ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА С ПЛОСКОЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОДОВ 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 ЭГС с электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) с различной конфигурацией электродов [1].

Наиболее распространена так называемая коаксиальная схема ЭГС с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором). Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером, заполнена делящимся веществом. 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 ЭГС из последовательно соединенных ЭГЭ.

Основной проблемой создания ЭГС с такими ЭГЭ является обеспечение геометрической стабильности эмиттера, т.е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки вследствие распухания в процессе работы делящегося вещества топливного сердечника. Учитывая наличие допусков, несоосности, изгибов отдельных ЭГЭ и многоэлементной ЭГС в целом, не удается на практике реализовать межэлектродные зазоры (МЭЗ) менее 0,25 мм. Это ограничивает возможности повышения энергетической эффективности ЭГС (прежде всего плотности электрической мощности) при заданной температуре эмиттера или снижения температуры эмиттера и повышения соответственно ресурсоспособности за счет уменьшения МЭЗ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является термоэмиссионная ЭГС с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов [2].

Термоэмиссионная ЭГС содержит последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, состоящие из топливно-эмиттерных узлов (ТЭУ), выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и корпус (чехол).

В такой ЭГС с одинаковыми высотами ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и плоским основанием коллектора. Благодаря тому, что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах эмиттера плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ, и соответственно ЭГС, могут быть высокоэнергонапряженными.

Однако высокая энергонапряженность ЭГС с одинаковыми ЭГЭ будет реализована лишь в ТРП с выравненным по объему активной зоны тепловыделением. В то же время в ТРП наблюдается как радиальная (по радиусу активной зоны), так и аксиальная (по высоте активной зоны) неравномерность тепловыделения (объемной плотности тепловыделения в делящемся веществе ТЭУ ЭГЭ). Неравномерность тепловыделения приводит к тому, что одинаковые ЭГЭ в ЭГС работают при различных уровнях тепловой мощности, в результате чего эффективность ЭГС снижается. При наличии ограничения на максимальное значение температуры эмиттера аксиальная неравномерность тепловыделения приводит к резкому снижению электрической мощности ЭГС за счет того, что все ЭГЭ, кроме центрального, работают при пониженной, относительно допустимой, температуре эмиттера. Это связано с тем, что через все последовательно соединенные ЭГЭ проходит один и тот же полный ток. При существенной аксиальной неравномерности тепловыделения возможна ситуация, когда наименее нагруженные ЭГЭ (на краях ЭГС) перестают генерировать электроэнергию, а становятся потребителями ее.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения эффективной работоспособности ЭГС при неравномерном вдоль ЭГС тепловыделении, в том числе при высоких плотностях электрической мощности, за счет обеспечения примерно равной температуры эмиттеров всех последовательно соединенных ЭГЭ в ЭГС.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионной ЭГС с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащей последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, каждый из которых состоит из ТЭУ в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером ТЭП, коллектора из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и корпус, в которой последовательно соединенные ЭГЭ выполнены с разными высотами ТЭУ и части коллектора в виде цилиндрической оболочки, причем ЭГЭ с минимальными высотами ТЭУ и части коллектора в виде цилиндрической оболочки размешены в центре ЭГС, а ЭГЭ с максимальными высотами ТЭУ и части коллектора в виде цилиндрической оболочки размещены на краях ЭГС. При этом высота ТЭУ и длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС, могут быть определены из соотношений
h/H=[(Q-Qт)-Qат]/[(q-Qт)-qат], (1)
l=h+d, (2)
где H и h - высота ТЭУ ЭГЭ, расположенных в центре и на краях ЭГС, соответственно; q и Q - тепловая мощность ТЭУ ЭГЭ, расположенных в центре и на краях ЭГС, соответственно; Qт - тепловая мощность, передаваемая электронным охлаждением, излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с торцевой части ТЭУ на часть коллектора в виде плоского основания ЭГЭ, расположенных в центре ЭГС; qaт и Qат - тепловая мощность, передаваемая излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с боковой части ТЭУ на часть коллектора в виде цилиндрической оболочки ЭГЭ, расположенных в центре и на краях ЭГС, соответственно; l - длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС; d - МЭЗ между торцевой частью ТЭУ и частью коллектора в виде плоского основания.

На чертеже изображена конструкционная схема ЭГС, для примера с пятью ЭГЭ (с номерами N 1, N 2, N 3, N 4 и N 5).

ЭГС состоит из отдельных ЭГЭ, каждый из которых содержит ТЭУ 1, в котором боковая 2 и одна из торцевых частей 3 служат эмиттером ТЭП, коллектор в виде цилиндрической оболочки 4 и плоского основания 5, коммутационную перемычку 6, с помощью которой производится последовательное соединение соседних ЭГЭ, и дистанционаторы 7 и 8, обеспечивающие поддержание соответствующей величины коаксиального 9 и плоского 10 МЭЗ. ЭГЭ через слой коллекторной изоляции 11 размещены внутри корпуса (чехла) 12. Крайние ЭГЭ снабжены токовыводами, соответственно эмиттерным 13 и коллекторным 14.

