термоэмиссионный электрогенерирующий модуль активной зоны ядерного реактора с прямым преобразованием энергии

Формула изобретения

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль ядерного реактора с прямым преобразованием энергии, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми патрубками и тоководами, с размещенными в корпусе электрогенерирующими элементами с кольцевыми тепловыделяющими элементами, отличающийся тем, что на оси корпуса размещена центральная труба, термоэмиссионные электрогенерирующие элементы, содержащие эмиттер и коллектор, размещены в кольцевом пространстве, образованном центральной трубой и цилиндрическим корпусом, причем эмиттер образован нанесением эмитирующего электроны покрытия по меньшей мере на часть внутренней и внешней цилиндрической поверхности чехла кольцевого тепловыделяющего элемента, а коллектор выполнен из двух коаксиально расположенных внутреннего цилиндрического электрода и внешнего цилиндрического электрода, при этом внутренний цилиндрический электрод коллектора контактирует с внешней поверхностью центральной трубы своей внутренней цилиндрической поверхностью и снабжен поглощающим электроны покрытием на внешней цилиндрической поверхности, а внешний цилиндрический электрод коллектора контактирует внешней цилиндрической поверхностью с внутренней цилиндрической поверхностью цилиндрического корпуса и на своей внутренней цилиндрической поверхности снабжен поглощающим электроны покрытием, внутренний и внешний цилиндрические электроды коллектора верхними торцами соединены с нижним торцом чехла кольцевого тепловыделяющего элемента, при этом тепловыделяющий элемент каждого последующего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента размещен с аксиальными зазорами между внутренним и внешним цилиндрическими электродами коллектора предыдущего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение внутреннего и внешнего цилиндрических электродов коллектора с кольцевым тепловыделяющим элементом выполнено кольцевой перфорированной перемычкой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве эмитирующего электроны покрытия применена платина.

4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что в качестве поглощающего электроны покрытия применен сплав ВХ2У.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхность внутренней полости цилиндрического корпуса и внешнюю поверхность центральной трубы нанесен слой электроизоляции.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности внутреннего и внешнего цилиндрических электродов коллектора, контактирующих со стенками цилиндрического корпуса и центральной трубы, нанесен слой электроизоляции.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловыделяющий элемент содержит полость, размещенную со стороны коллектора и составляющую по высоте от 5 до 20% длины кольцевого тепловыделяющего элемента.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что чехлы кольцевых тепловыделяющих элементов частично заполнены блоками топлива, выполненными в виде вложенных друг в друга колец с аксиальным зазором, обеспечивающим компенсацию температурного расширения, причем отношение радиальных толщин внешнего и внутреннего колец равно отношению внешнего и внутреннего диаметров чехла кольцевого тепловыделяющего элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в качестве источника электропитания в составе космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ).

Известен термоэмиссионный электрогенерирующий модуль (ТЭМ) для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (патент РФ №2187156, приоритет 29.06.2000). ТЭМ для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую содержит термоэмиссионную систему преобразования тепловой энергии в электрическую, совмещенную с зоной конденсации высокотемпературной тепловой трубы, эмиттеры и коллекторы термоэмиссионных электрогенерирующих элементов соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри электрогенерирующего канала с парами цезия, электрогенерирующий канал встроен в электрически нейтральный корпус модуля, внутри корпуса размещена высокотемпературная тепловая труба, содержащая в испарительной зоне кольцевой тепловыделяющий элемент, а в зоне конденсации многоэлементный электрогенерирующий канал с последовательно соединенными в электрическую цепь от 2 до 20 электрогенерирующими элементами.

