ТЕРМОЭМИССИОНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КАНАЛ Российский патент 2015 года по МПК G21C3/40 

Изобретение относится к атомной энергетике и системам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и может быть использовано в составе ядерных энергетических установок для энергообеспечения аппаратуры космических аппаратов.

Известно устройство термоэмиссионного электрогенерирующего канала по патенту №2185002 на «Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент», содержащий топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство (ГОУ), один конец трубки ГОУ выведен в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части между местом выведения трубки газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. В качестве материала керамики или основы материала металлокерамики может быть использован оксид скандия.

Известно устройство по патенту №2347291 «Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль активной зоны ядерного реактора с прямым преобразованием энергии», который содержит цилиндрический корпус с торцевыми патрубками и тоководами, термоэмиссионные электрогенерирующие элементы с эмиттером и коллектором, кольцевые тепловыделяющие элементы и центральную трубу. На катод нанесено покрытие, эмитирующее электроны. Коллектор выполнен из двух коаксиально расположенных внутреннего и внешнего цилиндрических электродов. Внешняя цилиндрическая поверхность внутреннего и внутренняя цилиндрическая поверхность внешнего электродов коллектора снабжены поглощающим электроны покрытием. Тепловыделяющий элемент каждого последующего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента размещен с аксиальными зазорами между внутренним и внешним цилиндрическими электродами коллектора предыдущего термоэмиссионного электрогенерирующего элемента.

Известен термоэмиссионный преобразователь по патенту №2390872, содержащий токоподводы, катод со средствами подвода тепла и перфорированный анод со средствами отвода тепла, разделенные межэлектродным зазором, систему подачи паров цезия через отверстия в аноде в межэлектродный зазор. Система подачи паров цезия через отверстия в аноде в межэлектродный зазор образована соединенными между собой перфорированным анодом, капиллярно-пористой прокладкой, пропитанной расплавом цезия, и подложкой анода. По крайней мере часть отверстий в аноде размещена над теплоизолирующими прокладками, размещенными на подложке анода.

Известно устройство по патенту №2138880 «Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов», содержащий топливно-эмиттерный узел в виде короткого цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая и одна из торцевых поверхностей которой служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а другая торцевая поверхность соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, выполненный в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, отличающийся тем, что внутри топливного сердечника размещена снабженная жиклером Г-образная или снабженная двумя жиклерами Т-образная газовыводная трубка, причем трубка выведена в торцевую поверхность эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой.

Указанные изобретения имеют общий недостаток, который заключается в необходимости малого межэлектродного зазора, сохранение постоянной величины которого в течение длительного времени является проблематичным, ввиду высоких температур катода, механических воздействий при разбухании делящегося ядерного топлива, а также воздействий связанных с радиационным излучением.

Ближайшим из аналогов по технической сущности к заявленному изобретению является одноэлементный электрогенерирующий канал коаксиальной схемы (см. стр.170 А. Квасников, В.З. Кайбышев, А.Г. Каландаришвили. «Рабочие процессы в термоэмиссионных преобразователях ядерных энергетических установок». - М.: МАИ. 2001. - 208 с.).

Одноэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал (ТЭГК) коаксиальной схемы включает в себя катод цилиндрической формы, внутри которого располагается ядерное топливо, анод цилиндрической формы, токоввод и токовывод. Катод располагается внутри анода эквидистантно с зазором в 0.3…0.5 мм. Анод через электрическую нагрузку связан с катодом. К катоду и аноду присоединены токоввод и токовывод соответственно, обеспечивая тем самым движение электронов в электрической цепи, включающей анод, токовывод, потребитель электрической энергии, токоввод и катод. ТЭГК располагается в герметизированной вакуумированной камере, в которую подаются пары цезия. Пары цезия подаются в зазор через торец ТЭГК.

