ИСТОЧНИК ПАРА ЦЕЗИЯ ДЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании источников и генераторов пара цезия для термоэмиссионных преобразователей, преимущественно для реакторных испытательных устройств термоэмиссионных сборок.

Известны источники пара цезия для термоэмиссионных преобразователей /ТЭП/ и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок /ЭГС/ в виде однокомпонентных равновесных систем /цезиевых термостатов/, на основе химических соединений /цезированных графитов/, в виде циркуляционных систем с возвратом жидкого цезия по фитилю или автономному тракту, в виде газорегулируемой тепловой трубы и другие [1]
В качестве примера рассмотрим достаточно близкий к изобретению по технической сущности источник пара цезия с циркуляционным контуром. Он содержит корпус, в обогреваемой зоне испарения которого находится жидкий цезий. В зоне испарения имеется устройство для отбора пара цезия в ТЭП. Источник содержит также конденсатор пара цезия и систему возврата сконденсировавшегося цезия в зону испарения и удаления газообразных примесей в внешнюю вакуумную систему. Источник снабжен датчиками температуры, а в некоторых случаях и датчиками давления пара цезия.

Однако в процессе петлевых реакторных испытания ЭГС и лабораторных исследований ТЭП возможно неконтролируемое изменение характеристик любого пара цезия. Цезий обладает высокой активностью и гетерными свойствами. Образующиеся при работе, в особенности при реакторных испытаниях ЭГС, различные газообразные примеси будут попадать в источник, концентрироваться на поверхности или в объеме жидкого цезия и изменять вид функции P_Cs (T_Cs), где P_Cs давление насыщенного пара цезия при температуре поверхности T_Cs. Это может быть связано как с растворением примесей в цезии, так и с их химическим взаимодействием, а также появлением пленки примесей или продуктов их взаимодействия с цезием на поверхности жидкого цезия в зоне испарения источника.

Наибольшее влияния на P_Cs(T_Cs) оказывают те примеси, которые наиболее существенно изменяют активность цезия в расплаве. Кислород обладает высокой растворимостью в цезии. При этом возможно осуществление нескольких стабильных оксидов, однако, в основном преобладает Cs₂O.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является генератор пара цезия для термоэмиссионого преобразователя, предложенный в [2] Он содержит корпус с зоной испарения, снабженной нагревателем и содержащей фазу рабочего тела, и зоной конденсации пара цезия, канал возврата сконденсировавшегося рабочего тела из зоны конденсации в зону испарения, на начальном участке которого установлен фильтр окислов цезия, и узел отвода пара цезия к ТЭП.

В рассмотренном источнике пара цезия благодаря наличию фильтра в жидкой фазе будет пониженное количество окислов и других соединений цезия. Однако эта конструкция не избавляет источник от окислов цезия, существовавших в цезии до начала работы, не исключает поверхностного образования окислов цезия. Кроме того, забивание фильтра окислами приводит к ухудшению гидродинамических характеристик системы возврата жидкого рабочего тела и следовательно, к постепенному ухудшению характеристик источника.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение условий, при которых существенно снижается наличие окислов цезия в жидком цезии и тем самым обеспечивается стабильность и воспроизводимость характеристик источника пара цезия.

Указанный технический результат достигается в источнике пара цезия для ТЭП, содержащем корпус с обогреваемой зоной испарения с жидкой фазой рабочего тела, в котором в качестве жидкого рабочего тела использован раствор лития в цезии, концентрация которого выбрана из соотношения:
C=KCo, /1/
где
Co предельная концентрация лития в цезии при максимальном значении рабочей температуры зоны испарения, K-коэффициент запаса, равный 0,2 0,95.

На чертеже приведена схема источника пара цезия для ТЭП.

Источник пара цезия для ТЭП содержит корпус 1, фитиль 2, причем часть 3 корпуса, называемая зоной испарения, обогревается с помощью нагревателя 4, часть 5 корпуса 1, называемая зоной конденсации, охлаждается системой охлаждения 6, например, за счет циркуляции воды или воздуха. Между зонами испарения 3 и конденсации 5 располагается так называемая адиабатическая зона 7. Узел 8 отвода пара потребителю /ТЭП/ располагается или в зоне испарения 3 или в адиабатической зоне 7. Фитиль 2 является каналом возврата сконденсировавшегося рабочего тела из зоны конденсации 5 в зону испарения 3. Канал возврата может быть выполнен не только в виде фитиля, но и специального тракта, например, наружной трубки, соединяющей место сбора сконденсировавшегося в зоне конденсации 5 рабочего тела с нижней частью зоны испарения 3, в которой находится жидкое рабочее тело.

Источник пара цезия работает следующим образом.

После сборки источник заполняют рабочим телом в виде раствора лития в цезии, концентрация которого выбрана в соответствии с /1/. Заполнение может быть выполнено путем вакуумной перегонки с концентрацией в зоне испарения. Возможно, даже предпочтительно, заполнение после термовакуумной подготовки ТЭП или ЭГС. После подсоединения через узел 8 к потребителю /ТЭП или ЭГС/ и узла 10 в вакуумной системе /или газовому резервуару-накопителю/ с помощью нагревателя 4 повышают температуру зоны испарения 3. С поверхности 11 жидкого рабочего тела 9 происходит испарения пара цезия, часть пара через паровой канал внутри корпуса 1 попадает в зону конденсации 5, которая охлаждается системой 6. Пар конденсируется и по каналу возврата 2 возвращается в зону испарения 3. При работе потребителя, в особенности при реакторных испытаниях ЭГС, выделяется газы, в том числе кислород, которые диффузионным путем попадают через узел 8 внутрь источника пара цезия. Газы потоком пара уносятся в зону конденсации 5, где пар рабочего тела и его окислы конденсируются, а неконденсирующиеся газы удаляются через узел 10 в систему вакуумирования /или сбора газов/. Сконденсировавшиеся жидкое рабочее тело и его окислы по каналу возврата фитилю 2 попадают в объему жидкой фазы рабочего тела 9. Благодаря более высокому сродству кислорода к литию, чем к цезию, образуются окислы лития, которые растворяются в литии, растворенном в цезии. В результате в жидкой фазе 9 рабочего тела, в том числе на поверхности 11 отсутствуют окислы цезия. Благодаря высокой степени растворимости лития в цезии находящейся в нижней части зоны испарения 3 жидкое рабочее тело 9 способно поглотить достаточно большое количество кислорода без образования окислов цезия, а следовательно и ухудшения рабочих характеристик источника. Благодаря относительно низкой упругости пара лития при рабочих температурах, растворенный в цезии литий будет находиться практически лишь в объеме 9, благодаря тому, что концентрация лития в цезии выбрана в соответствии с /1/, не будет отдельной фазы лития, что могло бы ухудшить капиллярные характеристики фитиля 2. Коэффициент запаса обеспечивает концентрацию лития в цезии ниже предельно возможно для непредвиденных и нерассчитанных случаев. При их отсутствии K может быть близким к 1, например, 0,95. Если возможны нерасчетные режимы, например, уход части цезия в вакуумную систему. K должен быть уменьшен. Исходя из опыта петлевых испытаний ЭГС, наблюдались аварийные случаи, когда в источнике оставалось до 20% цезия от первоначального, отсюда выбрано минимальное значение K.

Таким образом, предлагаемый источник пара цезия для ТЭП позволяет осуществлять непрерывную очистку циркулирующего рабочего тела от кислорода и обеспечить стабильность и воспроизводимость характеристик, в том числе при ресурсных испытаниях ТЭП и ЭГС.

Использование: термоэмиссинное преобразование энергии. Сущность изобретения: в качестве жидкой фазы рабочего тела использован раствор лития в цезии, концентрация которого может быть выбрана из соотношения C=(0,2 - 0,95)Co, где Co-предельная растворимость лития в цезии при максимальном значении рабочей температуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник пара цезия для термоэмиссионного преобразователя, содержащий корпус со снабженной нагревателем зоной испарения с жидким рабочим телом, отличающийся тем, что в качестве жидкого рабочего тела использован раствор лития в цезии. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что концентрация лития в цезии составляет 0,2 0,95 предельной растворимости лития в цезии при максимальном значении рабочей температуры жидкого рабочего тела.