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

Изобретение относится к ядерным реакторам, в частности к термоэмиссионным реакторам-преобразователям (ТРП), используемым в качестве источников электрической энергии в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) космических аппаратов.

Известен ряд конструкций таких ТРП, содержащих твердый водородосодержащий замедлитель, в отверстиях которого расположены электрогенерирующие каналы (ЭГК), и боковой отражатель [1]
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является конструкция ТРП термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз", в котором цилиндрический массив гидридциркониевого замедлителя с размещенными в его отверстиях продольно оси ЭГК и боковой отражатель в виде окружающего замедлителя и соосного с ним цилиндрического кольца, составленного из отдельных элементов, расположены в пределах общего заполненного газом корпуса и контактируют между собой по наружной поверхности массива замедлителя и внутренней поверхности бокового отражателя [2]
Недостатком этой конструкции является возникновение значительных градиентов температуры по радиусу массива замедлителя в режиме пуска ТРПи вывода его на мощность в составе ЯЭУ, что обусловлено небольшой величиной термического сопротивления между массивом замедлителя и боковым отражателем.

В конструкции принятого за ближайший аналог ТРП это сопротивление определяется контактным термическим сопротивлением между массивом замедлителя и боковым отражателем (с учетом теплопроводности заполняющего их общий корпус газа) и невелико относительно общего термического сопротивления при радиальной растечке тепла от оси массива замедлителя к наружной поверхности бокового отражателя. Такая растечка имеет место при пуске ЯЭУ космического назначения, который по условиям радиационной безопасности производится после выведения космического аппарата на опорную орбиту. Интенсивное выстывание ЯЭУ в условиях космического пространства и опасность обусловленного этим замерзания используемого в ней жидкометаллического теплоносителя, а также ограниченная емкость вспомогательных бортовых источников питания (аккумуляторных батарей), используемых для энергоснабжения бортовой аппаратуры до подключения ее к питанию от ЯЭУ, приводит к необходимости вывода ТРП в режим генерирования электрической мощности. В результате в режиме вывода ТРП на мощность, когда массив замедлителя в силу большего по сравнению с боковым отражателем тепловыделения и меньшей теплоемкости прогревается быстрее, чем боковой отражатель, небольшая величина термического сопротивления между массивом замедлителя и боковым отражателем приводит к большим радиальным перетокам тепла из замедлителя значительных радиальных градиентов температуры. При превышении этими градиентами допустимых пределов происходят растрескивание массива замедлителя, нарушение нанесенного на его поверхность водородоудерживающего покрытия, утечка водорода из замедлителя, снижение запаса реактивности ТРП и сокращение ресурса его работы. Этот недостаток известных конструкций ТРП проявляется тем сильнее, чем больше габариты и номинальная электрическая (тепловая) мощность ТРП.

Технической задачей, на выполнение которой направлено изобретение, снижение градиента температуры по радиусу массива замедлителя при выводе ТРП на мощность и, как следствие, повышение надежности и ресурсоспособности ТРП.

Технический результат увеличение термического сопротивления между массивом замедлителя в режиме выведения ТРП на мощность, предотвращает растрескивание массива замедлителя, нарушение водородоудерживающего покрытия и утечку водорода из замедлителя, снижение запаса реактивности ТРП и сокращение ресурса его работы.

Это достигается тем, что в конструкции ТРП по всей поверхности между корпусом и элементами бокового отражателя выполнен образованный соединением корпуса и элементов бокового отражателя посредством дистанционирующих конструктивных элементов кольцевой зазор, пространство которого соединено с пространством, окружающим ТРП.

На чертеже приведена конструктивная схема предлагаемого ТРП. ТРП, содержащий твердый водородсодержащий замедлитель в виде расположенного в корпусе 1 цилиндрического массива 2, в отверстиях 3 которого продольно его оси расположены ЭКГ 4, и боковой отражатель в виде окружающего замедлитель и соосного с ним цилиндрического кольца, составленного из отдельных элементов 5, по всей поверхности между корпусом 1 и элементами 5 бокового отражателя выполнен образованный соединением корпуса 1 и элементов 5 бокового отражателя посредством дистанционирующих конструктивных элементов 6 кольцевой зазор 7.

ТРП работает следующим образом.

При выведении ЯЭУ в составе космического аппарата ракетой-носителем за пределы земной атмосферы воздух, заполняющий кольцевой зазор 7 в период изготовления, хранения и транспортирования, самопроизвольно удаляется в космическое пространство, и в процессе вывода ТРП на мощность указанный кольцевой зазор является вакуумным. Термическое сопротивление образованного таким образом вакуумного зазора существенно превышает термическое сопротивление между массивом замедлителя и боковым отражателем в известной конструкции, что обеспечивает выравнивание температуры по радиусу массива замедлителя при выводе ТРП на мощность как выражение причинно-следственной связи между совокупностью указанных существенных признаков предложенного технического решения и достигаемым техническим результатом.

Изобретение относится к ядерным реакторам, в частности к термоэмиссионным реакторам преобразователям (ТРП), используемым в качестве источников электрической энергии в ядерных энергетических установках космических аппаратов. Технической задачей изобретения является снижение градиента температуры по радиусу массива замедлителя при выводе ТРП на мощность и, как следствие, повышение надежности и ресурсоспособности ТРП путем увеличения термического сопротивления между массивом замедлителя и боковым отражателем, что выравнивает температуры по радиусу замедлителя в режиме выведения ТРП на мощность, предотвращает растрескивание массива замедлителя, нарушение водородоудерживающего покрытия и утечку водорода из замедлителя, снижение запаса реактивности ТРП и сокращение ресурса его работы. Это достигается тем, что в известном ТРП, содержащем твердый водородосодержащий замедлитель в виде расположенного в корпусе цилиндрического массива, в отверстиях которого продольно его оси расположены электрогенерирующие каналы, и боковой отражатель в виде отражающего замедлитель и соосного с ним цилиндрического кольца, составленного из отдельных элементов, по всей поверхности между корпусом и элементами бокового отражателя выполнен образованный соединением корпуса и элементов бокового отражателя посредством дистанционирующих конструктивных элементов кольцевой зазор, пространство которого соединено с пространством, окружающим ТРП, и вакуумируется после выведения ЯЭУ в космическое пространство. 1 ил.

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий твердый водород содержащий замедлитель в виде цилиндрического массива, расположенного в корпусе, в отверстиях которого соосно с его продольной осью расположены электрогенерирующие каналы, боковой отражатель в виде окружающего замедлителя и соосного с ним цилиндрического кольца, составленного из отдельных элементов, отличающийся тем, что по всей поверхности между корпусом и элементами бокового отражателя выполнен кольцевой зазор, образованыый между корпусом и элементами бокового отражателя посредством дистанционирующих конструктивных элементов, пространство которого соединено с пространством, окружающим реактор-преобразователь.