ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионным способом.

Известно, что термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую (ТЭП) является источником электрической энергии с низким напряжением и высокой плотностью тока. Такое свойство ТЭП делает принципиально важным вопрос о джоулевых потерях электрической мощности на электродах ТЭП. С целью уменьшения этих потерь и увеличения выходного напряжения на клеммах термоэмиссионных устройств (ТЭУ), последние состоят из множества ТЭП конечных размеров, соединенных между собой последовательно.

В большинстве известных конструкций термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП), в котором тепло от ядерного топлива превращается в электрическую энергию с помощью ТЭП, последние имеют цилиндрическую геометрию электродов. В эмиттерную оболочку такого ТЭП помещают ядерное топливо. ТЭП в совокупности с ядерным топливом называют электрогенерирующим элементом (ЭГЭ). Наибольшее распространение получили конструкции ТРП, в которых ЭГЭ соединены последовательно в виде гирлянды. Длина гирлянды, т.е. электрогенерирующий канал (ЭГК), соответствует длине активной зоны реактора.

Основными недостатками таких конструкций являются
сложность отработки ЭГК и всей конструкции ТРП в целом в лабораторных условиях с электронагревом, имитирующим тепло от ядерного топлива, что ведет к удлинению сроков отработки и создания ТРП, а также к их существенному удорожанию, так как подготовка, проведение и анализ результатов испытаний в реакторных условиях занимают значительно больше времени и стоят значительно дороже чем в лабораторных;
малая объемная доля ядерного топлива, что ведет к увеличению критической загрузки;
относительно большие потери тепловой и электрической мощности на электродах ЭГЭ, которые связаны в основном с джоулевыми потерями электрической мощности и неравномерностью распределения температуры вдоль эмиттерной оболочки ЭГЭ; эта неравномерность в значительной степени связана с теплоотводом по коммутационной перемычке, соединяющей эмиттер с коллектором и привариваемой к торцу эмиттера, а также отводом тепла по дистанционаторам.

Известен термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий герметичный цилиндрический корпус в виде обечайки, первого и второго фланцев, в котором размещены последовательно соединенные коммутирующими проводниками ЭГЭ, выполненные в виде протяженных эмиттеров, заполненных ядерным топливом, и коллекторов, установленных с межэлектродными зазорами, заполненными парами цезия, и систему охлаждения. В данной конструкции ТРП длина ЭГЭ соизмерима с длиной активной зоны реактора. В этой конструкции ЭГК состоит из одного ЭГЭ и поэтому его называют одноэлементным ЭГК. В ТРП с одноэлементными ЭГК их последовательное соединение происходит вне активной зоны. Однако существенный недостаток этой конструкции заключается в больших джоулевых потерях на электродах ЭГЭ при увеличенных плотностях тока. Поэтому такая конструкция может работать только при малых плотностях тока, а следовательно, при малых удельных электрических мощностях и малых КПД (1-2 Вт/см² и 5-7% соответственно).

Техническим результатом является увеличение выходной мощности и КПД ТРП за счет уменьшения потерь тепловой и электрической мощности на электродах ЭГЭ.

Для достижения указанного технического результата в известном термоэмиссионном реакторе-преобразователе корпус выполнен с электроизолирующей обечайкой и заполнен парами цезия, а ЭГЭ выполнены плоскими с оболочками эмиттеров швеллерной формы, расположенных рядами, разделенными плоскими пластинами, на которых на электроизолирующих слоях жестко закреплены плоские коллекторы эквидистантно боковым рабочим поверхностям оболочек эмиттеров, при этом система охлаждения коллекторов выполнена в виде полости в первом фланце, полости, разделенной на входную и выходную части, выполненной в дополнительном фланце, установленном вне корпуса перед вторым фланцем, и соединенной с теплообменником и коммутирующих полостей, выполненных в плоских пластинах, а коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных линий с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами.

Тепловой контур, предназначенный для выноса тепла, выделяющегося на коллекторах, выполнен таким образом, чтобы завершающей операцией сборки ТРП была установка цилиндрической обечайки корпуса и его герметизация.

На фиг. 1 схематически изображен ТРП общий вид; на фиг. 2, 3 и 4 сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1 соответственно; на фиг. 5 - коммутирующий проводник; на фиг. 6 - вольтамперные характеристики.

ТРП содержит цилиндрическую обечайку 1 корпуса; первый и второй фланцы 2, дополнительный фланец 3, плоскопараллельную пластину 4, теплообменник 5, полость 6 для прокачки теплоносителя, изолирующий слой 7, коллектор 8, эмиттер 9, коммутирующий проводник 10. Кроме того, позициями 11 и 2 показаны ядерное топливо и ввод паров цезия соответственно (см. фиг. 2). ТРП также содержит межэлектродный зазор 13 и дистанционатор 14 (см. фиг. 3). На фиг. 5 показаны место 15 для крепления на эмиттерной оболочке; гофр 16, отросток 17 для соединения с коллектором, электрические клеммы 18.

П р и м е р. На фиг. 6 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) ТЭП, полученные экспериментально в лабораторном приборе ТЭП с плоской геометрией электродов, в котором эмиттером служит грань (110) монокристалла вольфрама, а коллектор изготовлен из молибдена. Межэлектродный зазор 0,25 мм. ВАХ получены при температуре эмиттера Т_Е=1900 К; температура цезиевого резервуара Т_Р=600 К; температура коллектора Т_С=1- 1000 К, 2-1200 К.

Расчеты электрической мощности и КПД на выходе ЭГЭ проводят исходя из этих ВАХ при условии изотермичности электродных поверхностей ТЭП на основе следующих формул:
W_в=j(V-V_E-V_c); (1)
η_в = где W_b и η_b - соответственно удельная мощность и КПД на выходе ЭГЭ;
j и V - соответственно плотность тока и напряжение, вырабатываемые ТЭП на электродах;
V_E и V_C - соответственно потери напряжения на эмиттерной и коллекторной оболочках;
q*_с - эффективная теплота конденсации электронов на коллекторе;
q_z - плотность теплового потока на коллектор, связанного с излучением эмиттера;
q_cs - плотность теплового потока на коллектор, связанного с теплопроводностью паров цезия.

Потери напряжения на электродах определяются по формуле
V_п= h·j(L-x)dx =1/2 I_полнR_полн (3) где L и h - соответственно линейные размеры электродов в направлении протекания тока и в направлении, перпендикулярном к нему;
ρ - удельное сопротивление материала электрода;
S - площадь поперечного сечения оболочки электрода в направлении тока;
I_полн и R_полн - соответственно полный ток, проходящий через ЭГЭ, и полное сопротивление электрода в направлении протекания тока.

Для расчетов данные по q_z; q_cs и ρ взяты соответственно из известных решений, а значения q*_c, полученные в эксперименте, для Т_С=1000 К и 1200 К соответственно равны 1.92 и 2.15 эВ.

Для расчета электрической мощности на выходе ЭГЭ одноэлементного ЭГК геометрические размеры были взяты из известного решения, а именно длина L= 200 мм; диаметр 14 мм; толщина эмиттерной оболочки 1 мм, а ниобиевого коллектора 1,5 мм. Расчет для Т_С=1000 К дает W_b^max=2,2 Вт/см² и преимущества предлагаемой конструкции, как видно из результатов расчетов, приводимых ниже, неоспоримы. Более интересным является сравнение с ЭГК гирляндного типа. Типичные средние размеры ЭГЭ и ЭГК гирляндного типа следующие: L=40 мм; диаметр 10 мм; толщина оболочки эмиттера 0,5 мм и толщина коллектора 0,4 мм.

Геометрические размеры ЭГЭ в предлагаемой конструкции взяты следующие: ширина 12 мм; толщина эмиттерной оболочки 1,5 мм; толщина ниобиевого коллектора 1 мм. Длина ЭГЭ в предлагаемой конструкции на выходную мощность не влияет. Поэтому ее можно взять произвольной.

Результаты расчетов сведены в табл. 1 и 2 ЭГЭ и ЭГК гирляндного типа и ЭГЭ с плоскими протяженными электродами соответственно.

Из приведенных в табл. 1 и 2 данных видно, что и с точки зрения выходных электрических параметров предлагаемая конструкция ТРП имеет преимущество перед ТРП гирляндного типа. Если учесть, что в ЭГЭ ЭГК гирляндного типа имеется сильная неизотермичность эмиттера из-за отсоса тепла по коммутирующему проводнику, приваренному к его торцу, а эмиттер ЭГЭ в предлагаемой конструкции лишен этого недостатка, так как коммутирующий проводник распределен вдоль всего эмиттера и приваривается в местах с повышенной температурой, то вышеуказанное преимущество еще более усиливается.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмисионным способом. Сущность изобретения: корпус термоэмиссионного реактора преобразователя заполнен парами цезия, электрогенерирующие элементы выполнены плоскими с оболочкой эмиттера швеллерной формы и коллекторами, установленными эквидистантно боковым рабочим поверхностям эмиттера. Система охлаждения коллекторов выполнена в виде двух полых торцевых дисков, соединенных полыми коммутирующими пластинами, на которых закреплены коллекторы, а проводники, соединяющие элементы, выполнены из гофрированных лент. 6 ил., 2 табл.

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий герметичный цилиндрический корпус в виде обечайки и первого и второго фланцев, в котором размещены последовательно соединенные коммутирующими проводниками электрогенерирующие элементы, выполненные в виде протяженных эмиттеров, оболочки которых заполнены ядерным топливом, и коллекторов, установленных с межэлектродными зазорами, заполненными парами цезия, и систему охлаждения коллекторов, отличающийся тем, что обечайка выполнена электроизолирующей и заполнена парами цезия, а электрогенерирующие элементы выполнены плоскими с оболочками эмиттеров швеллерной формы, расположенных рядами, разделенными плоскими пластинами, на которых на электроизолирующих слоях жестко закреплены плоские коллекторы эквидистантно боковым рабочим поверхностям оболочек эмиттеров, при этом система охлаждения коллекторов выполнена в виде полости в первом фланце полости, разделенной на входную и выходную части, выполненной в дополнительном фланце, установленном вне корпуса перед вторым фланцем, и соединенной с теплообменником, и коммутирующих полостей, выполненных в плоских пластинах, а коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных лент с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами.