РАДИОИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛА Российский патент 2004 года по МПК G21H1/10 

Изобретение относится к радиоизотопной энергетике.

На выбор конструкции радиоизотопного источника тепла (РИТ), содержащего радиоизотопное топливо на основе плутония-238, помимо штатных эксплуатационных требований, влияют механические и температурные факторы, действующие при гипотетических аварийных ситуациях. Предполагаемый уровень температур при аварийных ситуациях требует применения в РИТ материалов, совместимых между собой и радиоизотопным топливом, а также устойчивых к воздействию расплава и паровой фазы материалов термоэлектрического преобразователя на основе теллуридов сурьмы, висмута. Материалы должны обладать достаточной коррозионной и окислительной стойкостью при аварийном нахождении в естественных средах. Наличие в РИТ радиоизотопа требует от конструкционных материалов особой прочности, обеспечивающей с высокой степенью надежности герметичность РИТ в условиях всех воздействующих механических и температурных факторов для предотвращения крупномасштабного распространения изотопа в окружающую среду.

Известен радиоизотопный источник тепла РИТ-238-3,5 для термоэлектрического генератора (Ю.В.Лазаренко, А.А.Пустовалов, В.П.Шаповалов "Малогабаритные ядерные источники электрической энергии", - М.: Энергоатомиздат, 1992 г., стр.116), содержащий внутреннюю и наружную ампулы, состоящие, в свою очередь, из корпуса и крышки. Внутренняя ампула содержит топливную таблетку, дистанционированную втулку, вкладыш и имеет полость для сбора радиогенного гелия. Наружная ампула предохраняет внутреннюю от прямого воздействия механических нагрузок. Между крышками внутренней и наружной ампул размещена пружина, препятствующая осевому перемещению внутренней ампулы при воздействии механических нагрузок.

Конструкция рассматриваемого радиоизотопного источника тепла двухоболочечная, однако, с точки зрения обеспечения герметичности по отношению к воздействию внутреннего давления радиогенного гелия относит ее к системам без резервирования и существенно увеличивает риск радиоактивного загрязнения окружающей среды. Отсутствие устройства стравливания радиогенного гелия значительно повышает габариты радиоизотопного источника тепла и, безусловно, приведет к его разгерметизации при аварийном длительном нахождении в природных средах, а также в условиях промышленного пожара.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является радиоизотопный источник тепла “Ритм-1о” (ж. “Конверсия в машиностроении” №3, 2000 г., стр.48), содержащий внутреннюю силовую герметичную оболочку, состоящую из корпуса и крышки. Силовая оболочка помещена в наружную капсулу, также образованную корпусом и крышкой.

Внутри силовой оболочки установлена топливная таблетка и дистанцирующий элемент, выполненный из тонкостенной фольги. Устройство имеет полость для сбора радиогенного гелия.

В рассматриваемой конструкции радиоизотопного источника тепла отсутствие устройства для стравливания радиогенного гелия приведет к его разгерметизации при аварийном длительном нахождении в природных средах и в условиях промышленного пожара. Дистанционирующий элемент из тонкостенной фольги не устраняет перемещения топливной таблетки в осевом направлении, что увеличивает вероятность ее разрушения (диспергирования радионуклида) при воздействии внешних нагрузок. Конструкция относится к системам без резервирования по отношению к воздействию внутреннего давления радиогенного гелия, что увеличивает риск радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Задачей изобретения является создание радиационно-безопасной, компактной и прочной конструкции РИТ и обеспечение минимальных тепловых потерь с его боковых поверхностей.

Сущность изобретения состоит в том, что РИТ содержит силовую герметичную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, капсулу, установленную внутри силовой оболочки, топливную таблетку из двуокиси плутония-238, которая, в свою очередь, установлена внутри корпуса капсулы, дистанцирующий элемент. Корпус капсулы выполнен в виде витой оболочки из ленты и крышек, жестко соединенных с торцами витой оболочки. Дистанцирующий элемент, выполненный из упругого материала, размещен между силовой оболочкой и капсулой. Устройство имеет полость для сбора радиогенного гелия, образованную капсулой и силовой оболочкой. Дистанцирующий элемент может быть выполнен из металлорезины в виде плоской кольцевой пластины. На наружную поверхность силовой герметичной оболочки нанесено защитное электроизоляционное покрытие п.5, 6.

Герметичная силовая оболочка в условиях штатной эксплуатации обеспечивает удержание радиогенного гелия. В аварийных ситуациях, после разрушения внешней оболочки ее силовые защитные функции выполняет капсула, имеющая значительную коррозионную и окислительную стойкость. При этом выполнение корпуса капсулы в виде витой оболочки позволяет стравливать радиогенный гелий, исключает разрушение капсулы внутренним давлением при высокотемпературным воздействии и не допускает выхода радиоактивного материала в окружающую среду при разрушении силовой оболочки в аварийных условиях.

