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 ЯЭУ приводят к необходимости дальнейшего уменьшения объема а.з. ТРП, что достигается с помощью замены части ЭГК на бустерные твэлы. Так 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 необитаемых 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]
Как показывает практика создания высокоэффективных ТРП, для обеспечения длительной работоспособности важно, чтобы ЭГК работали в примерно равных температурных условиях. Для этого необходимо выравнивание тепловыделения по объему а.з. ТРП.

Для ТРП на быстрых нейтронах с относительно толстым замедляющим отражателем существует неравномерность тепловыделения, причем наблюдаются два максимума тепловыделения: это в центральной части а.з. и всплеск тепловыделения на периферии а.з. ТРП у границы с отражателем [3] Ядерное профилирование, проводимое для выравнивания тепловыделения в а.з. ТРП, не всегда возможно, особенно для ТРП с малым объемом а.з. так как в твэлы ЭГК таких ТРП закладывается максимально возможное количество топливного материала.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является выравнивание поля тепловыделения по сечению а.з. ТРП на быстрых нейтронах.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащим отражатель, активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающимся тем, что бустерные твэлы равномерно расположены у отражателя активной зоны и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов.

На чертеже приведена конструкционная схема предложенного ТРП. ТРП 1 содержит активную зону 2, которая набрана из ЭГК 3 и бустерных твэлов 4. Снаружи а. з. 2 размещен отражатель 5, в боковой части которого размещены органы СУЗ 6, например, в виде поворотных цилиндров с нейтронопоглощающими вставками 7. Бустерные твэлы 4, расположены (желательно равномерно по окружности) в области а.з. 2, где наблюдается минимум тепловыделения. Этот минимум тепловыделения расположен на периферии активной зоны на расстоянии примерно в 1-2 диаметра ЭГК от границы отражателя. Поэтому бустерные твэлы 4 должны быть расположены от границы отражателя 8 на расстоянии не менее чем в один слой ЭГК 3. Для равномерного снятия тепловой энергии с ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 в а.з. 2 ТРП 1 использован вытеснитель 9.

Термоэмисионный реактор-преобразователь работает следующим образом.

После сборки ТРП 1 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 6, расположенных в боковом отражателе 5 поглощающими вставками 7 от активной зоны 2. При достижении критичности ТРП 1, в топливном материале ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 начинает выделяться тепло. Поскольку бустерные твэлы 4 имеют более высокую плотность по U²³⁵ по сравнению с ЭГК 3 и расположены они преимущественно равномерно по зоне минимума тепловыделения в а.з. 2 ТРП 1, то это приводит к выравниванию поля тепловыделения по а. з. 2 ТРОП 1, что положительно сказывается на эффективности работы ЭГК 3.

Как показали предварительные оценки, применительно к ТРП, предложение разместить бустерные твэлы у границы активной зоны, отделив их от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов, позволяет:
увеличить электрическую мощность ТРП при неизменной тепловой мощности ТРП за с чет более равномерного распределения тепловой мощности по объему активной зоны ТРП;
получить более высокие средние удельные энергетические характеристики, снимаемые с единицы объема активной зоны ТРП при неизменной максимальной температуре эмиттеров ЭГК;
получить более высокий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в ТРП за счет более равномерного распределения температуры эмиттерных оболочек ЭГЭ в ЭГК;
увеличить ресурс работы ТРП за счет более равномерного распределения нагрузки на эмиттеpные оболочки ЭГЭ в ЭГК от распухающего топливного материала.

Назначение: создание термоэмиссионных ядерных энергетических установок преимущественно космического назначения. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, бустерные твэлы размещены у отражателя активной зоны и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов для увеличения электрической мощности реактора-преобразователя. 1 ил.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий отражатель, активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающийся тем, что бустерные твэлы размещены в области отражателя активной зоны и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов.