ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к энергетике, ядерной технике и непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании электрогенерирующих сборок термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП).

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент (ЭГЭ) представляет собой элементарную ячейку ТРП, так как в ЭГЭ происходит весь цикл от генерации тепла при делении ядер урана до преобразования части второго тепла непосредственно в электричество. Последовательно-скоммутированные ЭГЭ образуют электрогенерирующую сборку (ЭГЭ)-сборочную единицу ТРП.

Известно несколько конструкционных схема ЭГЭ. Наиболее распространена коаксиальная схем ЭГЭ, разрабатывается схема с внешним расположением горючего, были созданы и испытаны ЭГЭ с плоскоцилиндрической геометрией электродов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭГЭ для ТРН "Топаз". Он содержит топливный сердечник из диоксида урана, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, коллектор, коллекторную изоляцию и наружный чехол. ЭГЭ содержит также систему дистанционаторов, обеспечивающих поддержание межэлектродного зазора, и коммутационную перемычку, с помощью которой эмиттер ЭГЭ электрически коммутируется с коллектором соседнего ЭГЭ. Последовательно соединенные ЭГЭ образуют ЭГС, из которых собирается активная зона ТРП.

В рассматриваемом ЭГЭ наблюдается существенная неизотермичность эмиттера, связанная с утечками тепла через коммутационную перемычку. Неизотермичность эмиттера может достигать 200^oC более и распространяется на значительную часть длины ЭГЭ. В результате эффективность преобразования энергии в ЭГЭ снижается, так как при ограничении максимальной температуры эмиттера снижение температуры приводит к снижению как плотности генерируемого тока так и КПД преобразования, который заметно снижается с уменьшением плотности генерируемой мощности. В результате необходимости выполнены условия:
T_Еmax ≅ T_Едоп, (1)
где
T_Eмакс, T_Eдоп максимальное и допустимое значения температуры эмиттера, эффективность работы эмиттера может снижаться в 1,5-2 раза.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности использования эмиттерной поверхности как с точки зрения увеличения средней плотности электрической мощности при заданном T_Едоп, так и повышение ресурса за счет повышения изотермичности эмиттера.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном ЭГЭ, содержащем блок делящегося вещества, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, в котором между эмиттером и топливным блоком установлена тепловая труба с радиально-продольной передачей тепла. В качестве рабочего тела такой тепловой трубы (TT) может быть выбран литий, а еще лучше обогащенный по изотопу литий-7. В качестве фитильной структуры такой TT можно использовать сетку и перфорированные радиальные паровые каналы. В качестве материала TT может быть выбран молибден, вольфрам или их сплавы.

На чертеже приведена схема термоэмиссионного ЭГЭ, содержащего топливный сердечник 1, эмиттерную оболочку, состоящую из эмиттера 2 и двух торцевых крышек 3 и 4. Между сердечником 1 и эмиттером 2 вдоль всей длины эмиттера размещена тепловая труба 5, которая содержит герметичный корпус 6 и капиллярную структуру в виде двух частей части 7 для поперечной радиальной перетечки теплоносителя и части 8 для продольной перетечки жидкого теплоносителя. Паровой объем TT 5 образован также поперечными каналами 9 и продольными каналами 10, ЭГЭ содержит также коллектор 11, коллекторную изоляцию 12 и наружную трубку (чехол) 13. Для электрической коммутации ЭГ и ЭГС предусмотрена коммутационная перемычка 14, снабженная отверстиями 15 для прохода пара цезия в межэлектродные зазоры 16.

Термоэмиссионный ЭГЭ работает следующим образом.

После изготовления эмиттера 2 с донышком 4 внутрь вставляется тепловая труба 5, которая предварительно была отвакуумирована, обезгажена и заполнена теплоносителем, например, литием. Внутрь тепловой трубы, выполненной в виде цилиндрической оболочки, вставляется топливный сердечник 1, например, в виде таблеток из диоксида или карбида урана. После этого к торцу эмиттера 2 приваривается вторая торцевая крышка 3 с коммутационной перемычкой 14. Сварной герметичный шок 17 шлифуется. Последовательно коммутируя внутри чехла 13 через слой изоляции 12 отделенные ЭГЭ образуют ЭГС. Набранная из таких ЭГС активная зона ТРП готова к работе. При появлении с помощью органов регулирования положительной реактивности в топливном сердечнике 1 за счет деления ядер урана выделяется тепло, которое теплопроводностью доставляется к внутренней части корпуса 6 ТТ. Это тепло испаряет жидкое рабочее тело, например литий, которое заполняет капиллярную структуру 7 и 8 ТТ 5. Пар проходит в паровом канале 9 и конденсируется на капиллярной структуре 8 у наружной стенки корпуса 4 ТТ 5. Далее с этой стенки тепло передается на эмиттер 2. Часть этой тепловой мощности в межэлектродном зазоре 16, заполненном паром цезия, преобразуется в электроэнергию, которая с помощью коммутационной перемычки 14 суммируется с вырабатываемыми другими ЭГЭ электроэнергией и отводится потребителю. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла поступает на коллектор 11 и далее теплопроводностью передается через коллекторную изоляцию 12 чехлу 13,с которого тепло уносится теплоносителем.

Из-за наличия металлической коммутационной перемычки 14 часть поступившего на эмиттер 2 тепла теплопроводностью через перемычку 14 переносится на коллектор 11. В результате вдоль эмиттера 2 образуется градиент температуры с понижением у края, примыкающего к торцевой крышке 3. В результате в ТТ 5 кроме радиального переноса тепла в паровых каналах 9 происходит продольный перенос тепла в результате испарения жидкой фазы рабочего тела в более нагретой части, например, вблизи крышки 4, переноса пара по паровым продольным каналам 10 и конденсации пара в более холодных частях ТТ, например, вблизи крышки 3. Сконденсировавшаяся жидкая фаза рабочего тела по капиллярной структуре 8 возвращается в более нагретую часть, где снова испаряется.

В результате происходит продольное выравнивание температур вдоль ТТ 5, а следовательно, и эмиттера 2. Известно, что в правильно спроектированных ТТ градиент температур может быть ничтожен (менее 1^oC), а следовательно, в предложенной конструкции ЭГЭ может быть обеспечено практически полное выравнивание температуры эмиттера. На фиг.2 показано температурное поле типичного ЭГЭ в виде зависимости температуры эмиттера T_Е от координаты Z, причем Z O соответствует краю эмиттера 2 у крышки 4, a 1 соответствует краю эмиттера 2 у крышки 3 с коммутационной перемычкой 14. Здесь кривая "a" относится к ЭГЭ без ТТ, а кривая "b" к предложенному ЭГЭ с ТТ При одинаковых T_Емакс в предложенной ЭГЭ с температуры полем, соответствующим кривой "b", генерируемая мощность, почти в 2 раза выше, чем в типичном ЭГЭ с температурным полем по кривой "a". Выравнивание температуры эмиттера позволяет повысить тепловую мощность ЭГЭ, а следовательно, и эффективность, при выполнении условия (1). Возможно повышение эффективности и при сохранении неизменной тепловой мощности ЭГЭ, в этом случае выравнивание температуры эмиттера приведет к снижению T_Емакс, а следовательно, и увеличению ресурса при сохранении генерируемой электрической мощности. Температурное поле эмиттера в этом случае демонстрирует кривая "c" фиг.2.

На фиг. 1 изображена традиционная схема коаксиального ЭГЭ с внутренним расположением топливного блока в виде топливного сердечника. Предложенный ЭГЭ может быть выполнен и по схеме с внешним расположением топливного блока в виде шетигранника с внутренним отверстием.

В качестве рабочего тела ТТ целесообразно использовать литий как оптимальное рабочее тело, начиная с температур, примерно 550K. Так как ЭГЭ размещен в активной зоне ТРП, целесообразное использовать изотоп литий-7 или естественную смесь изотопов, обогащенную по литию-7. В качестве материала как оболочек так и капиллярной структуры ТТ целесообразно использовать молибден, вольфрам или их сплавы, а для улучшения нейтроннофизических характеристик ТРП из таких ЭГЭ-изотоп вольфрама-184 с относительно небольшим сечением тепловых нейтронов.

Назначение: энергетика, ядерная техника и непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионного реактора-преобразователя. Сущность изобретения: для выравнивания температурного поля эмиттера между ним и торцевым блоком размещена тепловая труба (ТТ) с продольно-радиальным переносом тепла. ТТ выполнена в виде двухстенной оболочки с капиллярной структурой, размещенной у внутренней и внешней стенок оболочек и поперек стенок в виде радиальных пластин с отверстиями. В качестве рабочего тела ТТ выбран литий, преимущественно изотоп литий-7. В качестве материала ТТ выбран вольфрам или его сплавы. Капиллярная структура выполнена в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливный блок из делящегося материала, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, отличающийся тем, что между эмиттером и топливным блоком установлена тепловая труба с радиально-продольной передачей тепла. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что тепловая труба выполнена в виде цилиндрической двухстенной оболочки с капиллярной структурой, размещенной у внутренней и внешней стенок оболочки и поперек стенок в виде радиальных пластин, снабженных отверстиями. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела тепловой трубы выбран литий. 4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве лития выбран изотоп лития-7 или естественная смесь изотопов лития, обогащенная по изотопу литий-7. 5. Элемент по пп.1 4, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки и капиллярной структуры тепловой трубы выбран вольфрам или его сплавы. 6. Элемент по п. 5, отличающийся тем, что в качестве вольфрама выбран изотоп вольфрама-184. 7. Элемент по пп.1 6, отличающийся тем, что в качестве капиллярной структуры использовано не менее одного слоя сетки или перфорированного экрана.