))和美國是熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究的先驅(qū)[1]。俄羅斯從20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行熱離子能量轉(zhuǎn)換理論方面的研究; 60年代中期開始TOPAZ和ENISY計(jì)劃,建造了大量的臺(tái)架設(shè)施,包括銫低溫等離子體發(fā)生裝置、平板狀和管狀的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置、全尺寸單根發(fā)電元件的堆外發(fā)電臺(tái)架(“里克”熱物理臺(tái)架)以及30多座地面堆裝置,于1987和1988年發(fā)射了兩個(gè)TOPAZ反應(yīng)堆電源系統(tǒng)。美國方面60～70年代也開展過大量的熱離子能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)研究,特別是通過90年代初期的TIP項(xiàng)目,美國引進(jìn)了俄羅斯的ENISY電源系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出先進(jìn)的SPACE-R電源系統(tǒng)。2000年后,俄美等研究者開啟了高性能熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究。我國在20世紀(jì)70年代針對(duì)圓柱形電極對(duì)開展過一些基礎(chǔ)性研究[10-11],驗(yàn)證了熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)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(tái)架上進(jìn)行了發(fā)電試驗(yàn)考驗(yàn),為TEC的持續(xù)發(fā)展和試驗(yàn)研究創(chuàng)造了必要的條件。但由于我國之前缺乏電極等溫等勢(shì)的發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái),因此尚未開展電極材料基礎(chǔ)發(fā)電性能數(shù)據(jù)的研究,不利于新型電極材料的迭代研發(fā)。目前,我國建立了一臺(tái)平板型電極熱離子能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置,可實(shí)現(xiàn)電極等溫等勢(shì)的發(fā)電試驗(yàn),進(jìn)行發(fā)電過程中電極基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)的測試。本文將基于該基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置建立平板型電極電特性的測試、計(jì)算、分析及評(píng)價(jià)的方法,并根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化其熱電轉(zhuǎn)換性能。

1 發(fā)電試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 熱離子基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置及測試方法

平板型電極熱離子轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置由電極系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、銫系統(tǒng)、測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相應(yīng)的支撐連接構(gòu)件和控制系統(tǒng)等組成。基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置的電極系統(tǒng)示意圖如圖1所示,主要由發(fā)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(jié)構(gòu),正對(duì)面的直徑約16 mm,電極間距可調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為0.1～1 mm。

圖1 平板型電極系統(tǒng)的原理圖及結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的真空系統(tǒng)包括內(nèi)真空和外真空兩套系統(tǒng),其中內(nèi)真空系統(tǒng)為準(zhǔn)無油真空系統(tǒng),主要控制平板電極間隙空間內(nèi)的真空環(huán)境;而外真空系統(tǒng)則主要控制發(fā)射極加熱器以及整個(gè)電極系統(tǒng)的高真空工作環(huán)境。發(fā)射極內(nèi)腔采用純鎢絲線圈作為熱離子對(duì)其進(jìn)行加熱,并附加偏壓進(jìn)行電子轟擊,能使發(fā)射極溫度TE達(dá)2 000 K,可調(diào)節(jié)范圍為1 400～1 873 K;接收極受發(fā)射極的輻射加熱,并采用水冷銅套管加氦氣間隙兩者相結(jié)合的方式冷卻控溫,溫度可調(diào)節(jié)范圍為773～1 073 K。

在平板電極系統(tǒng)內(nèi)充入銫蒸氣可顯著提高電極間隙內(nèi)的電離率和轉(zhuǎn)換器的發(fā)電效率,裝置中通過銫壺向電極系統(tǒng)供銫。銫壺放在大法蘭外部,其安裝結(jié)構(gòu)及測溫方式示于圖2,銫壺具有單獨(dú)加熱管,溫度的控制范圍在150～400 ℃之間,與銫壺相通的管路、構(gòu)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(jié)構(gòu)圖及測溫示意圖

在發(fā)電試驗(yàn)過程中,利用平板電極型基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置的測試系統(tǒng)測量恒定發(fā)射極溫度(TE為常數(shù))下的伏安特性曲線。測量時(shí)將給轉(zhuǎn)換器的電極回路輸入一個(gè)三角波型的電流脈沖(圖3)作為外部電子負(fù)載,周期時(shí)間約0.5 s,在該過程中,快速改變電子負(fù)載所消耗的電流(0～40 A),并利用測試系統(tǒng)記錄從空載到短路各點(diǎn)的電流電壓,然后做出不同發(fā)電參數(shù)下熱離子能量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置的輸出伏安特性曲線(j-V曲線),并基于此對(duì)電極材料的電特性進(jìn)行分析。由于整個(gè)測量周期時(shí)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(rèn)為測試是在恒定TE下獲得的曲線,不用考慮其溫度變化對(duì)輸出特性造成的影響。

