ТЕНЕВАЯ РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА Российский патент 2004 года по МПК G21D1/00 G21C11/02 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам для космических аппаратов и, в частности, к радиационным защитам (РЗ), предназначенным для снижения уровня ионизирующего излучения нейтронов и гамма-квантов от ядерного реактора до значений, допустимых для полезной нагрузки космического аппарата.

Известен ряд конструкций таких РЗ, использующих в качестве материала легкого компонента (предназначенного для снижения уровня нейтронного излучения) гидрид лития, заполняющий литьевым способом герметичный контейнер, а в качестве материала тяжелого компонента (предназначенного для снижения интенсивности гамма-излучения) уран 238 или вольфрам. Для предотвращения перегрева материалов защиты от внутреннего тепловыделения используются специальные покрытия внешней оболочки контейнера, повышающие ее излучающую способность (см., например, описание конструкции РЗ космической ЯЭУ в книге: Конструкция и расчет на прочность космических электроракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 1970, с.83, Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ. Ленинград, Энергоиздат, 1987, с.275-276). Недостатком этих конструкций является незначительный теплосъем, не обеспечивающий в случае использования реакторов повышенной мощности допустимой температурой материалов РЗ.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является конструкция РЗ, в которой для снятия избыточного тепла используют прокачку жидкометаллического теплоносителя через наиболее нагретые части РЗ с последующим охлаждением в холодильнике излучателе (см. описание конструкции РЗ космической ЯЭУ в книге Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ. Ленинград, Энергоиздат, 1987, с.276).

Недостатком этой конструкции является необходимость введения дополнительного жидкометаллического контура с присущими ему агрегатами: насосом, трубопроводами и т.д., а также затратами дополнительной энергии. Кроме того, в этом случае возникают большие трудности в обеспечении теплопередачи от материала РЗ к прокачивающему по трубопроводам теплоносителю. Все это в итоге приводит к усложнению конструкции и, следовательно, к увеличению массы ЯЭУ.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - обеспечение необходимого температурного режима РЗ без увеличения массы ЯЭУ.

Технический результат - повышение интенсивности теплопередачи между материалом РЗ и окружающей средой, служащей для сброса избыточного тепла.

Этот результат достигается тем, что теневая радиационная защита, содержащая слой гамма-ослабляющего материала, находящегося в контейнере в форме диска, и слой гидрида лития, находящегося в контейнере в форме усеченного конуса со сферическими днищами, снабжена системой охлаждения в виде набора тепловых труб, помещенных в слои гидрида лития и гамма-ослабляющего материала, при этом:
тепловые трубы гамма-ослабляющего слоя радиально вварены в оболочку контейнера, пространство между которой, слоем защитного материала с выполненными в нем радиальными каналами под испарительные участки тепловых труб заполнено эвтектическим сплавом, например, NaK, а конденсирующий участок трубы расположен вне оболочки в теневом конусе радиационной защиты;
тепловые трубы слоя гидрида лития помещены в радиально вваренные в оболочку контейнера цилиндрические стаканы, во внутреннем объеме которых размещены испарительные участки тепловых труб, окруженные эвтектическим сплавом, например, PbBi, герметизирующимся самой тепловой трубой, конденсирующий участок которой расположен вне стакана в теневом конусе радиационной защиты;
в пространстве, образованном слоем гамма-ослабляющего материала и сферической поверхностью слоя гидрида лития, помещена компенсационная емкость для эвтектического сплава, находящегося в слое гамма-ослабляющего материала.

Конструктивная схема РЗ представлена на чертеже.

Теневая РЗ состоит из контейнера 2 с материалом, эффективно ослабляющим интенсивность гамма-излучения, например, ураном 238 11 и контейнера 4 с гидридом лития 5.

