Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в качестве источника электропитания в составе космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ).
Известна космическая ЯЭУ, описанная в патенте РФ 2129740 "Космическая ядерная энергетическая установка" с приоритетом от 28.07.98.
ЯЭУ содержит модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), вынесенных из активной зоны ядерного реактора и совмещенных с зоной конденсации высокотемпературных тепловых труб (ВТТ), у которых зона испарения размещена в графитовых матрицах активной зоны ядерного реактора с гарантируемым вакуумным зазором. Причем тепло подводится излучением от электрически изолированных от ВТТ и нагретых до высокой температуры тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) через этот зазор. Отличительной особенностью электрогенерирующего канала (ЭГК) является его одноэлементное исполнение. Причем эмиттер размещен непосредственно на тепловой трубе в зоне конденсации, коллектор размещен непосредственно в зоне испарения среднетемпературной тепловой трубы без корпусной теплопроводящей электрической изоляции.
Межэлектродная электроизоляция эмиттера от коллектора внутри одноэлементного ЭГК выполнена в виде металлического шунта с низким омическим сопротивлением.
Недостатками такой установки являются:
- низкое выходное напряжение и высокая величина выходного электрического тока (несколько кА), требующие наличие специального преобразователя напряжения и шинопроводов большого сечения, ухудшающих массогабаритные характеристики установки;
- низкая надежность системы теплоподвода от графитовой матрицы ядерного реактора к зоне испарения ВТТ, которая связана с тем, что, во-первых, электрическая изоляция перенесена из зоны низкотемпературного ЭГК в активную зону ядерного реактора и, во-вторых, единичный отказ как электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) и/или ВТТ приводит к перегреву ядерного топлива и выходу из строя ЯЭУ;
- сложность регулировки параметров ЯЭУ из-за необходимости размещения цезиевого резервуара в каждом модуле;
- относительно низкая работоспособность ЯЭУ из-за имеющей место передачи электрического потенциала модуля массе ЯЭУ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термоэмиссионный энергетический модуль, представленный в свидетельстве РФ на полезную модель 9084 под названием "Термоэмиссионный энергетический модуль".
Он содержит одноэлементные ЭГЭ, эмиттеры и коллекторы которых выполнены без корпусной электроизоляции и размещены непосредственно в зоне конденсации ВТТ. В качестве межэлектродной изоляции между эмиттером и коллектором в ЭГЭ установлен металлический шунт с электросопротивлением, превышающим сопротивление внешней нагрузки в 10-15 раз. На одной ВТТ установлены один или несколько одноэлементных ЭГЭ и соединены между собой параллельно. Эмиттеры и коллекторы имеют коническую форму и отделены друг от друга втулками-подшипниками.
Перечисленные ранее недостатки аналога свойственны и для прототипа. Кроме того, для прототипа характерен ряд других специфических недостатков:
- относительно сложная технология изготовления ЭГЭ, связанная с тем, что коническая форма электродов требует установления и поддержания в рабочих условиях малой величины межэлектродного зазора (d~0.2 мм);
- относительно высокие выходные токи при малой величине выходного напряжения, приводящие к потерям напряжения на внутренней коммутации, которые становятся соизмеримыми с падением напряжения на внешней электрической коммутации модулей в электрической цепи космической ЯЭУ.
Перед авторами стояла задача избежать перечисленные выше недостатки, а именно создать надежный, технологичный и эффективный термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для космической ЯЭУ с открытой архитектурой в диапазоне выходной электрической мощности 50-250 кВтэл применительно к термоэмиссионным реакторам-преобразователям (ТРП).
Для решения поставленной задачи предлагаются три типа термоэмиссионных электрогенерирующих модулей (далее - модули) для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую.
В модуле первого типа, содержащем термоэмиссионную систему преобразования, совмещенную с зоной конденсации ВТТ, электрогенерирующие элементы, эмиттеры и коллекторы которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри ЭГК с парами цезия, содержащего катодный и анодный токовыводы, предлагается:
- ЭГК встроить в электрически нейтральный корпус модуля (далее корпус модуля);
- внутри корпуса модуля разместить ВТТ;
- в испарительной зоне ВТТ расположить кольцевой тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ);
- в зоне конденсации разместить многоэлементный ЭГК с последовательно соединенными в электрическую цепь ЭГЭ, у которых, по крайней мере, один эмиттер разместить непосредственно на участке зоны конденсации и соединить с катодным токовыводом, обратным и коаксиальным по отношению к другим электрически изолированным от него с помощью находящейся в парах цезия "мокрой" эмиттерной керамической изоляции эмиттерам;
- внутреннюю поверхность эмиттеров соединить через "мокрую" эмиттерную керамическую изоляцию и катодный токовывод с внешней поверхностью зоны конденсации ВТТ;
- тракт вывода газообразных продуктов деления (ГПД) из кольцевого ТВЭЛ, содержащего торцевые отражатели и отделенного от межэлектродного пространства ЭГК оболочкой кольцевого ТВЭЛ, разместить внутри ВТТ и катодного токовывода;
- корпус модуля с одной его стороны соединить с подпятником скольжения, а с другой стороны в нем разместить катодный и анодный токовыводы.
В частных случаях в модуле 1-го типа предлагается следующее:
- испарительную зону разместить в зазоре между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ, находящемся в вакууме;
- модуль дополнительно снабдить вторым электрически нейтральным корпусом с размещенными в нем ЭГК;
- зазор между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ заполнить теплопроводящей средой;
- в качестве теплопроводящей среды использовать радиогенный гелий.
