ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ПЛОСКОЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 1999 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Известны конструкции ЭГС с электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) с различной конфигурацией электродов.

Наиболее распространена так называемая коаксиальная схема ЭГЭ с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором)[1]. Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером, заполнена делящимся веществом. Эмиттер устанавливается с зазором 0,5-0,3 мм относительно цилиндрического коллектора. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым ЭГС.

Основной проблемой создания таких ЭГЭ является обеспечение геометрической стабильности эмиттера, т.е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки вследствие распухания в процессе работы делящегося вещества. Наиболее приемлемым решением оказалось создание системы удаления газообразных продуктов деления (ГПД) из топливного сердечника ЭГЭ. Это обеспечивается с помощью специальных газоотводных устройств (ГОУ), например цилиндрической трубки с малым отверстием (жиклером), размещаемой в геометрическом центре сердечника. ГПД удаляются через эту трубку из сердечника, например в межэлектродный зазор (МЭЗ), в результате чего газового распухания топлива и соответственно деформации эмиттерной оболочки не происходит. При этом трубка должна быть выведена в торцевую поверхность эмиттерной оболочки, противоположной торцу с коммутационной перемычкой.

Несмотря на это возможна деформация эмиттерной оболочки из-за термомеханических явлений и распухания вседствие образования твердых осколков деления. Эти причины, а также возможные изгибы и несоосность эмиттера относительно коллектора не позволяют снизить МЭЗ меньше 0,3-0,2 мм, что в свою очередь не позволяет увеличить плотность электрической мощности при заданной температуре эмиттера.

Известна термоэмиссионная ЭГС с ЭГЭ с плоскоцилиндрическими электродами [2]. В сборке термоэмиссионных ЭГЭ, каждый из которых содержит топливно-эмиттерный узел в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых поверхностей которого являются эмиттером, и коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, последнее выполнено в виде тепловой трубы, а в качестве рабочего тела тепловой трубы использован натрий.

В таком ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом межэлектродном зазоре, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и основанием коллектора. Благодаря тому что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ может быть высокоэнергонапряженным. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность плоского МЭЗ. При длительной работе ГПД будут накапливаться в образовавшейся в процессе переконденсации топлива центральной газовой полости, давление их будет возрастать, что будет приводить к деформации эмиттерной оболочки. Это в свою очередь приводит к уменьшению МЭЗ и как следствие к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу типа короткое замыкание.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭГЭ с плоскоцилиндрическими электродами [3] . ЭГЭ содержат топливно-эмиттерные узлы, выполненные в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП), коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием. ЭГЭ с помощью гибких коммутационных перемычек соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный чехол.

В таком ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом межэлектродном зазоре, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и основанием коллектора. Благодаря тому что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ может быть высокоэнергонапряженным. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность плоского МЭЗ. При длительной работе ГПД будут накапливаться в образовавшейся в процессе переконденсации топлива центральной газовой полости, давление их будет возрастать, что будет приводить к деформации эмиттерной оболочки. Это в свою очередь приводит к уменьшению МЭЗ и как следствие к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу типа короткое замыкание. Поэтому коммутационная перемычка выполняется гибкой, чтобы при деформации эмиттерной оболочки не происходило короткого замыкания электродов. Проблема обеспечения длительного ресурса решается за счет специальной схемы ЭГЭ с гибкой перемычкой, компенсирующей деформацию эмиттерной оболочки в процессе работы.

Однако деформация эмиттерной оболочки, не приводя из-за наличия гибкой перемычки к короткому замыканию электродов, будет ухудшать энергетические характеристики, так как изгиб эмиттера приведет к неравномерности МЭЗ вдоль эмиттера, в результате чего среднеэффективное значение МЭЗ увеличится со временем, а следовательно, при постоянной тепловой мощности повысится температура или при неизменной температуре снизится плотность электрической мощности.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения практически неизменным МЭЗ, а следовательно, получения высоких плотностей электрической мощности на плоской части ЭГЭ при длительной работе за счет обеспечения вывода ГПД из топливного сердечника.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном электрогенерирующем элементе с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащем топливно-эмиттерный узел в виде коротких цилиндров с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая и одна из торцевых поверхностей которой служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а другая торцевая поверхность соединена с гибкой коммутационной перемычкой, коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, дистанционаторов, цилиндрическую коллекторную изоляцию и цилиндрическую наружную трубку (чехол), в котором внутри сердечника размещена снабженная жиклером Г-образная или снабженная двумя жиклерами Т-образная газовыводная трубка, причем трубка выведена в торцевую поверхность эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены конструкционные схемы термоэмиссионного ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов ЭГЭ.

ЭГЭ содержит топливный сердечник 1, размещенный внутри эмиттерной оболочки, в котором боковая 2 и одна из торцевых частей 3 служат эмиттером ТЭП, коллектор в виде цилиндрической оболочки 4 и плоского основания 5, гибкую упругую коммутационную перемычку 6, которая одним концом подсоединена ко второй плоской части 7 эмиттерной оболочки и плоской части 5 коллектора, и дистанционаторы 8 и 9, обеспечивающие поддержание соответствующей величины коаксиального 10 и плоского 11 МЭЗ. ЭГЭ через слой коллекторной изоляции 12 размещены внутри корпуса (чехла) 13. Внутри топливного сердечника размещена Г-образная газовыводная трубка 14 или Т-образная трубка 15, снабженные соответственно одним или двумя жиклерами 16. Газовыводные трубки 14 или 15 выведены в плоскую часть 7 эмиттерной оболочки 4.

