ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА С ПЛОСКО-ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок.

Известны ЭГС с электрогенерирующими элементами с различной конфигурацией электродов. В качестве аналога рассмотрена ЭГС [1] в которой коаксиальная схема термоэмиссионного элемента содержит цилиндрический эмиттер, внутри которого расположено делящееся вещество, и цилиндрический коллектор.

Однако такая схема не обеспечивает постоянство межэлектродного зазора при распухании делящегося вещества.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭГС с плоскоцилиндрическими ЭГЭ [2] Такая ЭГС содержит последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, состоящие из топливо-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцовых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП), коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный чехол.

В таком ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом межэлектродном зазоре (МЭЗ), образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском зазоре, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и основанием коллектора. Благодаря тому что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального, при одинаковых температурах плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ может быть высокоэнергонапряженным. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность плоского МЭЗ. Обычно при ресурсных испытаниях происходит деформация эмиттерной оболочки под действием распухающего делящегося вещества. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению МЭЗ и, как следствие, к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность получения высоких плотностей электрической мощности на плоской части ЭГЭ при длительной работе за счет обеспечения практически неизменным МЭЗ при распухающем делящемся веществе сердечника.

Технический результат достигается в термоэмиссионной ЭГС, содержащей последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, состоящие из топливо-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых являются эмиттером ТЭП, а другая соединена с коммутационной перемычкой коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и чехол, в котором коммутационная перемычка выполнена упругой, например в виде пружины.

На чертеже изображена конструкционная схема ЭГС.

ЭГС состоит из отдельных ЭГЭ, каждый из которых содержит топливный сердечник 1, размещенный внутри эмиттерной оболочки, в котором боковая 2 и одна из торцевых плоских частей 3 служат эмиттером ТЭП, коллектор в виде цилиндрической оболочки 4 и плоского основания 5, гибкую упругую коммутационную перемычку 6, которая одним концом подсоединена к второй плоской части 7 эмиттерной оболочки и плоской части 5 коллектора, и дистанционаторы 8 и 9, обеспечивающие поддержание соответствующей величины коаксиального 10 и плоского 1 МЭЗ. ЭГЭ через слой коллекторной изоляции 12 размещены внутри корпуса (чехла) 13.

ЭГЭ работает следующим образом.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 1, подается на цилиндрическую 2 и плоскую торцевую 3 части эмиттера и далее в МЭЗ 10 и 11, заполненные паром цезия. Часть тепла преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла попадает на цилиндрическую 4 и плоскую 5 части коллектора. С плоской части 5 коллектора тепло теплопроводностью передается на цилиндрическую часть коллектора 4. С цилиндрической части 4 коллектора тепло через слой коллекторной изоляции 12 передается чехлу 13, с которого тепло снимается теплоносителем. Возможен съем тепла с чехла 13 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторах испытаниях таких ЭГЗ (не показано). При длительной работе вследствие радиационных эффектов происходит распухание топлива в сердечнике 1. Это, в свою очередь, вызывает деформацию эмиттерной оболочки, в результате чего увеличивается как диаметр D, так и высота Н элемента. Вследствие этого коаксиальный МЭЗ 10 уменьшается. Поэтому в начальном состоянии МЭЗ 10 выбирается относительно большим с тем, чтобы при расчетном значении деформации эмиттерной оболочки за заданный ресурс не произошло короткого замыкания цилиндрических электродов (боковой части 2 эмиттера и цилиндрической части 4 коллектора). Для типичных режимов работы в исходном состоянии коаксиальный МЭЗ 10 обычно не может быть меньше 0,25 мм.

Изменение плоской части 11 МЭЗ при длительной работе происходит по- другому. Благодаря упругой коммутационной перемычке происходит прижатие плоской части 3 эмиттерной оболочки к плоской части 5 коллектора и в исходном состоянии величина МЭЗ 11 будет определяться высотой дистанционаторов 9 относительно плоской аси коллектора 5.

По технологическим соображениям этот МЭЗ может быть сделан очень малым, вплоть до нескольких микрометров. При деформации эмиттерной оболочки под действием распухающего топлива плоская часть 3 эмиттерной оболочки становится выпуклой, однако благодаря упругости коммутационной перемычки 6 не происходит короткого замыкания электродов (плоской части 3 эмиттера и плоской части 5 коллектора). Происходит уменьшение МЭЗ 11 в центре и увеличение МЭЗ 11 на периферии плоской части ЭГЭ при сохранении примерно неизменным среднего значения МЭЗ 11 и, следовательно, обеспечение неизменной эффективности плоской части ЭГЭ при деформируемой эмиттерной оболочке. Увеличение максимальной величины Н топливно-эмиттерного узла компенсируется (благодаря упругости коммутационной перемычки 6) уменьшением расстояния h между эмиттерной оболочкой и коллектором в месте расположения коммутационной перемычки.

Коммутация ЭГЭ с помощью коммутационных перемычек 6 в последовательную цепь позволяет повысить напряжение, генерируемое ЭГЭ. Генерируемая ЭГЭ мощность снимается с помощью токовыводов, соединяющих крайние ЭГЭ с внешней нагрузкой (не показано).

Использование: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую, при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Сущность изобретения: в сборке последовательно соединенных с помощью коммутационной перемычки термоэмиссионных электрогенерирующих элементов, каждый из которых содержит топливно-эмиттерный узел в виде короткого цилиндра, боковая поверхность и одна из торцевых поверхностей которого являются эмиттером, и коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, систему дистанционирования и общие для всех элементов коллекторную изоляцию и чехол, коммутационная перемычка выполнена упругой для стабилизации межэлектродного зазора. 1 ил.

Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащая последовательно соединенные электрогенерирующие элементы, каждый из которых содержит топливный сердечник в виде короткого цилиндра, размещенный внутри эмиттерной оболочки, в которой боковая и одна из торцевых поверхностей служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, коммутационную перемычку, которая соединяет плоское основание коллектора с неэмиссионной торцевой поверхностью эмиттерной оболочки, систему дистанционаторов и общие для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию и чехол, отличающаяся тем, что коммутационная перемычка выполнена упругой.