Аналог работает следующим образом. С началом реакции деления ядерного топлива внутри катодной оболочки происходит выделение большого количества тепловой энергии, что приводит к нагреву катода до температуры, при которой с его поверхности начинают эмитировать электроны. С торца ТЭГК в зазор попадают пары цезия, атомы которого снижают работу выхода электронов из катода, одновременно происходит их частичная ионизация, вследствие чего в зазоре происходит компенсация отрицательного пространственного заряда. Это приводит к существенному увеличению плотности тока эмиссии и выходных электрических характеристик ТЭГК. Пересекая зазор, электроны осаждаются на аноде. Часть энергии электронов эмиссии идет на нагрев анода, за счет остальной части тепловой энергии, полученной при нагреве катода, электроны совершают полезную работу в электрической нагрузке. Для сохранения направленного движения электронов от анода к катоду путем поддержания постоянной разности температур катода и анода избыточное тепло отводится от анода посредством бортовой системы охлаждения. Таким образом, происходит преобразование тепловой энергии реакции деления ядерного топлива в электрическую энергию.

Недостатком аналога и других, описанных выше устройств, является необходимость поддержания малой величины зазора в 0.1…0.5 мм в течение длительного времени в условиях высоких температур, воздействия излучения от реакции деления ядерного топлива, механических деформаций при разбухании делящегося ядерного топлива и других факторов. Это приводит к тому, что существенно снижается надежность и долговечность указанного устройства и установки в целом, а разработка, создание и обеспечение работоспособности подобных установок имеет высокую стоимость. Кроме того, при деформации катода вследствие температурных напряжений существенно ухудшаются выходные электрические характеристики ТЭГК.

Технической задачей заявляемого изобретения, вытекающей из современного уровня развития науки и техники, является: повышение надежности и долговечности термоэмиссионных преобразователей ядерных энергетических установок за счет существенного упрощения конструкции путем исключения необходимости поддержания малой величины межэлектродного зазора в заданном диапазоне в течение длительного времени.

Указанная задача решается тем, что в цилиндрическом коаксиальном ТЭГК в одном из торцов устанавливается осесимметричное щелевое сверхзвуковое (гиперзвуковое) сопло, а в противоположном торце - осесимметричный щелевой диффузор, выполненный из электронепроводящего материала. Через сопло со сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью выбрасывается рабочее тело, например инертные газы (смесь газов) или пары щелочных металлов типа цезия, подводимые к соплу специальным устройством увеличения энергии потока рабочего тела, например устройством, передающим потоку рабочего тела тепловую энергию. Катод выполняется из материалов с высокими эмиссионными характеристиками, например из вольфрама, и может быть покрыт специальным эмиссионным слоем, например вольфрамом с ориентацией грани (110) (см., например, стр.182. А. Квасников, В.З. Кайбышев, А.Г. Каландаришвили. «Рабочие процессы в термоэмиссионных преобразователях ядерных энергетических установок». - М.: МАИ. 2001. - 208 с.) или одним из эмиссионных слоев с низкой работой выхода типа TrO₂ или LaB₆ (см. например, стр.197. Добрецов Л.Н. Эмиссионная электроника / Н.Н. Коваль [и др.]; ред. Ю.С. Протасов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 595 с.).

Катод обдувается потоком рабочего тела, например парами цезия, бария, или такими инертными газами как аргон и др. При подводе тепла к катоду, например, за счет реакции деления ядерного топлива внутри оболочки катода, катод нагревается до температур, при которых с его рабочей (эмиссионной) поверхности начинают эмитировать электроны. Данные электроны при взаимодействии с обтекающим катод сверхзвуковым (гиперзвуковым) потоком рабочего тела переносятся этим потоком на элемент, воспринимающий электроны - анод. По причине уноса электронов от эмитирующей поверхности рабочим телом, движущимся с большой сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью, «ликвидируется» отрицательный пространственный заряд, наличие которого в зазоре препятствует дальнейшему протеканию процесса термоэлектронной эмиссии. Это повышает эффективность термоэмиссионного преобразования. Поскольку электроны переносятся с катода на анод с большой скоростью (за короткий промежуток времени) в значительной степени за счет энергии сверхзвукового (гиперзвукового) потока рабочего тела, чем за счет энергии, полученной при нагреве катода, то данное устройство может быть реализовано при достаточно большой величине межэлектродного зазора, существенно превышающей величину межэлектродного зазора у аналога и рассмотренных выше устройств. Причем за данный короткий промежуток времени степень рассеяния энергии электронов мала, что в совокупности с увеличением плотности тока эмиссии при «ликвидации» пространственного отрицательного заряда повышает эффективность термоэмиссионного преобразования. Отсутствие необходимости поддержания достаточно малой величины межэлектродного зазора приводит к тому, что существенно увеличивается надежность и долговечность заявляемого ТЭГК по сравнению с аналогами.