ЭГЭ работает следующим образом.

В исходном состоянии топливный сердечник 1 заполнен таблетками топлива из диоксида урана, обычно в виде шайб или полушайб с центральным отверстием. Таблетки установлены с небольшим технологическим зазором относительно внутренней поверхности эмиттерной оболочки. При этом суммарная пористость сердечника выбирается равной примерно 70-80% от внутреннего объема эмиттерной оболочки.

При работе вследствиe деления ядер урана топливный сердечник 1 нагревается, топливо в виде диоксида урана испаряется с горячих участков и конденсируется на холодных участках внутри эмиттерной оболочки. Происходит так называемая переконденсация топлива внутри сердечника, в результате чего топливо примет конфигурацию, приведенную на фиг.1 и фиг.2 с центральной газовой полостью 17.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 1 подается на цилиндрическую 2 и плоскую 3 части эмиттера и далее в МЭЗ 10 и 11, заполненные паром цезия. Часть тепла преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла попадает на цилиндрическую 4 и плоскую 5 части коллектора. С плоской части 5 коллектора тепло теплопроводностью передается на цилиндрическую часть коллектора 4. С цилиндрической части 4 коллектора тепло через слой коллекторной изоляции 12 передается несущей трубке (чехлу) 13, с которого тепло снимается теплоносителем. Возможен съем тепла с чехла 13 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГЭ (на чертеже не показанную).

При делении ядер урана в топливном сердечнике 1 образуются осколки деления, в том числе газообразные продукты деления (ГПД), которые, диффундируя через топливный материал сердечника 1, собираются в центральной газовой полости 17. При наличии ГОУ 14 или 15 эти ГПД через жиклер 16 и внутренние объемы ГОУ 14 или 15 выходят в межэлементный промежуток 18. Однако вместе с ГПД через жиклер будет уходить и пар топливного материала (оксида урана), который может сконденсироваться во внутреннем объеме 19 ГОУ 14 или 15. Это может привести к "закупорке" (герметизации) ГОУ переконденсировавшимся топливным материалом. Для исключения этого необходимо, чтобы температура вдоль ГОУ была выше температуры насыщения топливного материала при соответствующем давлении вдоль трубки ГОУ. Так как трубка ГОУ выводится в торец 7 эмиттерной оболочки с температурой, близкой к температуре эмиттера, а ГПД и соответственно пары топливного материала на входе в жиклер 16 имеют температуру, близкую к максимальной температуре топливного сердечника, то вдоль трубки ГОУ будет перепад температур. Для обеспечения условий недопущения конденсации топливного материала внутри трубки ГОУ 14 или 15 необходимо, чтобы в ней был достаточно большой перепад давления ГПД и пара топливного материала. Это может быть достигнуто за счет увеличения длины трубки ГОУ. Однако конфигурация рассматриваемого ЭГЭ такова, что высота ЭГЭ мала, и длины ГОУ в виде просто цилиндрической трубки может оказаться недостаточно для обеспечения требуемого перепада давлений. Поэтому для увеличения этой длины конфигурация ГОУ может быть выбрана в виде Г-образной трубки 14. ГОУ в виде Т-образной трубки 15 с двумя жиклерами повышает надежность работы ГОУ за счет дублирования жиклера 16.

В результате удаления ГПД из центральной полости 17 сердечника 1 не происходит деформации эмиттерной оболочки и, следовательно, в процессе работы величины МЭЗ 10 и 11 остаются стабильными. Тем самым может быть обеспечен длительный ресурс стабильной работы при высоких плотностях мощности и относительно невысоких температурах эмиттерной оболочки.

Коммутация ЭГЭ с помощью коммутационных перемычек 6 в последовательную цепь позволяет повысить напряжение, генерируемое ЭГС. Генерируемая ЭГС мощность снимается с помощью токовыводов, соединяющих крайние ЭГЭ с внешней нагрузкой (на чертеже не показано).

Список литературы
1. Синявский В. В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. -М.: Атомиздат, 1981, с.15-20.

2. RU, патент, 2095881 C1, H 01 J 45/50.

3. RU, патент, 2070752 C1, H 01 J 45/50.

Использование: в термоэмиссионных реакторах-преобразователях. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов содержит топливно-эмиттерный узел в виде короткого цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой. Боковая и одна из торцевых поверхностей ее служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя. Другая торцевая поверхность соединена с коммутационной перемычкой. Коллектор выполнен в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием. Внутри топливного сердечника размещена снабженная жиклером Г-образная или снабженная двумя жиклерами Т-образная газовыводная трубка, выведенная в торцевую поверхность эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, через которую удаляются газообразные продукты деления в межэлементный промежуток. Технический результат заключается в отсутствии деформации эмиттерной оболочки. Этим обеспечивается длительный ресурс стабильной работы. 2 ил.

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащий топливно-эмиттерный узел в виде короткого цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая и одна из торцевых поверхностей которой служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а другая торцевая поверхность соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, отличающийся тем, что внутри топливного сердечника размещена снабженная жиклером Г-образная или снабженная двумя жиклерами Т-образная газовыводная трубка, причем трубка выведена в торцевую поверхность эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой.