ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2001 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 

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

В термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП) происходит как генерирование тепловой энергии при делении ядер урана, так и непосредственное преобразование ее в электрическую.

ТРП космической ЯЭУ может быть на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах. ТРП на тепловых (и промежуточных) нейтронах из-за наличия в активной зоне (АЗ) замедлителя могут быть созданы лишь до относительно небольших мощностей и с относительно ограниченным ресурсом. ТРП на быстрых нейтронах могут быть созданы на мощности от 100 кВт до мегаваттного уровня и более длительного ресурса. АЗ ТРП на тепловых нейтронах содержат относительно небольшое количество делящегося вещества и замедлитель. AЗ ТРП на быстрых нейтронах не содержит замедлителя, а для обеспечения критичности требует относительно большого количества делящегося вещества. С этой точки зрения ТРП на быстрых нейтронах представляет повышенную ядерную опасность в случаях, когда возможно попадание в АЗ замедлителя, например водородосодержащего вещества, в том числе воды.

Известен ТРП космической ЯЭУ "Топаз" [1]. Он содержит АЗ, состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), боковой отражатель, в котором размещены органы управления реактором в виде поворотных барабанов. Наружные корпуса ЭГС охлаждаются теплоносителем (эвтектическим сплавом NaK).

Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт, в течение около года. Так как ТРП выполнен на тепловых нейтронах и малой мощности, то его АЗ содержит относительно небольшое количество делящегося вещества, а следовательно обладает пониженной ядерной опасностью.

Известен ТРП на быстрых нейтронах, описанный в [2]. Он содержит АЗ и отражатель с органами управления реактором. АЗ в свою очередь содержит термоэмиссионные ЭГС, которые обеспечивают требуемое значение электрической мощности, и так называемые бустерные тепловыделяющие элементы (твэлы), которые не являются электрогенерирующими, а добавлены в АЗ для обеспечения ее критичности, так как объемная доля делящегося вещества в них существенно выше, чем в ЭГС. Бустерные твэлы могут быть размещены по всему объему АЗ. ЭГС и бустерные твэлы содержат систему охлаждения на основе жидкометаллического теплоносителя, а бустерные твэлы, кроме того, могут иметь дополнительную систему охлаждения на основе тепловых труб.

Бустерные твэлы, которые содержат фактически лишь делящееся вещество в корпусе, позволяют снизить критический объем АЗ, а следовательно, и массу всей ЯЭУ. Однако введение в АЗ бустерных твэл кроме понижения КПД преобразования энергии в ТРП и соответственно увеличения поверхности холодильника-излучателя приводит к увеличению плотности критической загрузки делящегося вещества в ТРП. Это в свою очередь повышает ядерную опасность при аварийных ситуациях с ракетой-носителем при выводе космического аппарата (КА) с ЯЭУ в космос.

В качестве прототипа примем ТРП на быстрых нейтронах, предложенный в [3] . Он содержит активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок и бустерных тепловыделяющих элементов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок и наружных корпусов бустерных тепловыделяющих элементов.

Бустерные твэлы, размещенные компактно в виде пакета (кассеты), снабженного автономной системой охлаждения, позволяют не только снизить критический объем АЗ, а следовательно, массу ТРП и радиационной защиты ЯЭУ, но и за счет повышения температуры теплоносителя, охлаждающего наружные корпуса бустерных твэлов, несущественно увеличить поверхность и соответственно массу холодильника-излучателя.

Однако в таком ТРП на быстрых нейтронах не обеспечивается ядерная безопасность при гипотетической аварии при выведении ЯЭУ в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное ракетное топливо), в результате чего становится надкритичным.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение безопасности, в том числе обеспечение ядерной безопасности при гипотетической аварии при выведении в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное топливо).

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе на быстрых нейтронах, содержащем активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок и бустерных тепловыделяющих элементов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок и наружных корпусов бустерных тепловыделяющих элементов, в котором наружный корпус бустерных тепловыделяющих элементов выполнен из материала, содержащего резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов, или на наружной или внутренней поверхностях корпуса нанесено покрытие, содержащее резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов. Длина корпуса, содержащего резонансный поглотитель, или покрытия равна высоте активной зоны. В качестве материалов резонансных поглотителей промежуточного спектра нейтронов выбраны редкоземельные элементы европий, гафний, гадолиний или их сплавы с конструкционными материалами.

На фиг. 1 приведена схема ТРП на быстрых нейтронах, а на фиг. 2, 3, 4 и 5 - общий вид бустерного твэла с частичным вырезом его стенки для лучшего показа конструкции.

ТРП содержит АЗ 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. АЗ 1 набрана из ЭГС 4 и бустерных твэлов 5. Наружные корпуса ЭГС 4 снаружи охлаждаются теплоносителем 6, например, эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя осуществляется через патрубок 7, а отвод через патрубок 8. В АЗ 1 равномерно у отражателя или компактно в ее центре (как показано на чертеже внутри дополнительного корпуса 9) размещены бустерные твэлы 5, которые охлаждаются контуром теплоносителя 10, который подводится через входной патрубок 11 и отводится через выходной патрубок 12. Наружный корпус 13 бустерных твэлов 5 выполнен из материала, содержащего резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов (фиг. 3), или на наружной поверхности корпуса 13 нанесено покрытие 14 (фиг. 4), содержащее резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов на длину, равную высоте АЗ 1, или на внутренней поверхности корпуса 13 нанесено покрытие 15 (фиг. 5) резонансного поглотителя промежуточного спектра нейтронов на длину, равную высоте АЗ 1. Резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов выполнены из европия, гафния, гадолиния - материалов, обладающих сильным резонансным поглощением, максимумы которого приходятся на область промежуточных энергий [4, 5]. В отражателе 2 размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 17 с поглощающими нейтроны накладками 18. Электроэнергия от ЭГС 4 выводится из АЗ 1 ТРП токовыводами 19.

ТРП на быстрых нейтронах работает следующим образом. В исходном состоянии поворотные цилиндры 17 находятся в положении поглощающими накладками 18 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 космического аппарата) осуществляется разворот цилиндров 17 таким образом, что накладки 18 отходят от АЗ 1. Начинается реакция деления делящегося вещества в сердечниках ЭГС 4 и делящегося вещества 16 в бустерных твэлах 5.

Так как резонансный поглотитель (в качестве которого использованы европий, гафний, гадолиний), размещенный на корпусе 13 бустерного твэла 5, практически прозрачен для быстрых нейтронов, то он не скажется на критических параметрах ТРП при штатном запуске.

Выделяющееся тепло отводится от ЭГС 4 теплоносителем 6 основного контура, а от бустерных твэл 5 - теплоносителем 10 дополнительного контура с входным патрубком 11 и выходным 12. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГС 4 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 19. Непреобразованная теплота термодинамического цикла от наружного корпуса ЭГС 4 отводится теплоносителем 6, а тепло, выделяемое бустерными твэлами 5, отводится от наружного корпуса теплоносителем 10. Затем это тепло сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (на чертеже не показано).

В случае аварии ракеты-носителя или разгонного блока возможно попадание ТРП в воду или водородное топливо, и проникновение этих веществ, являющихся замедлителями, в АЗ 1. Быстрые нейтроны тормозятся в этих замедлителях до тепловых нейтронов, что приводит к смягчению спектра нейтронов и увеличению эффективного коэффициента размножения нейтронов (К_эф). Однако благодаря присутствию резонансных поглотителей, часть нейтронов, в результате резонансного захвата промежуточных нейтронов, будет потеряна до того как эти нейтроны станут тепловыми. Если бы не было в АЗ 1 резонансных поглотителей, то заполненный замедлителем ТРП стал бы надкритичным. Наличие в АЗ 1 резонансного поглотителя в корпусе 13 или в покрытиях 14, 15, имеющего большую величину сечения поглощения промежуточных нейтронов, снижает возникающий в этой аварийной ситуации водородный эффект до уровня, позволяющего удержать подкритичность ТРП в требуемых пределах. В результате критичность ТРП не достигается и он остается в подкритичном состоянии и при наличии во всех пустотах АЗ 1 (межэлектродные зазоры, внутренние полости топливно-эмиттерных узлов, зазоры между ЭГС 4 и между бустерными твэлами 5 и др.) водородосодержащих веществ. Тем самым обеспечивается ядерная безопасность ТРП и, следовательно, ЯЭУ во всех ситуациях, включая гипотетические аварии при последующем полном заполнении пустот АЗ 1 ТРП водородом или водой.

Замена материала корпуса бустерного твэла на сплав с резонансным поглотителем (например, сплавы гафния с ниобием перспективны как конструкционные материалы для использования при высоких температурах [6]) или нанесение резонансного поглотителя на корпус несложно и не потребует перестройки существующих технологий изготовления бустерных твэлов.

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 N 2138096 C1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмиссионный реактор-преобразователь. Опубл. 20.09.99, Бюл. N 26.

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

4. Справочник по ядерной физике. Под ред. Л. А. Арцимовича. М., Гос. из-во физико-математической литературы, 1963, с. 255.

5. Физические величины. Справочник под ред. И. С. Григорьева, Е.З.Мейлихова. М., Энергоатомиздат, 1991, с. 1123.

6. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник под ред. А.Т.Туманова и К. И. Портного. М., из-во "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 электрогенерирующих сборок и бустерных твэлов, наружные корпуса бустерных твэлов выполнены из материала, содержащего резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов, или на корпус нанесено покрытие, содержащее резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов. В качестве материалов корпуса или покрытий, содержащих резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов, выбраны редкоземельные элементы европий, гафний, гадолиний или их сплавы с конструкционными материалами. Технический результат заключается в повышении безопасности установки, в том числе в обеспечении ядерной безопасности при гипотетической аварии с попаданием в водородсодержащую среду (воду или водородное топливо). 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах, содержащий активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок и бустерных тепловыделяющих элементов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок и наружных корпусов бустерных тепловыделяющих элементов, отличающийся тем, что наружный корпус бустерных тепловыделяющих элементов выполнен из материала, содержащего резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов, или на наружной или внутренней поверхностях корпуса нанесено покрытие, содержащее резонансные поглотители промежуточного спектра нейтронов. 2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах по п.1, отличающийся тем, что длина корпуса, содержащего резонансный поглотитель или покрытия, равна высоте активной зоны. 3. Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материалов резонансных поглотителей промежуточного спектра нейтронов выбраны редкоземельные элементы европий, гафний, гадолиний или их сплавы с конструкционными материалами.