圖3 負(fù)載所提供的電流脈沖示意圖

1.2 電極對(duì)材料及發(fā)電試驗(yàn)方案

W-Mo電極對(duì)是熱離子能量轉(zhuǎn)換器在臺(tái)架試驗(yàn)及工程應(yīng)用中所采用的較為成熟的電極對(duì)材料,因此本次研究中將采用該電極對(duì)開展熱離子能量轉(zhuǎn)換發(fā)電試驗(yàn)。發(fā)射極材料為多晶純W,其制備工藝采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù);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(jù)平板電極的結(jié)構(gòu)形式完成電極組件的加工和焊接,電極組件安裝至試驗(yàn)裝置前對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械拋光。

本次熱離子發(fā)電試驗(yàn)將通過發(fā)射極吸銫功函數(shù)的測試分析結(jié)果評(píng)價(jià)所建立測試技術(shù)的準(zhǔn)確性,并根據(jù)TE和TCs的調(diào)節(jié)優(yōu)化TEC的熱電轉(zhuǎn)換性能。因此,試驗(yàn)中TE設(shè)置為1 600、1 800、1 900 K 3個(gè)溫度點(diǎn),對(duì)應(yīng)于每種TE設(shè)置的TCs為564、577和591 K,共進(jìn)行9次發(fā)電試驗(yàn)。其中,TE和TCs的溫度選擇一方面是基于裝置可調(diào)節(jié)的工作溫度范圍,另一方面是基于以往的研究經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩電極之間的間隙距離設(shè)置為0.5 mm,在試驗(yàn)過程中保持不變,接收極溫度控制在800～1 000 K內(nèi)。

2 電特性參數(shù)的計(jì)算方案

在進(jìn)行TEC電特性計(jì)算時(shí)需建立一些數(shù)學(xué)公式及模型,涉及到多種數(shù)學(xué)符號(hào)及上下標(biāo)符號(hào),其表達(dá)含義及計(jì)量單位列于表1。

表1 建模所用符號(hào)及其代表的含義、單位

2.1 最佳銫壓計(jì)算

發(fā)電試驗(yàn)時(shí),充銫蒸氣壓力由理論計(jì)算得出,通過Cs的熱動(dòng)力學(xué)飽和數(shù)據(jù)可利用銫壺的溫度判斷電極間隙內(nèi)的銫蒸氣壓,其可通過以下關(guān)系式[12]給出:

(1)

2.2 電特性參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)熱離子發(fā)電試驗(yàn)的測試結(jié)果對(duì)W-Mo電極對(duì)的輸出電特性進(jìn)行計(jì)算分析。在發(fā)電試驗(yàn)過程中,通過測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xiàn)[13-14]中Nottingham等提出的圖形分析技術(shù),利用所測得的j-V曲線進(jìn)行TEC電極電特性參數(shù)及輸出功率密度的計(jì)算。該技術(shù)的分析手段是尋找曲線中的關(guān)鍵點(diǎn),獲得其電流密度,并利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算飽和電流密度,從而進(jìn)行下一步輸出電特性的分析計(jì)算。

圖4 典型的吸銫熱離子能量轉(zhuǎn)換器輸出電流特性

j-V曲線中的關(guān)鍵點(diǎn)為銫電弧工況下輸出電流飽和區(qū)和阻塞區(qū)之間的分界點(diǎn),在實(shí)際試驗(yàn)獲得的曲線中往往通過在低輸出電壓區(qū)域內(nèi),沿輸出電流密度的增大趨勢(shì)做出兩條斜率不同的直線,獲得其交叉點(diǎn),即為關(guān)鍵點(diǎn)k的位置。利用該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電流密度j′,采用經(jīng)驗(yàn)公式(式(2))來計(jì)算出發(fā)射極的飽和電流密度[15]js。

js=j′(1+10pCsd)

(2)

而發(fā)射極的有效功函數(shù)ΦE則通過其輸出飽和電流密度js進(jìn)行計(jì)算:

(3)

熱離子轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的輸出電壓V相乘得到的,即:

Pe=jV

(4)

3 發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 W發(fā)射極吸銫功函數(shù)的計(jì)算與驗(yàn)證

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

圖5 W-Mo電極對(duì)在不同發(fā)電參數(shù)下的伏安特性曲線

然后根據(jù)圖形分析方法,從j-V曲線中尋找關(guān)鍵點(diǎn)k,如圖中“+”號(hào)所示,同時(shí)獲取該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流密度j′,利用式(2),計(jì)算出電極的飽和電流密度。不同發(fā)電條件下獲得的關(guān)鍵點(diǎn)電流密度和飽和電流密度列于表2。

表2 W-Mo電極對(duì)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(yīng)的發(fā)電參數(shù)代入式(3)可計(jì)算得到W發(fā)射極在不同條件下的有效功函數(shù),以及所對(duì)應(yīng)的TE/TCs,列于表3。