Недостатками такого устройства являются:

- снижение надежности вследствие введения теплопередающего устройства ограниченного ресурса - высокотемпературной тепловой трубы;

- увеличение вероятности метеорного разрушения как следствие увеличенных габаритов установки ввиду вынесения из активной зоны термоэмиссионного генератора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термоэмиссионный энергетический модуль, представленный в [М.К.Овчаренко, А.К.Альмамбетов, Е.Г.Виноградов, А.Н.Забудько, В.И.Ионкин, Г.Э.Лазаренко, А.С.Михеев, А.П.Пышко, В.И. Ярыгин. Концепция космической ЯЭУ на основе ЭГК с внешним расположением топлива. Международная научно-техническая конференция «Ядерная энергетика в космосе-2005». Сборник докладов в 3-х томах, т.2, с.240-246. 1-3 марта 2005 г., Москва, Подольск].

Известное техническое решение содержит прочный корпус в виде охлаждаемой теплоносителем тубы, внешняя поверхность которой электроизолирована, и на ней расположены цилиндрические коллекторы термоэмиссионных элементов, отделенные от цилиндрических эмиттеров, размещенных на внутренней поверхности кольцевых ТВЭЛ, кольцевым межэлектродным зазором, заполненным парами цезия.

Недостатками этого решения являются:

- относительно высокая удельная энергонапряженность термоэмиссионных элементов, обусловленная односторонним размещением электрогенерирующих элементов относительно кольцевого ТВЭЛ;

- относительно высокая рабочая температура эмиттера (1750 К);

- большая величина термических напряжений на оболочках кольцевых ТВЭЛ, обусловленная значительной разностью температур на внутренней и внешней цилиндрических оболочках ТВЭЛ вследствие одностороннего (со стороны внутренней цилиндрической оболочки ТВЭЛ) охлаждения;

- жесткие требования к стабильности геометрических характеристик межэлектродного кольцевого зазора между эмиттером и коллектором вследствие сильной зависимости эффективности преобразования энергии от величины межэлектродного зазора при указанных температурах эмиттера.

Перед авторами стояла задача устранения указанных недостатков, а именно создать термоэмиссионный электрогенерирующий модуль активной зоны ядерного реактора с прямым преобразованием энергии, потенциально обладающий большим рабочим ресурсом и повышенной надежностью за счет снижения энергонапряженности и рабочей температуры эмиттеров при сохранении выходной электрической мощности модуля.

Для решения поставленной задачи в термоэмиссионном электрогенерирующем модуле ядерного реактора с прямым преобразованием энергии, содержащем цилиндрический корпус с торцевыми патрубками и тоководами, с размещенными в корпусе термоэмиссионными электрогенерирующими элементами с кольцевыми тепловыделяющими элементами, предлагается:

- на оси корпуса разместить центральную трубу;

- термоэмиссионные электрогенерирующие элементы, содержащие эмиттер и коллектор, разместить в кольцевом пространстве, образованном корпусом и центральной трубой;

- эмиттер формировать нанесением эмитирующего электроны покрытия, по меньшей мере, на часть цилиндрических поверхностей чехла кольцевого тепловыделяющего элемента;

- коллектор выполнить из двух коаксиально расположенных внутреннего цилиндрического электрода и внешнего цилиндрического электрода, причем внутренний цилиндрический электрод коллектора контактирует с внешней поверхностью центральной трубы своей внутренней цилиндрической поверхностью и снабжен поглощающим электроны покрытием на внешней цилиндрической поверхности, а внешний цилиндрический электрод коллектора контактирует внешней цилиндрической поверхностью с внутренней цилиндрической поверхностью цилиндрического корпуса и на своей внутренней цилиндрической поверхности снабжен поглощающим электроны покрытием;

- внутренний и внешний цилиндрические электроды коллектора верхними торцами соединить с нижним торцом чехла кольцевого тепловыделяющего элемента. Кольцевой тепловыделяющий элемент каждого последующего электрогенерирующего элемента разместить с аксиальными зазорами между цилиндрическими электродами коллектора предыдущего электрогенерирующего элемента.

В частных случаях в устройстве предлагается следующее:

- соединение внутреннего и внешнего цилиндрических электродов коллектора с кольцевым тепловыделяющим элементом выполнить кольцевой перфорированной перемычкой;

- в качестве эмитирующего электроны покрытия применить платину;

- в качестве поглощающего электроны покрытия применить сплав ВХ2У;

- на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса и на внешнюю цилиндрическую поверхность центральной трубы наносить слой электроизоляции;

- на поверхности внутреннего и внешнего цилиндрических электродов коллектора, контактирующих со стенками корпуса и центральной трубы, наносить слой электроизоляции;

- кольцевой тепловыделяющий элемент выполнить с полостью, размещенной со стороны коллектора и составляющей по высоте от 5 до 20% длины кольцевого тепловыделяющего элемента;

- чехлы кольцевых тепловыделяющих элементов заполнить блоками топлива, выполненными в виде вложенных друг в друга колец с аксиальным зазором, обеспечивающим компенсацию температурного расширения, причем отношение радиальных толщин внешнего и внутреннего колец выбирать равным отношению внешнего и внутреннего диаметров чехла кольцевого тепловыделяющего элемента. Технические результаты изобретения:

- примерно двукратное увеличение термоэмиссионной поверхности термоэмиссионного электрогенерирующего модуля по сравнению с прототипом. Увеличение термоэмиссионной поверхности позволяет при сохранении выходной электрической мощности термоэмиссионного электрогенерирующего модуля снизить энергонапряженность термоэмиссионной поверхности. Уменьшение энергонапряженности эмиссионной поверхности сопровождается снижением ее рабочей температуры. Уменьшение температуры эмиттера на каждые 100 К, как правило, сопровождается увеличением срока службы примерно на порядок (см. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К.Кикоина. М., Атомиздат. 1976, 1008 с., с.447-448).Согласно данным, представленным в (Ярыгин Д.В., Миронов B.C., Соловьев Н.П., Тулин С.М., Ярыгин В.И. Термоэмиссионный преобразователь с высокими выходными электрическими характеристиками на основе металл-кислородной системы на коллекторе. - Атомная энергия, 2000, т.89, вып.1, с.39-48), эффективность эмиттера на основе молибдена с покрытием платиной сохраняется при температурах до 1300 К;

- снижены термомеханические нагрузки в чехле кольцевого ТВЭЛ за счет снижения уровня рабочих температур и равномерного охлаждения;

- решен вопрос дистанционирования эмиттера относительно узла коллектора, т.к. при температуре эмиттера 1400 К величина межэлектродного зазора становится некритичной в широком интервале размеров (0.4-1.1 мм) и выбирается равной 0.8 мм, что увеличивает рабочий допуск на величину межэлектродного зазора (Миронов B.C., Агафонов В.Р., Терехов С.В., Тулин С.М., Ярыгин В.И. Эффективный низкотемпературный ТЭП нового поколения. Международная научно-техническая конференция «Ядерная энергетика в космосе-2005», 1-3 марта 2005 г., Москва, Подольск);

- наличие отверстий в кольцевой перфорированной перемычке, соединяющей внутренний и внешний цилиндрические электроды узла коллектора с кольцевым тепловыделяющим элементом, обеспечивает возможность сквозной вентиляции межэлектродных зазоров парами цезия;

- применение высокоэффективной низкотемпературной термоэмиссионной пары «платина (эмиттер) - сплав ВХ2У (коллектор)» обеспечивает приемлемый КПД преобразования (на уровне 10%) при температуре эмиттера 1400-1500 К при плотности энергосъема до 1,5 Вт _ЭЛ/см²;

- введение слоя электроизоляции между корпусом устройства и цилиндрическими электродами коллекторов термоэмиссионных электрогенерирующих элементов позволяет выполнить устройство многоэлементным и обеспечить напряжение на выходе термоэмиссионного электрогенерирующего модуля порядка 8 В;

- наличие в кольцевом тепловыделяющем элементе полости, размещенной со стороны коллектора и составляющей по высоте от 5 до 20% длины кольцевого тепловыделяющего элемента, увеличивает термическое сопротивление между кольцевым тепловыделяющим элементом и узлом коллектора термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, снижая тем самым величину байпасных протечек тепла от кольцевого тепловыделяющего элемента к цилиндрическому корпусу, а также обеспечивает конденсацию летучих продуктов деления, выделяющихся из блоков топлива;

- заполнение чехлов кольцевых тепловыделяющих элементов блоками топлива, выполненных в виде вложенных друг в друга колец с аксиальным зазором для компенсации температурных перемещений, при отношении радиальных толщин внешнего и внутреннего колец, равном отношению внешнего и внутреннего диаметров кольцевого тепловыделяющего элемента, оптимальным образом распределяет тепловые потоки и тем самым выравнивает температуры на чехле кольцевого тепловыделяющего элемента, что снижает термомеханические напряжения в блоках топлива и чехле кольцевого тепловыделяющего элемента.

