ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАКЕТНОЙ СХЕМЫ Российский патент 2001 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 из-за наличия в активной зоне замедлителя могут быть созданы лишь до мощностей не более 100 кВт и относительно невысокого ресурса. ТРП на быстрых нейтронах могут быть созданы на мощности от 100 кВт до мегаватного уровня.

Известен ТРП на тепловых нейтронах космической ЯЭУ "Топаз" [1]. Он содержит активную зону (АЗ), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок. (ЭГС), обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), отражателя, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов. ЭГС снаружи охлаждаются теплоносителем в виде эвтектического сплава NaK.

Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года.

Известен ТРП на быстрых нейтронах по патенту [2]. Он содержит АЗ, набранную из ЭГС и бустерных твэл, снабженных системой вывода газообразных осколков деления. Такой ТРП имеет относительно малый объем АЗ, и следовательно, малую массу радиационной защиты. Однако наземная отработка такого ТРП требует большого объема работ, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности должен быть выполнен при ядерно-энергетических испытаниях ТРП или даже ЯЭУ с ТРП.

Известен ТРП по патенту [3]. Он содержит АЗ, набранную из ЭГК и бустерных твэл, которые размещены компактно в дополнительном герметичном корпусе, снабженном автономной системой охлаждения. Такой ТРП имеет относительно малый объем активной зоны и, следовательно, малую массу радиационной защиты. Однако наземная отработка такого ТРП требует большого объема работ, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности должен быть выполнен при ядерно-энергетических испытаниях ТРП или даже ЯЭУ с ТРП.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП пакетной схемы (модульной схемы) на быстрых нейтронах для космической ЯЭУ большой мощности, описанный в [4]. ТРП содержит АЗ, набранную из гидравлически независимых электрогенерирующих пакетов (ЭГП), состоящих из корпуса, внутри которого размещены термоэмиссионные ЭГС. Каждый ЭГП в ТРП имеет независимую систему охлаждения в виде автономного литиевого контура с размещенными у торцов коллекторами теплоносителя, имеющими патрубки для входа и выхода теплоносителя. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов.

Такой ТРП также может иметь относительно невысокую массу и проектируется на электрическую мощность от 100-150 кВт до нескольких мегаватт. Модульное построение ТРП существенно упрощает экспериментальную отработку, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности может быть выполнен при стендовой безядерной отработке ЭГП с электронагревом. Однако введение модульного построения, с одной стороны, упрощает сборку ТРП, так как он собирается из ограниченного числа ЭГП, с другой стороны, затрудняет сборку, так как требует размещения большого числа трубопроводов с теплоносителем с двух сторон ТРП. Это также увеличивает габариты ТРП, а следовательно, массу радиационной защиты от излучений реактора.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является упрощение сборки и уменьшение габаритов ТРП и, следовательно, массы радиационной защиты ЯЭУ с ТРП.

Указанный технический результат достигается в ТРП пакетной схемы, содержащем не менее двух ЭГП в виде герметичного корпуса, снабженного патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем, термоэмиссионными ЭГС и коллекторами раздачи и сбора теплоносителя, размещенными у двух торцов ЭГП, в котором над или внутри коллектора раздачи теплоносителя установлен дополнительный коллектор сбора теплоносителя, не менее чем одна ЭГС внутри ЭГП выполнена в виде трубопровода теплоносителя, который гидравлически соединен с коллектором раздачи и дополнительным коллектором сбора теплоносителя, причем патрубок для выхода теплоносителя подсоединен к дополнительному коллектору сбора теплоносителя. Трубопроводы теплоносителя снаружи могут быть окружены теплоизоляцией и (или) установлены внутри герметичной трубы с зазором, заполненным газом или отвакуумированным.

Чертежи фиг. 1-4 поясняют суть предлагаемого ТРП пакетной (модульной) схемы. На фиг. 1 приведен поперечный разрез ЭГП, на фиг. 2 - поперечное сечение ТРП, а на фиг. 3 и 4 - варианты изготовления трубопровода.

