ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА 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).

Наиболее распространена конструкция ЭГС с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) коаксиальной схемы с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором) [1]. Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), заполнена делящимся веществом, образуя топливно-эмиттерный узел (ТЭУ). Эмиттер устанавливается с зазором 0,3-0,5 мм относительно цилиндрического коллектора. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым многоэлементную ЭГС коаксиальной схемы.

Основной проблемой создания таких ЭГС является обеспечение геометрической стабильности эмиттера, т.е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки ТЭУ вследствие распухания топливного сердечника в процессе работы. Особенно остро эта проблема стоит при создании долгоресурсных ЭГС.

Известна ЭГС на базе термоэмиссионных ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой [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 ТЭП. ЭГЭ содержит также коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус.

Такая ЭГС может быть высокоэнергонапряженной. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность межэлектродного зазора (МЭЗ). При длительной работе газообразные продукты деления (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".

Известна ЭГС на базе последовательно соединенных термоэмиссионных ЭГЭ с газоотводным устройством (ГОУ) [3]. Каждый ЭГЭ содержит топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером ТЭП, 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.

Обеспечение длительного ресурса такой ЭГС оказалось возможным благодаря созданию вентилируемого ЭГЭ с системой удаления ГПД из топливного сердечника. Это обеспечивается с помощью ГОУ в виде цилиндрической трубки с малым отверстием (жиклером), размещаемой в геометрическом центре сердечника ЭГЭ. ГПД удаляются через эту трубку из сердечника в 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, 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 ГОУ и конденсируются вне сердечника, не герметизируя его. Это реализуется 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 пары топливного материала (ТМ), обычно диоксида урана, выходящие вместе с ГПД из ТЭУ через ГОУ, попадают в пространство между двумя соседними ЭГЭ и далее могут попасть в МЭЗ, где, конденсируясь, приведут к короткому замыканию эмиттера и коллектора ЭГЭ, т.е. частичной потере мощности ЭГС (отказу типа "деградация мощности").

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является термоэмиссионная ЭГС, предложенная в [4]. Она состоит из последовательно соединенных ЭГЭ, каждый из которых содержит вентилируемый ТЭУ в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой с двумя торцевыми крышками, в первую из которых выведено ГОУ, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ. Напротив выходного отверстия ГОУ размещена так называемая холодная ловушка, которая конструкционно соединена со второй торцевой крышкой. Так как вторая торцевая крышка одновременно соединена с коммутационной перемычкой, то ее температура будет несколько ниже, чем температура первой крышки (обычно на 200-300К), поэтому ловушку условно можно назвать холодной.

Длительный ресурс такой ЭГС по процессам распухания топливного сердечника обеспечивается благодаря системе удаления ГПД из топливного сердечника в виде ГОУ, выведенного в так называемый "горячий" торец (первую торцевую крышку эмиттерной оболочки). ГПД удаляются через эту трубку из сердечника в МЭЗ, в результате чего газового распухания топлива, и соответственно деформации эмиттерной оболочки, не происходит. В холодной ловушке, установленной напротив выходного отверстия ГОУ, конденсируются пары ТМ (диоксида урана). В результате наличия холодной ловушки пары топлива не попадают в МЭЗ, а следовательно, повышается ресурсоспособность ЭГС по такому фактору, как конденсация топливного материала на коллекторе и в МЭЗ.

Однако в исходном топливе могут содержаться примеси с более низкой температурой конденсации, чем пары диоксида урана. В этом случае они не будут конденсироваться в ловушке, установленной на второй торцевой крышке эмиттерной оболочки соседнего ЭГЭ и температура которой практически равна температуре этой крышки эмиттерной оболочки (примерно 1400-1700К), а выйдут в МЭЗ и там сконденсируются на коллекторе, температура которого существенно ниже температуры второй крышки (обычно температура коллектора ЭГС составляет 800-1200К). Пленки примесей могут существенно ухудшить эмиссионно-адсорбционные свойства коллектора и соответственно понизить энергетические характеристики ЭГС, т.е. привести к отказу типа "деградация характеристик". Даже если ТМ предварительно был в максимальной степени очищен от примесей, то в процессе работы при делении ядер урана образуется большое количество примесей, которые будут выходить через ГОУ и по рассмотренному механизму приводить к ухудшению энергетических характеристик, что в ряде случаев эквивалентно потере ресурса ЭГС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения стабильных энергетических характеристик и длительного ресурса ЭГЭ, в том числе с высокими значениями плотностей электрической мощности, за счет понижения температуры холодной ловушки и обеспечения конденсации в ней примесей.