Конструктивные особенности заявляемого технического решения позволяют снизить рабочие температуры эмиттеров и устранить термомеханические напряжения в чехлах кольцевых тепловыделяющих элементов, повышая тем самым надежность созданной на его основе ядерной энергетической установки в процессе длительной эксплуатации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено аксонометрическое изображение термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, на фиг.2 - поперечное сечение термоэмиссионного электрогенерирующего модуля, на фиг.3 - продольное сечение термоэмиссионного электрогенерирующего модуля (вариант с раздельным подводом теплоносителя), на фиг.4 - фрагмент термоэмиссионного электрогенерирующего модуля (вариант с общим подводом теплоносителя).

На фиг.1-4 приняты следующие обозначения: узел коллектора, 2 - кольцевой тепловыделяющий элемент, 3 - кольцевая перфорированная перемычка, 4 - отверстия в кольцевой перфорированной перемычке, 5 - внутренний цилиндрический электрод коллектора, 6 - внешний цилиндрический электрод коллектора, 7 - поглощающее электроны покрытие, 8 - чехол тепловыделяющего элемента, 9 - эмитирующее электроны покрытие, 10 - блоки топлива, 11 - аксиальный зазор между кольцами блока топлива, 12 - полость, 13 - межэлектродный зазор, 14 - слой электроизоляции, 15 - центральная труба, 16 - корпус, 17 - термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, 18 - трубная доска центральных труб, 19 - трубная доска корпусов, 20 - полость коммутации, 21 - токовод, 22 - патрубки, 23 - перепускные каналы, 24 - канал продувки пара цезия.

Устройство содержит от 2 до 20 термоэмиссионных электрогенерирующих элементов, представленных на фиг.1, состоящих из узла коллектора 1 и кольцевого тепловыделяющего элемента 2, соединенных кольцевой перфорированной перемычкой 3 с отверстиями 4 для пропуска паров цезия. Узел коллектора 1 включает коаксиально расположенные внутренний 5 и внешний 6 цилиндрические электроды коллектора, выполненные в виде отрезков труб.

На внешней цилиндрической поверхности внутреннего цилиндрического электрода коллектора 5 и внутренней цилиндрической поверхности внешнего цилиндрического электрода коллектора 6 размещено поглощающее электроны покрытие 7, например, нанесен слой сплава ВХ2У толщиной 3-10 мкм. Кольцевой тепловыделяющий элемент 2 состоит из чехла кольцевого тепловыделяющего элемента 8, выполненного из тугоплавкого материала, например молибдена, толщиной 0,5-1,0 мм, по меньшей мере на часть цилиндрических поверхностей чехла кольцевого тепловыделяющего элемента 8 нанесено эмитирующее электроны покрытие 9, например, в виде слоя платины толщиной 1-10 мкм. Внутренняя кольцевая полость чехла кольцевого тепловыделяющего элемента 8 частично заполнена блоками топлива 10, например, в виде композиции на основе двуокиси высокообогащенного урана. Каждый блок топлива 10 состоит из двух вложенных друг в друга колец, с аксиальным зазором, обеспечивающим компенсацию температурного расширения (величина зазора до 0,3 мм). Кроме того, наличие аксиального зазора между кольцами блока топлива 11 позволяет выровнять плотность теплового потока на внутренней и внешней поверхностях чехла тепловыделяющего элемента 8 и тем самым выровнять температуру поверхностей чехла тепловыделяющего элемента 8, что снижает уровни термических напряжений в чехле тепловыделяющего элемента 8 и в блоках топлива 10. Введение аксиального зазора между кольцами блока топлива 11 способствует также удалению газообразных и летучих продуктов деления из топливной композиции и препятствует формоизменению блоков топлива 10 по мере выгорания. Незаполненная блоками топлива 10 часть внутренней полости чехла тепловыделяющего элемента 8 составляет от 5 до 20% длины чехла тепловыделяющего элемента 8 и образует полость 12 для сбора газообразных и летучих продуктов деления, вышедших из топливной композиции. Полость 12 размещена со стороны кольцевой перфорированной перемычки 3 и выполняет дополнительно функцию термической изоляции между узлом коллектора 1 и блоками топлива 10.

