ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ) и, в частности, к космическим энергетическим установкам на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя (РП).

Известен ряд конструкций таких ЯЭУ, содержащих термоэмиссионный реактор-преобразователь, систему теплоотвода и систему безопасности на основе стержня безопасности (Desing of Survivable Small 5 to 40 kWe Space Nuclear Power Unit. Joseph R. Wetch The Winter Annual Meeting, Chicago, Ilinois, Nowember 27-December 2 1988).

Наиболее близким техническим решением к заявленному является ядерная энергетическая установка, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь, включающий активную зону, камеру коммутации, корпус которой является частью корпуса реактора-преобразователя, и стержень безопасности, снабженный кожухом, участок которого, размещенный за пределами активной зоны, предназначен для размещения в нем нейтронопоглощающих элементов стержня безопасности после вывода его из активной зоны, а также обслуживающие реактор-преобразователь система прокачки теплоносителя и регенеративная цезиевая система, закрепленная на корпусе реактора-преобразователя, в состав которой входят генератор пара цезия с зонами испарения и конденсации, ловушка для химически активных газов и элементы тракта для подачи в реактор-преобразователь и возврата цезия (см. журнал "Атомная энергия" т.70, вып.4, 1991, c. 217 220).

Недостатками этой конструкции являются медленный разогрев при пуске ЯЭУ элементов тракта для подачи в реактор-преобразователь и возврата цезия и необходимость достаточно заметных затрат электрической мощности для достижения заданной температуры зоны испарения на режиме разогрева и в процессе работы ЯЭУ.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - снижение затрат электрической мощности, необходимой для функционирования цезиевой системы, и сокращение времени подготовки системы к работе.

Технический результат использование температурного распределения по конструкции ЯЭУ для поддержания заданных температур элементов цезиевой системы.

Этот результат достигается тем, что в конструкции ЯЭУ со стороны элементов тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь выполнены каналы для системы прокачки теплоносителя, а элементы тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь размещены вблизи корпуса камеры коммутации для поддержания их рабочей температуры за счет теплообмена с корпусом камеры коммутации, причем по крайней мере один из элементов тракта для подачи цезия закреплен на корпусе камеры коммутации реактора-преобразователя через конструктивный элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, а кронштейны для крепления генератора пара цезия выполнены из материала с низкой теплопроводностью и снабжены теплоизолирующими вставками в системе крепления генератора пара цезия на корпусе реактора-преобразователя, при этом зона конденсации расположена в самой удаленной от корпуса реактора-преобразователя части цезиевой системы, а установленный в тракте между реактором-преобразователем и зоной конденсации поглотитель примесей закреплен на стенке канала для системы прокачки теплоносителя.

Кроме того, кожух стержня безопасности установлен на корпусе реактора-преобразователя в положении, при котором участок кожуха активной зоны контактирует с генератором пара со стороны зоны испарения генератора.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема ЯЭУ в соответствие с признаками заявленного изобретения.

На фиг. 2 показано распределение температур по зонам генератора пара цезия, где Т температура корпуса генератора пара цезия, а R радиус генератора пара цезия.

Ядерная энергетическая установка (см. фиг. 1), содержащая реактор-преобразователь 1, включающий активную зону 2, камеру коммутации 3, корпус 4 которой является частью корпуса реактора-преобразователя 1, и стержень безопасности 5, снабженный кожухом 6, участок которого, размещенный за пределами активной зоны 2, предназначен для размещения в нем нейтронопоглощающих элементов стержня безопасности 5 после вывода его из активной зоны 2, а также обслуживающие реактор-преобразователь систему 7 прокачки теплоносителя и регенеративную цезиевую систему 8, закрепленную на корпусе реактора-преобразователя 1, в состав которой входят генератор 9 пара цезия с зонами испарения 10 и конденсации 11, поглотитель 12 примесей для химически активных газов, элементы 13 17 тракта для подачи в реактор-преобразователь и возврата цезия В корпусе 4 камеры 3 коммутации выполнены каналы 18 для системы прокачки теплоносителя, а элементы 13 15, 17 тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь 1 размещены вблизи корпуса 4 камеры коммутации 3 для поддержания их рабочей температуры за счет теплообмена с корпусом 4 камеры коммутации 3, причем по крайней мере один из элементов 14 закреплен на корпусе 4 через конструктивный элемент 19, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например меди, а кронштейны 20 для крепления генератора 9 пара выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например титана, и снабжены теплоизолирующими вставками 21 в системе крепления генератора пара 9 на корпусе 4 реактора-преобразователя 1, при этом зона конденсации 11 расположена в самой удаленной от корпуса 4 реактора-преобразователя 1 части цезиевой системы 8, а установленный в тракте между реактором-преобразователем 1 и зоной конденсации 11 поглотитель 12 примесей закреплен на стенке канала 18 для системы прокачки теплоносителя. Кроме того, кожух 6 стержня 5 безопасности установлен на корпусе 4 реактора-преобразователя 1 в положении, при котором участок кожуха 6 размещенный за пределами активной зоны 2, контактирует с генератором 9 пара цезия со стороны зоны испарения 10 генератора.

Кроме того, в качестве примера на фиг. 1 показана цезиевая система, в состав тракта которой входят следующие элементы: пусковой клапан 13, клапан 14 вакуумирования, отсечной клапан 15, клапан 16 возврата пара и трубопроводы 17.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Благодаря прокачке теплоносителя по каналам 18, выполненным в корпусе 4 камеры коммутации 3, обеспечивается необходимый температурный режим как камеры коммутации 3, так и цезиевой системы 8, закрепленной на корпусе РП 1. При этом наиболее эффективный теплоподвод обеспечивается к элементам 13 15, 17, соединяющим зону испарения 10 с корпусом 4. В состав этих элементов, например могут входить пусковой клапан 13, клапан 14 вакуумирования, клапан отсечной 15 и трубопроводы 17. Причем эффективность теплоподвода к этим элементам повышается благодаря конструктивному элементу 19, имеющему ложемент для клапана 14 вакуумирования, изготовленному из материала с высокой теплопроводностью, например меди, и припаянному к корпусу 4. Этому же способствует теплоподвод к зоне испарения 10 от кожуха 6 при работающем РП 1, т.к. в это время внутри кожуха 6 вблизи зоны испарения 10 размещаются нейтронопоглощающие элементы стержня безопасности 5, в которых выделяется тепло под воздействием излучения из активной зоны 2 РП 1. Вместе с тем, изготовление кронштейнов 20 из материала с низкой теплопроводностью и введение в систему крепления генератора 9 пара на корпусе 4 теплоизолирующих вставок 21 позволяет обеспечить необходимое распределение температур по генератору 9 пара, температура зоны конденсации 11 которого должна быть ниже температуры зоны испарения 10 на 100К (см. фиг. 2). Для этой же цели зона конденсации 11 расположена в самой удаленной от корпуса реактора-преобразователя 1 части цезиевой системы, т. е. в самом холодном месте цезиевой системы 8, которое защищено от теплового излучения корпуса 4 и с которого обеспечивается теплоотвод излучением в окружающее пространство. Размещенный в тракте для возврата цезия поглотитель 12 примесей, который наиболее интенсивно поглощает химически активные газы при температуре выше 750К, закреплен вблизи трубопроводов системы 7 прокачки теплоносителя, благодаря чему теплоноситель, выходящий из РП 1, подогревает поглотитель 12 примесей до необходимой температуры. Достаточно сложное температурное состояние отдельных элементов скомпанованной таким образом ЯЭУ на пусковых и стационарных режимах обеспечивается без дополнительных электронагревателей и систем управления этими нагревателями.

Известно, что у аналогов ЯЭУ типа "Топаз" затраты электрической мощности на режиме пуска ЯЭУ, необходимые для разогрева элементов, связанных с цезиевой системой, включая элементы ЭГК, расположенные в камере коммутации, достигают более 500 Вт. Для ЯЭУ большей мощности эти затраты существенно возрастают из-за увеличения суммарной массы разогреваемых элементов. Поэтому, если не использовать предлагаемое решение, только для разогрева элементов ЯЭУ, связанных с цезиевой системой, потребуется до 20% емкости пусковой аккумуляторной батареи.

Использование: в космических энергетических установках на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя (РП). Сущность: снижение затрат электрической мощности, необходимой для функционирования цезиевой системы, и сокращение времени подготовки системы к работе путем обеспечения подогрева зоны испарения и элементов цезиевого тракта за счет теплоподвода от системы прокачки теплоносителя и от нейтронопоглощающих элементов стержня безопасности. Ядерная энергетическая установка содержит термоэмиссионный реактор-преобразователь, включающий активную зону, камеру коммутации, корпус которой является частью корпуса реактора-преобразователя, и стержень безопасности, снабженный кожухом, участок которого, размещенный за пределами активной зоны, предназначен для размещения в нем нейтронопоглощающих элементов стержня безопасности после вывода его из активной зоны, а также обслуживающие реактор-преобразователь систему прокачки теплоносителя и регенеративную цезиевую систему, закрепленную на конструктивных элементах на корпусе камеры коммутации реактора-преобразователя и содержащую генератор пара цезия с зонами испарения и конденсации, кронштейны для его крепления, поглотитель примесей для химически активных газов и элементы тракта для подачи в реактор-преобразователь и возврата цезия, например клапаны и трубопроводы. В корпусе камеры коммутации со стороны элементов тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь выполнены каналы для системы прокачки теплоносителя, а элементы тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь размещены вблизи корпуса камеры коммутации для поддержания их рабочей температуры за счет теплообмена с корпусом камеры коммутации, причем по крайней мере один из элементов тракта для подачи цезия закреплен на корпусе камеры коммутации реактора-преобразователя через конструктивный элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например меди, а кронштейны для крепления генератора пара цезия выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например титана, и снабжены теплоизолирующими вставками в системе крепления генератора пара цезия на корпусе реактора-преобразователя, при этом зона конденсации расположена в самой удаленной от корпуса реактора-преобразователя части цезиевой системы, а установленный в тракте между реактором-преобразователем и зоной конденсации поглотитель примесей закреплен на стенке канала для системы прокачки теплоносителя. Кожух стержня безопасности установлен на корпусе реактора-преобразователя в положении, при котором участок кожуха, размещенный за пределами активной зоны, контактирует с генератором пара цезия со стороны зоны испарения генератора. 2 ил.

1. Ядерная энергетическая установка, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь, включающий активную зону, камеру коммутации, корпус которой является частью корпуса реактора-преобразователя, и стержень безопасности, снабженный кожухом, участок которого, размещенный за пределами активной зоны, предназначен для размещения в нем нейтронопоглощающих элементов стержня безопасности после вывода его из активной зоны, а также обслуживающие реактор-преобразователь систему прокачки теплоносителя и регенеративную цезиевую систему, закрепленную на конструктивных элементах на корпусе камеры коммутации реактора-преобразователя и содержащую генератор пара цезия с зонами испарения и конденсации, кронштейны для его крепления, поглотитель примесей для химически активных газов и элементы тракта для подачи в реактор-преобразователь и возврата цезия, например клапаны и трубопроводы, отличающаяся тем,что в корпусе камеры коммутации со стороны элементов тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь выполнены каналы для системы прокачки теплоносителя, а элементы тракта для подачи цезия в реактор-преобразователь размещены вблизи корпуса камеры коммутации для поддержания их рабочей температуры за счет теплообмена с корпусом камеры коммутации, причем по крайней мере один из элементов тракта для подачи цезия закреплен на корпусе камеры коммутации реактора-преобразователя через конструктивный элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, а кронштейны для крепления генератора пара цезия выполнены из материала с низкой теплопроводностью и снабжены теплоизолирующими вставками в системе крепления генератора пара цезия на корпусе реактора-преобразователя, при этом зона конденсации расположена в самой удаленной от корпуса реактора-преобразователя части цезиевой системы, а установленный в тракте между реактором-преобразователем и зоной конденсации поглотитель примесей закреплен на стенке канала для системы прокачки теплоносителя. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кожух стержня безопасности установлен на корпусе реактора-преобразователя в положении, при котором участок кожуха, размещенный за пределами активной зоны, контактирует с генератором пара цезия со стороны зоны испарения генератора.