термоэмиссионный реактор-преобразователь

Формула изобретения

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, включающий корпус, отражатель, активную зону, в корпусе которой размещены термоэмиссионные электрогенерирующие каналы с топливным материалом и электрогенерирующими элементами с коллекторами и эмиттерами, и бустерные твэлы, с системой отвода непреобразованного тепла электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов теплоносителем ядерной энергетической установки со сбросом его излучением в космос, отличающийся тем, что в него введена теплоизоляция, размещенная между корпусом активной зоны и отражателем, а система отвода непреобразованного тепла выполнена в виде тепловых труб, зоны испарения каждой из которых установлены внутри соответствующего коллектора электрогенерирующего элемента, а зоны конденсации образуют поверхность холодильника-излучателя для ядерной энергетической установки, при этом электрогенерирующие элементы каждого термоэмиссионного электрогенерирующего канала соединены параллельно, а на наружной поверхности каждого корпуса электрогенерирующего канала размещена высокотемпературная электроизоляция, а топливный материал расположен внутри корпуса каждого электрогенерирующего канала.

2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция выполнена на основе тонкостенных экранов из тугоплавких металлов W, Mo, Nb или сплавов на их основе.

3. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в зазор между коллектором и корпусом зоны испарения тепловой трубы введена упругая система теплопередающих мостиков, выполненная на основе тугоплавких металлов W, Mo, Nb в виде тонкостенных гибких пластин или отрезков гибкой проволоки, прикрепленных к внешней поверхности корпуса зоны испарения тепловой трубы и к внутренней поверхности коллектора электрогенерирующего элемента под углом относительно оси тепловой трубы, с возможностью образования замкового соединения, при этом величина зазора и длина L пластины или отрезка проволоки отвечают соотношению /2 < Lsin < .

4. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что коллектор и корпус зоны испарения тепловой трубы выполнены за одно целое.

5. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на корпусе тепловой трубы в зоне конденсации установлены горячие спаи термоэлементов, отделенные от корпуса тепловой трубы слоем электроизоляции и соединенные через термоэлементы с холодными спаями, образующими поверхность холодильника-излучателя.

6. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что топливный материал использован в виде соединений урана UO₂, UC, UN, US на основе изотопов ²³⁵U или (и) ²³³U, или композиций этих соединений с высоким содержанием урана по изотопам ²³⁵U или ²³³U.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании ядерных энергетических установок (ЯЭУ) космического назначения.

В термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП) происходит как генерирование тепловой энергии при делении ядер урана, так и непосредственное преобразование ее в электрическую энергию. Элементарной ячейкой ТРП является электрогенерирующий элемент (ЭГЭ), а сборка нескольких ЭГЭ образует электрогенерирующую сборку (ЭГС), называемую обычно электрогенерирующим каналом (ЭГК). В ЭГЭ, включающем эмиттер и коллектор, разделенных межэлектродным зазором (МЭЗ) с цезиевой плазмой, происходит непосредственное преобразование тепловой энергии, выделяемой при делении ядер урана и поступающей к эмиттеру, в электроэнергию. Непреообразованная тепловая энергия от коллектора отводится системой охлаждения, выполняемой, например, в виде контура с циркулирующим с помощью электромагнитных насосов (ЭМН) жидкометаллическим теплоносителем, к холодильнику-излучателю (ХИ). Как правило, в ЭГК предусмотрена специальная система вывода газообразных продуктов деления (ГПД) из топливного материала (ТМ).

Для установок малой мощности (~5-10 кВт эл.) ставится вопрос о конкурентоспособности по массогабаритным и ресурсным характеристикам ЯЭУ на основе ТРП с установками других видов преобразования энергии, например радиоизотопными генераторами, солнечными батареями, электрохимическими генераторами и т.д.

Как правило, ЯЭУ таких мощностей проектируют с ТРП на тепловых нейтронах и замедлителем в активной зоне (а.з.). Так два образца ЯЭУ электрической мощностью ~ 6 кВт, выполненных по программе "Топаз" и успешно прошедшие летные испытания, имели ТРП с гидридциркониевым замедлителем в а.з., к сожалению ограничивающим температуру жидкометаллического теплоносителя величиной ~ 600^oC [1].

С целью получения минимальных размеров ТРП и максимального использования объема а.з. для размещения ЭГК и получения таким образом максимальной электрической мощности, снимаемой с единицы объема а.з., используют ТРП на быстрых нейтронах, где в а.з. отсутствует замедлитель [2]. ТРП на быстрых нейтронах благодаря низкому сечению деления ТМ требуют высокого удельного содержания ТМ в а.з. по сравнению с тепловыми реакторами; объем а.з. у них значительно меньше, отсюда высокие значения плотности энерговыделения. Как правило, установки с такими ТРП проектируют на электрическую мощность порядка 100 кВт и более. В ТРП на быстрых нейтронах можно значительно поднять температуру теплоносителя и т.о. уменьшить габариты ЯЭУ. Кроме того, появляется возможность более широкого выбора материалов, используемых в ТРП и ЯЭУ в целом. Однако требования минимальных масс и габаритов космической ЯЭУ приводят к необходимости дальнейшего уменьшения объема а.з. ТРП.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах, включающий корпус, отражатель, а.з., в корпусе которой размещены термоэмиссионные ЭГК с ТМ и ЭГЭ с коллекторами и эмиттерами и бустерные твэлы с системой отвода непреобразованного тепла электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов теплоносителем ЯЭУ со сбросом его излучением в космос [3].

Для ТРП на быстрых нейтронах, особенно космических ЯЭУ малой мощности при конкуренции с другими типами преобразователей, актуальна задача минимизации массогабаритных характеристик ТРП и ЯЭУ в целом при обеспечении необходимого теплоотвода непреобразованной тепловой энергии за пределы ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение ресурса работы и надежности ТРП и ЯЭУ в целом, уменьшение габаритов ТРП и массогабаритных характеристик ЯЭУ в целом.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, включающем корпус, отражатель, активную зону, в корпусе которой размещены термоэмиссионные электрогенерирующие каналы с топливным материалом и электрогенерирующими элементами с коллекторами и эмиттерами, и бустерные твэлы, с системой отвода непреобразованного тепла электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов теплоносителем ядерной энергетической установки со сбросом его излучением в космос, в него введена теплоизоляция, размещенная между корпусом активной зоны и отражателем, а система отвода непреобразованного тепла выполнена в виде тепловых труб, зоны испарения каждой из которых установлены внутри соответствующего коллектора электрогенерирующего элемента, а зоны конденсации образуют поверхность холодильника-излучателя для ядерной энергетической установки, при этом электрогенерирующие элементы каждого термоэмиссионного электрогенерирующего канала соединены параллельно, а на наружной поверхности каждого корпуса электрогенерирующего канала размещена высокотемпературная электроизоляция, а топливный материал расположен внутри корпуса каждого электрогенерирующего канала. Теплоизоляция выполнена на основе тонкостенных экранов из тугоплавких металлов W, Mo, Nb или сплавов на их основе. В зазор между коллектором и корпусом зоны испарения тепловой трубы введена упругая система теплопередающих мостиков, выполненная на основе тугоплавких металлов W, Mo, Nb в виде тонкостенных гибких пластин или отрезков гибкой проволоки, прикрепленных к внешней поверхности корпуса зоны испарения тепловой трубы и к внутренней поверхности коллектора электрогенерирующего элемента под углом относительно оси тепловой трубы, с возможностью образования замкового соединения, при этом величина зазора и длина L пластины или отрезка проволоки отвечают соотношению /2 < Lsin < . Коллектор и корпус зоны испарения тепловой трубы могут быть выполнены за одно целое. На корпусе тепловой трубы в зоне конденсации могут быть установлены горячие спаи термоэлементов, отделенные от корпуса тепловой трубы слоем электроизоляции и соединенные через термоэлементы с холодными спаями, образующими поверхность холодильника-излучателя. Топливный материал использованы в виде соединений урана UO₂, UC, UN, US на основе изотопов ²³⁵U или (и) ²³³U, или композиций этих соединений с высоким содержанием урана по изотопам ²³⁵U или (и) ²³³U.

Предложение установить теплоизоляцию между отражателем и корпусом а.з. вызвано ограниченностью максимальной рабочей температуры материала отражателя и необходимостью максимально направлять тепловую энергию, выделяемую в ТМ, к эмиттерам ЭГЭ. Теплоизоляция может быть выполнена в виде экранно-вакуумной теплоизоляции. Ввиду высокой температуры корпуса а.з. теплоизоляция должна быть высокотемпературной, особенно это касается тонкостенных экранов вблизи корпуса а.з. Причем чем ближе экран к корпусу а.з., тем жаропрочность материала, из которого он выполнен, должна быть выше. Из предлагаемых тугоплавких металлов наибольшей жаропрочностью обладает W, затем Mo и Nb [4].

