ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно к конструкции электрогенерирующих сборок термоэмиссионного реактора преобразователя.

Известна конструкция каскадного термоэмиссионного преобразователя (см. США П. N 3.727.083 МКИ H O1 J 45/00, НКИ 310-4 от 10.04.73). Конструкция включает коллекторный пакет, состоящий из внутренней коллекторной оболочки, наружной металлической оболочки и изоляторной оболочки между ними. В коллекторном пакете делаются выемки внутри внутренней оболочки по кругу таким образом, что полностью перерезают коллекторную оболочку и слабо углубляются в изоляторную оболочку, деля тем самым коллекторную оболочку на индивидуальные коллекторы, электрически изолированные друг от друга. Внутри коллекторного пакета расположен эмиттерный узел, состоящий из эмиттерной оболочки и топливного материала, расположенного внутри эмиттерной оболочки. Эмиттеры расположены и поддерживаются, не касаясь, внутри коллекторов благодаря соединяющим штифтам. Зазоры между коллекторной и эмиттерной оболочками заполнены рабочим телом (цезием). Каждый генерирующий элемент электрически соединен с соседним электрогенерирующим элементом, т.е. электрическое соединение между смежными электрогенерирующими элементами обеспечивается коллекторами через электропроводящие штифты к эмиттеру соседнего электрогенерирующего элемента.

Изобретение позволяет создать какскадный термоэмиссионный преобразователь, эмиттерный узел которого сконструирован так, что дает возможность быстро его устанавливать, соединять в каскад и подключать во внешний изоляторно-коллекторный пакет. Однако такая конструкция повышает вероятность возникновения электрического пробоя, т. к. изоляция находится в парах рабочего тела (цезия).

Известен термоэмиссионный реактор с расположением электрогенерирующих каналов "гирляндой" (последовательное соединение) (см. Gietzen A.I. Homeyer W. G. 100 kwe thermionic power system design. 9th Thern. Conv. Spec. Conf. Maiami Beach (Florida), 1970). Каждый из электрогенерирующих каналов (ЭГК) содержит 6 последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), размещенных в наружной трубчатой оболочке. ЭГЭ изготавливаются в виде отдельных узлов, соединенных друг с другом перед установкой в наружную оболочку. Отделение продуктов деления от цезиевого объема обеспечивается герметичными изоляционными перегородками в каждом ЭГЭ. Подача рабочего тела (цезия) в ЭГК обеспечивается через газопроводные каналы из резервуара, расположенного вне реактора. ЭГК привариваются к крышке корпуса и фиксируются в радиальном направлении в нижнем конце корпуса опорно-дистанционирующей решеткой.

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент выполнен из коаксиально установленных эмиттера и коллектора, разделенных между собой металлическими фиксаторами. Внутри эмиттера находится топливный материал. Коллекторный пакет содержит наружную оболочку и изоляционную оболочку и собственно коллектор. В ЭГЭ входит также металлокерамическое уплотнение и токовывод. Части сборок, состоящие из эмиттера одного электрогенерирующего элемента и коллектора следующего электрогенерирующего элемента, вставлены внутрь двухслойной трубы из изоляции и защитного металла.

Недостатком такой конструкции является то, что при ограниченном запасе рабочего тела в термоэмиссионном реакторе преобразователея разгерметизация хотя бы одного электрогенерирующего канала может привести к значительной утечке рабочего тела и к потере работоспособности термоэмиссионного реактора в целом. Сложность установки эмиттерного узла внутрь коллекторного пакета создают возможность повреждения керамических слоев коллекторного пакета при сборке, вызванного тем, что металлические фиксаторы, вдавливаясь в коллекторы со значительными усилиями, создают дополнительные напряжения в керамическом слое, что снижает работоспособность и надежность всего термоэмиссионного реактора.

Задачей авторов является создание более надежной и работоспособной конструкции термоэмиссионного реактора.