В модуле второго типа, содержащем термоэмиссионную систему преобразования, ЭГЭ, эмиттеры и коллекторы которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри ЭГК с парами цезия, содержащем катодный и анодный токовыводы, предлагается:
- ВТТ встроить в корпус модуля;
- ВТТ выполнить газорегулируемой;
- в зоне конденсации ВТТ разместить два параллельно соединенных внутри корпуса модуля многоэлементных ЭГК в электрическую сеть с общими межэлектродной средой паров цезия, катодным и анодным токовыводами, от 2 до 10 ЭГЭ в каждом ЭГК;
- эмиттеры ЭГК разместить в зоне конденсации ВТТ.
При этом в модуле 2-го типа предлагается испарительную зону ВТТ разместить в зазоре между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ.
Кроме того, в модулях 1-го и 2-го типов возможно:
- использовать второй электрически нейтральный корпус с размещенными в нем ЭГК;
- разместить испарительную зону в зазоре между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ;
- заполнить зазор между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ теплопроводящей средой;
- использовать в качестве теплопроводящей среды радиогенный гелий.
В модуле третьего типа, содержащем термоэмиссионную систему преобразования, ЭГЭ, эмиттеры и коллекторы которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри ЭГК с парами цезия, содержащем катодный и анодный токовыводы, предлагается:
- эмиттеры ЭГК встроить в корпус модуля и разместить на "сухой" керамической изоляции;
- "сухую" керамическую изоляцию соединить с трубой Фильда.
Таким образом, выполняется требование об отсутствии разнородного электрического потенциала на корпусе и внешних частях космической ЯЭУ. Внутри корпуса модуля, который вварен в трубную решетку с одной стороны и свободно висит, опираясь на подпятник скольжения, и, соответственно, свободен от разрушающих его термомеханических напряжений, размещен один многоэлементный ЭГК (модуль первого типа) или два многоэлементных ЭГК, соединенных между собой параллельно. Максимальное количество ЭГЭ в ЭГК определяется величиной пробивного напряжения "мокрой" эмиттерной и коллекторной керамической изоляции в парах цезия, которая составляет Uпр≤10 В. Максимальная величина выходного напряжения реализуется в модуле первого типа и составляет для 20-элементного ЭГК ~8.3 В, а для модуля второго типа в электрогенерирующей системе из двух параллельно соединенных 10-элементных ЭГК внутри корпуса термоэмиссионного электрогенерирующего модуля - 4.3 В. Резервирование обеспечивает газорегулируемая ВТТ, которая при отсутствии неконденсирующегося газа в ее рабочем объеме со щелочным рабочим телом подводит тепло к обоим ЭГК, а при наличии неконденсирующегося газа - только к одному из них, тем самым обеспечивая удвоение ресурса работы модуля и ТРП в целом. Корпус модуля по всей внешней поверхности охлаждается жидкометаллическим теплоносителем первого реакторного контура охлаждения. Выход из строя единичного ЭГК или даже двух ЭГК внутри корпуса не приводит к катастрофическому перегреву кольцевого ТВЭЛ и обеспечивает сохранение работоспособности ТРП как в случае единичного отказа ЭГК или ВТТ, так и в случае множественных отказов, приводящих к постепенному уменьшению выходной электрической мощности до уровня затрат на собственные нужды ТРП, обеспечивающего, в основном, прокачку жидкометаллического теплоносителя через систему охлаждения реактора и не превышающего ~ 10 кВтэл для ТРП с выходной электрической мощностью ~200 кВтэл. Таким образом, размещение кольцевого ТВЭЛ в испарительной зоне внутри корпуса модуля, охлаждаемого с внешней стороны жидкометаллическим теплоносителем, значительно увеличивает надежность работоспособности ТРП.
Кроме того, коллекторы многоэлементных ЭГК, выходное напряжение которых в различных типах модулей составляет величину от 4.3 В до 8.3 В, размещены с внутренней стороны многослойного коллекторного пакета с "сухой" со стороны корпуса керамической изоляцией с соответствующим размещением катодных и анодных токовыводов с одной стороны ЭГК. Это позволяет соединять их в последовательные и параллельные группы внутри коммутационной камеры и относительно просто обеспечивать требуемое для современных космических ЯЭУ выходное электрическое напряжение на клеммах ТРП ~125 В без специальной системы повышения напряжения.
Таким образом, предлагаемые технические решения также увеличивают надежность ТРП в целом при одновременном удовлетворении требованиям его высокого выходного напряжения, уменьшения массогабаритных характеристик и продолжительности функционирования космической ЯЭУ в течение не менее чем 10 лет. Последнее также достигается благодаря снижению в предлагаемом нами устройстве температуры эмиттеров ЭГК и, соответственно, ВТТ до уровня ~1600 К (и ниже! ), что на 150-200 градусов меньше, чем в прототипе.
Для некоторых технических решений в ТРП с предлагаемыми устройствами в системе нагрева эмиттеров вместо ВТТ может быть размещена труба Фильда с подачей в него "горячего" жидкометаллического теплоносителя из системы охлаждения ядерного реактора.
Могут быть также реализованы различные компоновочные решения в ТРП с предлагаемыми нами устройствами, в том числе с размещением термоэмиссионных электрогенерирующих модулей в термоэмиссионных блоках по разные стороны активной зоны, составленной из кольцевых ТВЭЛ, причем кольцевые ТВЭЛ и модули по обе стороны от активной зоны размещены на общих для них ВТТ.
Конструктивные особенности модуля второго типа позволяют резервировать электрическую мощность, повышая тем самым надежность космической ЯЭУ в процессе длительной эксплуатации ЯЭУ, что является совокупным результатом, заявляемым авторами.
На фиг. 1 представлена первая принципиальная схема модуля первого типа (без резервирования термоэмиссионной электрической мощности); на фиг.2 - сечение по месту А коллекторного пакета модуля первого типа, на фиг.3 - первая принципиальная схема модуля второго типа (с резервированием термоэмиссионной электрической мощности); на фиг.4 - сечение по месту А коллекторного пакета модуля второго типа (первая принципиальная схема); на фиг.5 - вторая принципиальная схема модуля первого типа (без резервирования термоэмиссионной электрической мощности); на фиг.6 - сечение по месту А коллекторного пакета модуля первого типа (первая принципиальная схема); на фиг.7 - сечение по месту Б кольцевого ТВЭЛ для моделей первого и второго типов для любой принципиальной схемы; на фиг.8 - вторая принципиальная схема модуля второго типа (с резервированием термоэмиссионной электрической мощности); на фиг.9 - сечение по месту А коллекторного пакета модуля второго типа (вторая принципиальная схема); на фиг.10 - принципиальная схема модуля третьего типа; на фиг. 11 - сечение по месту А коллекторного пакета модуля третьего типа; на фиг.12 - принципиальная теплогидравлическая схема космической ЯЭУ; на фиг 13 - расчетная вольт-амперная характеристика ЭГК при различных тепловых мощностях, подводимых к эмиттеру для модуля первого типа; на фиг.14 - зависимость КПД, максимальной температуры эмиттера и электрической мощности от тепловой мощности ЭГК модуля первого типа; на фиг.15 - расчетная вольт-амперная характеристика резервной секции ЭГК модуля второго типа; на фиг.16 - зависимость электрической мощности 20-элементного ЭГК с электродной парой от выходного напряжения при различных температуре эмиттера и тепловой мощности для модулей трех типов; на фиг.17 - зависимость для 10-элементного ЭГК для модулей трех типов; на фиг.18 и 19 - сечения ядерного реактора соответственно в медианной и аксиальной плоскостях.
На фиг.1-19 приняты следующие обозначения:
1 - активная зона; 2 - анодный токовывод; 3 - боковой отражатель; 4 - входной коллектор; 5 - высокотемпературная тепловая труба (ВТТ); 6 - выходной коллектор; 7 - выходные клеммы; 8 - жидкометаллический контур охлаждения; 9 - зазор в трубе Фильда; 10 - катодный металлокерамический узел (гермоввод); 11 - катодный токовывод; 12 - коллектор; 13 - кольцевой ТВЭЛ; 14 - коммутационная камера; 15 - МГД-насос; 16 - межэлектродная коммутация; 17 - анодный металлокерамический узел (гермоввод); 18 - "мокрая" коллекторная керамическая изоляция; 19 - "мокрая" эмиттерная керамическая изоляция; 20 - оболочка кольцевого ТВЭЛ; 21 - общий силовой корпус; 22 - охранный электрод; 23 - подпятник скольжения; 24 - рабочий орган системы управления защитой (СУЗ) поворотного типа; 25 - стержень безопасности; 26 - "сухая" керамическая изоляция; 27 - теневая защита; 28 - теплоизоляция кольцевого ТВЭЛ; 29 - теплообменник; 30 - торцевой отражатель; 31 - тракт ввода "горячего" жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) в трубу Фильда; 32 - тракт ввода "холодного" жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) из трубы Фильда; 33 - тракт вывода газообразных продуктов деления; 34 - тракт подачи неконденсирующегося газа в газорегулируемую ВТТ; 35 - тракт подачи паров цезия; 36 - труба Фильда; 37 - трубная доска; 38 - фитиль высокотемпературной тепловой трубы; 39 - холодильник-излучатель; 40 - цезиевая камера; 41 - электрически нейтральный корпус модуля; 42 - электрогенерирующий канал (ЭГК); 43 - эмиттер.
Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль первого типа.
Модуль представляет собой комплектную и функционально завершенную часть активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (фиг.1, 2, 5-7).
В модуле использованы следующие основные детали, узлы и системы.
Термоэмиссионная система преобразования совмещена с зоной конденсации высокотемпературной тепловой трубы (ВТТ) 5.
Коллекторы 12, входящие в состав коллекторного пакета ЭГК, содержат "мокрую" коллекторную керамическую электроизоляцию 18, охранный электрод 22, "сухую" керамическую изоляцию 26 и электрически нейтральный корпус модуля 41.
Эмиттеры 43 и коллекторы 12 ЭГЭ соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации 16.
ЭГК 42 содержит катодный 11 и анодный 2 токовыводы и заполнен парами цезия.
Катодный 11 и анодные 2 токовыводы выведены в коммутационную камеру 14 ТРП для внешних электросоединений. Катодный 11 и анодные 2 токовыводы электрически изолированы друг от друга и от массы ЯЭУ с помощью соответствующих металло-керамических узлов (гермовводов) 10 и 17.
ЭГК 42 встроен в корпус модуля 41, внутри которого размещена ВТТ 5.
ВТТ 5 содержит в испарительной зоне кольцевой ТВЭЛ 13 (далее - кольцевой ТВЭЛ).
В зоне конденсации ВТТ размещен многоэлементный ЭГК 42 с последовательно соединенными в электрическую цепь от 2 до 20 ЭГЭ.
В ЭГЭ, по крайней мере, один эмиттер 43 размещен непосредственно на участке зоны конденсации и соединен с катодным токовыводом 11, обратным и коаксиальным по отношению к другим электрически изолированным от него с помощью находящейся в парах цезия "мокрой" эмиттерной керамической изоляции 9 эмиттерам 43.
Подача паров цезия в межэлектродное пространство ЭГК из цезиевой камеры 40 ТРП осуществляется через тракт подачи паров цезия 35.
Внутренние поверхности эмиттеров 43 соединены через "мокрую" эмиттерную керамическую изоляцию 18 и катодный токовывод 11 с внешней поверхностью зоны конденсации ВТТ 5.
