高氣壓氦氣平行極板擊穿電壓及場(chǎng)致發(fā)射的影響

楊初平 耿屹楠 王捷 劉興南 時(shí)振剛

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院, 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

本文建立了高氣壓下的氦氣放電模型, 通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比, 驗(yàn)證了模型的有效性, 并利用該模型對(duì)高氣壓下“場(chǎng)致發(fā)射”的影響進(jìn)行了探討.通過(guò)Fowler-Nordheim方程將電流密度轉(zhuǎn)化為電子通量, 并將電子通量添加到COMSOL相應(yīng)的壁邊界條件中進(jìn)行仿真, 在宏觀層面(擊穿電壓)以及微觀層面(空間電子密度)進(jìn)行分析.研究發(fā)現(xiàn), 場(chǎng)致發(fā)射電流密度J由電場(chǎng)強(qiáng)度E、場(chǎng)增強(qiáng)因子 β 以及金屬逸出功W共同決定; β =300 時(shí)場(chǎng)致發(fā)射的影響可以忽略, 而對(duì)于 β =400 、電場(chǎng)強(qiáng)度10 MV/m以上的工況, 場(chǎng)致發(fā)射對(duì)擊穿的影響較大; 對(duì)于以銅為平行平板電極的氦氣擊穿來(lái)說(shuō), 電場(chǎng)強(qiáng)度E小于8 MV/m 時(shí)可以忽視場(chǎng)致發(fā)射的作用; 在微觀層面上, 場(chǎng)致發(fā)射能夠給放電空間提供新的“種子電子”, 進(jìn)而提升整個(gè)空間的電子密度, 使得粒子碰撞反應(yīng)加劇,最終導(dǎo)致?lián)舸?

1 引 言

高溫氣冷堆(high-temperature gas-cooled reactor, HTGR)作為第四代反應(yīng)堆堆型之一, 由于其具有較高的固有安全性和熱電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)勢(shì), 近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注[1].氦氣具有中子吸收截面小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、高比熱、高導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn), 故被選用為HTGR的一回路冷卻劑.HTGR在運(yùn)行工況下的氦氣壓力高達(dá)7 MPa, 這就給工作在氦氣環(huán)境下的主氦風(fēng)機(jī)及其電磁軸承、電氣貫穿件等電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn), 故研究高氣壓下的氦氣擊穿特性具有十分重要的工程意義[2].在7 MPa下……