ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к энергетике с термоэмиссионным преобразователем тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) преимущественно космического назначения.

В термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП) происходит как генерирование тепловой энергии при делении ядер урана, так и непосредственное преобразование ее в электрическую.

Элементарной ячейкой ТРП является электрогенерирующий элемент (ЭГЭ), а сборочной единицей электрогенерирующая сборка (ЭГС), состоящая, как правило, из последовательно соединенных ЭГЭ. Наибольшее распространение получили ЭГЭ и соответственно ЭГС коаксиального типа с внутренним расположением топливного материала (ТМ). Известны также ЭГЭ с внешним относительно эмиттера расположением ТМ [1,2]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП, набранный из ЭГЭ и соответственно ЭГС с внешним расположением ТМ [3] Активная зона (а.з.) такого ТРП содержит ЭГС, внутри которых расположена система отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла, выполненная, например, в виде циркуляционной системы на основе жидкометаллического теплоносителя. Активная зона размещена внутри корпуса, снаружи которого размещен отражатель, в боковой части которого размещены органы системы управления и защиты (СУЗ), например, в виде поворотных цилиндров.

Такой ТРП имеет следующие преимущества по сравнению с ТРП на основе многоэлементных ЭГС с внутренним расположением ТМ:
позволяет снизить нагрузку на эмиттер от распухающего ТМ и тем самым увеличить ресурс работы ТРП;
позволяет повысить объемную долю ТМ в а.з. и тем самым улучшить нейтронно-физические характеристики ТРП;
обеспечивает высокую технологичность конструкции ЭГС.

В то же время в таком ТРП существуют достаточно большие потери тепла с наружной поверхности ТРП, которая имеет максимальную в а.з. температуру. В результате, во-первых, снижается общий КПД энергоустановки, во-вторых, требуется специальная система теплоизоляции между корпусом а.з. и отражателем, что ухудшает нейтронно-физические характеристики и увеличивает габариты ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение КПД за счет утилизации тепловых потерь с боковой поверхности ТРП.

Указанный технический результат достигается в ТРП, содержащем корпус, внутри которого размещена а.з. набранная из термоэмиссионных ЭГС с внешним относительно эмиттера расположением ТМ с делящимся веществом и снабженная системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла, а снаружи корпуса находится отражатель, в боковой части которого установлены органы СУЗ, снабженные системой рассеивания тепла, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде не менее чем одного термоэмиссионного преобразователя (ТЭП).

В качестве системы отвода непреобразованного тепла ТЭП может быть использована система рассеяния тепла органов СУЗ или боковая поверхность ТРП.

Боковая поверхность ТРП может быть выполнена черненой.

В качестве коллекторной изоляции ТЭП может быть использован отражатель.

В качестве материала отражателя, служащего изоляцией ТЭП, может быть использована окись бериллия.

Коллекторная изоляция может быть выполнена в виде тонкого слоя специально нанесенного покрытия.

В качестве материала коллекторной изоляции ТЭП может быть использована окись алюминия.

Эмиттеры ТЭП (не менее, чем один) могут быть выполнены в виде металлических оболочек, нанесенных на корпус через слой электрической изоляции.

На фиг. 1 приведена конструкционная схема предложенного ТРП, на фиг.2 - поперечное сечение ТРП; на фиг.3 узел I фиг.1; на фиг.4,5 дополнительные варианты выполнения узла II.

ТРП содержит корпус 1 активной зоны 2, которая набрана из ЭГС 3 с внешним расположением ТМ 4. ЭГС 3 содержит эмиттер 5, коллектор 6, коллекторную изоляцию 7 и внутренний чехол 8 системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла. Система отвода может быть выполнена, например, в виде циркуляционного контура жидкого металла или в виде тепловой трубы. Снаружи корпуса 1 размещен отражатель 9, в боковой части которого размещены органы СУЗ 10, например, в виде поворотных цилиндров с нейтронопоглощающими вставками 11. Органы СУЗ 10 снабжены системой охлаждения 12, выполненной, например, в виде автономного циркуляционного контура или на основе тепловых труб. Возможно охлаждение органов СУЗ (и отражателя) путем сброса тепла излучением с наружной поверхности 13 отражателя ТРП.

Корпус 1 выполнен в виде термоэмиссионного преобразователя, содержащего эмиттер 14 и коллектор 15. Эмиттером 14 может служить как собственно корпус 1, так и нанесенные через слой электрической изоляции 16 эмиттерные покрытия. В качестве коллекторной изоляции может быть использован материал отражателя 9, выполненного, например, из окиси бериллия или специально нанесенный тонкий слой 17, например, из окиси алюминия.

ТРП снабжен коммутационной камерой 18, в которой последовательно-параллельно коммутируются токовыводы 19 ЭГС 3, а также источником 20 пара цезия.

ТРП работает следующим образом.

После сборки ТРП и подсоединения его ко всем системам ЯЭУ производятся необходимые проверки и ТРП в составе ЯЭУ вводится в космос на радиационно-безопасную орбиту.

По команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП путем поворота органов СУЗ 10 поглощающими вставками 11 от активной зоны 2. При достижении критичности а. з. 2 в топливом материале 4, например, диоксиде или карбиде урана, начинает выделяться тепло. Уровень тепловой мощности поднимается до рабочего, в межэлектродные зазор 21 ЭГС 3 и зазоры 22 ТЭП из источника 20 подается пар цезия рабочего давления. Тепло из ТМ 4 передается на эмиттер 5, часть которого в межэлектродном зазоре 21 преобразуется в электроэнергию и через токовыводы 19 и коммутационную камеру 18 подается потребителю. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла попадает на коллектор 6 и далее через коллекторную изоляцию 7 и внутренний чехол 8 отводится системой отвода и рассеивается в окружающее пространство. Тепло, выделяемое ТМ 4 из а.з. 2, попадает также на корпус 1, и далее на эмиттер 14, часть которого в межэлектродном зазоре 22 преобразуется в электроэнергию и с помощью токовыводов отводится потребителю. Непреобразованное тепло термодинамического цикла попадает на коллектор 15 и далее через коллекторную изоляцию 17, в качестве которой может служить и материал отражателя, попадает в отражатель 9, из которого тепло рассеивается в окружающее пространство.

Рассеивание тепла может выполняться как излучением с боковой поверхности 13 отражателя 9, так и с помощью системы охлаждения 12, выполненной, например, в виде циркуляционного контура или в виде тепловых труб. После завершения эксплуатации ТРП выключается путем поворота органов СУЗ 10 нейтронопоглощающими вставками 22 к а.з. 2.

Таким образом, применительно к ТРП, в котором используются ЭГС с внешним относительно эмиттера расположением топливного материала, выполнение корпуса а.з. в виде ТЭП позволяет увеличить электрическую мощность ТРП при неизменной тепловой мощности ТРП путем утилизации тепловых потерь, хотя бы с части наружной поверхности а.з.

Так, например, для ТРП с объемом а.з. примерно 40 л использование в качестве ТЭП корпуса а.з. дает увеличение эмиссионной поверхности примерно на 5000 см², что, при неизменной тепловой мощности реактора, может поднять электрическую мощность ТРП на 20-30%

Назначение: атомная энергетика, создание термоэмиссионных ядерных энергетических установок преимущественно космического назначения. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, активная зона которого состоит из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок с внешним относительно эмиттера расположением топливного материала, корпус активной зоны выполнен в виде не менее чем одного термоэмиссионного преобразователя. Коллекторной изоляцией преобразователя служит охлаждаемый материал отражателя реактора, выполненный из окиси бериллия. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий корпус, внутри которого размещена активная зона, набранная из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок с внешним относительно эмиттера расположением топливного материала с делящимся веществом и снабженная системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла, а снаружи корпуса находится отражатель, в боковой части которого установлены органы системы управления и защиты, снабженные системой рассеивания тепла, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде не менее чем одного термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую. 2. Реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве системы отвода непреобразованного тепла термоэмиссионного преобразователя использована система рассеяния тепла органов системы управления и защиты. 3. Реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве системы отвода непреобразованного тепла термоэмиссионного преобразователя применена боковая поверхность термоэмиссионного реактора-преобразователя. 4. Реактор-преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что боковая поверхность термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнена черненой. 5. Реактор-преобразователь по пп. 1 3, отличающийся тем, что в качестве коллекторной изоляции термоэмиссионного преобразователя использован отражатель. 6. Реактор-преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что в качестве материала отражателя, служащего изоляцией термоэмиссионного преобразователя, использована окись бериллия. 7. Реактор-преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что коллекторная изоляция выполнена в виде тонкого слоя нанесенного покрытия. 8. Реактор-преобразователь по п. 7, отличающийся тем, что в качестве материала коллекторной изоляции термоэмиссионного преобразователя использована окись алюминия. 9. Реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что эмиттеры термоэмиссионных преобразователей выполнены в виде металлических оболочек, нанесенных на корпус через слой электрической изоляции.