Тракт вывода газообразных продуктов деления 33 из кольцевого ТВЭЛ 13 содержит торцевые отражатели 30 и отделен от межэлектродного пространства ЭГК оболочкой 20 кольцевого ТВЭЛ 13.
Тракт вывода газообразных продуктов деления 33 размещен внутри ВТТ 5 и катодного токовывода 11.
Корпус модуля 41 с одной его стороны соединен с подпятником скольжения 23, а с другой стороны в нем размещены катодный 11 и анодный 2 токовыводы.
Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль второго типа.
Модуль представляет собой комплектную и функционально завершенную часть активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (фиг.3, 4, 8 и 9).
Модуль содержит термоэмиссионную систему преобразования, ЭГЭ, эмиттеры 43 и коллекторы 12 которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри ЭГК 42 с парами цезия, содержащего катодный 11 и анодный 2 токовыводы.
ВТТ 5 встроена в корпус модуля 41 и выполнена газорегулируемой.
В зоне конденсации ВТТ 5 размещены два параллельно соединенных внутри корпуса модуля 41 многоэлементных ЭГК 42 в электрическую сеть с общими межэлектродной средой паров цезия, катодным 11 и анодным 2 токовыводами, от 2 до 10 ЭГЭ в каждом ЭГК.
Эмиттеры 43 размещены в зоне конденсации газорегулируемой ВТТ 5.
Напуск неконденсирующегося газа в газорегулируемую ВТТ 5 осуществляется по тракту подачи 34.
Для модулей первого и второго типов характерно следующее:
- тепловой поток от кольцевого ТВЭЛ 13, заключенного в оболочку 20, передается в испарительную зону 5, внутри которой возврат жидкометаллического теплоносителя из зоны конденсации в испарительную зону ВТТ 5 осуществляется с помощью капиллярно-пористой структуры фитиля 38;
- вывод ГПД из кольцевых ТВЭЛ 13, минуя межэлектродное пространство ЭГК, осуществляется с помощью тракта вывода ГПД 33 в виде трубки;
- внутри оболочки 20 кольцевого ТВЭЛ 13 размещены торцевые отражатели 30 нейтронов, а сама оболочка 20 отделена от охлаждаемого жидкометаллическим теплоносителем корпуса модуля 41 с помощью экранно-вакуумной или оксидо-керамической теплоизоляции 28 кольцевого ТВЭЛ 13;
- оболочка 20 кольцевого ТВЭЛ 13 отделена от охранного электрода 22 с помощью "сухой" керамической изоляции 26;
- передачу теплового потока от кольцевого ТВЭЛ 13 к испарительной зоне ВТТ 5 осуществляют через зазор, образованный ВТТ 5 и кольцевым ТВЭЛ 13.
Возможны следующие варианты исполнения модулей первого и второго типов:
- испарительная зона размещена в зазоре между кольцевым ТВЭЛ 13 и ВТТ 5;
- модули дополнительно содержат второй электрически нейтральный корпус 41, в котором размещены ЭГК 42;
- зазор между кольцевым ТВЭЛ 13 и ВТТ 5 может быть заполнен теплопроводящей средой;
- роль теплопроводящей среды выполняет радиогенный гелий.
Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль третьего типа.
Модуль представляет собой функционально завершенную термоэмиссионную систему преобразования в составе жидкометаллического контура ЯЭУ (фиг.10, 11).
Модуль содержит термоэмиссионную систему преобразования, ЭГЭ, эмиттеры 43 и коллекторы 12 которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации 16 внутри ЭГК 42 с парами цезия, содержащего катодный 11 и анодный 2 токовыводы.
Эмиттеры 43 ЭГК 42 встроены в корпус модуля 41 и размещены на "сухой" керамической изоляции 26, которая соединена с трубой Фильда 36.
Подвод теплового потока к эмиттерам 11 ЭГК осуществляется с помощью трубы Фильда 36.
В трубе Фильда 36 для уменьшения тепловых потерь размещен вакуумный зазор.
Вход в трубу Фильда "горячего" и выход из нее "холодного" жидкометаллического теплоносителя производится в системе циркуляции теплоносителя в жидкометаллическом контуре охлаждения 8 ядерного реактора.
В модулях трех типов под "мокрой" коллекторной 18 и эмиттерной 19 керамической изоляцией понимается изоляция, работающая в парах цезия, а под "сухой" керамической изоляцией 26 - изоляция, неконтактирующая с парами цезия.
Модули первого и второго типов работают следующим образом.
Модуль входит в состав ТРП, являющегося одним из основных функциональных элементов космической ЯЭУ. Принципиальная теплогидравлическая схема ЯЭУ приведена на фиг.12.
Рабочий процесс преобразования тепла в электричество протекает внутри общего силового корпуса 21, через который прокачивается натрий-калиевый теплоноситель из жидкометаллического контура охлаждения 8 с помощью МГД-насоса 15, в котором непреобразованное тепло с помощью теплообменника 29 отводится холодильником-излучателем 39 панельного типа с ВТТ 5 и калиевым рабочим телом.
Защита всех систем ЯЭУ от излучения ядерного реактора до требуемого безопасного уровня осуществляется теневой защитой 27.
Регулирование тепловой мощности ТРП осуществляется с помощью бокового отражателя 3 нейтронов 12-ю рабочими органами 24 системы управления защитой (СУЗ) поворотного типа.
С помощью системы автоматического управления (САУ) ТРП на быстрых нейтронах выводится на заданную тепловую мощность, обеспечиваемую процессом деления ядерного топлива из мононитрида урана высокого обогащения (UN с 90% U235) в кольцевых ТВЭЛ 13 (фиг.1, 3, 5, 8), составляющих активную зону 1 ядерного реактора.
Тепловой поток из кольцевых ТВЭЛ 13 поступает в испарительную зону Mo-Li ВТТ 5 (фиг.1, 3, 5 и 8), в зоне конденсации которых размещены ЭГК 42.
ВТТ 5 и ЭГК 42 размещены внутри корпуса модуля 41, вваренного с одной стороны в трубную доску 37, а с другой - опирающегося на подпятник скольжения 23.
Охлаждение корпусов модулей 41 в ТРП (фиг.1-9) жидкометаллическим теплоносителем осуществляется его протоком из входного коллектора 4 в выходной коллектор 6.
Электрическая коммутация катодных 11 и анодных 2 токовыводов модулей в последовательно-параллельные ветви с выходным электрическим напряжением 125 В осуществляется в коммутационной камере 14 с выходными клеммами 7.
Подача цезиевого пара в межэлектродное пространство ЭГК 42 модулей осуществляется из цезиевой камеры 40.
Отвод ГПД, минуя межэлектродное пространство ЭГК 42, осуществляется вне ТРП через тракт вывода ГПД 33 (фиг.1, 3, 5 и 8).
Переход от режима максимальной электрической мощности ЭГК 42 при транспортировке к режиму номинальной электрической мощности длительного функционирования ЯЭУ, составляющей около половины от максимальной электрической мощности, в модуле первого типа (фиг.1) осуществляется с помощью соответствующего дефорсирования тепловой мощности ТРП.
В модулях с газорегулируемой ВТТ 5 и двумя параллельно соединенными ЭГК 41 (фиг. 3 и 8) в режиме максимальной электрической мощности неконденсирующийся газ в ВТТ 5 отсутствует, тепло подводится к эмиттерам 43 обоих ЭГК 41.
Для перехода в номинальный режим уменьшается тепловая мощность ТРП, неконденсирующийся газ (аргон) поступает из внешнего резервуара внутрь ВТТ 5 и занимает верхнюю часть ее внутреннего объема со стороны трубной доски 37 (фиг. 12), "отсекая" тепловой поток в эмиттеры 43 одного из двух ЭГК 42, и тем самым "резервирует" его электрическую мощность.
Работающий ЭГК 42 обеспечивает номинальную электрическую мощность в течение не менее половины времени установленного ресурса ТРП. Затем увеличивается тепловая мощность ядерного реактора. Неконденсирующийся газ из внутреннего объема ВТТ 5 эвакуируется (отжимается паром лития во внешний резервуар). При этом тепловой поток подводится к эмиттерам "резервного ЭГК 42", который включается в режим генерирования номинальной электрической мощности на всю оставшуюся часть назначенного ресурса работы ТРП. Эвакуация неконденсирующегося газа из ВТТ 5 может также проводиться при постоянной тепловой мощности ТРП путем его сброса в окружающее космическое пространство.
Работа модуля третьего типа
Модуль третьего типа работает следующим образом.
Запуск модуля в режим максимальной электрической мощности и перевод в номинальный режим осуществляется за счет изменения тепловой мощности ядерного реактора, являющегося внешней системой нагрева для такого преобразовательного блока, который, в свою очередь, функционирует как подсистема жидкометаллического контура охлаждения 8 ядерного реактора.
Сравнение показало, что модули трех типов существенно превосходят прототип и аналог по всем показателям.
Примером реализации заявляемого термоэмиссионного электрогенерирующего модуля является ТРП, электрические, тепловые, нейтронно-физические и массогабаритные характеристики которого получены нами расчетным путем с использованием экспериментальных данных для эффективных низкотемпературных дуговых цезиевых ТЭП с электродными материалами серии К17, эмиттер которых модифицирован платиной, а коллектор - ванадием (описаны в работе авторов Д.В.Ярыгина, B.C.Миронова, Н.П.Соловьева, С.М.Тулина, В.И.Ярыгина. Термоэмиссионный преобразователь с высокими выходными электрическими характеристиками с Ме-О системой на коллекторе// Второй международный семинар "Космическая ядерная энергетика XXI века", Обнинск, 19-21 апреля 2000 г.: Тез. докл., с. 71-72), а также опыта ГНЦ РФ-ФЭИ в разработке Mo-Li BTT, быстрых ядерных реакторов космического назначения и т.п.
Рассматривалась возможность генерации ТРП в форсированном режиме (ФР) выходной электрической мощности около 120 кВтэл при напряжении 125 В и максимальной температуре эмиттеров не выше 1600 К, а также возможности снижения выходной электрической мощности до 60 кВтэл при переходе на номинальный режим длительного функционирования (РДФ). Предполагалось, что в термоэмиссионных ЭГК используется эффективная низкотемпературная электродная пара К17.
Анализ различных схем коммутации ЭГК в TPП показал, что этим требованиям удовлетворяет схема, состоящая из 120 ЭГК, объединенных в восемь параллельных ветвей по 15 последовательно соединенных ЭГК в каждой. С учетом того, что выходное напряжение ТРП должно быть 125 В, каждый ЭГК должен работать при среднем напряжении UЭГК=8.33 В. Для того, чтобы обеспечить выходную электрическую мощность ТРП в ФР 120 кВтэл, каждый ЭГК в среднем должен генерировать при этом напряжении ~1 кВт электрической мощности.
Для определения условий, при которых это возможно, была проведена расчетная оптимизация основных геометрических параметров ЭГК, расчет его выходных характеристик и температур электродов. Ниже приведены основные геометрические параметры ЭГК, которые были выбраны в ходе расчетной оптимизации:
Длина электрогенерирующей части канала, мм - 650
Число электрогенерирующих элементов в ЭГК, шт - 20
Длины ЭГЭ (все элементы равной длины), мм - 31
Длина коммутационных промежутков, мм - 2
Наружный диаметр эмиттеров, мм - 23
Толщина эмиттера, мм - 1
Межэлектродный зазор, мм - 0.6
Толщина коллектора, мм - 1
Суммарная эмиссионная площадь ЭГК, см2 - 448
Количество ЭГЭ в ЭГК (20 шт.) было выбрано таким, исходя из необходимости одновременно обеспечить максимальную температуру эмиттеров не выше 1600 К и выходное напряжение ЭГК в рабочей точке 8.33 В.
Расчет изомощностных вольт-амперных характеристик (ВАХ) ЭГК с электродной парой К17 проводился по программе ГНЦ РФ-ФЭИ "TFEDM", описанной в работе авторов В. А. Ружникова, В.М.Дмитриева. Численный метод совместного решения тепловой и электрической задач для термоэмиссионного ЭГК// Препринт ФЭИ 774, Обнинск, 1977, 19 с., при значении средней температуры коллекторов ТС=850 К, близкой к ее оптимальному значению. Приведенная степень черноты электродов задавалась в виде линейной зависимости
ε ==0.064+0.6•10-4•ТЕ,
где ТЕ - в градусах К.
Изомощностные ВАХ ЭГК с электродной парой К17 в диапазоне тепловой мощности Q= 6,2. . .9,4 кВт при температуре коллектора ~850 К и давлении паров цезия 1.08 Торр (число ЭГЭ - 20; dЕ=23 мм) приведены на фиг.13. Давление паров цезия для всех значений Q было выбрано постоянным (1.08 Торр) и равным оптимальному для Q=9.4 кВт. Зависимости выходной электрической мощности ЭГК (N), КПД (η) и максимальной температуры эмиттеров (ТЕmах) от тепловой мощности Q при напряжении рабочей точки U=8.33 В показаны на фиг.14.
Как следует из фиг.14, требуемая выходная электрическая мощность ЭГК N=1 кВтэл достигается при тепловой мощности около 9.4 кВт и максимальной температуре эмиттеров примерно 1595 К. При этом КПД ЭГК составляет 10.64%.
Таким образом, для обеспечения параметров ФР (NРП=120 кВтэл, UРП=125 В) с базовым исполнением термоэмиссионного электрогенерирующего модуля требуемая тепловая мощность реактора, выделяемая во всех ЭГК, должна составлять около 1128 кВт. Для обеспечения параметров РДФ (NРП=60 кВтэл, UРП=125 В) тепловая мощность реактора должна быть снижена примерно до 744 кВт (Q=6.2 кВт).
Рассмотрим также характеристики ТРП с предлагаемым нами исполнением термоэмиссионного электрогенерирующего модуля с резервированием термоэмиссионной электрической мощности. Они получены за счет работы ТРП с разбиением зоны термоэмиссионного преобразования на две равные части. При этом каждая часть состоит из 120 десятиэлементных ЭГК половинной длины. Отметим, что размеры ЭГЭ остаются теми же, что и в базовом варианте исполнения. Конструкция ТРП в этом исполнении предусматривает, что за счет изменения режима работы тепловых труб, подводящих тепло к эмиттерам ЭГК из активной зоны реактора, путем подачи в них неконденсирующегося газа (аргона), т.е. путем перевода их в режим газорегулируемых тепловых труб, возможна как одновременная работа термоэмиссионных преобразовательных зон ЭГК, так и поочередная работа каждой из этих зон. В случае одновременной работы обеих термоэмиссионных зон ТРП генерирует выходную электрическую мощность ~120 кВтэл при напряжении 125 В. В случае работы одной из термоэмиссионных зон ТРП генерирует выходную мощность ~ 60 кВтэл при том же напряжении 125 В. Вторая термоэмиссионная преобразовательная зона находится в это время в "теплом резерве" и электрическую мощность не генерирует.
Полученные выходные электрические, тепловые характеристики заявляемого термоэмиссионного электрогенерирующего модуля и, соответственно, ТРП являются в настоящее время лучшими среди энергетических установок аналогичного типа: при температуре эмиттера ~1600 К (низкотемпературный режим!) КПД равен 10.6%. Они значительно превосходят характеристики прототипа благодаря следующим своим отличительным особенностям:
- использование эффективных электродных материалов, обеспечивающих низкотемпературный дуговой режим работы с барьерным индексом Vв=1.9 эВ, в свою очередь соответствующим электродному КПД 13% (без тепловых и электрических потерь в электродах и коммутации);
- высокая изотермичность электродов с оптимизированными коммутационными тепловыми и электрическими потерями (оптимизированный выбор длины, толщины ЭГЭ и т.п.);
- компенсация собственного магнитного поля в межэлектродной среде из-за тока, протекающего по эмиттерам, благодаря использованию катодного обратного токовывода, обеспечивающего равномерное распределение давления цезия вдоль относительно длинной рабочей части ЭГК и, соответственно, равномерное распределение плотности тока по всей рабочей поверхности ЭГК.
Здесь наиболее перспективным, с нашей точки зрения, является исполнение термоэмиссионного электрогенерирующего модуля и, соответственно, ТРП с резервированием термоэмиссионной электрической мощности. Выходные электрические характеристики такого 10-элементного ЭГК показаны на фиг.15, где приведены изомощностные ВАХ ЭГК с электродной парой К17 при различных тепловых потоках (Q), температуре коллектора ~850 К и давлении паров цезия 1.08 Торр (число ЭГЭ - 10; dЕ=23 мм). Для этого варианта исполнения получены:
- схема коммутации включает 4 параллельные ветви по 30 последовательно соединенных ЭГК (всего 120 ЭГК);
- параметры рабочей точки среднего ЭГК: UЭГК=4.17 B, IЭГК=120 A, NЭГК= 500 Втэл (см. ВАХ на фиг.15. с Q=4.7 кВт);
- результаты расчета ЭГК (при ТС=850 К и PCs=1.08 Торр): QЭГК=4.7 кВт, КПД=10.64%, ТEmах=1595-1600 К;
- результаты расчета ТРП: тепловая мощность всех ЭГК в ФР - 1128 кВт, тепловая мощность всех ЭГК в РДФ - 564 кВт.