ТРП содержит ЭГП 1 и боковой отражатель 2, в котором размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 3 с поглощающими нейтроны накладками 4. ЭГП включает герметичный корпус 5, внутри которого размещены термоэмиссионные ЭГС 6, наружные корпуса которых охлаждаются теплоносителем 7, например, эвтектическим сплавом NaK или Li. Часть ЭГС 6 выполнена в виде трубопроводов 8 теплоносителя. ЭГС 6 всех ЭГП 1 образуют активную зону ТРП. Выше и ниже торцов ЭГС 6 расположены соответственно коллектор 9 раздачи теплоносителя и коллектор 10 сбора теплоносителя 7. Выше коллектора 9 раздачи теплоносителя расположен дополнительный коллектор 11 сбора теплоносителя. Подвод теплоносителя в ЭГП осуществляется через патрубок 12, подсоединенный к коллектору 9, а отвод - через патрубок 13, подсоединенный к дополнительному коллектору 11. Трубопроводы 8 гидравлически соединяют коллектор 10 сбора теплоносителя и дополнительный коллектор 11 сбора теплоносителя. Трубопроводы 8 могут быть изготовлены в виде теплоизолирующей системы. На фиг. 3 показан вариант выполнения трубопровода 8 в виде наружной трубки 14, слоя теплоизоляции 15 и внутренней трубки 16 (трехслойной трубы металл-керамика-металл), внутри которой протекает теплоноситель 7. На фиг. 4 показан вариант выполнения теплоизоляции трубопровода 8, когда трубопровод 8 установлен внутри герметичной трубы 17 с зазором 18, заполненным газом или отвакуумированным.

ЭГС 6 снабжены токовыводами 19, которые в коммутационной камере 20 коммутируются, например, последовательно-параллельно, для получения требуемого напряжения и тока ЭГП. Из коммутационной камеры 19 через герметичные выводы идут два токовывода 21.

ТРП работает следующим образом.

В исходном состоянии размещенные в отражателе 2 поворотные цилиндры 3 находятся в положении поглощающими накладками 4 к активной зоне с ЭГП 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 3 таким образом, что накладки 4 отходят от активной зоны с ЭГП 1. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГС 6, расположенных внутри корпуса 5 каждого из ЭГП 1.

Выделяющееся тепло отводится с наружной поверхности корпусов ЭГС 6 теплоносителем 7, например, эвтектическим сплавом NaK или жидким Li, подаваемым в каждый ЭГП 1. Схема движения теплоносителя 7 в ЭГП показана стрелками. Теплоноситель из системы охлаждения ЯЭУ (на схемах не показана) подается в каждый ЭГП 1 через входной патрубок 12, из которого попадает в коллектор 9 раздачи теплоносителя и затем в активную зону, где охлаждает наружные поверхности ЭГС 6. Подогретый теплоноситель попадает в коллектор 10 сбора теплоносителя, где поток теплоносителя разворачивается на 180^o и через трубопроводы 8, установленные вместо нескольких ЭГС 6, попадает в дополнительный коллектор 11, откуда через патрубок 13 попадает в систему охлаждения ЯЭУ.

Если трубопровод 8 изготовлен из металла, то возможна рекуперация, т.е. переток тепла из подогретого теплоносителя, протекающего внутри трубопровода, к теплоносителю 7, протекающему снаружи трубопровода 8. Поэтому желательно трубопровод 8 сделать теплоизолирующим, например, в виде наружной трубки 14, слоя теплоизоляции 15 и внутренней трубки 16 или в виде наружной трубки 17, внутрь которой с зазором 18, заполняемым газом или отвакуумированным, вставлен трубопровод 8. В этих случаях переток тепла от нагретого теплоносителя, протекающего внутри трубки 16 (трубопровода 8), к теплоносителю, протекающему снаружи трубки 14 или 17, т.е. через стенки трубопровода 8, будет минимально возможным и тем самым эффективность охлаждения ЭГС за счет введения трубопроводов 8 не ухудшится.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в ЭГС 6 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. ЭГС 6 снабжены токовыводами 21, с помощью которых внутри корпуса 5 ЭГП 1 ЭГС 6 коммутируются параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. Коммутация осуществляется в коммутационной камере 19, из которой с помощью изолированных от корпуса токовывоводов 20 электроэнергия попадает потребителю или в устройства внешней коммутации (на схеме не показаны). Непреобразованная в ЭГС 6 теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем 7, как это описано выше, и затем с помощью системы охлаждения сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (на чертеже не показано).