Если диффузор выполняется из электропроводящего материала, а его поверхность, обращенная к потоку, покрывается слоем восприятия электронов, то такой диффузор также начинает воспринимать электроны из тормозящего сверхзвукового потока, то есть начинает выполнять функции анода. При увеличении межэлектродного зазора, электроны эмиссии начинают восприниматься в большей степени диффузором, чем анодом. Тогда с учетом переноса электронов эмиссии сверхзвуковым потоком рабочего тела за промежуток времени, при котором энергия электронов эмиссии не успевает существенно рассеяться, термоэмиссионное преобразование зависит от скорости и плотности потока рабочего тела и практически не зависит от величины зазора. А значит, появляется возможность иметь больший зазор без ущерба выходным электрическим характеристикам ТЭГК.

Кроме того, в случае, если рабочим телом является цезий, а эмиссионным слоем является вольфрам с ориентацией грани (110), то, осаждаясь на эмиссионной поверхности катода, атомы сверхзвукового (гиперзвукового) потока рабочего тела - цезия, снижают работу выхода электронов из катода, выполненного из вольфрама с ориентацией грани (110), что также способствуют интенсификации термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Движение рабочего тела в заявляемом ТЭГК организовано по принципу замкнутой сверхзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия (см., например, стр.12. Аэродинамические трубы больших скоростей: пер. с англ. / А. Поуп, К.Л. Гойн. - М.: Мир, 1968. - 504 с.). Для передачи энергии потоку рабочего тела используется нагреватель, получающий энергию от, например, реакций деления ядерного топлива. Для подачи газа из бака предназначен специальный клапан. Также на замкнутом контуре движения рабочего тела устанавливается обратный клапан, предназначенный для организации движения рабочего тела от диффузора к соплу и предотвращающий движение рабочего тела к диффузору при поступлении рабочего тела из бака в трубопровод при запуске ТЭГК.

Далее электроны от анода направляются на бортовой автономный потребитель энергии, где совершая полезную работу, охлаждаются. После потребителя электрической энергии «остывшие» электроны возвращаются на катод, и цикл термоэмиссионного преобразования повторяется заново.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение надежности и долговечности термоэмиссионных преобразователей. Это достигается за счет того, что электроны от катода переносятся на анод потоком рабочего тела, например цезия или аргона, движущегося со сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью, что приводит к отсутствию необходимости поддержания малой величины зазора между электродами. Причем это происходит за малый промежуток времени, за который энергия электронов, полученная при нагреве катода, не успевает существенно рассеяться. При этом сверхзвуковой поток рабочего тела интенсивно «ликвидирует» отрицательный пространственный заряд на рабочей поверхностью катода и «вымывает» просочившиеся в межэлектродный зазор продукты деления ядерного топлива и технологические газы, способные негативно воздействовать на эмиссионную поверхность и ухудшить при этом ее термоэмиссионные свойства. Отсюда также вытекает отсутствие необходимости в наличии дистанциаторов, что приводит к увеличению площади эмиссии при той же площади поверхности катода.

Заявляемый ТЭГК, его катод и анод могут иметь плоскопараллельную форму. Для снижения нагрева щелевое сверхзвуковое сопло и диффузор можно снабдить специальными системами охлаждения.