На фиг. 16, где показана зависимость электрической мощности 20-элементного ЭГК с электродной парой К17 от выходного напряжения при различных температуре эмиттера (TE) и тепловой мощности (Q): ТС=850 К; ТCs/PCs=544 K/1 Торр; d=0.6 мм; dЕ=23 мм; nЭГЭ=20; SE=450 см2, и на фиг.17, где показана та же зависимость для 10-элементного ЭГК (SЕ=225 см2), приведены обобщенные результаты расчета ЭГК термоэмиссионного электрогенерирующего модуля в двух основных вариантах исполнения, позволяющие в широком диапазоне изменения параметров осуществлять выбор его электрических характеристик для различных уровней выходной электрической мощности и, соответственно, различных задач.
Предлагаемый нами ТРП с заявляемыми термоэмиссионными электрогенерирующими модулями использует ядерный реактор на быстрых нейтронах. Как показали проведенные нами нейтронно-физические расчеты, ТРП допускает широкую вариацию геометрических параметров активной зоны в зависимости oт количества термоэмиссионных электрогенерирующих модулей: 61, 91, 127, 169, 217 шт. Управляющими параметрами нейтронно-физических характеристик реактора являются диаметр ВТТ и радиальные размеры кольцевого ТВЭЛ при заданной высоте активной зоны.
В качестве примера реализации ТРП, подтверждающего основные заявленные технические решения, здесь рассмотрен реактор, содержащий 120 термоэмиссионных электрогенерирующих модулей. Компоновочная схема ТРП, содержащего структуру из 127 гексагональных элементов (в т.ч. 120 термоэмиссионных электрогенерирующих модулей) и центральный блок стержней безопасности из 7 элементов, приведена на фиг.18 и 19. На фиг.18 показано сечение реактора в медианной плоскости активной зоны, а на фиг.19 - его сечение в аксиальной плоскости. На них приняты следующие условные обозначения позиций:
1 - активная зона;
2 - стержень безопасности;
3 - корпус активной зоны;
4 - боковой отражатель;
5 - рабочий орган СУЗ поворотного типа;
6 - верхний торцевой отражатель;
7 - нижний торцевой отражатель.
Кольцевой ТВЭЛ в составе термоэмиссионного электрогенерирующего модуля содержит делящуюся топливную композицию из нитрида урана (UN) высокого обогащения (90%U235) с элементами торцевых отражателей из оксида бериллия (ВеО), электроизоляции и экранно-вакуумной изоляции, а также тепловую трубу диаметром 18 мм (внутренний диаметр 16 мм), испарительная зона которой погружена в активную зону реактора на полную ее высоту.
Наружный размер корпуса термоэмиссионного электрогенерирующего модуля, достаточный по условию обеспечения необходимого исходного запаса реактивности ядерного реактора, определен из серии расчетов реактора с варьированием диаметра модуля при постоянной высоте активной зоны, равной 50 см, и количестве модулей, равном 120. Оценка критических параметров реактора проведена методом Монте-Карло по принятой в ГНЦ РФ-ФЭИ методике в гетерогенной расчетной модели с детальным представлением конструкционных элементов модуля и реактора в целом.
Выбранная нами конструктивная схема собственно реактора традиционна для реакторов на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем и включает рабочие органы СУЗ поворотного типа, активные средств безопасности (стержни безопасности) для компенсации положительного гипотетического водородного эффекта реактивности, связанного с заполнением реактора водой.
Активная зона реактора включает 120 модулей с диаметром 32,0 мм (шаг треугольной решетки равен 33,0 мм), корпус активной зоны толщиной 3,0 мм. Боковой отражатель из бериллия толщиной 11,0 см с 12-ю рабочими органами СУЗ поворотного типа. Критические параметры реактора в приводимом примере исполнения ТРП с выходной электрической мощностью 120 кВтэл приведены в таблице 1.
Литиевые ВТТ подводят тепло от оболочки кольцевого ТВЭЛ к эмиттерам ЭГК. В данной конструкции использованы классические цилиндрические тепловые трубы с расположением фитиля вдоль стенок труб. Конструкционным материалом тепловых труб может служить молибден или его сплавы. Технология заполнения ВТТ литием использует соответствующий опыт ГНЦ РФ-ФЭИ и во многом аналогична технологии, использующейся в прототипе.
Система отвода тепла от корпуса термоэмиссионного электрогенерирующего модуля к радиатору (холодильнику-излучателю) реализована по одноконтурной циркуляционной схеме (см. фиг.12). В качестве теплоносителя выбран эвтектический сплав натрия и калия из-за его низкой температуры плавления и наибольшей технологической проработанности. Кроме того, в ГНЦ РФ-ФЭИ имеется опыт эксплуатации космических ЯЭУ с этим теплоносителем. Для прокачки теплоносителя по контуру используется электромагнитный насос.
В качестве холодильника-излучателя использован теплотрубный радиатор-излучатель панельного типа. Радиатор состоит из 6 независимых панелей, каждая из которых имеет свой теплообменник. В теплообменнике тепло подводится от теплоносителя циркуляционного контура к коллекторным тепловым трубам, которые распределяют его по длине панели. От коллекторных тепловых труб тепло поступает на оребренные тепловые трубы-излучатели, которые затем сбрасывают его в космическое пространство. Особенностью данного холодильника-излучателя является использование легких тепловых труб-излучателей на основе углеродных композиционных материалов. Теплотрубные радиаторы-излучатели обладают повышенной надежностью, т.к. выход из строя одной или нескольких тепловых труб практически не сказывается на живучести реакторной системы (система охлаждения реактора продолжает работать), а лишь приводит к незначительному повышению общего уровня рабочих температур.