Таким образом, предложенное решение, когда трубопроводы подвода и отвода теплоносителя расположены с одного торца ТРП, существенно упрощает сборку ТРП из ЭГП, позволяет использовать один из торцов ЭГП для размещения коммутационной камеры. В результате отсутствия трубопроводов с теплоносителем у одного из торцов ТРП нет необходимости размещать их вдоль наружной поверхности ТРП, увеличивая тем самым габариты ТРП. В результате ТРП становится более компактным и, следовательно, требуется меньший диаметр радиационной защиты полезного груза КА от вторичного излучения трубопроводов. Это приводит к уменьшению массы ЯЭУ.

Источники информации
1. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз". - Атомная энергия. 1974. Т.36, вып. 6. С. 450-454.

2. Патент RU 2076385 C1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.03.97. Бюл. N 9.

3. Патент RU 2086036 C1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.07.97. Бюл. N 21.

4. Разработка, изготовление и испытания полномасштабного имитатора электрогенерирующего пакета модульной космической ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения / П.И.Быстров, В.П.Кириенко, Г.А.Купцов и др. // Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия" им. С.П.Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия", г.Королев Моск.обл. 1996. Вып.2-3. С.64-69, рис.3.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических энергоустановок. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП), содержащем электрогенерирующие пакеты (ЭКП) в виде герметичного корпуса с размещенными внутри него охлаждаемыми теплоносителем, термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС) и коллекторами раздачи и сбора теплоносителя, размещенными у торцов пакетов, над или внутри коллектора раздачи теплоносителя установлен дополнительный коллектор сбора теплоносителя, не менее чем одна ЭГС внутри ЭГП выполнена в виде трубопровода теплоносителя, который гидравлически соединен с коллектором раздачи и дополнительным коллектором сбора теплоносителя, причем патрубок для выхода теплоносителя подсоединен к дополнительному коллектору сбора теплоносителя. Трубопровод теплоносителя может быть выполнен теплоизолируемым или установленным внутри герметичной трубки с зазором, заполненным газом или отвакуумированным. Техническим результатом изобретения является упрощение сборки и уменьшение габаритов ТРП. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь пакетной схемы, содержащий не менее двух электрогенерирующих пакетов в виде герметичного корпуса, снабженного патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем термоэмиссионными электрогенерирующими сборками и коллекторами раздачи и сбора теплоносителя, размещенными у торцов пакета, отличающийся тем, что над коллектором или внутри коллектора раздачи теплоносителя установлен дополнительный коллектор сбора теплоносителя, не менее чем одна термоэмиссионная электрогенерирующая сборка внутри пакета выполнена в виде трубопровода теплоносителя, который гидравлически соединен с коллектором раздачи и дополнительным коллектором сбора теплоносителя, причем патрубок для выхода теплоносителя подсоединен к дополнительному коллектору сбора теплоносителя. 2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь пакетной схемы по п.1, отличающийся тем, что трубопровод теплоносителя выполнен теплоизолируемым. 3. Термоэмиссионный реактор-преобразователь пакетной схемы по п.1, отличающийся тем, что трубопровод теплоносителя установлен внутри герметичной трубы с зазором, заполненным газом или отвакуумированным. 4. Термоэмиссионный реактор-преобразователь пакетной схемы по п.1, отличающийся тем, что патрубки для входа и выхода теплоносителя расположены с одного торца термоэмиссионного реактора-преобразователя.