表3 W發(fā)射極的有效功函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的TE/TCs

為對(duì)本次試驗(yàn)測量和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估,將利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的W發(fā)射極吸銫功函數(shù)與相關(guān)文獻(xiàn)中的理論或試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。Rasor等[16]在熱離子能量轉(zhuǎn)換理論方面做過大量研究,并針對(duì)金屬發(fā)射極表面的功函數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算推導(dǎo)和數(shù)據(jù)對(duì)比,因此將其作為本次W發(fā)射極功函數(shù)的校驗(yàn)參考值。將本次試驗(yàn)中計(jì)算的W發(fā)射極有效功函數(shù)與Rasor等的值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出,本次計(jì)算結(jié)果與相同參數(shù)范圍內(nèi)的對(duì)比值之間吻合較好,大部分?jǐn)?shù)據(jù)的平均測量誤差<5%(圖6中圓圈內(nèi))。為獲得最大的偏差值,分別選擇與理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間偏差最大的測量值進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下:

圖6 本次試驗(yàn)W發(fā)射極的有效功函數(shù)與文獻(xiàn)[16]中值的對(duì)比

通過以上計(jì)算結(jié)果可看出,利用平板型W-Mo電極對(duì)發(fā)電試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析獲得的W發(fā)射極吸銫功函數(shù),與代表性文獻(xiàn)中的理論與試驗(yàn)值相比較,測量偏差明顯小于10%。因此,可認(rèn)為本研究中所建立的平板型電極對(duì)熱離子發(fā)電特性的測試技術(shù)準(zhǔn)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(duì)的電特性分析

根據(jù)平板電極型熱離子能量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置測得的W-Mo電極對(duì)在不同發(fā)電條件下的j-V曲線,計(jì)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(zhuǎn)換器的輸出功率密度隨輸出電壓均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),即在輸出過程中存在一峰值,該峰值即為不同發(fā)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(duì)在不同發(fā)電參數(shù)下的輸出功率密度

圖7 W-Mo電極對(duì)在不同TCs下的輸出功率密度曲線

觀察TE對(duì)輸出功率密度的影響(圖7),可看出,在TCs為564、591 K時(shí),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(shí),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(duì)輸出功率密度的影響,可看出最大輸出功率密度對(duì)應(yīng)的TCs均為577 K,這說明在TE為1 600、1 800、1 900 K時(shí)的最佳銫壓均為267.7 Pa。另外,對(duì)比TE和TCs的影響,可以看出在本次所考察溫度范圍內(nèi),TEC輸出功率密度隨TE波動(dòng)的最大值為2.42 W/cm2(TCs=564 K),而隨TCs波動(dòng)的最大值為1.47 W/cm2(TE=1 800 K),說明TE對(duì)TEC輸出功率密度的影響更明顯。

圖8 W-Mo電極對(duì)在不同TE下的輸出功率密度曲線

根據(jù)理查森電子方程jS=AT2exp(-φ/kT)可知,發(fā)射電流密度與TE呈平方關(guān)系。提高TE可使轉(zhuǎn)換器的輸出功率成倍增加,但TE將受材料的蒸氣壓、蒸發(fā)速度、高強(qiáng)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(zhuǎn)換器的輸出功率和效率迅速增加,同時(shí)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(fā)射極的有效功函數(shù)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(shù)ΦC是降低的。再則,隨著TE的增加,發(fā)射極表面熱電離的銫正離子數(shù)增加,體積電離產(chǎn)生的銫正離子數(shù)也增多,有效地中和了空間電荷,電子在電極空間傳輸?shù)哪芰繐p失極大減小。因此,轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨TE增加也會(huì)增加,列于表4。

本次試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率為5.6 W/cm2,對(duì)應(yīng)的發(fā)電參數(shù)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(duì)進(jìn)行熱離子發(fā)電時(shí),要想獲得較高的輸出性能,應(yīng)將發(fā)電參數(shù)控制在該值附近。

4 結(jié)論

基于平板電極型熱離子能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置建立了針對(duì)電極對(duì)材料熱電轉(zhuǎn)換特性的測試技術(shù),并開展了W-Mo電極對(duì)的熱離子發(fā)電測試,對(duì)所建立的測試方法進(jìn)行驗(yàn)證及評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)W-Mo電極對(duì)的熱電轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了分析,得出的結(jié)論如下:

1) 通過平板型電極對(duì)熱電轉(zhuǎn)換特性的測試技術(shù)可以準(zhǔn)確測量發(fā)射極有效功函數(shù);

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

3) 平板型W-Mo電極對(duì)的最大輸出功率為5.6 W/cm2,對(duì)應(yīng)的發(fā)電參數(shù)為發(fā)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(zhuǎn)換基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置及所建立的測試技術(shù)能有效開展不同電極材料熱離子能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)特性的研究,一方面可根據(jù)不同電極對(duì)材料的發(fā)電特性篩選出表現(xiàn)優(yōu)異,如轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定或應(yīng)用溫度低的電極對(duì)材料;另一方面針對(duì)所選擇的電極對(duì)材料,可根據(jù)其不同條件下的輸出特性篩選出較優(yōu)的工作參數(shù),如TE、TCs及TC等。由于平板電極型轉(zhuǎn)換器的試驗(yàn)周期短,試驗(yàn)操作相對(duì)簡單易控,且研究成本低,可大大促進(jìn)新型電極材料的研發(fā)以及高效TEC的研制,推動(dòng)了TEC未來在空間反應(yīng)堆及地面小型發(fā)電源中的應(yīng)用。