В термоэмиссионном электрогенерирующем модуле термоэмиссионные электрогенерирующие элементы 17 собраны в гирлянду. Кольцевой тепловыделяющий элемент 2 каждого предыдущего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента размещен между внутренним и внешним цилиндрическими электродами коллектора 5 и 6 каждого последующего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента 17 с аксиальными зазорами от 0,4 до 1,2 мм, как это показано на фиг.2. Внутренний и внешний цилиндрические электроды коллектора 5 и 6 через слой электроизоляции 14 (композиция на основе оксида алюминия) опираются соответственно на внешнюю поверхность центральной трубы 15 и внутреннюю поверхность корпуса 16 термоэмиссионного электрогенерирующего модуля. Внутренняя поверхность центральной трубы 15 и внешняя поверхность корпуса 16 омываются теплоносителем, например, расплавом лития.

Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль может быть выполнен в двух вариантах, отличающихся исполнением концевых участков.

Вариант 1 - термоэмиссионный электрогенерирующий модуль с раздельным подводом теплоносителя в пространство между термоэмиссионными электрогенерирующими модулями и в центральные трубы 15 представлен на фиг.3. Центральная труба 15 вварена в трубные доски центральных труб 18, корпус 16 термоэмиссионного электрогенерирующего модуля вварен в трубные доски корпусов 19, между трубными досками 18 и 19 образованы полости коммутации 20. В полостях коммутации 20 размещены перемычки для последовательного соединения тоководов 21 соседних термоэмиссионных электрогенерирующих модулей в группы для получения выходного напряжения на шинах реактора - преобразователя порядка 120 В. Полости коммутации 20 выполняют также функции напорного и сливного коллекторов пара цезия, через открывающиеся в них патрубки продувки пара цезия 22 осуществляется прокачка пара цезия через межэлектродные зазоры 13 и отверстия в кольцевых перфорированных перемычках 4. Тоководы 21 электроизолированы от центральной трубы 15 и корпуса 16, соединены с концевыми термоэмиссионными электрогенерирующими элементами 17, выполненными в виде половинок термоэмиссионного электрогенерирующего элемента 17, представленного на фиг.1. К одному тоководу 21 (например, верхнему) крепится кольцевой тепловыделяющий элемент 2, к другому (например, нижнему) - узел коллектора 1. Дистанционирование концевых термоэмиссионных электрогенерирующих элементов 17 осуществляется тоководами 21. Корпус 16 в районах трубных досок корпусов 19 сужен, что увеличивает проходное сечение пространства между термоэмиссионными электрогенерирующими модулями и формирует полости коллекторов для отвода и подвода теплоносителя.

Вариант термоэмиссионного электрогенерирующего модуля с общим подводом теплоносителя (изображен на фиг.4) отличается конструкцией концевых элементов. На концевых участках термоэмиссионного электрогенерирующего модуля корпус 16 сужен и на его поверхность выведены перепускные каналы 23, сообщенные с внутренней полостью центральной трубы 15. Токовод 21 выполнен разрезным и проведен через просветы между перепускными каналами 23 в полость корпуса 16 выше сужения. Тоководы 21 выполнены полыми, их центральные каналы продувки пара цезия 24 предназначены для пропуска пара цезия через полость, образованную центральной трубой 15 и корпусом 16.

