ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерно-энергетических установок.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) может быть на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах. ТРП на тепловых (и промежуточных) нейтронах имеет более низкие удельные характеристики, чем ТРП на быстрых нейтронах в силу ряда свойств, присущих этим реакторам. В частности, для ТРП на быстрых нейтронах характерна более высокая температура эмиттера и коллектора, отсутствует замедлитель в активной зоне, что позволяет создать ЯЗУ с меньшими массогабаритными характеристиками и более высокими ресурсами показателями. Особенно заметны преимущества ЯЗУ м ТРП на быстрых нейтронах на мощности от 100 кВт до мегаваттного уровня [1, 2, 3].

Конструкция ТРП должна обеспечивать подкритическое состояние реактора при авариях в процессе вывода космического аппарата на рабочую орбиту, приводящих к попаданию ЯЭУ в воду. Для ТРП на быстрых нейтронах в значительной степени актуально обеспечение подкритичности реактора при окружении и попадании во внутренние полости водородосодержащих сред.

Известен ТРП на быстрых нейтронах для космической ЯЭУ большой мощности [2] . Он содержит активную зону, набранную из гидравлически независимых электрогенерирующих пакетов (ЭГП), состоящих из корпуса, внутри которого размещены термоэмиссионные электрогенерирующие сборки (ЭГС), называемые также электрогенерирующими каналами (ЭГК). Каждый ЭГП в ТРП имеет независимую систему охлаждения в виде автономного литиевого контура. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов.

Однако в таком ТРП не обеспечивается ядерная безопасность при гипотетической аварии при выведении в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное топливо), в результате чего может произойти нарушение контроля над цепной ядерной реакцией деления топлива.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах космической ЯЭУ для пилотируемой экспедиции на Марс, описанный в [4]. Он содержит активную зону (АЗ), набранную из термоэмиссионных ЭГС и конструкционных элементов, содержащих резонансные поглотители тепловых нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок. Термоэмиссионные ЭГК обеспечивают требуемое значение электрической мощности. ЭГК могут быть размещены внутри корпуса ЭГП. ЭГК состоят из топливно-эмиттерных узлов (ТЭУ) и коллекторного пакета, содержащего коллектор, коллекторную изоляцию из оксида алюминия и корпус из ниобиевого сплава. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов. Для компенсации эффектов реактивности при попадании ТРП в воду в АЗ быстрого реактора введены так называемые резонансные поглотители, имеющие наибольшие значения сечений поглощения нейтронов в тепловой области. В качестве резонансных поглотителей наиболее целесообразно использовать редкоземельные элементы и прежде всего такие, как европий, гафний, гадолиний.

Такой ТРП с компактной активной зоной может иметь относительно невысокую массу и проектироваться на электрическую мощность от 100 - 150 кВт до нескольких мегаватт. С оптимальным размещением резонансных поглотителей в элементах конструкции АЗ ТРП можно обеспечить исключение неконтактируемой самоподдерживающейся цепной реакции деления в аварийных ситуациях, связанных с падением ТРП в воду с затоплением или попаданием водородосодержащей среды во внутренние полости реактора (например, водородное топливо ракеты-носителя).

Наиболее рационально размещение резонансных поглотителей в элементах конструкции ЭГС.

Однако введение резонансного поглотителя в топливный материал ТЭУ приведет к уменьшению плотности по U²³⁵. Для восстановления необходимой критмассы потребуется введение в АЗ дополнительно топливного материала, что может привести:
1) к увеличению объема АЗ, а следовательно, и массогабаритных характеристик ТРП и всей ЯЭУ;
2) к уменьшению свободной газовой полости внутри топливного сердечника, что отрицательно скажется на ресурсных характеристиках ТРП.

Введение резонансного поглотителя (например, оксида гафния) в состав изоляционного слоя (например, оксида алюминия) коллекторного пакета требует перестройки двух существующих достаточно сложных технологий изготовления коллекторного пакета (на основе монокристаллической и газостатической технологий), что следует считать проблематичным.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является сохранение прочностных характеристик несущего корпуса ЭГС, минимальных размеров АЗ, ядерно-физических характеристик ТРП, заданных ресурсных характеристик ТРП, массогабаритных характеристик ТРП и ЯЭУ в целом при обеспечении ядерной безопасности ЯЭУ.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе на быстрых нейтронах, содержащем активную зону, состоящую из электрогенерирующих сборок с несущими корпусами, резонансные поглотители нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок, в котором резонансные поглотители нейтронов расположены в виде покрытия на несущих корпусах электрогенерирующих сборок или несущий корпус и резонансные поглотители выполнены в виде сплавов на основе материалов корпуса и резонансных поглотителей.

На фиг. 1 и 2 приведена схема ТРП на быстрых нейтронах.

ТРП содержит АЗ 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. АЗ 1 набрана из ЭГС 4, на наружные корпуса 5 которых нанесено покрытие 6 резонансного поглотителя нейтронов, например гафния, европия, гадолиния. Снаружи корпуса 5 ЭГС охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя осуществляется через патрубок 7, а отвод - через патрубок 8. В отражателе размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 9 с поглощающими нейтроны накладками 10. Корпус 5 может быть выполнен из сплава ниобия или в виде сплава на основе ниобия с материалом резонансного поглотителя.

ТРП на быстрых нейтронах работает следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 9 находятся в положении поглощающими накладками 10 к АЗ 1. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 9 таким образом, что накладки 10 отходят от АЗ 1. При достижении критичности АЗ 1 ТРП начинается реакция деления топливного материала 11, в сердечниках ЭГС 4 выделяется тепло. Резонансные поглотители, размещенные в корпусе ЭГС, практически прозрачны для быстрых нейтронов и не влияют на критические параметры ТРП при штатном запуске. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры 12 ЭГС 4 подается рабочее тело (пар цезия). Тепло из топливного материала 11 передается на эмиттер 13, часть которого в межэлектродном зазоре 12 преобразуется в электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 14. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла попадает на коллектор 15 и далее через коллекторную изоляцию 16 и корпус 5 ЭГС 4 отводится из ТРП системой теплоотвода и затем сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (не показано).

В случае аварии ракеты-носителя или разгонного блока возможны попадание ТРП в воду или водородное топливо и проникновение являющимися замедлителями веществ в активную зону 1 и заполнение всех пустот водородосодержащим веществом. В этом случае имеет место проявление так называемого "водородного" эффекта реактивности. Этот эффект по своей сути есть увеличение эффективного коэффициента размножения К_эф вследствие смягчения спектра нейтронов в реакторе. Однако, благодаря размещению резонансных поглотителей в корпусе ЭГС, обеспечивается исключение неконтролируемой самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Таким образом размещение резонансных поглотителей тепловых нейтронов в корпусе ЭГС позволяет использовать "принцип самозащищенности" ЯЭУ, т.е. обеспечить ядерную безопасность установки на основе естественных обратных связей и процессов, при этом сохраняя массогабаритные и ресурсные характеристики ТРП и ЯЭУ в целом. Тем самым обеспечивается ядерная безопасность во всех ситуациях, включая гипотетические аварии при подготовке к пуску и при выведении космического аппарата с ЯЭУ на орбиту, связанных как с падением ТРП в воду с затоплением или попаданием водородосодержащей среды во внутренние полости реактора.

Замена материала корпуса ЭГС на сплав резонансным поглотителем или осуществление нанесения соответствующего покрытия на корпус несложно и не потребует перестройки существующих технологий изготовления ЭГС. Так, сплавы гафния с ниобием освоены промышленностью и являются перспективными конструкционными материалами для использования при высоких температурах [5].

Источники информации
1. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса /Агеев В. П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. - В сб.: РКТ//Под ред. И.Г. Пульхровой/ ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С.25-33.

2. Gietzen A. J. et all. 25 kWe Thermionic Power System for Space Base Application. "IEEE Conf. Rec./Thermionic Conversion Specialist 9th Annuai Conf., Miami Beach, Fla, 1970" N.Y. 1970, 145 - 150.

3. Концепция обеспечения ядерной безопасности при использовании энергодвигательной установки с ЯЭУ для пилотируемой экспедиции на Марс/Волнистов В. В. , Демин В.П., Липовый Н.М. и др. - В сб: Ракетно-космические двигатели и энергетические установки //Под ред. А.А. Гафарова/ НИИТП. 1993. Вып. 3(141). С.153-161.

4. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи на быстрых нейтронах мощных космических ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения для марсианского экспедиционного комплекса/Альмамбетов А.К., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. - В сб.: РКТ//Под ред. И.Г.Пульхровой/ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С.34-38.

5. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник под ред. А.Т.Туманова и К.И.Портного. -М.: Машиностроение. 1967. С.354.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических энергоустановок. Сущность изобретения: в активной зоне, набранной из термоэмиссионных сборок, наружные корпуса сборок выполнены из материала, содержащего резонансные поглотители тепловых нейтронов, или на корпус нанесено покрытие, содержащее резонансные поглотители тепловых нейтронов. В качестве материалов корпуса или покрытий, содержащих резонансные поглотители тепловых нейтронов, выбраны редкоземельные элементы: европий, гафний, гадолиний или их сплавы с конструкционными материалами. Изобретение позволяет сохранить высокие характеристики при обеспечении ядерной безопасности ЯЭУ. 2 ил.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах, содержащий активную зону, состоящую из электрогенерирующих сборок с несущими корпусами, резонансные поглотители нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок, отличающийся тем, что резонансные поглотители нейтронов расположены в виде покрытия на несущих корпусах электрогенерирующих сборок, или резонансные поглотители размещены в несущих корпусах, выполненных в виде сплава на основе материалов корпуса и резонансных поглотителей.