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

Изобретение относится к энергетике с термоэмиссионным преобразованием 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 электрогенерирующий канал (ЭГК), состоящий как правило из последовательно соединенных ЭГЭ. Наибольшее распространение получили ЭГЭ и соответственно ЭГК коаксиального типа. С целью получения минимальных размеров ТРП и максимального использования объема активной зоны (а.з.) для размещения ЭГК и получения таким образом максимальной электрической мощности, снимаемой с единицы а.з. ТРП, используют реакторы на быстрых нейтронах, где в а.з. отсутствует замедлитель. Однако требования минимальных масс космической ЯЗУ приводят к необходимости дальнейшего уменьшения объема а.з. ТРП, что достигается с помощью замены части ЭГК на бустерные твэлы.

Известны ТРП с бустерными твэлами [1] В США [1] проводились исследования по разработке ЯЭУ электрической мощностью 40 кВт для обитаемой космической станции, жестко укрепленной на корабле, либо соединенной с ним гибкой связью; другим объектом исследования была ЯЭУ электрической мощностью 5-134 кВт для необходимых объектов, включая питание электрического двигателя. Для этих установок рассматривались два вида реакторов:
1) на быстрых нейтронах с использованием бустерных твэлов из UN или UO₂;
2) на быстрых и промежуточных нейтронах, с использованием бустерных твэлов с замедлителем (U-ZrH).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах, активная зона которого состоит из ЭГК, часть которых заменена на бустерные твэлы с целью уменьшения объема а.з. [2]
Для космических ТРП характерны требования высоких удельных энергомассовых характеристик и длительного времени работы ТРП в форсированном режиме, достигаемом года и более.

Для таких ТРП температура теплоносителя, охлаждающая оболочки ЭГК и бустерных твэлов, может достигать 1300 К и более.

Температура в топливном материале (ТМ) бустерного твэла будет еще выше и зависит от теплофизических характеристик ТМ, конструктивных особенностей выполнения твэлов и режимов работы ТРП. Высокие значения плотности тепловыделения и температуры приводят к интенсивному выделению газообразных продуктов деления (ГПД) из ТМ. Выделение части ГПД из ТМ приводит к росту давления газов внутри оболочки твэла и может привести к ее разрушению. Это обстоятельство требует от конструкции бустерного твэла не только удовлетворения требуемым критическим параметрам ТРП, но и высокой ресурсоспособности, что можно достичь выводом ГПД за пределы твэла и снижения таким образом нагрузки на оболочку бустерного твэла.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение ресурсоспособности ТРП за счет повышения ресурсоспособности входящих в его состав бустерных твэлов.

Технический результат достигается в ТРП, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающийся тем, что бустерные твэлы снабжены системой удаления газообразных продуктов деления.

Система удаления газообразных продуктов деления может быть выполнена в виде тракта, образуемого зазорами между таблетками топливного материала и поверхностью оболочки бустерного твэла.

В системе удаления газообразных продуктов деления может быть установлен набор лабиринтных экранов для снижения выноса топливного материала за пределы бустеpного твэла.

Система удаления ГПД может быть выполнена в виде внутренней центральной оболочки, пронизывающей топливный материал и имеющей отверстия для выхода газообразных продуктов деления.

На фиг.1 приведена конструкционная схема предложенного ТРП, на фиг.2,3,4 варианты исполнения бустерного твэла, а на фиг.5,6 детализация отдельных узлов бустерных твэлов.

ТРП содержит корпус 1, активную зону 2, которая набрана из ЭГК 3 и бустерных твэлов 4. Снаружи а.з. 2 размещен боковой отражатель 5 и торцевые отражатели 6,7. В боковом отражателе 5 размещены органы СУЗ 8, например, в виде поворотных цилиндров с нейтронопоглощающими вставками 9. Бустерные твэлы 4 (фиг.2,3,4), расположенные в а.з. 2, содержат внешнюю оболочку 10 (фиг. 2,3,4), внутреннюю оболочку 11 (фиг.3,4) и заключенный в оболочки 10,11 ТМ 12. Он может быть расположен с зазором 13 (фиг.5,6) относительно оболочек. Бустерные твэлы 4 снабжены системой удаления ГПД, например в виде набора лабиринтных экранов 14 (фиг. 2,4). На поверхности внутренней оболочки 11, пронизывающей ТМ 12, могут быть выполнены отверстия 15 (фиг.6). Система удаления ГПД включает также газоотводные трубки 16 (фиг.1) в коммутационной камере 17 и резервуар-отстойник ГПД 18.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь работает следующим образом.

После сборки ТРП 1 и подсоединения его ко всем системам ЯЭУ, проводятся необходимые проверки и, при космическом использовании, ТРП 1 в составе ЯЭУ выводится в космос на радиационно-безопасную орбиту.

По команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП 1 путем поворота органов СУЗ 8, расположенных в боковом отражателе 5 поглощающими вставками 9 от активной зоны 2. При достижении критичности ТРП 1, в топливном материале ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 начинает выделяться тепло. В термоэмиссионных ЭГК 3 часть этого тепла непосредственно преобразуется в электроэнергию, которая подается потребителю. Непреобразованная часть тепла ЭГК 3 и тепло бустерных твэлов 4 отводится теплоносителем ЯЭУ и сбрасывается в космос излучением.

При делении ТМ образуются продукты деления. Основной объем ГПД составляют криптон и ксенон. Некоторая часть ГПД, определяемая условиями работы бустерного твэла 4, выделяется из ТМ 12 и попадает в зазор 13, образуемый ТМ 12 и оболочками 10,11. Далее, как показано на фиг.2, ГПД проходят через набор лабиринтных экранов 14, на которых конденсируются пары ТМ, идущие вместе с ГПД, и через трубки 16 объединяются в коммутационной камере 17 и далее выводятся за пределы ТРП 1 в резервуар-отстойник 18 (фиг.1). На фиг.3 приведен вариант конструкции бустерного твэла 4, где ГПД выводятся через внутреннюю центральную оболочку 11, пронизывающую ТМ 12. В этом случае ГПД, вышедшие из ТМ 12, попадают в зазор 13, далее через отверстия 15, равномерно распределенные по поверхности оболочки 11, выходят по трубкам 16 в резервуар-отстойник 18. Для снижения выхода паров ТМ, идущих вместе с ГПД, отверстия 15 в оболочке 11 должны быть достаточно малого диаметра и количество их должно быть ограничено. На фиг.4 показана конструкция бустерного твэла 4 с комбинацией возможностей вывода ГПД и отделения ГПД от паров ТМ 12, рассмотренных выше вариантов (фиг.2,3).

Как показывают предварительные оценки, применительно к ТРП, снабжение бустерных твэлов системой удаления ГПД позволяет увеличить ресурс работы ТРП за счет снятия нагрузки на оболочку бустерного твэла от вышедших из ТМ ГПД.

Использование: атомная энергетика, создание термоэмиссионных ядерных энергетических установок преимущественно косметического назначения. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащим активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, бустерные твэлы снабжены системой удаления газообразных продуктов деления, в составе которой может быть набор лабиринтных экранов или центральная оболочка с отверстиями, для повышения ресурсоспособности реактора-преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающийся тем, что бустерные твэлы снабжены системой удаления газообразных продуктов деления. 2. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система удаления газообразных продуктов деления бустерного твэла выполнена в виде тракта, образуемого зазорами между топливным материалом и поверхностью оболочки бустерного твэла. 3. Реактор-преобразователь по п.2, отличающийся тем, что система удаления газообразных продуктов деления бустерного твэла снабжена набором лабиринтных экранов. 4. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система удаления газообразных продуктов деления бустерного твэла выполнена в виде внутренней центральной оболочки, пронизывающей топливный материал и снабженной отверстиями для выхода газообразных продуктов деления.