ЭГЭ вдоль длины ЭГС имеют разные высоты ТЭУ 1 (и соответственно боковой 2 части эмиттера) и разные длины части 4 коллектора в виде цилиндрической оболочки, причем ЭГЭ с минимальными значениями высоты h ТЭУ и соответственно длины l части коллектора размещена в центре ЭГС, а на краях ЭГС размещены ЭГЭ с максимальными значениями высот Н ТЭУ и соответственно длин L части коллектора.

Термоэмиссионная ЭГС с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов работает следующим образом.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана внутри ТЭУ 1 подается на боковую 2 и торцевую 3 части эмиттера и далее в МЭЗ 9 и 10, заполненных паром цезия. Часть тепла в МЭЗ 9 и 10 преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла попадает на цилиндрическую оболочку 4 и плоское основание 5 коллектора. С плоского основания 5 коллектора тепло теплопроводностью доставляется к цилиндрической оболочке 4 коллектора. Далее тепло через коллекторную изоляцию 11 и корпус (чехол) 12 снимается теплоносителем (на чертеже не показан). Возможен съем тепла с корпуса 12 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГС (на чертеже не показанную).

Коммутация ЭГЭ с помощью коммутационных перемычек 6 в последовательную цепь позволяет повысить напряжение, генерируемое ЭГС. Генерируемая ЭГС мощность снимается с помощью токовыводов 13 и 14, соединяющих крайние ЭГЭ с внешней нагрузкой (на чертеже не показано).

Так как ЭГС предназначена для работы в ТРП с неравномерным вдоль ЭГС полем тепловыделения, то в ТЭУ 1 разных ЭГЭ плотность объемного тепловыделения будет различной, причем максимальная плотность тепловыделения (и, соответственно, тепловая мощность q) будет в центральном ЭГЭ (на чертеже в ЭГЭ N 3), а минимальная плотность тепловыделения (и, соответственно, тепловая мощность Q) - в периферийных ЭГЭ (в ЭГЭ N 1 и N 5). Следовательно, при одинаковых поверхностях эмиттеров этих ЭГЭ плотности генерируемой электрической мощности будут различными. Так как при последовательном соединении ЭГЭ через все ЭГЭ проходит один и тот же полный ток, то напряжения ЭГЭ будут различаться, так как они будут работать в неоптимальных рабочих точках своих изотепломощностных вольт-амперных характеристик. Поэтому снижение генерируемой электрической мощности ЭГЭ относительно центрального будет больше, чем понижение тепловыделения от центра ЭГС к ее краям. Более того, крайние ЭГЭ вместо электрогенерирующих могут стать электропотребляющими с соответствующим дополнительным снижением напряжения всей ЭГС. Поэтому ЭГЭ вдоль длины ЭГС должны выбраны с разной высотой ТЭУ 1, а следовательно и разной высотой боковой части 2 эмиттера и соответственно длиной части 3 коллектора в виде цилиндрической оболочки, причем ЭГЭ с минимальными высотой Н ТЭУ и соответственно длиной L части 3 коллектора в виде цилиндрической оболочки должны быть размещены в центре ЭГС (ЭГЭ N 1), а ЭГЭ с максимальными высотой h ТЭУ и длиной L части 3 коллектора (ЭГЭ N 1 и N 5) размещены на краях ЭГС. В результате профилирования высот ЭГЭ средняя плотность тока в ЭГЭ, удаленных от центра (на краях ЭГС), с соответственно большей поверхностью эмиттера, будет уменьшаться, а температура эмиттера и рабочее напряжение соответственно повышаться. В целом это приведет к тому, что каждый ЭГЭ будет работать в примерно оптимальной рабочей точке своей вольт-амперной характеристики и будет генерировать максимальную для данного тепловыделения (тепловой мощности) электрическую мощность. В результате можно получить для любого профиля тепловыделения максимально возможную электрическую мощность ЭГС при температуре эмиттеров, не превышающую предельно допустимое значение, а следовательно, и ресурс работы, эквивалентный этой температуре.

Соотношение (1) получено из следующих соображений.

Рассмотрим два ЭГЭ, центральный (N 3) и на краю ЭГС (например, N 1), с разными тепловыми мощностями: q для центрального и Q для ЭГЭ на краю ЭГС, причем, как уже отмечалось, q больше Q. При заданной допустимой температуре эмиттера суммарная генерируемая электрическая мощность двух ЭГЭ может быть повышена, если высоту h ТЭУ и соответственно длину 1 части коллектора в виде цилиндрической оболочки ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС, увеличить относительно Н и L центрального ЭГЭ соответственно. При условии, что все ЭГЭ в ЭГС работают при одной и той же температуре эмиттера (и коллектора) с изотермическими электродами, следует, что тепловая мощность Qт, передаваемая электронным охлаждением, излучением и теплопроводностью через цезиевый пар, т.е. полная тепловая мощность, сбрасываемая с торцевой части ТЭУ на часть коллектора в виде плоского основания, для всех ЭГЭ, т.е. расположенных как в центре, так и на краях ЭГС, одинакова. Поэтому изменять плотность тока и, соответственно, плотность электронного охлаждения в разных ЭГЭ, можно только за счет изменения высоты ТЭУ. При этом тепловая мощность, сбрасываемая с боковой части ТЭУ, будет равна (q-Qт) для ЭГЭ, расположенного в центре и (Q-Qт) - для ЭГЭ на краях ЭГС. Так как температуры эмиттеров всех ЭГЭ одинаковы, то соответственно и плотности тепловых мощностей, передаваемых излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с боковой части топливно-эмиттерного узла на часть коллектора в виде цилиндрической оболочки, для ЭГЭ, расположенных как в центре, так и на краях ЭГС, будут одинаковы, а абсолютные значения тепловых мощностей, передаваемых излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с боковой части топливно-эмиттерного узла на часть коллектора в виде цилиндрической оболочки, для ЭГЭ, расположенных в центре и на краях ЭГС, будут пропорциональны высотам боковой части ТЭУ и соответственно равны Qат для ЭГЭ, расположенного в центре ЭГС, и qат для ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС. Из теплового баланса изотермичного ЭГЭ следует, что при равенстве температур эмиттеров ЭГЭ в ЭГС с неравномерным полем тепловыделения высоты ТЭУ разных ЭГЭ должны быть обратно пропорциональны тепловым мощностям электронного охлаждения. С учетом изложенного выше из теплового баланса боковых частей ТЭУ для ЭГЭ, расположенных в центре и на краях ЭГС, получим выражение (1).

Длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС, практически равна h, точнее будет больше h на величину МЭЗ d, т.е. l=h+d.

Все это обеспечивает повышение энергетической эффективности с одновременным увеличением ресурса работы ЭГС.

Источники информации
1. Синявский В.В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов //М.: Атомиздат. 1981. С.15-20.

2. Патент RU 2095881 С1, МКИ6 H 01 J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка.

Изобретение относится к преобразователям тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Техническим результатом является повышение эффективности работы. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка (ЭГС) содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы (ЭГЭ), каждый из которых состоит из топливно-эмиттерного узла (ТЭУ) в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллектора из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и корпус ЭГЭ, расположенные на краях ЭГС, выполнены с высотой ТЭУ и длинной части коллектора в виде цилиндрической оболочки большими, чем соответственно высота ТЭУ и длина части коллектора у ЭГЭ, расположенных в центре ЭГС. Отношение высоты ТЭУ для ЭГЭ, расположенных на краях ЭГС, к высоте ТЭУ центрального ЭГЭ определяется соответствующим выражением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащая последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек электрогенерирующие элементы, каждый из которых состоит из топливно-эмиттерного узла в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллектора из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая в виде плоского основания, и общие для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию и корпус, отличающаяся тем, что электрогенерирующие элементы, расположенные на краях электрогенерирующей сборки, выполнены с высотой топливно-эмиттерного узла и длиной части коллектора в виде цилиндрической оболочки большими, чем соответственно высота топливно-эмиттерного узла и длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки у электрогенерирующих элементов, расположенных в центре электрогенерирующей сборки. 2. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов по п. 1, отличающаяся тем, что высота топливно-эмиттерного узла и длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки электрогенерирующих элементов, расположенных на краях электрогенерирующей сборки, определены из соотношений
h/H= [(Q-Qт)-Qaт] /[(q-Qт)-qaт] ,
l= h+d,
где H и h - высота топливно-эмиттерного узла электрогенерирующих элементов, расположенных в центре и на краях электрогенерирующей сборки, соответственно, м;
q и Q - тепловая мощность топливно-эмиттерного узла электрогенерирующих элементов, расположенных в центре и на краях электрогенерирующей сборки, соответственно, Вт;
Qт - тепловая мощность, передаваемая электронным охлаждением, излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с торцевой части топливно-эмиттерного узла на часть коллектора в виде плоского основания электрогенерирующих элементов, расположенных в центре электрогенерирующей сборки, Вт;
qат и Qaт - тепловая мощность, передаваемая излучением и теплопроводностью через цезиевый пар с боковой части топливно-эмиттерного узла на часть коллектора в виде цилиндрической оболочки, электрогенерирующих элементов, расположенных в центре и на краях электрогенерирующей сборки, соответственно, Вт;
l - длина части коллектора в виде цилиндрической оболочки электрогенерирующих элементов, расположенных на краях электрогенерирующей сборки, м;
d - межэлектродный зазор между торцевой частью топливно-эмиттерного узла и частью коллектора в виде плоского основания, м.