ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2002 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 (ТРП).

Известны конструкции термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), называемых также термоэмиссионными твэлами, 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 чаще всего в 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 топливного сердечника в процессе работы делящегося вещества.

Известен термоэмиссионный ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой плоскоцилиндрической геометрии [2]. ЭГЭ содержат топливно-эмиттерный узел с герметичной эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, обычно диоксид урана. Часть наружной поверхности эмиттерной оболочки служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП). ЭГЭ содержит также коллектор и гибкую коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус.

Такой ЭГЭ может быть высокоэнергонапряженным. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность МЭЗ. При длительной работе ГПД будут накапливаться внутри топливного сердечника в образовавшейся в процессе переконденсации топлива центральной газовой полости, давление их будет возрастать, что приведет 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".

Известен термоэмиссионный ЭГЭ цилиндрической геометрии с герметичной эмиттерной оболочкой [3]. ЭГЭ содержат топливно-эмиттерный узел с герметичной эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, обычно диоксид урана. Для выравнивания температурного поля эмиттера между эмиттером и топливным блоком размещена тепловая труба с продольно-поперечной передачей тепла. ЭГЭ содержит коллектор и коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус.

В таком ЭГЭ эмиттер может быть изотермичным. Однако при длительной работе ГПД будут накапливаться внутри топливного сердечников 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 термоэмиссионный ЭГЭ с газоотводным устройством (ГОУ) [4]. Он содержит топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено ГОУ, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, противоположную торцевой части, соединенной с коммутационной перемычкой.

Обеспечение длительного ресурса такого ЭГЭ оказалось возможным благодаря созданию вентилируемого ЭГЭ с системой 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. Однако в течение длительного ресурса это может быть реализовано лишь в том случае, если не происходит забивание ГОУ конденсатом делящегося вещества (оксида урана). В процессе работы ЭГЭ происходит переконденсация делящегося вещества, в результате чего возможно забивание конденсатом топлива как жиклера ГОУ, так и трубки ГОУ. В результате этого происходит герметизация сердечника, вентилируемый термоэмиссионный ЭГЭ превращается в ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой, ГПД накапливаются в сердечнике с увеличением давления, что вызывает деформацию эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера на коллектор. Поэтому схемно-конструкционное решение ЭГЭ с ГОУ должно быть таким, чтобы в процессе работы не происходила конденсация топлива в ГОУ. Тогда вместе с ГПД пары топлива выходят через Г0У и конденсируются вне сердечника, не герметизируя его. Однако это реализуется лишь в том случае, если температура ГОУ выше температуры насыщения пара диоксида урана в трубке ГОУ. Для этого трубка должна быть выведена в так называемый "горячий" торец, т.е. торцевую часть эмиттерной оболочки, противоположной торцу с коммутационной перемычкой.

Однако вывод трубки ГОУ в "горячий" торец, позволяющий обеспечить длительную работоспособность ГОУ, приводит к усложнению конструкции ЭГЭ, так как обе торцевые части эмиттерной оболочки являются достаточно сложными (одна часть с трубкой ГОУ, другая часть с коммутационной перемычкой), требуют сварки цилиндрической части эмиттерной оболочки с обеими торцевыми. Это не только усложняет технологию изготовления ЭГЭ, но и снижает надежность из-за появления дополнительного сварного шва торцевой части с ГОУ с цилиндрической частью эмиттерной оболочки.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения длительного ресурса ЭГЭ с высокими значениями плотностей электрической мощности с одновременным упрощением технологии и повышением надежности работы.

Указанный технический результат реализуется в термоэмиссионном ЭГЭ, содержащем топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, в котором газоотводное устройство выведено в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части эмиттерной оболочки между местом выведения газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. В качестве керамики или основы металлокерамики может быть применен оксид скандия.

На чертеже изображена конструкционная схема термоэмиссионного ЭГЭ.

ЭГЭ содержит топливно-эмиттерный узел, коллектор 1 и коммутационную перемычку 2. Топливно-эмиттерный узел состоит из цилиндрического топливного сердечника 3 и эмиттерной оболочки, включающей боковую часть 4, наружная цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером ТЭП, и две торцевые части 5 и 6. Внутри топливного сердечника 3 размещено ГОУ, состоящее из жиклера 7 и трубки 8, причем одним концом трубка 8 выведена в торцевую часть 6 эмиттерной оболочки. Эта же торцевая часть 6 соединена с коммутационной перемычкой 2, которая обеспечивает электрическую коммутацию торцевой части 6 эмиттерной оболочки с коллектором 8 одного из соседних ЭГЭ при коммутации ЭГЭ в ЭГС. Часть (участок) 9 торцевой части 6 эмиттерной оболочки между местом выведения трубки 8 ГОУ и подсоединением коммутационной перемычки 2 выполнена из керамики или металлокерамики. Зазор 10 между эмиттером (наружной поверхностью боковой части 4 эмиттерной оболочки) и коллектором 1 является межэлектронным зазором (МЭЗ) термоэмиссионного преобразователя и в рабочих условиях заполнен паром цезия.

