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

Изобретение относится к ядерным реакторам и, 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 (например, конструкция ТРП термоэмиссионного варианта ЯЭУ SP-100, описанная в книге: Space Nuclear Power Systems 1986, v. 5 of the series "Space Nuclear Power Systems", Orbit Book Company Inc. USA, 1987, pp. 51-65; конструкции ТРП, описанные в [1]).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является конструкция ТРП TRIKT-50, которая представляет собой термоэмиссионный реактор-преобразователь с цилиндрической активной зоной и расположенными параллельно ее оси электрогенерирующими каналами (ЭГК), оболочки которых соединены с трубными досками по обоим торцам активной зоны, имеющими отверстия для токовыводов ЭГК, и вместе с корпусом ТРП образуют полость теплоносителя, причем по торцам активной зоны расположены элементы коммутации ЭГК [2]
Недостатками этой конструкции являются относительно большие механические усилия на оболочки ЭГК как следствие разности термических расширений корпуса ТРП и оболочек ЭГК. Эта разность, в свою очередь, обусловлена, с одной стороны, различием коэффициентов линейного расширения материалов оболочек ЭГК и корпуса ТРП, а с другой стороны различием рабочих температур как между корпусом ТРП и оболочками ЭГК, так и между оболочками отдельных ЭГК, в последнем случае в силу разницы тепловыделений в ЭГК и условий омывания теплоносителем. Наличие механических усилий на оболочки ЭГК может быть причиной разгерметизации полости теплоносителя и нарушения работоспособности ЭГК из-за проникновения теплоносителя в его внутреннюю полость.

Цель изобретения уменьшение механических усилий на оболочки ЭГК в процессе эксплуатации ТРП и обеспечение проведения технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП при рабочих температурах до окончательной сборки и, как следствие, повышение работоспособности ЭГК и ТРП в целом.

Технический результат компенсация разности термических расширений корпуса ТРП и оболочек ЭГК, что устраняет эту разность как причину механических усилий на оболочки ЭГК, и создание в ТРП дополнительной газовой полости как средства осуществления технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП до его окончательной сборки и разгрузки оболочек ЭГК от усилия, создаваемого давлением теплоносителя.

Цель достигается тем, что оболочка каждого ЭГК с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом, через который осуществлено соединение оболочки с трубной доской, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом через гофрированную перегородку, а край цилиндрической обечайки стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через плоскую кольцевую мембрану, причем полость, образованная гофрированной перегородкой, плоской кольцевой мембраной, цилиндрической обечайкой и торцом корпуса, заполнена газом. Кроме того, жесткость плоской кольцевой мембраны выбрана из выражения F_тн F_м, где F_тн усилие, вызываемое давлением теплоносителя на трубную доску, кгс; F_м усилие от воздействия на трубную доску мембраны в результате давления газа на мембрану, кгс.

На чертеже приведена предлагаемая конструктивная схема ТРП.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь содержит цилиндрический корпус активной зоны и расположенные внутри корпуса параллельно его оси электрогенерирующие каналы 1, оболочки которых соединены по обоим торцам активной зоны с трубными досками 2, 3, выполненными с отверстиями для токовыводов 4 электрогенерирующих каналов, и вместе с корпусом 5 образующими полость теплоносителя 6, а между торцовыми частями корпуса 5 и трубными досками 2, 3 расположены элементы 7 электрической коммутации электрогенерирующих каналов; оболочка каждого электрогенерирующего канала 1 с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом 8, через который осуществлено соединение оболочки электрогенерирующего канала 1 с трубной доской 2, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом 5 через гофрированную перегородку 9, а край цилиндрической обечайки 11 стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через плоскую кольцевую мембрану 10, по внешнему диаметру прикрепленную к цилиндрической обечайке 11, а по внутреннему диаметру к бурту на торце корпуса 5, причем полость 12, образованная гофрированной перегородкой 9, плоской кольцевой мембраной 10, цилиндрической обечайкой 11 и торцом корпуса 5, заполнена газом.

Предложенное устройство работает следующим образом. При термических расширениях трубная доска 2 может перемещаться за счет прогиба плоской кольцевой мембраны 10, являющейся элементом, компенсирующим разность термических расширений оболочек ЭГК и корпуса. Разность термических расширений отдельных ЭГК, возникающая в результате неравномерности их температур по активной зоне, выбирается цилиндрическими гофрированными упругими элементами. Расположение плоской кольцевой мембраны 10, по внешнему диаметру прикрепленной к цилиндрической обечайке 11, а по внутреннему к бурту на торце корпуса 5, и расположение гофрированной перегородки 9 между корпусом 5 и трубной доской 2 обеспечивают то, что давление газа в полости 12 действует противоположно давлению теплоносителя на трубную доску 2, соединенную с плоской кольцевой мембраной через цилиндрическую обечайку 11. Величина и направление усилий плоской кольцевой мембраны 10 на трубную доску 2 определяются жесткостью мембраны, давлением газа в полости 12 и соотношением коэффициентов линейного термического расширения и температур корпуса 5 и оболочек ЭГК. Жесткость мембраны 10, ее начальное положение при сборке и давление газа в полости 12 выбраны таким образом, что в рабочих условиях при длительной работе мембрана 10 обеспечивает усилие на трубную доску 2 и, следовательно, на оболочки ЭГК, равное по абсолютной величине и противоположно направленное суммарному усилию, вызываемому давлением теплоносителя. При этом усилие мембраны 10 на трубную доску меньше усилия, вызывающего деформацию цилиндрических упругих элементов всех ЭГК одновременно.