Устройство работает следующим образом. Пакет термоэмиссионных электрогенерирующих модулей формирует активную зону ядерного реактора, преимущественно на быстрых нейтронах, с жидкометаллическим теплоносителем.

Подготовка термоэмиссионного электрогенерирующего модуля к работе заключается в предварительном прогреве его конструктивных элементов, например, за счет тепла, выделяющегося в кольцевых тепловыделяющих элементах 2, с последующим заполнением межэлектродных зазоров 13 паром цезия через полости коммутации 20 и патрубки 22. За счет тепла, выделяемого в результате ядерных реакций в топливных блоках 10, чехлы кольцевых тепловыделяющих элементов 8 с нанесенным на них эмитирующим электроны покрытием 9 прогревается до уровня рабочих температур и через межэлектродный зазор 13 начинает течь электрический ток. Непреобразованное тепло отводится теплоносителем (например, литием), омывающим внешнюю поверхность корпуса 16 и внутреннюю поверхность центральной трубы 15. Рабочее давление пара цезия устанавливают в диапазоне 60-300 Па. В процессе работы осуществляется непрерывная прокачка пара цезия через межэлектродные зазоры 13 и отверстия в кольцевых перфорированных перемычках 4 путем подачи его из нижней коммутационной полости 20 и отвода в верхнюю коммутационную полость 20 сквозь патрубки 22 (принята расходная или регенерационная система заполнения межэлектродных зазоров 13 паром цезия). Термоэмиссионные электрогенерирующие элементы включены последовательно, напряжение на тоководах термоэмиссионного электрогенерирующего модуля равно сумме напряжений термоэмиссионных электрогенерирующих элементов.

Для обеспечения длительного ресурса рабочая точка термоэмиссионной электрогенерирующей пары электродов платина - сплав ВХ2У выбирается в диапазоне:

- температура эмиттера, К 1400-1500;

- температура коллектора, К 700-900.

В соответствии с данными, приведенными в (Ярыгин Д.В., Миронов B.C., Соловьев Н.П., Тулин С.М., Ярыгин В.И. Термоэмиссионный преобразователь с высокими выходными электрическими характеристиками на основе металл-кислородной системы на коллекторе.- Атомная энергия, 2000, т.89, вып.1, с.39-48), указанным параметрам рабочей точки соответствует плотность энергосъема на эмиттере до 1,5 Вт_ЭЛ/см² при плотности теплового потока порядка 15 Вт_Т/см ² (КПД преобразования около 10%).

Приемлемая для различных прикладных задач величина генерируемой электрической мощности термоэмиссионного электрогенерирующего модуля при указанных рабочих параметрах, несмотря на снижение температуры эмиттера и плотности энергосъема по сравнению с прототипом, достигается примерно двукратным увеличением общей эмиссионной поверхности.

Указанный диапазон рабочих параметров обеспечивает длительную работоспособность термоэмиссионного электрогенерирующего модуля вследствие:

- замедления деградации электрофизических характеристик термоэмиссионной пары «платина (эмиттер) - сплав ВХ2У (коллектор)» за счет снижения уровня рабочих температур термоэмиссионной пары;

- низкого уровня температурных напряжений в конструкционном материале термоэмиссионного электрогенерирующего модуля ввиду незначительного перегрева внутренней трубы для пропуска теплоносителя 15 и корпуса 16 относительно температуры омывающего их теплоносителя;

- низкого уровня температурных напряжений в чехле кольцевого тепловыделяющего элемента 8 как следствие симметричного двустороннего охлаждения;

- при величине межэлектродного зазора 13 0,8 мм сохраняется стабильность выходных характеристик термоэмиссионного электрогенерирующего модуля при термических поводках и формоизменении чехла кольцевого тепловыделяющего элемента 8 до 0,3 мм (˜40% от первоначальной величины межэлектродного зазора).

Использование изобретения позволит увеличить ресурс и повысить надежность низкотемпературного термоэмиссионного электрогенерирующего модуля активной зоны ядерного реактора с прямым преобразованием энергии.