Термоэмиссионный ЭГЭ работает следующим образом.

В исходном состоянии топливный сердечник 3 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% от внутреннего объема эмиттерной оболочки.

При работе вследствие деления ядер урана топливный сердечник 3 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 чертеже, с центральной газовой полостью 11.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 3, подается на цилиндрическую 4 и торцевые части 5 и 6 эмиттерной оболочки и далее в МЭЗ 10, заполненный паром цезия. Часть тепла в МЭЗ 10 преобразуется в электроэнергию. Не преобразованная часть тепла попадает на коллектор 1. С коллектора 1 тепло через слой коллекторной изоляции 12 передается несущей трубке (чехлу) 13 ЭГС, с которого тепло снимается теплоносителем (не показано). Возможен съем тепла с чехла 13 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГЭ (не показана).

При делении ядер урана в топливном сердечнике 3 образуются осколки деления, в том числе газообразные продукты деления (ГПД), которые диффундируя через топливный материал сердечника 3, собираются в центральной газовой полости 11. При наличии ГОУ эти ГПД через жиклер 7 и внутренние объемы трубки 8 ГОУ выходят в межэлементный промежуток 14. Однако вместе с ГПД через жиклер 7 будет уходить и пар топливного материала (оксида урана), который может сконденсироваться во внутреннем объеме трубки 8 ГОУ. 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 8 ГОУ. Так как трубка 8 ГОУ выводится в торцевую часть 6 ("холодный" торец) эмиттерной оболочки с температурой существенно ниже температуры эмиттера (из-за отвода тепла с торцевой части 6 эмиттерной оболочки через коммутационную перемычку 2 на коллектор 8 соседнего ЭГЭ), а ГПД и соответственно пары топливного материала на входе в жиклер 7 имеют температуру, близкую к максимальной температуре топливного сердечника, то вдоль трубки ГОУ будет перепад температур и пары топлива могут сконденсироваться внутри трубки 8 ГОУ. В результате может произойти герметизация переконденсировавшимся топливом сердечника. Накапливающиеся внутри газовой полости 11 ГПД приведут к деформации эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера 4 на коллектор 1.

Для обеспечения условий недопущения конденсации топливного материала внутри трубки 8 ГОУ необходимо, что вдоль нее был минимально возможный перепад температуры. Это может быть достигнуто за счет введения теплоизолирующего участка между местом выведения трубки 8 ГОУ и подсоединением коммутационной перемычки 2 в торцевую часть 6 эмиттерной оболочки. В качестве такого теплоизолятора может быть использован участок 9 торцевой части 6, который выполнен из керамики или металлокерамики, теплопроводность которых существенно ниже, чем материал эмиттерной оболочки. В результате подвода тепла из топливного сердечника 3 к трубке 8 ГОУ и относительно малого отвода тепла от трубки ГОУ к коммутационной перемычке (благодаря наличию теплоизолирующего участка 9) температура трубки ГОУ будет достаточно высокой, что гарантирует отсутствие конденсации топливного материала внутри трубки 8 ГОУ, вывод ГПД из сердечника и, следовательно, позволяет обеспечить длительный режим работы ЭГЭ.

В качестве материала керамики или основы металлокерамики должен использоваться высокотемпературный теплоизоляционный материал, стойкий в паре цезия и выдерживающий высокие потоки радиационных излучений. В качестве такого материала лучше всего подходит оксид скандия.

Размещение на одном торце и вывода трубки 8 ГОУ и подсоединения коммутационной перемычки 2 существенно упрощают технологию изготовления ЭГЭ. Это связано с тем, что эмиттерная оболочка может быть изготовлена в виде свариваемых двух частей: стакана из цилиндрической 4 и торцевой 5 частей как единого целого и торцевой части 6 с ГОУ и коммутационной перемычкой. Исключение второго сварного шва (соединение цилиндрической 4 и торцевой 5 частей) повышает надежность работы ЭГЭ, так как разрушение эмиттерной оболочки, например, при термоциклах как правило происходит на сварных соединениях эмиттерной оболочки.

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

2. Патент RU 2095881 C1, H 01 J 45/50. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка.

3. Патент RU 2086034 C1, Н 01 J 45/50. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент.

4. Исследование процессов переконденсации в эмиттерных узлах с малым содержанием двуокиси урана в реакторе/Е.С. Бекмухамбетов и др.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений радиационное материаловедение. 1985, вып. 4 (37), с. 43-44, рис. 3.

Назначение: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство (ГОУ), один конец трубки ГОУ выведен в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части между местом выведения трубки газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. В качестве материала керамики или основы материала металлокерамики может быть использован оксид скандия. Изобретение обеспечивает высокие плотности электрической мощности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцовых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, отличающийся тем, что один конец трубки газоотводного устройства выведен в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части эмиттерной оболочки между местом выведения трубки газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. 2. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве керамики или основы металлокерамики применен оксид скандия.