ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H01J45/00 

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

Известна конструкция термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) с высокими выходными энергетическими характеристиками, состоящая из секций электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), не имеющих коллекторной изоляции и позволяющих набирать высокое напряжение на выходных клеммах ТРП, не прибегая к многослойным коллекторным пакетам; удаление тепла, выделяющегося на коллекторах ЭГЭ, осуществляется с помощью тепловых труб; конструкция позволяет проводить полномасштабную отработку и испытания как отдельных элементов, так и всего ТРП в лабораторных стендовых условиях с имитацией тепла ядерного топлива электронагревом (патент №2299491, зарегистрирован 20 мая 2007 г., авторы: Титков А.С, Брюханов А.Н., Синявский В.В.) ТРП, состоит из секций протяженных ЭГЭ, выполненных на тепловых трубах, отводящих тепло, выделяющегося на коллекторах ЭГЭ; ЭГЭ имеют эмиттерные оболочки, заполненные ядерным топливом и 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, расположенных между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами. Секции ЭГЭ жестко соединены друг с другом шпильками, расположенными по бокам секций, при этом отростки коммутирующих проводников неизолированной стороной прижимаются к коллекторам соседних секций. Для образования замкнутого объема, заполняемого парами цезия, секции герметизируются сваркой по периметру с помощью двух рамок, изготовленных из металлической фольги, и изолирующим слоем между ними.

Недостатком этой конструкции ТРП является необычность и неизученность эмиттерной оболочки ЭГЭ швеллерной формы, что ведет к необходимости проведения большего объема экспериментальных исследований и технологических разработок и в конечном счете потребует значительных материальных средств и времени. Другим недостаткам является то, что в конструкции каждой секции имеется значительное количество сварных и паяных швов, что усложняет изготовление секции и снижает ее надежность.

Целью изобретения является устранение проблемных и ненадежных элементов конструкции, упрощение изготовления и, соответственно, удешевление и повышение надежности при сохранении всех преимуществ известной конструкции.

Указанная цель достигается в конструкции ТРП, которая отличается от известной тем, что секции выполнены на монолитных платах, внутри которых созданы полости для паровых каналов коллекторных тепловых труб с сечением в виде двух полуокружностей, обращенных друг к другу выпуклыми сторонами и соединенных по бокам прямыми линиями; между этими полостями расположены цилиндрические полости, опирающиеся тупиковыми концами на перегородку, ограничивающую цезиевый объем, и заканчивающиеся открытыми концами на торцах плат; в отверстия на верхнем торце каждой платы впаяны герметично через изолирующий слой эмиттерные оболочки цилиндрической формы соосно с поверхностями полостей, которые являются коллекторами ЭГЭ; соосность обеспечивается изоляционной втулкой, расположенной на ограничивающей цезиевый объем перегородке, и стержнем от донышка эмиттерной оболочки. В отверстия на нижнем торце впаяны цилиндрические тепловые трубы, сбрасывающие тепло в окружающую среду; на боковых поверхностях плат напротив эмиттерных оболочек выполнены щели для вывода коммутирующих проводников и ввода паров цезия в межэлектродные зазоры.

Изготовление секций ЭГЭ на монолитных платах, сводит к минимуму количество сварок и паек, упрощает изготовление секций и повышает их надежность, а применение эмиттерных оболочек цилиндрической формы, совершенной и хорошо изученной, дает возможность использовать лабораторно-стендовую базу и технологии, разработанные при создании ядерной энергетической установки «Енисей», что приведет к существенному удешевлению и ускорению создания эффективного и надежного ТРП.

Вышеизложенное поясняется графическим материалом, представленным на фиг.1-5.

Фиг.1. Схематический общий вид ТРП:

а) вид сверху; б) вид сбоку.

Фиг.2. Вид отдельной секции ЭГЭ со стороны коммутирующих проводников.

Фиг.3. Сечение А-А фиг.1(а).

Фиг.4. Сечение Б-Б фиг.1(б).

Фиг.5. Сечение С-С фиг.2.

Обозначения:

1 - секция ЭГЭ

2 - ядерное топливо

3 - электрические клеммы ТРП

4 - изолирующий слой

5 - труба для откачки замкнутого объема и для напуска цезия

6 - тепловая труба для сброса тепла в окружающую среду

7 - отросток коммутирующего проводника

8 - щель

9 - изолирующий слой

10 - коллекторная тепловая труба

11 - изоляционная втулка

12 - паровой канал коллекторной тепловой трубы

13 - цилиндрическая полость для впаивания тепловой трубы, сбрасывающей тепло в окружающую среду

14 - цилиндрическая полость для впаивания эмиттерной оболочки

15 - коллектор

16 - эмиттер

17 - рамка из металлической фольги

18 - стягивающие шпильки

19 - изолирующее покрытие на коммутационном отростке.

Подготовка к работе и работа ТРП заключается в следующем. После сборки ТРП в полости эмиттерных оболочек вставляются 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, 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 отводится с помощью коллекторных тепловых труб на тепловые трубы, сбрасывающие тепло в окружающую среду.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионым способом. Термоэмиссионый реактор-преобразователь (ТРП) состоит из секций протяженных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) цилиндрической формы с высокими выходными энергетическими характеристиками. Секции выполнены на монолитных платах. ЭГЭ не имеют коллекторной изоляции и позволяют набирать высокое напряжение на выходных клеммах ТРП, не прибегая к многослойным коллекторным пакетам. Тепло, выделяющееся на коллекторах ЭГЭ, отводится тепловыми трубами. Конструкция позволяет проводить отработку элементов и полномасштабные испытания всей конструкции во внереакторных условиях с имитацией ядерного топлива электронагревом. 6 ил.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь, состоящий из секций протяженных электрогенерирующих элементов, имеющих эмиттерные оболочки, заполненные ядерным топливом; коллекторы, установленные с межэлектродными зазорами, заполненные парами цезия; коммутирующие проводники, выполненные 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, и систему охлаждения коллекторов на тепловых трубах; 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, отличающийся тем, что секции выполнены на монолитных платах, внутри которых созданы полости паровых каналов коллекторных тепловых труб с сечением в виде двух полуокружностей, обращенных друг к другу выпуклыми сторонами и соединенных по бокам прямыми линиями; между этими полостями расположены цилиндрические полости, опирающиеся тупиковыми концами на перегородку, ограничивающую цезиевый объем, и заканчивающиеся открытыми концами на торцах плат; в отверстия на верхнем торце каждой платы впаяны герметично через изолирующий слой эмиттерные оболочки цилиндрической формы соосно с поверхностями полостей, которые являются коллекторами электрогенерирующих элементов, а в отверстия на нижнем торце впаяны цилиндрические тепловые трубы, сбрасывающие тепло в окружающую среду; на боковых поверхностях плат напротив эмиттерных оболочек выполнены щели для вывода коммутирующих проводников и ввода паров цезия в межэлектродные зазоры.