ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01J45/00 

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

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 последовательно 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 объема а.з. ТРП, используют быстрые реакторы, 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 [1.2]. Бустерные твэлы, которые содержат фактически лишь топливо в оболочке, позволяют существенно снизить критический объем а.з., а следовательно, объем ТРП и массу всей ЯЭУ.

Так ТРП, описанный в [2], содержит активную зону и отражатель. В а.з. расположены термоэмиссионные ЭГК, которые обеспечивают требуемое значение электрической, мощности, и бустерные твэлы, которые не являются электрогенерирующими, а добавлены в а. з. для обеспечения ее критичности, так как объемная доля делящегося вещества в них существенно выше, чем в ЭГК. Бустерные твэлы размещены по всему объему а.з., причем во внутренней области они размещены между ЭГК, а внешняя область а.з. содержит лишь бустерные твэлы. Бустерные твэлы охлаждаются тем же теплоносителем, что и ЭГК. Теплоноситель в виде эвтектики Na-K охлаждает сначала боковой отражатель, а затем а.з.

Однако введение в а.з. 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. 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 (оптимальный расход и подогрев теплоносителя) может оказаться недостаточным для охлаждения бустерных твэлов. Кроме того, из-за более высокой плотности делящегося вещества в бустерных твэлах, тепловыделение в них существенно выше, что может приводить к повышению температуры топливного материала (вплоть до температуры плавления, особенно для топливного материала с низкой теплопроводностью) и снижению таким образом работоспособности таких твэлов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП, описанный в [3] и содержащий отражатель с органами управления, активную зону из термоэмиссионных ЭГК и бустерных твэлов, систему охлаждения термоэмиссионных ЭГК и бустерных твэл. Причем, бустерные твэлы размещены внутри не менее чем одного собственного герметичного корпуса и снабжены автономной системой охлаждения. За счет введения автономной системы охлаждения бустерных твэлов параметры этой системы также могут быть выполнены оптимальными, так как они не влияют на характеристики ЭГК. С точки зрения минимизации массы ЯЭУ в качестве топлива бустерных твэлов выбирают 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 а. з. 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.

Введение в гидравлическую схему охлаждения ТРП еще не менее одного автономного жидкометаллического контура приводит к усложнению конструкции системы охлаждения ЯЭУ и снижению ее надежности. Так, в составе контура системы охлаждения ЯЭУ, как правило, входит магнитный гидродинамический насос (МГДН), работающий при более высоких температурных условиях, чем насос основного контура, поскольку температура теплоносителя в контуре, охлаждающем бустерные твэлы, выше. Это приводит к более тяжелым условиям работы МГДН и снижению его ресурса. Кроме того, даже при использовании низкотемпературного теплоносителя автономного контура не снимается вопрос снижения недопустимо высокой температуры топливного материала в центральной области бустерного твэла (особенно это касается бустерных твэлов с низкотеплопроводным топливным материалом, у которых корпус имеет тот же размер, что и корпус ЭГК).

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение оптимальных режимов работы как ЭГК, так и бустерных твэлов, за счет более равномерного теплосъема с внешних поверхностей ЭГК и бустерных твэлов и снижению температуры топливного материала в бустерном твэле, и тем самым повышение характеристик и ресурса ТРП и ЯЭУ в целом.

Указанный технический результат достигается в ТРП, содержащем отражатель с органами управления, активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, систему охлаждения термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, в котором каждый бустерный твэл снабжен тепловой трубой, зона испарения которой размещена внутри него. Тепловые трубы могут быть выполнены газонаполненными. В качестве рабочего тела тепловых труб могут быть использованы щелочные металлы: натрий, калий, литий.

На фиг. 1 приведена конструкционная схема предложенного ТРП; на фиг. 2 - вариант исполнения бустерного твэла, внутри которого размещена зона испарения тепловой трубы.

ТРП содержит а.з. 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. Активная зона 1 набрана из ЭГК 4 и бустерных твэлов 5, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например, эвтектическим сплавом Na-K или Li. Подвод теплоносителя осуществляется через патрубок 6, а отвод - через патрубок 7. Снаружи а.з. 1 размещен боковой отражатель 8. В боковом отражателе 8 размещены органы СУЗ в виде поворотных цилиндров 9 с нейтронопоглощающими вставками 10. Бустерные твэлы 5, расположенные в а.з. 1, содержат оболочку 11, заключающую топливный материал 12, и зону испарения 13 тепловой трубы. Выделяющееся тепло отводится от ЭГК 4 теплоносителем 14 контура охлаждения, а электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 15. Тепло, выделяемое бустерными твэлами 5, отводится системой охлаждения с помощью теплоносителя 14 с внешней поверхности и с помощью тепловой трубы, зона испарения 13 которой размещена внутри бустерного твэла 5, а зона конденсации 16 тепловой трубы выведена за пределы ТРП.

ТРП работает следующим образом.

После сборки ТРП и подсоединения его ко всем системам ЯЭУ поворотные цилиндры 9 находятся в положении нейтронопоглощающими вставками 10 к а.з. 1, после чего проводятся необходимые проверки. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос на радиационно-безопасную орбиту, например, высотой 500-800 км, после чего производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 9 с нейтронопоглощающими вставками 10 от а.з. 1. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГК 4 и бустерных твэлах 5. Выделяющееся тепло отводится от ЭГК 4 и бустерных твэл 5 с внешней поверхности теплоносителем 14 жидкометаллического контура с входным патрубком 6 и выходным 7, а часть тепла, выделяемого топливным материалом 12, отводится от бустерных твэл 5 с помощью тепловой трубы, зона испарения 13 которой размещена внутри бустерного твэла 5, а зона конденсации 16 выведена за пределы ТРП. Чтобы избежать нежелательных процессов при запуске тепловой трубы, применяется способ заполнения парового канала трубы инертным газом под начальным давлением, превышающим давление насыщенного пара рабочего тела при температуре плавления. В качестве рабочего тела, в зависимости от режима работы ЯЭУ, использованы щелочные металлы Na, Ka, Li. В газонаполненных тепловых трубах разогрев зоны конденсации 16 и запуск трубы осуществляются фронтально. По мере увеличения температуры зоны испарения 13 (а следовательно, повышение давления пара рабочего тела) инертный газ оттесняется в зону конденсации 16, освобождая участки с замороженным рабочим телом. В газонаполненных тепловых трубах осуществляется саморегулирование рабочей температуры при изменении переносимого тепловой трубой количества тепла [4]. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГК 4 подается рабочее тепло (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 15. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится от ЭГК и бустерных твэлов теплоносителем 14 жидкометаллического контура, а от бустерных твэл - еще и с помощью тепловых труб, затем она сбрасывается в космос излучением (не показано).

Таким образом, выполнение по крайней мере части системы охлаждения бустерных твэл в виде тепловых труб, зона испарения которых размещена внутри бустерных твэл, позволяет:
1) улучшить эксплуатационные характеристики ТРП за счет более равномерного теплосъема с внешних поверхностей ЭГК и бустерных твэлов;
2) недопустить перегрев топливного материала в бустерном твэле и таким образом повысить ресурс его работы.

Источники информации
1. Андреев П.В. и др. Перспективы использования термоэмиссионных ЯЭУ для межорбитальных перелетов космических аппаратов в околоземном пространстве. Атомная энергия, т. 73, вып. 5, ноябрь -1992, с. 347.

2. Gietsen A. J. , Fisher C.R., Homeyer W.G. S5 kWe Thermionic Power System for Space Base Application. "IEEE Conf. Rec. Thermion. Convers. Specialist 9th Annu. Conf., Miami Beach, Fla, 1970". New York, N Y, -1970, -145-150.

3. Патент РФ N2086036, Термоэмиссионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.07.97, бюл. N 21.

4. Жидкометаллические теплоносители тепловых труб и энергетических установок/П. И.Быстров, Д.Н. Каган, Г. А. Кречетова, Э.Э.Шпильрайн. М.: Наука. 1988, с. 183.

Использование: в атомной энергетике и космической технике при создании преимущественно космических энергоустановок. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, активная зона которого набрана из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, по крайней мере часть системы охлаждения бустерных твэлов выполнена в виде тепловых труб, зона испарения которых размещена внутри бустренных твэлов. Технический результат заключается в оптимизации режимов работы. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий отражатель с органами управления, активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, систему охлаждения термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающийся тем, что каждый бустерный твэл снабжен тепловой трубой, зона испарения которой размещена внутри его. 2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что тепловая труба выполнена газонаполненной. 3. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела тепловой трубы использованы щелочные металлы: натрий, калий, литий.