В боковую оболочку контейнера с ураном 238 радиально вварены тепловые трубы 1. При этом испарительный участок тепловой трубы расположен внутри контейнера, а конденсирующий вне и размещен в теневом конусе РЗ для исключения появления на ней источников рассеянного излучения. Свободное пространство контейнера для увеличения интенсивности передачи тепла от урана 238 на тепловую трубу заполнено эвтектическим сплавом, например, NaK 10. Диск урана 238 состоит из двух частей с фрезерованными радиальными каналами под испарительные участки тепловых труб. Контейнер с ураном 238 через трубку 9 соединен с компенсационной емкостью 3, обеспечивающей тепловое расширение эвтектического сплава при функционировании ЯЭУ. Компенсационная емкость размещена в полости, образованной сферическим днищем контейнера с гидридом лития и торцевой оболочкой контейнера с ураном 238.

Контейнер с гидридом лития снабжен аналогичными тепловыми трубами 6. Отличие в конструкции заключается в введении тепловых труб в контейнер с гидридом лития не непосредственно, а через радиально вваренные в оболочку стаканы 7. Свободное пространство между испарительным участком тепловой трубы и стенкой стакана заполнено эвтектическим сплавом, например, PbBi 8. Его герметизация обеспечивается фланцем, выполненным на тепловой трубе. Отличие в выборе сплава обусловлено малым коэффициентом объемного расширения, что позволяет с учетом малого объема эвтектики в каждом стакане обойтись без компенсационной емкости. Тепловые трубы в контейнере с гидридом лития размещены в ближайшей к реактору зоне, как наиболее нагретой ввиду происходящего в ней взаимодействия нейтронов с изотопом лития 6.

Невозможность непосредственного ввода испарительного участка тепловой трубы во внутреннюю полость контейнера обусловлена конструктивно технологическими трудностями, возникающими при заливке и кристаллизации гидрида лития, в частности, выходом из строя самой тепловой трубы.

Проведенные расчеты подтвердили возможность достижения приемлемых температур на материалах защиты при использовании заявленной конструкции РЗ.

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. Сущность изобретения: теневая радиационная защита состоит из контейнера с материалом, эффективно ослабляющим интенсивность гамма-излучения, в качестве которого может использоваться уран-238, и контейнера с гидридом лития. В боковую оболочку контейнера с ураном-238 радиально вварены тепловые трубы, при этом испарительный участок тепловой трубы расположен внутри контейнера, а конденсирующий размещен в теневом конусе радиационной защиты. Свободное пространство контейнера с ураном-238 заполнено эвтектическим сплавом, в качестве которого может использоваться NaK. Контейнер с ураном-238 через трубку соединен с компенсационной емкостью, обеспечивающей тепловое расширение эвтектического сплава при функционировании ядерной энергетической установки. Компенсационная емкость размещена в полости, образованной сферическим днищем контейнера с гидридом лития и торцевой оболочкой контейнера с ураном-238. Преимущество изобретения заключается в повышении интенсивности теплопередачи между материалом радиационной защиты и окружающей средой, служащей для сброса избыточного тепла. 1 ил.

Теневая радиационная защита, содержащая слой гамма-ослабляющего материала, находящегося в контейнере в форме диска, и слой гидрида лития, находящегося в контейнере в форме усеченного конуса со сферическими днищами, и снабженная системой охлаждения, отличающаяся тем, что система охлаждения защиты выполнена в виде набора тепловых труб, помещенных в слои гидрида лития и гамма-ослабляющего материала, при этом тепловые трубы гамма-ослабляющего слоя радиально вварены в герметизирующую его оболочку, пространство между которой, слоем защитного материала с выполненными в нем радиальными каналами под испарительные участки тепловых труб заполнено эвтектическим сплавом, например, NaK, а конденсирующий участок трубы расположен вне оболочки в теневом конусе радиационной защиты; тепловые трубы слоя гидрида лития помещены в радиально вваренные в герметизирующую его оболочку цилиндрические стаканы, во внутреннем объеме которых размещены испарительные участки тепловых труб, окруженные эвтектическим сплавом, например, PbBi, герметизирующимся самой тепловой трубой, конденсирующийся участок которой расположен вне стакана в теневом конусе радиационной защиты; в пространстве, образованном слоем гамма-ослабляющего материала и сферической поверхностью слоя гидрида лития, помещена компенсационная емкость для эвтектического сплава, находящегося в слое гамма-ослабляющего материала.