При таком выполнении конструкции суммарное усилие на цилиндрические гофрированные упругие элементы ЭГК, являющееся следствием разности термических расширений корпуса и оболочек ЭГК, равно нулю, и эти упругие элементы компенсируют только разность термических расширений отдельных ЭГК, возникающую в результате неравномерности температур по активной зоне. Допустимые растягивающие и сжимающие нагрузки на оболочки ЭГК определяют продольную жесткость цилиндрических гофрированных упругих элементов. В поперечном направлении эти упругие элементы являются достаточно жесткими, чтобы обеспечить центровку ЭГК относительно отверстий в трубных досках.

Описанное функционирование предложенного устройства обеспечивает решение задачи уменьшения механических усилий на оболочки ЭГК в процессе эксплуатации. Обеспечение технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП при рабочих температурах до окончательной сборки и, как следствие, повышение работоспособности ЭГК и ТРП в целом достигается следующим. Гофрированная перегородка 9 герметично присоединяется (приваривается) по краю, обращенному к активной зоне, к трубной доске 2, а противоположным краем к корпусу 5 в процессе сборки ТРП до присоединения плоской кольцевой мембраны 10 к цилиндрической обечайке 11 и к корпусу 5, образуя при этом совместно с трубными досками 2 и 3, оболочками ЭГК 1, цилиндрическими гофрированными упругими элементами 8 и корпусом 5 полость 6 теплоносителя. Герметичность образованной таким образом полости 6, включая герметичность швов вварки каждого ЭГК в трубные доски, может быть проверена при заполнении этой полости теплоносителем и рабочих температурах до монтажа элементов 7 электрической коммутации и присоединения мембраны 10.

Использование: в качестве источника электрической энергии в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) космических аппаратов. Сущность: уменьшение механических усилий на оболочки электрогенерирующих каналов (ЭГК) в процессе эксплуатации термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) и обеспечение проведения технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП при рабочих температурах до окончательной сборки и, как следствие, повышение работоспособности ЭГК и ТРП в целом путем компенсации разности термических расширений корпуса ТРП и оболочек ЭГК, что устраняет эту разность как причину механических усилий на оболочки ЭГК, и создания в ТРП дополнительной газовой полости как средства осуществления технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП до его окончательной сборки и разгрузки оболочек ЭГК от усилия, создаваемого давлением теплоносителя. ТРП содержит цилиндрический корпус активной зоны и расположенные внутри корпуса параллельно его оси электрогенерирующие каналы, оболочки которых соединены по обоим торцам активной зоны с трубными досками, выполненными с отверстиями для токовыводов электрогенерирующих каналов, и вместе с корпусом образующими полость теплоносителя, а между торцовыми частями корпуса и трубными досками расположены элементы электрической коммутации электрогенерирующих каналов. Оболочка каждого электрогенерирующего канала с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом, через который осуществлено соединение оболочки с трубной доской, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом через гофрированную перегородку, а край цилиндрической обечайки стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через плоскую кольцевую мембрану, по внешнему диаметру прикрепленную к цилиндрической обечайке стакана, а по внутреннему диаметру к бурту корпуса, причем полость, образованная гофрированной перегородкой, плоской кольцевой мембраной, цилиндрической обечайкой и торцом корпуса, заполнена газом. Кроме того, жесткость плоской кольцевой мембраны выбрана из выражения, приведенного в описании. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий цилиндрический корпус активной зоны и расположенные в корпусе параллельно его оси электрогенерирующие каналы, оболочки которых соединены по обоим торцам активной зоны с трубными досками, выполненными с отверстиями для токовыводов электрогенерирующих каналов и вместе с корпусом образующими полость теплоносителя, а между торцевыми частями корпуса и трубными досками расположены элементы электрической коммутации электрогенерирующих каналов, отличающийся тем, что оболочка каждого электрогенерирующего канала с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом, через который осуществлено соединение оболочки с трубной доской, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом через введенную гофрированную перегородку, а край цилиндрической обечайки стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через введенную плоскую кольцевую мембрану, причем полость, образованная гофрированной перегородкой, плоской кольцевой мембраной, цилиндрической обечайкой и торцом корпуса, заполнена газом. 2. Реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что жесткость плоской кольцевой мембраны выбрана из выражения F_тн F_м, где F_тн - усилие, вызываемое давлением теплоносителя на трубную доску, кгс; F_м - усилие от воздействия на трубную доску мембраны в результате давления газа на мембрану, кгс.