ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H01J45/00 G21D7/04 

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионным способом.

Известна конструкция термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) с плоскими протяженными элекгрогенерирующими элементами (ЭГЭ) с высокими выходными энергетическими характеристиками и большим заполнением активной зоны ядерным топливом (патент №2030018, зарегистрирован 27 февраля 1995 г., автор Титков А.С.). ТРП содержит герметичный цилиндрический корпус, заполненный парами цезия. Внутри него размещены плоскопараллельные пластины с полостями для прокачки жидкометаллического теплоносителя, на которых жестко через изолирующий слой закреплены плоские протяженные коллекторы, а между ними помещены эмиттерные оболочки швеллерной формы боковыми рабочими поверхностями эквидистантно плоскостям коллекторов. Оболочки заполнены ядерным топливом. Коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных лент с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами, с ортогональными отростками для соединения с коллекторами. Конструкция также содержит систему охлаждения коллекторов.

Существенным недостатком этой конструкции является система охлаждения коллекторов, содержащая составной частью широкие полости, через которые прокачивается жидкометаллический теплоноситель, в плоских пластинах, на которых закреплены коллекторы. Работоспособность такой системы к настоящему времени не решена даже в принципиальном плане, не говоря уже о том, что это является трудной, еще нерешенной технологической проблемой. Другой не до конца решенной проблемой в ней является проблема отработки и испытания ЭГЭ и ТРП в целом в лабораторных стендовых условиях с электронагревом. Она решена лишь частично, а именно, в ее вакуумной части. Полномасштабные стендовые испытания с электронагревом в этой конструкции оказываются невозможными. Остается также проблема вывода газообразных осколков деления из ядерного топлива.

Целью изобретения является устранения ненадежных и проблемных элементов конструкции, упрощение отработки и изготовления и, соответственно, удешевления и повышения надежности при сохранении ее преимуществ в отношении высоких выходных энергетических характеристик и компактной активной зоны.

Для достижения указанной цели в известном ТРП система охлаждения коллекторов выполнена на тепловых трубах прямоугольной формы, боковые стороны которых являются коллекторами ЭГЭ. Трубы, назовем их коллекторными, сгруппированы в секции, каждая коллекторная труба которой соединена с общей тепловой трубой, сбрасывающей тепло в окружающую среду. Эмиттерные оболочки крепятся герметично через изолирующий слой на обойме, расположенной на свободных концах тепловых коллекторных труб, рабочими сторонами эквидистантно с плоскостями коллекторов, образуя таким образом секции электрогенерирующих элементов. Секции ЭГЭ жестко соединяются друг с другом шпильками, расположенными по бокам секций, и герметизируются сваркой по периметру с помощью двух рамок, изготовленных из металлической фольги, и изолирующим слоем между ними, образуя замкнутый объем, заполняемый парами цезия. При этом отростки коммутирующих проводников неизолированной стороной прижимаются к коллекторам соседних секций.

Благодаря такому устройству ТРП удалось избавиться не только от контуров с жидкометаллическим теплоносителем, но и от коллекторной изоляции, получив возможность набирать высокое напряжение на выходных клеммах ТРП, не прибегая к многослойным коллекторным пакетам, а также проводить полномасштабную отработку и испытания ТРП в лабораторных стендовых условиях с имитацией тепла от ядерного топлива электронагревом.

Вышеизложенное поясняется графическим материалом, представленным на фиг.1...3.

Фиг.1. Схематический общий вид ТРП: а) вид сверху; б) вид сбоку.

Фиг.2. Сечение А-А фиг.1(а).

Фиг.3. Сечение Б-Б фиг.1(б).

Обозначения:

1 - секция ЭГЭ,

2 - ядерное топливо,

3 - электрические клеммы ТРП,

4 - изолирующий слой,

5 - общая тепловая труба секции,

6 - труба для откачки замкнутого объема и для напуска цезия,

7 - обойма для крепления эмиттерных оболочек,

8 - коллектор,

9 - эмиттер,

10 - изолирующий слой,

11 - коллекторная тепловая труба,

12 - дистанционаторы,

13 - рамки из металлической фольги,

14 - стягивающие шпильки,

15 - изолирующее покрытие на коммутационном отростке,

16 - отросток коммутирующего проводника.

Подготовка к работе и работа ТРП заключается в следующем. После сборки ТРП в полости эмиттерных оболочек вставляют электронагреватели и по определенной методике производится обезгаживание всего ТРП. После обезгаживания замкнутая полость ТРП соединяется герметично с источником паров цезия, температуры эмиттеров поднимаются до заданных значений и устанавливается рабочее давление паров цезия. ТРП начинает вырабатывать электрическую энергию, которую можно снимать с клемм ТРП. Определяются различные практически интересные режимы работы ТРП. Затем электронагреватели удаляют и в полости эмиттерных оболочек загружают ядерное топливо, и запускается реакция деления. Выделяющееся тепло частично превращается в электрическую энергию, а частично сбрасывается различными процессами на коллекторы ЭГЭ и удаляется с помощью коллекторных тепловых труб в общие тепловые трубы, сбрасывающие тепло в окружающую среду.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионным способом. Предложена конструкция термоэмиссионного реактора-преобразователя с плоскими протяженными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) с высокими выходными характеристиками и компактной активной зоной, в которой тепло, выделяющееся на коллекторах ЭГЭ, отводится с помощью тепловых труб и в которой отсутствует анодная изоляция. Конструкция позволяет проводить отработку элементов и полномасштабные испытания во внереакторных условиях с имитацией ядерного топлива электронагревом. 3 ил.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь с плоскими протяженными электрогенерирующими элементами, имеющими эмиттерные оболочки швеллерной формы, заполненные ядерным топливом, коллекторы, установленные с межэлектродными зазорами, заполненными парами цезия, и коммутирующие проводники, выполненные в виде гофрированных лент с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенными между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами, и систему охлаждения коллекторов, отличающийся тем, что состоит из секций электрогенерирующих элементов, выполненных на тепловых трубах прямоугольной формы, боковые стороны которых являются коллекторами, и соединенных с общей тепловой трубой, сбрасывающей тепло в окружающую среду, а эмиттерные оболочки крепятся герметично через изолирующий слой на обойме, расположенной на свободных концах коллекторных тепловых труб рабочими сторонами эквидистантно с плоскостями коллекторов; секции жестко соединены друг с другом с помощью шпилек, расположенных по бокам секций, и герметизированы по периметру сваркой с помощью двух металлических рамок и изолирующего слоя между ними, образуя замкнутый объем, заполненный парами цезия.