Проектирование ядерной энергетической установки с многорежимными плазменными термоэмиссионными преобразователями: Учебное пособие, страница 9

На рис. 9 показаны изменения максимальной удельной мощности лабораторного ТЭП с изотермическими и эквипотенциальными электродами плоскопараллельной геометрии (кривая I) и максимальной удельной мощности реального ЭГЭ с коаксиальными электродами (кривая 2) в зависимости от максимальной температуры катода. Наглядно видно, что при низких температурах катода потери в реальной конструкции составляют приблизительно 30% от мощности идеализированного лабораторного преобразователя. С увеличением температуры эта разница существенно растет и при форсированных температурах достигает 2…2,5 раз. Этот значительный резерв может быть использован при разработке конструктивных методов борьбы с электрическими потерями в ЭГК.

Все рассмотренные выше результаты были получены для ЭГК, элементы которого имеют гладкие катоды из поликристаллического вольфрама. Аналогичные расчеты были проверены и для случая использования в ЭГК многополостных катодов. При этом геометрические размеры полостей выбирались оптимальными в соответствии с результатами теоретических и экспериментальных исследований: ширина полостей b_к= 40 мкм, глубина полостей l_к= 200 мкм, степень пористости поверхности П_к=0,5. Условная толщина многополостного катода , рассчитывалась при допущении, что площади поперечных сечений гладкого и многополостного катодов одинаковы

.

Степень черноты поверхности многополостного катода определялась по формуле

, где ε_к - степень черноты гладкого катода.

На рис. 10 и 11 показаны зависимости от тока следующих параметров ЭГЭ: средней мощности ЭГЭ в канале, максимальной температуры сердечника, максимальной и средней температур катода. Указанные зависимости получены при фиксированном (для каждой данной зависимости) значении плотности объемного тепловыделения. Сравнение полученных расчетных кривых с аналогичными характеристиками преобразователя с гладким катодом при одинаковых q_v позволяет отметить ряд особенностей:

- температуры Т_0max, , Т_2max и Т₂ для ЭГЭ с многополостным катодом на 50…100 градусов ниже, чем в случае преобразователя с гладким катодом;

- мощность ЭГЭ с многополостным катодом в 1,4…1,1 раза выше, чем мощность ЭГЭ с гладким катодом (см.табл. 1 и 4);

- с ростом q_v, разница между температурами Т_0max, Т_2max и Т₂ для сравниваемых ЭГЭ увеличивается, что, в свою очередь, снижает различия в уровнях генерируемой мощности (от 1,4 до 1,1 раза).

Более низкий уровень температуры многополостного катода объясняется большей его эмиссионной способностью, что приводит к увеличению потока тепла за счет эмиссионного охлаждения (см. табл. 5). Незначительное увеличение потерь напряжения на омических сопротивлениях в оболочках ЭГЭ с катодом, имеющим многополостную структуру, обусловлено возрастанием полного тока, соответствующего максимальному значению мощности при фиксированных q_v.

Анализ вида распределений по длине элемента температур электродов и плотности тока (рис. 12) показывает, что во всем исследованном диапазоне значений объемного тепловыделения q_v=100…700 Вт/см³ использование многополостных катодов практически не влияет на степень неизотермичности катода и анода. При этом сохраняются все характерные особенности температурных и электрических полей ЭГЭ, рассмотренные выше для случая электродной пары с гладкими поверхностями.