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

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических энергоустановок.

известен термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) "Топаз" [1] Он содержит активную зону (АЗ), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), отражателя, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов. ЭГК снаружи охлаждаются теплоносителем в виде эвтектического сплава NaK.

Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт, в течение около года.

В качестве прототипа примем ТРП, описанный в [2] Он содержит активную зону и отражатель. АЗ в свою очередь содержит термоэмиссионные ЭГК, которые обеспечивают требуемое значение электрической мощности и так называемые бустерные твэлы, которые не являются электрогенерирующими, а добавлены в АЗ для обеспечения ее критичности, так как объемная доля делящегося вещества в них существенно выше, чем в ЭГК. Бустерные твэлы размещены по всему объему АЗ, причем во внутренней области они размещены между ЭГК, а внешняя область АЗ содержит лишь бустерные твэлы. Бустерные твэлы охлаждаются тем же теплоносителем, что и ЭГК. Теплоноситель в виде эвтектики NaK охлаждает сначала боковой отражатель, а затем АЗ. Для увеличения ресурса предусмотрена работа ЭГК на пониженной мощности, для чего увеличено количество ЭГК примерно в 1,5 раза относительно необходимого.

Бустерные твэлы, которые содержат фактически лишь топливо в оболочке, позволяют существенно снизить критический объем АЗ, а следовательно, и массу всей ЯЭУ. Однако введение в АЗ бустерных твэлов существенно понижает КПД ТРП и требует увеличения поверхности холодильника-излучателя, что нивелирует выигрыш в массе за счет снижения габаритов реактора и радиационной защиты. Кроме того, оптимальный режим охлаждения ЭГК и бустерных твэлов может существенно различаться, что также может сказаться на возможности обеспечения разных режимов работы, например, на существенно различающихся уровнях тепловой и электрической мощности. Так, при формировании мощности оптимальный режим охлаждения ЭГК (оптимальные расход и подогрев теплоносителя) может оказаться недостаточным для охлаждения бустерных твэлов.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение оптимальных режимов работы как ЭГК так и бустерных твэлов независимо друг от друга и тем самым повышение характеристик и ресурса ТРП и ЯЭУ в целом.

Указанный технический результат достигается в ТРП, содержащем АЗ из термоэмиссионных ЭГК и бустерных твэлов с системой охлаждения АЗ и отражателя с органами регулирования и защиты, в котором бустерные твэлы размещены внутри не менее одного собственного герметичного корпуса и снабжены автономной системой охлаждения. Наилучший результат достигается при расположении бустерных твэлов в центре АЗ. Возможно исполнение активной зоны из нескольких корпусов с ЭГК и бустерными твэлами. Форма поперечного сечения корпусов может быть выбрана в виде правильного шестигранника. В этом случае для удобства компоновки ТРП размеры корпусов с ЭГК и с бустерными твэлами целесообразно выполнить одинаковыми.

На чертеже приведена схема ТРП. содержащая АЗ 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. АЗ 1 набрана из ЭГК 4, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например, эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя осуществляется через патрубок 5, а отвод через патрубок 6. В части АЗ 1, например, ее центре, внутри собственного герметичного корпуса 7 размещены бустерные твэлы 8, которые охлаждаются введенным автономным (собственным) контуром теплоносителя 9, который подводится через дополнительный входной патрубок 10 и отводится через дополнительный выходной патрубок 11. Теплоноситель автономного контура может быть как высокотемпературным так и низкотемпературным и будет определяться выбранными материалами бустерных твэлов и допустимыми размерами холодильника-излучателя этого автономного контура. В отражателе размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 12 с поглощающими нейтроны накладками 13. Выделяющееся тепло отводится от ЭГК4 теплоносителем 14, а электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 15.

ТРП работает следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 12 находятся в положении поглощающими накладками 13 к АЗ 1. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос на радиационнобезопасной орбите, например, высотой 500-800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот накладки 13 отходят от АЗ 1. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГК 4 и бустерных твэлов 8. Выделяющееся тепло отводится от ЭГК 4 теплоносителем 14 основного контура, а от бустерных твэлов 8 теплоносителем 9 дополнительного контура с входным патрубком 10 и выходным 11. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГК 4 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 15. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем 14 и затем сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (не показано). Поверхность холодильника-излучателя, расход теплоносителя выбраны оптимальными с точки зрения получения максимальной электрической мощности как за счет обеспечения оптимальной температуры коллектора ЭГК (600 700^oC) так и минимизации затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя.

За счет введения автономной системы охлаждения бустерных твэлов параметры этой системы также могут быть выполнены оптимальными, так как они не влияют на характеристики ЭГК. Здесь возможно несколько вариантов. Если бустерные твэлы выполнены из металлического урана, как имеющего наибольшую из всех топливных композиций объемную плотность делящегося изотопа, то максимальная температура теплоносителя дополнительного контура может быть и ниже чем в основном контуре. Однако в этом случае поверхность холодильника-излучателя контура охлаждения бустерных твэлов может быть достаточно большой. Поэтому с точки зрения минимизации массы ЯЭУ целесообразно в качестве топлива бустерных твэлов выбрать высокотемпературную топливную композицию, а сам контур высокотемпературным. Это позволит несмотря на пониженное значение КПД ТРП (бустерные твэлы не генерируют электроэнергию, однако выделяют тепло) заметно снизить массу ЯЭУ за счет уменьшения объема АЗ и следовательно массы ТРП и радиационной защиты от излучений ТРП. В случае высокотемпературного холодильника-излучателя контура охлаждения бустерных твэлов связанное с ним приращение массы ЯЭУ может быть меньше, чем соответствующее уменьшение массы ТРП и защиты.

Таким образом, размещение бустерных твэлов в собственном герметичном корпусе, снабженном автономной системой охлаждения, позволяет улучшить эксплуатационные характеристики ТРП, облегчить экспериментальную отработку разных видов тепловыделяющих элементов и возможно снизить массу ЯЭУ.

Использование: атомная энергетика и космическая техника. Сущность изобретения: в активной зоне, набранной из термоэмиссионных сборок и бустерных твэлов, последние размещены в собственном герметичном корпусе, снабженном автономной системой охлаждения. 6 з.п.ф., 1 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок и бустерных тепловыделяющих элементов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения, отличающийся тем, что бустерные тепловыделяющие элементы размещены внутри не менее одного собственного герметичного корпуса с автономной системой охлаждения. 2. Реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что часть активной зоны, содержащая термоэмиссионные электрогенерирующие сборки, заключена не менее чем в два собственных герметичных корпуса, подключенных к системе охлаждения. 3. Реактор-преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что герметичный корпус с бустерными тепловыделяющими элементами установлен в центре активной зоны. 4. Реактор-преобразователь по пп.1 3, отличающийся тем, что форма поперечного сечения корпусов, содержащих термоэмиссионные электрогенерирующие сборки и соответственно бустерные тепловыделяющие элементы выбрана в виде правильного шестиугольника. 5. Реактор-преобразователь по п.4, отличающийся тем, что корпуса, содержащие термоэмиссионные электрогенерирующие сборки и соответственно бустерные тепловыделяющие элементы, имеют одинаковый размер. 6. Реактор-преобразователь по пп.1 5, отличающийся тем, что в качестве жидкометаллического теплоносителя бустерных тепловыделяющих элементов выбран литий. 7. Рактор-преобразователь по п. 6, отличающийся тем, что в качестве жидкометаллического теплоносителя бустерных тепловыделяющих элементов выбран изотоп литий-7.