Дистанцирующая плоская кольцевая пластина представляет собой конструктивный элемент, предотвращающий перемещение капсулы внутри силовой оболочки при проведении технологических операций и воздействии нагрузок при транспортировании, эксплуатации, а также аварийных ситуациях.

Защитное покрытие предохраняет материал силовой оболочки от взаимодействия с расплавом и паровой фазой материалов термоэлектрического преобразователя в аварийных условиях транспортирования РИТЭГ и выполняет электроизоляционную функцию при нахождении РИТ в РИТЭГ.

На чертеже схематично изображена конструкция РИТ.

РИТ содержит силовую герметичную оболочку, состоящую из корпуса 1 и крышки 2, капсулу, установленную внутри силовой оболочки, корпус которой состоит из витой оболочки 3 и крышек 4, топливную таблетку 5, которая, в свою очередь, установлена внутри корпуса капсулы, и дистанцирующий элемент 6. Витая оболочка 3 и крышки 4 жестко соединены между собой по торцами. Дистанцирующий элемент 6 выполнен из упругого материала, например из спрессованной вольфрамовой проволоки, и размещен между силовой оболочкой и капсулой. Устройство имеет полость для сбора радиогенного гелия, образованную капсулой и силовой оболочкой. На наружную поверхность силовой герметичной оболочки нанесено защитное покрытие 7, состоящее из следующих слоев: вольфрам, дисилицид молибдена, окись алюминия.

Для достижения наибольшего объемного тепловыделения и повышения степени радиационной безопасности предлагается использовать компактную форму топлива в виде керамической топливной таблетки из диоксида плутония-238.

В качестве конструкционного материала капсулы целесообразно использовать нержавеющую сталь, например, 12Х18Н10Т, обладающей хорошим комплексом механических свойств при температурах до 600°С.

Силовая оболочка РИТ выполнена из тугоплавкого, жаропрочного и коррозионно-стойкого в практически любых природных средах сплава, например сплава Т_аВ-10.

Функциональной особенностью РИТ является обеспечение тепловой энергией устройств различного назначения. При радиоактивном распаде плутония-238 выделяется тепло. В зависимости от количества плутония-238, помещенного в РИТ, меняется температура его саморазогрева.

РИТ состоит из капсулы и силовой оболочки. Капсула предназначена для локализации топливной композиции на основе плутония-238 в замкнутом объеме, обеспечивает стравливание радиогенного гелия и предотвращает выход плутония-238 за пределы РИТ при разгерметизации силовой оболочки в аварийных условиях. Силовая оболочка с защитным покрытием удерживает давление радиогенного гелия, развивающегося во времени в ее внутренней полости, при эксплуатации, а также предохраняет капсулу от воздействия механических нагрузок при эксплуатации и аварийных ситуациях, в том числе и от воздействия расплава и паров материалов термоэлектрического преобразователя РИТЭГ.

Использование: изобретение относится к радиоизотопной энергетике. Сущность изобретения: радиоизотопный источник тепла (РИТ) содержит силовую герметичную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, капсулу, установленную внутри силовой оболочки, топливную таблетку из двуокиси плутония-238, которая, в свою очередь, установлена внутри капсулы, дистанцирующий элемент. Корпус капсулы выполнен в виде витой оболочки и крышек, жестко соединенных с торцами витой оболочки. Дистанцирующий элемент, выполненный из упругого материала, размещен между силовой оболочкой и капсулой. Устройство имеет полость для сбора радиогенного гелия, образованную капсулой и силовой оболочкой. На наружную поверхность силовой герметичной оболочки нанесено защитное покрытие. Технический результат - создание радиационно безопасной, компактной и прочной конструкции РИТ и обеспечение наибольшего теплового потока в заданном направлении. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Радиоизотопный источник тепла, содержащий силовую герметичную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, капсулу, установленную внутри силовой оболочки, топливную таблетку из двуокиси плутония-238, которая, в свою очередь, установлена внутри капсулы, устройство имеет полость для сбора радиогенного гелия, дистанцирующий элемент, отличающийся тем, что корпус капсулы выполнен в виде витой оболочки из ленты и крышек, жестко соединенных с торцами витой оболочки, дистанцирующий элемент, выполненный из упругого материала, размещен между силовой оболочкой и капсулой, полость для сбора радиогенного гелия образована капсулой и силовой оболочкой.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дистанцирующий элемент выполнен из металлорезины.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что дистанцирующий элемент выполнен в виде плоской кольцевой пластины.4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что витая оболочка выполнена таким образом, что межвитковой зазор обеспечивает выход гелия из капсулы и не допускает выхода двуокиси плутония-238.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что витая оболочка и ее крышки изготовлены из коррозионно-стойких конструкционных материалов.