杨初平 耿屹楠 王捷 刘兴南 时振刚

(清华大学核能与新能源技术研究院, 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室, 北京 100084)

本文建立了高气压下的氦气放电模型, 通过与试验对比, 验证了模型的有效性, 并利用该模型对高气压下“场致发射”的影响进行了探讨.通过Fowler-Nordheim方程将电流密度转化为电子通量, 并将电子通量添加到COMSOL相应的壁边界条件中进行仿真, 在宏观层面(击穿电压)以及微观层面(空间电子密度)进行分析.研究发现, 场致发射电流密度J由电场强度E、场增强因子 β 以及金属逸出功W共同决定; β =300 时场致发射的影响可以忽略, 而对于 β =400 、电场强度10 MV/m以上的工况, 场致发射对击穿的影响较大; 对于以铜为平行平板电极的氦气击穿来说, 电场强度E小于8 MV/m 时可以忽视场致发射的作用; 在微观层面上, 场致发射能够给放电空间提供新的“种子电子”, 进而提升整个空间的电子密度, 使得粒子碰撞反应加剧,最终导致击穿.

1 引 言

高温气冷堆(high-temperature gas-cooled reactor, HTGR)作为第四代反应堆堆型之一, 由于其具有较高的固有安全性和热电转化效率等优势, 近年来得到了广泛关注[1].氦气具有中子吸收截面小、化学性质稳定、高比热、高导热系数等特点, 故被选用为HTGR的一回路冷却剂.HTGR在运行工况下的氦气压力高达7 MPa, 这就给工作在氦气环境下的主氦风机及其电磁轴承、电气贯穿件等电气设备的绝缘设计带来了挑战, 故研究高气压下的氦气击穿特性具有十分重要的工程意义[2].在7 MPa下……