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 последовательтно 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.

В России и в США [1, 2] проводились исследования по разработке ЯЭУ электрической мощностью 25 250 кВт для космических станций, жестко укрепленных на корабле, либо соединенных с ним гибкой связью. Особенность этих установок состоит в том, что число ЭГК в а.з. ТРП меньше, чем это требуется для обеспечения ядерной критичности. Критичность достигается с помощью использования бустерных твэлов путем замены части ЭГК или добавлением в а.з. ТРП бустерных твэлов.

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 нагрузки на оболочку бустерного твэла от распухающего ТМ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП, активная зона которого состоит из ЭГК, часть которых заменена на бустерные твэлы.

Оболочка бустерного твэла испытывает существенные нагрузки не только от ГПД выходящих из ТМ, но и от механического контакта взаимодействия между ТМ и оболочкой из-за увеличения диаметра топливного сердечника в результате температурного расширения и радиационного распухания. Увеличение диаметрального зазора между ТМ и оболочкой твэла повышает стойкость оболочки твэла, но оно ограничено перегревом центра топлива. В процессе работы возникающие радиальные трещины в наиболее холодных периферийных зонах топлива расширяются. Если сила сцепления (трения) между оболочкой бустерного твэла и ТМ достаточна, то возникает локальная деформация оболочки в зонах расположения радиальных трещин. При циклических изменениях мощности (пуск и останов ТРП) эти напряжения релаксируются не полностью, и повторение циклов приводит к разрушению оболочки твэла.

Зазор между ТМ и оболочкой бустерного твэла оказывает сильное термическое сопротивление тепловому потоку идущему от ТМ к оболочке и таким образом приводит к существенному скачку температуры в ТМ.

Для оксидного топлива это может привести к резкому увеличению массопереноса ТМ из нагретых зон и конденсации его на относительно холодной оболочке бустерного твэла. Радиальный массоперенос может привести к уменьшению зазора между сердечником из ТМ и оболочкой бустерного твэла вплоть до полного его исчезновения. Причем, в сконденсированном на оболочку слое ТМ температура и соответственно пластичность его резко падают, что вызывает большие напряжения и деформацию оболочки бустерного твэла.

Карбидно-нитридное топливо, более "жесткое" по сравнению с оксидным топливом, поскольку имеет более высокую теплопроводность и соответственно меньшие температуры в ТМ. В условиях высоких тепловых нагрузок, имеющих место в бустерных твэлах ТРП на быстрых нейтронах, это обстоятельство приводит к неблагоприятному воздействию ТМ на оболочку. Сердечник растрескивается на несколько сегментов. Расклиненные образовавшимися при этом крошками сегменты плотно прижимаются к оболочке и при дальнейшем распухании вызывают в ней локальную деформацию, что приводит к разрушению [5]
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение работоспособности ТРП путем увеличения ресурса работы бустерных твэлов за счет снижения нагрузки на оболочку бустерного твэла от температурного расширения и радиационного распухания ТМ.

Указанный технический результат достигается в ТРП, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, имеющих зазор между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла, в зазор между топливным материалом и поверхностью оболочки бустерного твэла введена упругая система теплопередающих мостиков.

Система теплопередающих мостиков выполнена из тугоплавкого металла или сплава на основе тугоплавкого металла.

В качестве тугоплавкого металла использованы вольфрам, молибден или сплавы на их основе.

Система теплопередающих мостиков может быть выполнена в виде перфорированной тонкостенной цилиндрической оболочки, охватывающей топливный материал, разрезанной по образующей и скрученной в нахлест, по внешней стороне которой, в плоскости проходящей через ось цилиндрической оболочки, расположены соединенные по образующим цилиндрической оболочки тонкостенные пластины, ширина которых превышает величину зазора между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла.

Система теплопередающих мостиков может быть выполнена в виде сетки, скрученной по цилиндрической поверхности и охватывающей топливный материал, унизанной прикрепленной к ней радиально направленными отрезками тонкой проволоки, длина которой превышает величину зазора между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла.

Система теплопередающих мостиков может быть выполнена в виде спутанной системы тонкой проволоки, заполняющей зазор между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла.

Предложение выполнить систему теплопередающих мостиков из тугоплавких металлов W и Mo или сплавов на их основе появилось потому, что эти металлы удачно сочетают необходимые для высокой работоспособности и надежности ТРП (особенно для быстрого реактора) следующие важные свойства:
1) высокую температуру плавления;
2) высокую теплопроводность;
3) хорошую совместимость с ТМ в рассматриваемом температурном режиме;
4) невысокое сечение захвата (особенно у Mo).

Предложение выполнять систему теплопередающих мостиков в виде перфорированной тонкостенной цилиндрической оболочки, разрезанной по образующей, или в виде сетки не препятствует равномерному распуханию ТМ и свободному выходу ГПД из ТМ.

На чертеже фиг. 1 приведена конструкционная схема предложенного ТРП; на фиг. 2 конструкционная схема бустерного твэла ТРП; на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 детализация отдельных узлов бустерных твэлов.

ТРП 1 содержит 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. На фиг. 1 показаны также трубки 10 для вывода ГПД в коммутационную камеру 11 ТРП 1 и далее в резервуар-отстойник ГПД 12. Бустерные твэлы 4 (фиг. 2), содержат оболочку 13, заключающую ТМ 14, с зазором 15 заполненным системой теплопередающих мостиков, детально показанных на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

На фиг. 3, 8 система теплопередающих мостиков выполнена в виде перфорированной тонкостенной цилиндрической оболочки 16, разрезанной по образующей и скрученной внахлест, как показано на фиг. 3. По образующим расположены соединенные с оболочкой 16 тонкостенные пластины 17.

На фиг. 4, 5, 9 конструкция теплопередающих мостиков выполнена в виде сетки 18, скрученной по цилиндрической поверхности и унизанной радиально прикрепленными к ней отрезками проволоки 19.

На фиг. 6, 7 теплопередающие мостики выполнены в виде спутанной тонкой проволоки 20, заполняющей зазор 15.

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. Уровень тепловой мощности поднимается до рабочего.

В результате деления ядер U²³⁵ образуются продукты деления. Часть газообразных продуктов деления (основной объем ГПД составляют криптон и ксенон) выделяется из ТМ 14 и попадает в зазор 15, образованный ТМ 14 и оболочкой 13, и далее по трубкам 10 выводится в коммутационную камеру 11 ТРП 1, откуда ГПД попадает в резервуар-отстойник 12. Оставшаяся часть продуктов деления участвует в распухании ТМ.

В термоэмиссионных ЭГК 3 часть тепловой энергии 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.

Причем тепловая энергия, выделяемая в ТМ 14 бустерного твэла 4, передается через систему теплопередающих мостиков (фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) на оболочку 13, охлаждаемую теплоносителем ЯЭУ.

Как показано на фиг. 3, 8 тепловая энергия из ТМ 14 через перфорированные тонкостенные оболочки 16, по тонкостенным пластинам 17 попадает на оболочку 13 бустерного твэла 4 и далее к теплоносителю ЯЭУ. Под действием распухающего ТМ 14 скрученная внахлест перфорированная оболочка 16 слегка раскручивается, не препятствуя увеличению объема ТМ 14. Тонкостенные пластины 17, выполненные в виде фольги, деформируются, не оказывая заметного усилия на оболочку бустерного твэла 13. ГПД, выходящие из ТМ 14, через отверстия в оболочке 16 беспрепятственно попадают в зазор 15 и далее по трубкам 10 в коммутационную камеру 11 ТРП 1, откуда ГПД поступают в резервуар-отстойник 12.

Как показано на фиг. 4, 5, 9 тепловая энергия из ТМ 14 по сетке 18 и отрезкам тонкой проволоки 19 попадает на оболочки 13 бустерного твэла 4 и далее теплоносителем ЯЭУ сбрасывается в космос излучением. Сетка 18 и отрезки тонкой проволоки 18 образуют упругую систему теплопередающих мостиков, не препятствующую распуханию ТМ 14 и выходу ГПД в зазор 15 и далее за пределы ТРП 1 в резервуар-отстойник 12.

Как показано на фиг. 6, 7, тепловая энергия из ТМ по спутанной тонкой проволоке 20, заполняющей зазор 15, передается на оболочку 13 бустерного твэла 4 и далее с помощью теплоносителя ЯЭУ сбрасывается в космос. Упругая система теплопередающих мостиков, в виде спутанной проволоки 20, не препятствует распуханию ТМ 14 и выходу ГПД в зазор 15 и далее из бустерного твэла 4 по трубкам 10 за пределы ТРП 1 в резервуар-отстойник 12.

Как показывают предварительные оценки, предложение по устанавке в бустерных твэлах упругой системы теплопередающих мостиков позволяет увеличить ресурс и надежность работы термоэмиссионного реактора-преобразователя за счет:
1) снижения температуры в топливном материале бустерных твэлов ТРП;
2) резкого замедления процесса "испарение-конденсация" топливного материала в бустерных твэлах ТРП;
3) более стабильной открытой пористости в ТМ, способствующей беспрепятственному выходу ГПД из бустерного твэла;
4) предотвращения контакта распухающего ТМ с оболочкой бустерного твэла.

Использование: атомная энергетика, создание тормоэмиссионных ядерных энергетических установок. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, бустерные твэлы снабжены системой теплопередающих мостиков, располагаемы: в зазоре между топливным сердечником и оболочкой бустерного твэла. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, имеющих зазор между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла, отличающийся тем, что в зазор между топливным материалом и поверхностью оболочки бустерного твэла введена упругая система теплопередающих мостиков. 2. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система теплопередающих мостиков выполнена из тугоплавкого металла или сплава на основе тугоплавкого металла. 3. Реактор-преобразователь по п.2, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого металла использованы вольфрам, молибден или сплавы на их основе. 4. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система теплопередающих мостиков выполнена в виде перфорированной тонкостенной цилиндрической оболочки, охватывающей топливный материал, разрезанной по образующей и скрученной внахлест, по внешней стороне которой в плоскости, проходящей через ось цилиндрической оболочки, расположены соединенные по образующим цилиндрической оболочки тонкостенные пластины, ширина которых превышает величину зазора между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла. 5. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система теплопередающих мостиков выполнена в виде сетки, скрученной по цилиндрической поверхности и охватывающей топливный материал, унизанной прикрепленной к ней радиально направленными отрезками тонкой проволоки, длина которой превышает величину зазора между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла. 6. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система теплопередающих мостиков выполнена в виде спутанной системы тонкой проволоки, заполняющей зазор между топливным материалом и оболочкой бустерного твэла.