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.) его для размещения ЭГК и получения таким образом максимальной электрической мощности снимаемой с единицы а.з. ТРП используют быстрые реакторы, 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 [1, 2]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП, спроектированный для термоэмиссионной энергоустановки электрической мощностью 25 кВт для применения на обитаемой орбитальной лаборатории [3] В активной зоне этого ТРП для обеспечения ядерной критичности используют бустерные твэлы с замедлителем U-ZrH.

Для космических ЯЭУ характерны требования высоких удельных энерго-массовых характеристик и длительного времени работы ЯЭУ в форсированном режиме достигаемом года и более. Для таких ЯЭУ температура теплоносителя, охлаждающего оболочки ЭГК и бустерных твэлов, может достигать 1300К и более. Поэтому в таких ТРП встает вопрос выбора материалов оболочки бустерного твэла и топливного материала, позволяющих обеспечить не только ядерную критичность, но и повысить работоспособность бустерных твэлов, а следовательно и ресурс работы ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение энерго-массовых и ресурсных характеристик ТРП.

Указанный технический результат достигается в ТРП содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных ЭГК и бустерных твэлов. Оболочки бустерных твэлов выполнены из жаропрочных сплавов на основе ниобия. В качестве топливного материала бустерных твэлов использован монокарбид урана и введены барьеры, предотвращающие или ограничивающие взаимодействие монокарбида урана на границе контакта с металлической оболочкой бустерного твэла.

В качестве сплава на основе ниобия для оболочки бустерного твэла использован ниобий-циркониевый сплав (НбЦУ).

В качестве барьера использованы тугоплавкие металлы вольфрам, молибден или сплавы на их основе. Барьер выполнен в виде тонкостенной оболочки, разделяющей оболочку бустерного твэла от монокарбида урана.

В качестве барьера использованы стабилизирующие добавки карбидов тугоплавких металлов гафния, тантала, ниобия, циркония в количестве от 5 до 25 мол.

Материал оболочек бустерных твэлов выбран из тугоплавкого металла, поскольку, как показывает практика разработки твэлов, жаропрочные стали в контакте с топливным материалом (в частности с UC) при температурах, превышающих 900 К, взаимодействуют с топливным материалом.

В качестве оболочек бустерных твэлов используют ниобиевые сплавы, допускающие значительно более высокие рабочие температуры по сравнению с жаропрочными сталями и позволяющие использовать единый тугоплавкий конструкционный материал (включая корпуса ЭГК, конструкцию реактора и конструкцию системы охлаждения ЯЭУ). В качестве такого жаропрочного сплава предложены ниобий-циркониевый сплав (НбЦУ).

В качестве топливного материала бустерных твэлов предложен монокарбид урана, поскольку он обладает: высоким содержанием делящегося элемента; удовлетворительно совместим с конструкционными материалами; высокой теплопроводностью; высокой температурой плавления.

Однако, высокая активность монокарбида урана в контакте с материалом оболочки бустерного твэла в условиях высоких температур, характерных для космических ЯЭУ, приводит к снижению работоспособности бустерного твэла и соответственно снижению ресурса ТРП.

Недостатки, присущие UC, заключаются в высокой активности углерода, что приводит к нежелательной карбидизации металлов, контактирующих с UC, и в наличие узкой области гомогенности, что усложняет получение однофазного карбида, не имеющего свободных C, U и фазы UC₂.

Предлагается кинетический путь предотвращения взаимодействия на границе контакта монокарбид урана металлическая оболочка бустерного твэла, а именно создание диффузионных барьеров. В данном случае предлагаются металлические барьеры выполненные из тугоплавкого металла. Как показывают исследования, наиболее эффективным барьером для предохранения от взаимодействия может служить вольфрам, молибден или сплавы на их основе.

Другой путь предотвращения или ограничения взаимодействия UC с оболочкой бустерного твэла -термодинамический путь, связанный с уменьшением активности углерода и урана за счет замены части атомов урана металлами, образующими сильные карбиды. Наиболее перспективными стабилизирующими добавками предлагается использовать карбиды тугоплавких металлов ZrC, NbC, TaC, HfC, что находит подтверждение в экспериментах.

Как показывают результаты исследований по определению влияния состава твердого раствора (U, Me)C на его взаимодействие с углеродом и в первую очередь на температуру появления жидкой фазы в системах (U, Me)C-C, наиболее эффективное минимальное количество стабилизирующей добавки карбидов тугоплавких металлов ограничено 5 мол. Снижение добавки менее 5 мол. приводит к резкому падению эффективности, что наблюдается, в частности, в резком уменьшении температуры плавления топливной композиции.

Максимальное количество стабилизирующих добавок ограничено 25 мол. поскольку дальнейшее повышение количества добавок в UC приводит к снижению ядерной плотности по сравнению с UO_e т.е. теряется одно из важнейших преимуществ этого тугоплавкого топливного материала.

Кроме стабилизирующего фактора, карбид гафния одновременно может служить в качестве резонансного поглотителя и, вводимый в монокарбид урана, может сыграть важную роль в обеспечении ядерной безопасности ЯЭУ, поскольку отвечает важнейшей концепции "внутренней безопасности ЯЭУ", предполагающей наличие отрицательных обратных связей. Существенная величина сечения поглощения нуклида гафния в эпитепловой области спектра нейтронов, в которую смещается максимум этого спектра при затоплении ТРП водой, снижает возникающий в этой аварийной ситуации водородный эффект.

На фиг. 1 изображен общий вид термоэмиссионного реактора-преобразователя; на фиг. 2 общий вид бустерного твэла с частичным вырезом его стенки для лучшего показа конструкции.

ТРП 1 содержит а.з. 2, которая набрана из ЭГК 3 м 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. Бустерный твэл 4 содержит оболочку из жаропрочных сплавов на основе ниобия (ниобий-циркониевый сплав - НбЦУ) 10, заключающую топливный материал монокарбид урана 11. На границе контакта оболочки 10 бустерного твэла 4 и топливного материала 11 введен барьер, выполненный или в виде тонкостенной оболочки из тугоплавкого металла (W, Mo или сплавы на их основе) 12 или в виде стабилизирующих добавок в UC карбидов тугоплавких металлов ZrC, NbC, TaC, HfC в количестве от 5 до 25 мол.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь 1 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.

На этапе выведения ЯЭУ в составе космического аппарата в космос возможна аварийная ситуация падения ЯЭУ в воду. При этом ТРП 1 заполняется или окружается водой, что приводит к смягчению спектра нейтронов и увеличению К_эф. Наличие в а.з. 2 ТРП 1 резонансного поглотителя нуклида Hf, имеющего большую величину сечения поглощения, снижает возникающий в этой аварийной ситуации водородный эффект до уровня, позволяющего удержать подкритичность ТРП 1 в требуемых пределах.

В случае успешного запуска космического аппарата по команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП 1 путем поворота органов СУЗ 8, расположенных в боковом отражателе 5 поглощающими вставками 9 от а.з. 2. При достижении критичности ТРП 1, в топливном материале 11 ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 начинает выделяться тепло. Уровень тепловой мощности поднимается до рабочего.

С подъемом температуры топливного материала 11 активность монокарбида урана растет. Тонкостенная оболочка 12 на границе контакта топливного материала 11 с оболочкой 10 бустерного твэла 4 служит диффузионным барьером, предотвращающим или ограничивающим взаимодействие топливного материала 11 с оболочкой 12 бустерного твэла 4. Другим путем, предотвращающим или ограничивающим взаимодействие топливного материала 11 с оболочкой 12 бустерного твэла 4, служит термодинамический барьер, создаваемый стабилизирующими добавками карбидов тугоплавких металлов ZrC, NbC, TaC, HfC, вводимыми в монокарбид урана 11.

Как показали предварительные оценки, использование тугоплавких композиций на основе UC и жаропрочной оболочкой на основе ниобия для бустерных твэлов ТРП с применением барьеров, предотвращающих или ограничивающих взаимодействие топливной композиции с оболочкой, позволяет:
1) увеличить плотность делящегося вещества в активной зоне ТРП;
2) увеличить запас надкритичности ТРП (К_эф);
3) уменьшить объем активной зоны и таким образом уменьшить массогабаритные характеристики ТРП;
4) поднять температурные характеристики в активной зоне ТРП;
5) получить более высокие удельные энергетические характеристики, снимаемые с единицы объема активной зоны ТРП;
6) увеличить работоспособность бустерных твэлов и следовательно ресурс работы ТРП;
7) дополнить обеспечение ядерной безопасности ЯЭУ резонансными поглотителями при использовании HfC в топливном материале из UC.

Использование: атомная энергетика, создание термоэмиссионных ядерных энергетических установок. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, в бустерных твэлах использованы тугоплавкие топливные композиции на основе UC и жаропрочная оболочка на основе ниобия с применением барьеров предотвращающих или ограничивающих взаимодействие топливного материала с оболочкой бустерного твэла, для повышения энерго-массовых и ресурсных характеристик. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающийся тем, что оболочка бустерного твэла выполнена из жаропрочных сплавов на основе ниобия, а в качестве топливного материала бустерных твэлов использован монокарбид урана и введены барьеры на границе контакта с оболочкой бустерного твэла, предотвращающие или ограничивающие взаимодействие монокарбида урана с оболочкой бустерного твэла. 2. Реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе ниобия для оболочек бустерного твэла использован ниобий-циркониевый сплав (НбЦУ). 3. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что барьер выполнен в виде тонкостенной оболочки, отделяющей оболочку бустерного твэла от монокарбида урана. 4. Реактор-преобразователь по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала тонкостенной оболочки использованы тугоплавкие металлы. 5. Реактор-преобразователь по п.4, отличающийся тем, что в качестве тугоплавких металлов использован вольфрам, молибден или сплавы на их основе. 6. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве барьера использованы стабилизирующие добавки и монокарбид урана. 7. Реактор-преобразователь по п.6, отличающийся тем, что в качестве стабилизирующих добавок использованы карбиды тугоплавких металлов. 8. Реактор-преобразователь по п.7, отличающийся тем, что в качестве карбидов тугоплавких металлов использованы карбиды гафния, тантала, ниобия, циркония. 9. Реактор-преобразователь по п.8, отличающийся тем, что стабилизирующие добавки карбидов тугоплавких металлов вводятся в количестве 5 25 мол.