Сущность изобретения заключается в том, что авторы предложили элекрогенерирующую сборку, состоящую из источника рабочего тела, соединенного через переходники газопроводящих каналов с рабочими полостями последовательно скоммутированных многоэлементных ЭГК, в которых эмиттерные узлы электрогенерирующих элементов, снабженные коммутационными переходниками, установлены внутрь коллекторного пакета с фиксацией осевого положения эмиттерного узла относительно коллекторного пакета, состоящего из наружного металлического слоя, являющегося чехловой оболочкой и контактирующего с жидкометаллическим теплоносителем, и внутреннего металлического слоя, являющегося охранной оболочкой и токовыводом, который на свободном конце первого ЭГК соединен с одним из электродов крайнего ЭГЭ второго ЭГК и герметично замкнут с помощью металлической заглушки, при этом в каждый из переходников газопроводящего канала установлен запорный вентиль с приводом, выполненным в виде блоков слоистого графита с ориентацией слоев перпендикулярно направлению перемещения клапана вентиля, установка эмиттерного узла внутрь коллекторного пакета выполнена при вертикальном расположении ЭГК и расположении фиксаторов в промежутке между коллекторами, а заглушка каждой пары ЭГК, имеющая разнополюсные токовыводы, соединена сплошной токопроводящей перемычкой, покрытой снаружи изоляцией и помещенной в оболочку, соединенную с чехловой оболочкой ЭГК и герметично отделяющую перемычку от жидкометаллического теплоносителя. В седле вентиля выполнено отверстие, отношение площади поперечного сечения S которого к его длине L, определено соотношением S/L <10^-2. Многоэлементные ЭГК одним концом закреплены на трубной доске.

Использование блоков слоистого графита в качестве привода основано на известном эффекте насыщения слоистого графита щелочными металлами, в результате чего происходит значительное его расширение вдоль оси перпендикулярно слоям. Во избежание возникновения разрушающих напряжений в графитовых блоках устанавливаются тарельчатые пружины, компенсирующие дополнительное расширение блоков. Клапан вентиля и отверстие в седле вентиля предназначены для регулировки паров рабочего и общего коллектора термоэмиссионного реактора преобразователя. Отверстия в седле вентиля с проводимостью значительно меньшей проводимости газопроводящих каналов переходников и клапаном вентиля с приводом в виде блока слоистого графита выполняют роль защитного устройства при разгерметизации электрогенерирующих каналов, обеспечивая при этом повышение надежности и работоспособности электрогенерирующей сборки. Работоспособность и надежность сборки повышается также и при использовании для целей осевой фиксации изоляционного промежутка между коллекторами, так как значительные размеры этого промежутка позволяют снизить требование по точности установки фиксаторов в осевом и радиальном направлениях при сохранении точности осевой фиксации. Наличие токопроводящей заглушки для коммутирования ЭГК (в нижней части) в последовательную цепь позволяет уменьшить омические потери в токовыводах. Одновременно обеспечивается высокая электрическая прочность высоковольтной изоляции (последняя располагается вне паров рабочего тела), что приводит к увеличению надежности и работоспособности термоэмиссионного реактора преобразователя.

Предлагаемая конструкция электрогенерирующей сборки термоэмиссионного ректора преобразователя иллюстрируется следующими фигурами: фиг. 1 общий вид сборки, фиг. 2 ЭГК и пара скоммутированных ЭГК, фиг. 3 зона соединения переходника с коллектором рабочего тела.

На фиг. 1 показано несколько электрогенерирующих каналов 1, последовательно скоммутированных шинами 2. Подача рабочего тела в ЭГК осуществляется от источника рабочего тела 3 через трубопровод 4 в тракт общего коллектора 5 через переходник 6. Более подробно зона соединения переходника с коллектором рабочего тела показана на фиг. 3. Здесь в переходнике 6 установлен запорный вентиль с приводом, выполненным в виде блока слоистого графита 7 и набора тарельчатых пружин 8. На клапане вентиля 9 установлен упругий элемент 10. В седле вентиля имеется отверстие (газопроводный канал) 11 для дополнительного прохода рабочего тела. ЭГК 1 ввариваются с одной стороны в трубную доску 12 с крышкой 13. Рабочее тело поступает из тракта общего коллектора 5 через полость переходника 6, каналы 11 в каждый электрогенерирующий канал 1. ЭГК (фиг. 2) включает несколько электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) 14. Каждый ЭГЭ включает в себя коллекторный пакет, состоящий из коллектора 15, охранной оболочки 16, слоя изоляции между ними 17, внешней (чехловой) оболочки 18 и слоя изоляции 19 между охранной 16 и чехловой 18 оболочками и размещенные в коллекторном пакете эмиттерные узлы, выполненные из эмиттера 20 и коммутационных переходников 21 с фиксаторами 22.

Охранная оболочка соединена с электродом крайнего ЭГЭ (в левом ЭГК с эмиттером, в правом с коллектором) и герметично замкнута с помощью металлической заглушки 23, соединенной сплошной токопроводящей перемычкой 24, имеющей изоляционное покрытие 25. Герметичное отделение перемычки 24 от жидкометаллического теплоносителя осуществляется оболочкой 26, соединенной с чехловой оболочкой 18.

Данная конструкция собирается и функционирует при следующих параметрах.

Установка эмиттерного узла во внутрь коллекторного пакета осуществляется с помощью фиксаторов 22. Фиксаторы могут быть выдвинуты в любом промежутке между коллекторами в осевом направлении, а в радиальном направлении его достаточно выдвинуть, по крайней мере, на 0,2-0,3 мм. При сборке фиксаторы поджимаются к торцам коллекторов соседних ЭГЭ под собственным весом эмиттерного узла. Чехловые труба и коллектор изготавливаются из ниобия или его сплавов, изоляционный слой из окиси алюминия и иттрия, эмиттерные узлы из вольфрама и его сплавов, коммутационные переходники, токовыводы из ниобия или молибдена, фиксаторы из ниобия, молибдена, окиси алюминия или скандия. В таком положении осуществляется припаивание коммутационных переходников эмиттерных узлов с коллектором соседних ЭГЭ палладиевым припоем. Режим пайки: температура 1600^oC, время выдержки (3-5) мин, давление в печи не более 1,53•10^-3 Па. После монтажа эмиттерных узлов в коллекторный пакет и после пайки осуществляется рентгеновский контроль ЭГК за правильностью установки эмиттерных узлов. При этом, если возникнет необходимость, до осуществления пайки имеется возможность разобрать ЭГК и провести повторный монтаж эмиттерных узлов в коллекторный пакет (за счет возврата фиксаторов в исходное положение). Элементы термоэмиссионной сборки, образующие тракт подачи паров рабочего тела (цезия): трубопровод 4, трубная доска 12, крышка 13 переходники 6 выполнены из нержавеющей стали и соединены между собой электронно-лучевой сваркой. Соединение ЭГК 1 и переходников 6 выполнено электронно-лучевой сваркой. Тарельчатые пружины 8 и упругий элемент 10 выполнены соответственно из нержавеющей стали и вольфрам-рениевого сплава (или молибдена). Графитовые блоки 7 выполнены из пиролитического ориентированного слоистого графита.

Работа электрогенерирующей сборки происходит следующим образом: сначала происходит процесс подготовки к работе термоэмиссионной сборки путем термовакуумного обезгаживания рабочих полостей ЭГК. Откачка указанных полостей производится через газопроводящие каналы переходника 6 и отверстие 11 (дополнительный газопроводящий канал), причем проводимость газопроводящих каналов, расположенных в полости переходника 6 превышает проводимость канала 11. При разгерметизации рабочей полости хотя бы одного ЭГК в процессе работы будет происходить утечка р.т. Однако выход рабочего тела из коллектора будет происходить только через дополнительные газопроводящие каналы 11, геометрические размеры которых выбираются из условий обеспечения меньшей проводимости относительно исходных газопроводящих каналов и допустимого с точки зрения утечки рабочего тела. Были изготовлены и проведены экспериментальные исследования с использованием в качестве привода цезированного слоистого графита при температуре образцов 520К и давлении пара цезия 10-100 Па. (Указанные параметры соответствуют рабочим условиям термоэмиссионного реактора преобразователя. Как показали исследования, можно обеспечить значительное (на 80%) расширение вдоль оси графита (перпендикулярно направлению слоев) при его насыщении цезием. При этом развиваются осевые усилия до 5-8 н/мм² без разрушения матрицы графита. Далее осуществляется разогрев эмиттеров электрогенерирующих элементов (за счет тепловой энергии, выделяющейся в ядерном горючем, размещенном в эмиттерах), охлаждение коллекторов ЭГК (теплоносителем) и напуск рабочего тела (цезия), в электрической цепи сборки возникает электрический ток. Коммутирование ЭГК (в нижней части) в последовательную цепь осуществляется по токопроводящей перемычке 24, что позволяет уменьшить омические потери в токовыводах. Одновременно обеспечивается высокая электрическая прочность высоковольтной изоляции (последняя располагается вне паров рабочего тела). При необходимости очистка внутренней полости ЭГК от посторонних газов, осуществляется диффузионным методом (обеспечение градиента давления газов между общим коллектором 5 и внутренней полостью ЭГК за счет очистки рабочего тела в общем коллекторе). Осуществление предложенного коммутирования между ЭГК в технологическом плане не сложно, например, пара ЭГК может быть соединена перемычкой 24 с помощью пайки, а оболочка 26 приварена к концам чехловых оболочек 18 электронно-лучевой сваркой. Окончательная форма всего узла коммутации может быть получена гибкой на оправке. Предложенная термоэмиссионная сборка является более надежной и работоспособной конструкцией термоэмиссионного реактора преобразователя.

Назначение: для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии. Сущность изобретения: электрогенерирующая сборка состоит из источника рабочего тела, соединенного через переходники газопроводящих каналов с рабочими полостями последовательно скоммутированных многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК). Каждый ЭГК состоит из нескольких электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), в которых эмиттерные узлы, снабженные коммутационными переходниками, установлены внутрь коллекторного пакета с фиксацией осевого положения эмиттерного узла с помощью фиксаторов относительно коллекторного пакета. Коллекторный пакет ЭГЭ имеет внешнюю металлическую (чехловую) оболочку и внутреннюю металлическую (охранную) оболочку, которая является одновременно и токовыводом, соединенным на свободном конце первого ЭГК с одним из электродов крайнего ЭГЭ второго ЭГК, и герметично замкнут с помощью металлической заглушки. Заглушка каждой пары ЭГК, имеющая разнополюсные токовыводы, соединена сплошной токопроводящей перемычкой, покрытой снаружи изоляцией и помещенной в оболочку, соединенную с чехловой оболочкой ЭГК и герметично отделяющую перемычку от жидкометаллического теплоносителя. В каждом из переходников газопроводящего канала установлен запорный вентиль с приводом, выполненным в виде блоков слоистого графита с ориентацией слоев перпендикулярно направлению перемещения клапана вентиля. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора преобразователя, состоящая из источника рабочего тела, соединенного через переходники газопроводящих каналов с рабочими полостями последовательно скоммутированных многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭКГ), в которых поочередно эмиттерные узлы электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), снабженные коммутационными переходниками, установлены внутрь коллекторного пакета с фиксацией осевого положения эмиттерного узла относительно коллекторного пакета, состоящего из наружного металлического слоя, являющегося чехловой оболочкой и контактирующего с жидкометаллическим теплоносителем, и внутреннего металлического слоя, являющегося охранной оболочкой и токовыводом, который на свободном конце первого ЭГК соединен с одним из электродов крайнего ЭГЭ второго ЭГК и герметично замкнут с помощью металлической заглушки, отличающаяся тем, что в каждый из переходников газопроводящего канала установлен запорный вентиль с приводом, выполненным в виде блоков слоистого графита с ориентацией слоев перпендикулярно направлению перемещения клапана вентиля, установка эмиттерного узла внутрь коллекторного пакета выполнена при вертикальном расположении ЭГК и размещении фиксаторов в промежутке между коллекторами, при этом заглушка каждой пары ЭГК, имеющая разнополюсные токовыводы, соединена сплошной токопроводящей перемычкой, покрытой снаружи изоляцией и помещенной в оболочку, соединенную с чехловой оболочкой ЭКГ и герметично отделяющую перемычку от жидкометаллического теплоносителя. 2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что в седле вентиля выполнено газопроводное отверстие, отношение площади S поперечного сечения которого к его длине L определено выражением S / L < 10^- 2. 3. Сборка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что в графитовых блоках привода установлены тарельчатые пружины. 4. Сборка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что многоэлементные ЭКГ одним концом закреплены на трубной доске.