В таблицах 2-4 приведены массогабаритные и технические характеристики основных компонентов и систем реактора: литиевых тепловых труб, системы охлаждения ТРП с заявленными термоэмиссионными электрогенерирующими модулями и холодильника-излучателя.
Диаметр трубопровода D толщиной δ для подачи теплоносителя к теплообменнику радиатора и обратно составляет D×δ = 157×2 мм. Трубопровод изготавливается из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т.
Сводные данные по техническим характеристикам отдельных систем энергоустановки и космической ядерной энергетической установки в целом в предлагаемом нами в качестве примера исполнения ТРП приведены в таблице 5.
Технология изготовления многослойных элементов Ме-керамика-Ме на эмиттерах и Ме-керамика-Ме-керамика-Ме на коллекторах заявляемых термоэмиссионных электрогенерирующих модулей основана на газостатическом сцеплении слоев, согласованных по коэффициентам линейного расширения, или на основе вакуумной пайки разнородных слоев или на основе их комбинации. Она во многом аналогична известной нам технологии, описанной в работе авторов Н. Streckert, L. Begg, Ю. Николаев, В. Колосов и др. "Development and Testing of Conductively Coupled Multi-Cell TFE Components" // Space Technology and Applications International Forum - 2000, г. Альбукерк, США, 2000 г., сб. трудов, с. 1307-1312. В ней найдены технические решения изготовления многослойных систем с "мокрой" и "сухой" керамической электроизоляцией на основе Al2О3 при более высокой, чем в нашем случае, температуре 1770 К. Они использованы в многоэлементных ЭГК по другому назначению и, соответственно, с другим техническим эффектом, а именно в ТРП с встроенными в активную зону ЭГЭ с так называемым внутренним расположением ТВЭЛ.
Сравнение предлагаемых нами устройств с прототипами и аналогами показывает, что термоэмиссионный электрогенерирующий модуль с отличительными признаками, приведенными в формуле изобретения, существенно превосходит их по всем показателям.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ МОДУЛЬ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА С ПРЯМЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ | 2007 |
|
RU2347291C1 |
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 1999 |
|
RU2165656C1 |
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 2009 |
|
RU2390872C1 |
| Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны | 2017 |
|
RU2650885C1 |
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 2002 |
|
RU2230378C2 |
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 1998 |
|
RU2138096C1 |
| КОСМИЧЕСКАЯ ДВУХРЕЖИМНАЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ | 2000 |
|
RU2187854C1 |
| КОСМИЧЕСКАЯ ДВУХРЕЖИМНАЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ | 2014 |
|
RU2592069C2 |
| Реактор-преобразователь | 2019 |
|
RU2724919C1 |
| КОСМИЧЕСКАЯ ДВУХРЕЖИМНАЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ | 2014 |
|
RU2592071C2 |
Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в качестве источника электропитания в составе космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ). Сущность изобретения: модуль 1-го типа содержит электрогенерирующие элементы (ЭГЭ), размещенные в зоне конденсации высокотемпературной тепловой трубы (ВТТ), эмиттеры и коллекторы которых соединены в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации внутри электрогенерирующего канала (ЭГК) с парами цезия, содержащего катодный и анодный токовыводы. ЭГК встроен в электрически нейтральный корпус модуля, внутри которого размещена ВТТ. ВТТ содержит в испарительной зоне кольцевой тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ), а в зоне конденсации размещен многоэлементный ЭГК с последовательно соединенными в электрическую цепь от 2 до 20 ЭГЭ. У ЭГЭ по крайней мере один эмиттер размещен непосредственно на участке зоны конденсации и соединен с катодным токовыводом, обратным и коаксиальным по отношению к другим электрически изолированным от него с помощью "мокрой" эмиттерной керамической изоляции, находящейся в парах цезия. Внутренняя поверхность эмиттеров соединена через "мокрую" эмиттерную керамическую изоляцию и катодный токовывод с внешней поверхностью зоны конденсации ВТТ. Испарительная зона ВТТ может быть размещена в зазоре между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ, находящемся в вакууме. В модуле 2-го типа ВТТ встроена в электрически нейтральный корпус модуля и выполнена газорегулируемой. В зоне конденсации ВТТ размещены два параллельно соединенных внутри корпуса модуля многоэлементных ЭГК с общими межэлектродной средой паров цезия, катодным и анодным токовыводами, от 2 до 10 электрогенерирующих элементов в каждом ЭГК. Эмиттеры размещены в зоне конденсации газорегулируемой ВТТ. Испарительная зона ВТТ может быть размещена в зазоре между кольцевым ТВЭЛ и ВТТ. В модуль 3-го типа эмиттеры ЭГК встроены в корпус модуля и размещены на "сухой" керамической изоляции, соединенной с трубой Фильда. Технический результат - увеличение ресурса и надежности космической ЯЭУ. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 19 ил., 5 табл.
| Катаракт | 1927 |
|
SU9084A1 |
| КОСМИЧЕСКАЯ ДВУХРЕЖИМНАЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 1998 |
|
RU2140675C1 |
| ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ | 1994 |
|
RU2074452C1 |
| МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КАНАЛ | 1993 |
|
RU2102813C1 |
| Устройство для определения остаточного ресурса технических объектов | 1982 |
|
SU1062722A1 |
| US 5408510 A, 18.04.1995 | |||
| Устройство для определения выборки контролируемых параметров | 1985 |
|
SU1290264A1 |