В ТРП температура коллектора и соответственно температура в зоне испарения ТТ может достигать 1200-1300K. Часть непреобразованной тепловой энергии при столь высокой температуре можно преобразовать в электроэнергию в термоэлектрических преобразователях, расположенных на корпусе зоны конденсации ТТ так, что поверхности холодных спаев термоэлементов образуют поверхность ХИ ЯЭУ. Таким образом, без существенного увеличения габаритов ЯЭУ можно независимо от термоэмиссионного преобразования получать дополнительную электроэнергию. Кроме того, термоэлементы одновременно предохраняют ТТ от метеоритного пробоя. Каждый термоэлемент состоит из двух полупроводниковых ветвей на основе высокотемпературных материалов, соединенных коммутационными перемычками; в качестве высокотемпературных материалов могут быть использованы материалы на основе кремния и германия, а в качестве электроизоляции - высокотемпературные окислы BeO, Al₂O₃.

Предложение использовать в качестве ТМ комбинацию высокообогащенных соединений урана UO₂, UC, UN, US на основе изотопов ²³⁵U или (и) ²³³U вызвано необходимостью обеспечить высокий запас реактивности ТРП с минимальным объемом а. з. Использование изотопа ²³³U, имеющего повышенный коэффициент воспроизводства нейтронов по сравнению с ²³⁵U, позволяет существенно поднять запас реактивности или уменьшить относительную долю ТМ в а.з. ТРП, одновременно увеличив долю конструкционных материалов, высокотемпературной электроизоляции, пористости по ТМ [5].

Очевидно, мощность ТРП будет ограничена эффективностью теплоотвода, осуществляемого ТТ. Хотя эффективность ТТ может быть достаточно велика, например поверхностная плотность осевого теплового потока в трубах с литием в качестве рабочего тела может составлять ~15 кВт/см² [6].

На фиг. 1 приведена конструкционная схема предложенного термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП). На фиг. 2 показано сечение ТРП в плоскости А-А. На фиг. 3 приведена конструкционная схема электрогенерирующей сборки параллельно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), образующих электрогенерирующий канал (ЭГК). На фиг. 4 показано сечение ЭГК в плоскости Б-Б. На фиг. 5 - конструкционная схема космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ), причем на чертеже условно показана только одна тепловая труба (ТТ) в криволинейном исполнении. На фиг. 6, 7, 8 показаны узлы I, II, III по фиг. 1. На фиг. 9, 10 - узлы IV, V по фиг. 3; на фиг. 11, 12 - узлы IV, V по фиг. 3 как вариант конструкционного исполнения коллектора и корпуса зоны испарения ТТ за одно целое. На фиг. 13 показан узел VI по фиг. 10 в положении теплопередающих мостиков до их взаимного зацепления, а на фиг. 14 - узел VI по фиг. 10 после зацепления с образованием замкового соединения. На фиг. 15 показан узел VII по фиг. 5 расположения термоэлементов на корпусе зоны конденсации ТТ.

На фиг. 1, 2 обозначено: 1 - ТРП; 2 - корпус ТРП; 3 - торцевой отражатель; 4 - тракт подачи Cs; 5 - тракт вывода газообразных продуктов деления (ГПД); 6 - активная зона (а.з.); 7 - ЭГК; 8 - боковой отражатель; 9 - органы регулирования (ОР); 10 - торцевой отражатель; 11 - коммутация ТРП; 12 - корпус а.з.; 13 - нейтронопоглощающая вставка; 14 - бустерный твэл.

На фиг. 3, 4 обозначено: 15 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ); 16 - корпус ЭГК; 17 - высокотемпературная электроизоляция; 18 - топливный материал (ТМ).

На фиг. 5 обозначено: 19 - ядерная энергетическая установка (ЯЭУ); 20 - блок системы подачи Cs; 21 - резервуар-отстойник ГПД; 22 - корпус зоны испарения тепловой трубы (ТТ); 23 - ТТ; 24 - радиационная защита; 25 - приводы ОР; 26 - корпус зоны конденсации ТТ; 27 - холодильник-излучатель (ХИ).

На фиг. 6 - 15 обозначено; 28 - теплоизоляция; 29 - эмиттер; 30 - коллектор; 31 - межэлектродный зазор (МЭЗ); 32 - электроизолирующий дистанционатор; 33 - теплопередающие мостики; 34 - термоэлементы; 35 - горячий спай; 36 - холодный спай; 37 - электроизоляция.

ТРП 1 включает корпус 2, торцевые отражатели 3 и 10, боковой отражатель 8, а. з. 6, в корпусе 12 которой размещены термоэмиссионные ЭГК 7 с ТМ 18 и ЭГЭ 15, а также бустерные твэлы 14. В боковом отражателе 8 размещены ОР 9, например, в виде поворотных цилиндров, с нейтронопоглощающими вставками 13. На фиг. 1 показаны также тракт подачи Cs 4, тракт вывода ГПД 5, коммутация 11 ТРП 1. Между корпусом 12 а.з. 6 и отражателем 3, 8, 10 размещена теплоизоляция 28 на основе тонкостенных экранов, как показано на фиг. 6,7,8. Корпус 16 ЭГК 7 может быть выполнен в виде цилиндра или, для более плотной упаковки ЭГК 7 в а.з. 6, шестигранной призмы, причем ввиду высокой рабочей температуры корпуса ЭГК 7 он выполнен из тугоплавкого металла W, Mo или сплавов на их основе. Для получения необходимых параметров тока и напряжения, снимаемых с ТРП 1 и осуществляемых с помощью системы коммутации 11, на наружной поверхности корпуса 16 ЭГК 7 размещена высокотемпературная электроизоляция 17, ТМ 18 расположен внутри корпуса 16 каждого ЭГК 7.

В каждом термоэмиссионном ЭГК 7 ЭГЭ 15 соединены параллельно. В каждом ЭГЭ 15 эмиттер 29 и коллектор 30 выполнены в виде концентрично расположенных цилиндрических трубок или в виде шестигранных трубок, имеющих общую ось и параллельные грани, как показано на фиг. 9,10, и разделены МЭЗ 31 с помощью электроизолирующих дистанционаторов 32.

Система отвода непреобразованного тепла выполнена в виде ТТ 23, корпуса 22 зоны испарения каждой из которых установлены внутри соответствующего коллектора 30 ЭГЭ 15, а корпуса 26 зоны конденсации образуют поверхность ХИ 27 для ЯЭУ 19, как показано на фиг. 5. На фиг. 5 также показаны блок системы подачи Cs 20, резервуар-отстойник ГПД 21, радиационная защита 24, выполненная в виде теневого конуса, и приводы 25 ОР 9. В зазор между коллектором 30 и корпусом 22 зоны испарения ТТ 23 введена упругая система теплопередающих мостиков 33, выполненная в виде тонкостенных гибких пластин или отрезков гибкой проволоки, прикрепленных к внешней поверхности корпуса 22 зоны испарения ТТ 23 и к внутренней поверхности коллектора 30 ЭГЭ 15 под углом , как показано на фиг. 13. После сборки ТРП 1 упругая система теплопередающих мостиков 33 образует замковое соединение, как показано на фиг. 14.

На фиг. 11, 12 приведена конструкционная схема ЭГЭ 15, где коллектор 30 и корпус 22 зоны испарения ТТ 23 выполнены за одно целое; в этом случае эмиттер и коллектор выполнены цилиндрическими.

На фиг. 15 приведен конструкционный вариант, где на корпусе 26 зоны конденсации ТТ 23 установлены горячие спаи 35 термоэлементов 34, отделенные от корпуса 26 ТТ 23 слоем электроизоляции 37 и соединенные через термоэлементы 34 с холодными спаями 36, образующими поверхность ХИ 27.

ТРП работает следующим образом.

После сборки ТРП 1 и подсоединения его ко всем системам ЯЭУ 19 проводятся необходимые проверки, и при космическом использовании ТРП 1 в составе ЯЭУ 19 выводится в космос на радиационно безопасную орбиту.

По команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП 1 с помощью приводов 25 путем поворота ОР 9, расположенных в боковом отражателе 8 нейтронопоглощающими вставками 13 от а.з. 6. При достижении критичности ТРП 1 в ТМ 18, используемом в виде высокообогащенных соединений урана на основе изотопов ²³⁵U или (и) ²³³U, обеспечивающих высокий запас реактивности ТРП 1 с минимальным объемом а.з. 6 и заключенным в корпусе 16 ЭГК 7 и бустерных твэлов 14, начинает выделяться тепло. Ввиду того, что корпус 12 а.з. 6 теплоизолирован от торцевых отражателей 3, 10 и бокового отражателя 8 тонкостенными экранами теплоизоляции 28, подавляющая часть тепловой энергии будет направлена к ЭГЭ 15 в каждом ЭГК 7, нагревая эмиттеры 29. Из блока системы подачи Cs 20 по тракту подачи Cs 4 пар цезия поступает в МЭЗ 31 каждого ЭГЭ 15. В ЭГЭ 15, включающем эмиттер 29 и коллектор 30, разделенные межэлектродным промежутком 31 с цезиевой плазмой фиксируемыми электроизолирующими дистанционаторами 32, происходит прямое преобразование этой тепловой энергии в электроэнергию, Электрический ток, образуемый в параллельно соединенных ЭГЭ 15 каждого ЭГК 7, благодаря покрытию корпуса 16 высокотемпературной электроизоляцией 17, коммутируется последовательно-параллельным соединением ЭГК 7 коммутацией 11 с получением необходимых параметров тока и напряжения ТРП 1. Непреобразованная тепловая энергия от коллектора 30, как показано на фиг. 9, 10, через теплопередающие мостики 33 (фиг. 14), выполненные на основе тугоплавких металлов W, Mo, Nb, отводится на корпус 22 зоны испарения ТТ 23. Упругая система теплопередающих мостиков 33, выполненная в виде тонкостенных гибких пластин или отрезков гибкой проволоки и прикрепленных к внешней поверхности корпуса 22 зоны испарения ТТ 23 и к внутренней поверхности коллектора 30 ЭГЭ 15 под углом (фиг. 13) относительно оси ТТ 23, не препятствует относительному перемещению корпуса 22 зоны испарения ТТ 23 внутри коллектора 30 в процессе сборки ТРП 1, образуя после сборки замковое соединение, как показано на фиг. 14, препятствующее относительному перемещению эмиттера 29 и коллектора 30 ввиду выполнения соотношения /2 < Lsin < . B случае выполнения коллектора 30 и корпуса 22 зоны испарения ТТ 23 за одно целое, как показано на фиг. 11, 12, непреобразованная тепловая энергия сразу же сбрасывается ТТ 23 излучением в космическое пространство с корпуса 26 зоны конденсации, образующих ХИ 27. В случае использования термоэлектрического преобразователя, как показано на фиг. 15, сбрасываемое тепло поступает на корпус 26 зоны конденсации ТТ 23 через электроизоляцию 37, нагревая горячие спаи 35 термоэлементов 34. Часть тепловой энергии преобразуется в термоэлементах 34 в электроэнергию, а остальная часть сбрасывается излучением с поверхности холодных спаев 36 в космическое пространство.

Следует отметить, что в случае проектирования ЯЭУ с изопотенциальным ХИ в конструктивном варианте, приведенном на фиг. 9, 10, корпус зоны испарения ТТ должен быть электроизолирован.

Как показали предварительные оценки, использование предложенного ТРП, особенно в космических ЯЭУ малой мощности, позволило совместить преимущества быстрого реактора и конструктивную простоту и надежность в работе ТРП с ЭГК на основе параллельно соединенных ЭГЭ, в которых эмиттер и коллектор имеют высоту, равную высоте а.з. При этом обеспечен необходимый теплоотвод из ТРП непреобразованной тепловой энергии с помощью ТТ, отказавшись от сложной системы охлаждения на основе жидкометаллического контура с ЭМН. Расчетные оценки, выполненные для конструкционной схемы ТРП, приведенной на фиг. 1,2, показали, что доля объема а.з. занимаемая ТМ может достигать ~ 60% и более при значительной эмиссионной поверхности; так для а.з. с диаметром 26,5 см и высотой 27 см при диаметре эмиттера 1,06 см площадь эмиссии 1,210⁴ см².

Таким образом, предложенный ТРП позволяет:

поднять плотность топливного материала в а.з. ТРП и тем самым снизить массогабаритные характеристики ТРП и ЯЭУ в целом;

увеличить ресурс работы и надежность ТРП и ЯЭУ в целом за счет конструктивной простоты а.з. ТРП и системы охлаждения;

расширить диапазон использования ТРП на быстрых нейтронах в область малых мощностей ЯЭУ с отработкой технологий используемых перспективных материалов: W, Mo, Nb и Li в качестве жидкометаллического теплоносителя;

накопить опыт и создать естественную преемственность при наращивании мощности ТРП на быстрых нейтронах при создании космических ЯЭУ второго поколения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режимы работы /И.П.Богуш, Г.М.Грязнов, Е.Е.Жаботинский и др. Атомная энергия, том 70, вып. 4, 1991, с. 211-214.

2. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966, с. 11.

3. Пат. 2084044 Россия, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмиссионный реактор-преобразователь/ - N 95101553/07; Заявлено 09.02.95; Опубл. 10.07.97, Бюл. N 19.

4. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник под ред. А.И. Туманова и К. И.Портнова. М.: Машиностроение, 1967, с. 144-149, с. 142, с. 132.

5. А. Джекобс, Д. Клайн, Ф.Ремик. Основы ядерной науки и реакторы. М.: Госатомиздат, 1962, с. 188.

6. Куландин А.С., Тимашев С.В., Зайцев И.В. Энергетические системы космических аппаратов. М.: Наука, 1994, с. 130.