Указанный технический результат реализуется в термоэмиссионной ЭГС, состоящей из последовательно соединенных ЭГЭ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой с двумя торцевыми крышками, в первую из которых выведено ГОУ, напротив выходного отверстия которого размещена холодная ловушка, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ, в которой холодная ловушка посредством не менее чем одного теплопроводящего элемента соединена с коммутационной перемычкой и расположена с зазором относительно второй торцевой крышки эмиттерной оболочки. Холодная ловушка может быть изготовлена из того же материала, что коммутационная перемычка.

На чертеже изображена конструкционная схема термоэмиссионной ЭГС.

ЭГС набрана из последовательно электрически скоммутированных ЭГЭ, каждый из которых 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: первую 5 и вторую 6. Внутри топливного сердечника 3 размещено ГОУ, состоящее из жиклера 7 и трубки 8, причем одним концом трубка 8 выведена в первую торцевую часть 5 ("горячий" торец) эмиттерной оболочки. Вторая торцевая часть 6 соединена с коммутационной перемычкой 2, которая обеспечивает электрическую коммутацию второй торцевой части 6 эмиттерной оболочки с коллектором 1 одного из соседних ЭГЭ при коммутации ЭГЭ в ЭГС. В пространстве между торцевыми частями двух соседних ЭГЭ (межэлементном промежутке 9) установлена холодная ловушка 10, выполненная, например, в виде стакана. Холодная ловушка 10 установлена с зазором 11 относительно второй торцевой части 6 и посредством теплопроводящих элементов 12 соединяется с коммутационной перемычкой 2. В качестве теплопроводящих элементов 12 могут быть использованы металлическое кольцо, в том числе являющееся продолжением стенки холодной ловушки 10, или устройства типа спиц. Холодная ловушка 10 может быть изготовлена заодно с коммутационной перемычкой 2 и выполнена из того же материала, что и коммутационная перемычка. Зазор между эмиттером (наружной поверхностью боковой части 4 эмиттерной оболочки) и коллектором 1 является межэлектродным зазором (МЭЗ) 13 ТЭП и в рабочих условиях заполнен паром цезия. Общими для всех ЭГЭ являются коллекторная изоляция 14 и корпус (несущая трубка или чехол) 15, который в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (на чертеже не показан).

Термоэмиссионная ЭГС работает следующим образом.

В исходном состоянии топливные сердечники 3 ЭГЭ заполнены 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 70-80% 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 16.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 3, подается на цилиндрическую 4 и торцевые части 5 и 6 эмиттерной оболочки и далее в МЭЗ 13, заполненный паром цезия. Часть тепла в МЭЗ 13 преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла попадает на коллектор 1. С коллектора 1 тепло через слой коллекторной изоляции 14 передается корпусу 15 ЭГС, с которого тепло снимается теплоносителем (на чертеже не показан). Возможен съем тепла с корпуса 15 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГС (на чертеже не показанную).

При делении ядер урана в топливном сердечнике 3 образуются осколки деления, в том числе ГПД, которые диффундируя через топливный материал сердечника 3, собираются в центральной газовой полости 16. При наличии ГОУ эти ГПД через жиклер 7 и внутренние объемы трубки 8 выходят в межэлементный промежуток 9. Однако вместе с ГПД через жиклер 7 и трубку 8 будет уходить и пар топливного материала (оксида урана), который будет конденсироваться во внутреннем объеме 17 холодной ловушки 10. Так как трубка ГОУ 8 выведена в "горячий" торец (первую торцевую часть 5 эмиттерной оболочки), то "закупорки" (герметизации) ГОУ переконденсировавшимся топливным материалом не происходит, так как температура вдоль ГОУ выше температуры насыщения топливного материала при соответствующем давлении вдоль трубки 8 ГОУ.

В результате наличия холодной ловушки 10 пары топлива не попадают в МЭЗ 13, а следовательно, повышается ресурсоспособность ЭГС по такому фактору, как конденсация ТМ на коллекторе 1 и в МЭЗ 13.

Однако в исходном топливе могут содержаться примеси с более низкой температурой конденсации, чем пары диоксида урана. В случае, если температура холодной ловушки 10 выше температуры конденсации этих примесей (при соответствующем их парциальном давлении), то они не будут конденсироваться в холодной ловушке 10. Поэтому необходимо максимально возможно понизить температуру холодной ловушки 10, в пределе приблизив ее к температуре коллектора 1. Это достигается тем, что, во-первых, холодная ловушка 10 (посредством не менее чем одного теплопроводящего элемента 12) соединена с коммутационной перемычкой 2, а не со второй торцевой крышкой 6, как в прототипе, и, во-вторых, расположена с зазором 9 относительно второй торцевой крышки 6 эмиттерной оболочки, т.е. теплоизолирована (посредством вакуумного зазора 9) от второй торцевой крышки. Температура коммутационной перемычки 2, соединяющей вторую торцевую часть 6 с коллектором 1, имеет переменную температуру в интервале температур второй торцевой части 6 (1400-1700К) и коллектора ЭГС (800-1200К). Поэтому температура холодной ловушки 10 может быть близкой к температуре коллектора. Поэтому имеющиеся в исходном ТМ примеси сконденсируются во внутреннем объеме 17 холодной ловушки 10 в процессе нагрева ТМ при выходе ЭГС на рабочий уровень тепловой мощности. В результате отсутствия пленок сконденсировавшихся примесей на коллекторе 1 в процессе первоначального выхода на мощность не происходит ухудшения эмиссионно-адсорбционных свойств коллектора 1 и соответственно не будет понижения энергетических характеристик ЭГС.

Образующиеся в процессе работы при делении ядер урана ТМ пары твердых осколков деления также будут выходить через жиклер 7 и трубку 8 ГОУ и конденсироваться во внутреннем объеме 17 холодной ловушки 10. В результате не будет происходить ухудшения энергетических характеристик ЭГС за счет вредного влияния на эмиссионные свойства коллектора 1 примесей в виде сконденсировавшихся на коллекторе 1 твердых осколков деления урана.

Таким образом, теплоизоляция холодной ловушки от торцевой части эмиттерной оболочки и соединение холодной ловушки посредством теплопроводящих элементов с коммутационной перемычкой позволяет существенно понизить температуру холодной ловушки и тем самым сконденсировать в ней вредные с точки зрения отравления коллектора примеси, как содержавшиеся в исходном топливном материале, так и образующиеся в процессе деления ядер урана. Это позволяет обеспечить стабильность энергетических характеристик и повысить ресурсоспособностъ ЭГС, в том числе с высокими значениями плотностей электрической мощности.

Источники информации
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. В.И.Бержатый и др. Реакторные испытания термоэмиссионного электрогенерирующего канала с высокой плотностью мощности // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 3-3. - РКК "Энергия", 1995, с. 106-114.

4. Патент RU 2151440 C1, H 01 J 45/50. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. 20.06.2000. Бюл. 17.1

Назначение: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Сущность изобретения: термоэмиссионная электрогенерирующая сборка (ЭГС), состоящая из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой с двумя торцевыми крышками, в первую из которых выведено газоотводное устройство, напротив выходного отверстия которого размещена холодная ловушка, а вторая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ, в которой холодная ловушка посредством не менее чем одного теплопроводящего элемента соединение с коммутационной перемычкой и расположена с зазором относительно второй торцевой крышки эмиттерной оболочки. Холодная ловушка может быть изготовлена из того же материала, что и коммутационная перемычка. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка, состоящая из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой с двумя торцевыми крышками, в первую из которых выведен один конец трубки газоотводного устройства, напротив выходного отверстия которого размещена холодная ловушка, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей эмиттерную оболочку с коллектором соседнего электрогенерирующего элемента, отличающаяся тем, что холодная ловушка посредством не менее чем одного теплопроводящего элемента соединена с коммутационной перемычкой и расположена с зазором относительно второй торцевой крышки эмиттерной оболочки. 2. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка по п.1, отличающаяся тем, что холодная ловушка изготовлена из того же материала, что и коммутационная перемычка.