Кроме того, предлагаемое изобретение можно объединить с двигательной установкой, например ионным двигателем, поскольку при его работе может использоваться одно и то же рабочее тело.

На фиг.1 представлен заявленный ТЭГК.

Заявляемый термоэмиссионный электрогенерирующий канал содержит в своем составе катод 1 цилиндрической формы с нанесенным эмиссионным слоем, например вольфрамом с кристаллографической ориентацией грани (110), или LaB₆ или TrO₂. Катод 1 через электроизоляцию 2 располагается на оболочке 3. Внутри оболочки 3 размещено ядерное топливо 4. Помимо тепловой энергии реакции деления ядерного топлива в заявляемом ТЭГК можно использовать тепловую энергию, получаемую, например, при протекании реакций горения органического топлива. Через зазор от катода 1 располагается анод 5 цилиндрической формы, предназначенный для восприятия электронов, эмитируемых с катода 1. На анод нанесен слой восприятия электронов, например ниобий, молибден или вольфрам с ориентацией грани (110). Для поддержания направленного движения электронов от анода 5 к катоду 1, а следовательно, и эффективности термоэмиссионного преобразования, анод 5 находится в тепловом контакте через слой электроизоляции 6 с охлаждающим элементом 7 системы терморегулирования, предназначенным для охлаждения анода 5 во время работы ТЭГК. Каналы охлаждающего элемента 7 предназначены для циркуляции хладагента, например, жидкого металла (например, лития). С торца к цилиндрическим катоду 1 и аноду 5 через слои электроизоляции 2 и 6 крепится щелевое сверхзвуковое (гиперзвуковое) сопло 8, предназначенное для подачи рабочего тела со сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью в зазор между катодом и анодом. Щелевое сверхзвуковое (гиперзвуковое) сопло 8 выполнено из электронепроводящего материала. На противоположном торце располагается сверхзвуковой диффузор 9, выполненный из электронепроводящего материала. Диффузор 9 предназначен для торможения потока до дозвуковой скорости и перенаправления его к нагревателю 10, и далее на вход в щелевое сверхзвуковое сопло 8. В выходном отверстии трубопровода, отходящего от диффузора 9, расположена сетка 11 из электропроводящего материала, покрытая слоем восприятия электронов, электрически связанная с токовыводом 12. Сетка 11 предназначена для восприятия оставшихся в потоке электронов эмиссии из заторможенного дозвукового потока. Анод 5 и сетка 11 электрически соединены с токовыводом 12, потребителем 13 и токовводом 14, образуя тем самым электрическую цепь. Между токовыводом 12 и токовводом 14 располагается электроизолирующая прокладка 15. К выходному отверстию диффузора 9 с сеткой 11 крепится выводной трубопровод 16, предназначенный для отвода рабочего тела от ТЭГК к нагревателю 10 и от нагревателя 10 на вход в щелевое сверхзвуковое сопло 8. Система охлаждения анода заявляемого ТЭГК состоит из трубопровода 17, теплообменника 18 и насоса 19. Трубопровод 17 предназначен для обеспечения циркуляции хладагента, например, жидкого металла. Для обеспечения поддержания циркуляции хладагента в каналах охлаждающего элемента 7 и трубопровода 17 предназначен насос 19. Изначально рабочее тело хранится в баке 20, а хладагент в баке 21, что является исходным состоянием для заявляемого ТЭГК. В трубопроводах установлены клапаны 22 и 23, предназначенные для предохранения преждевременного проникновения рабочего тела к нагревателю, если ТЭГК находится в исходном состоянии, и открытия их в момент начала работы заявляемого ТЭГК. На трубопроводе 16 между сверхзвуковым диффузором 9 и нагревателем 10 располагается обратный клапан 24, предназначенный для предотвращения движения рабочего тела к диффузору 9 при запуске ТЭГК.

Заявляемый ТЭГК работает следующим образом. С началом реакции деления ядерного топлива 4 в оболочке 3 происходит выделение тепловой энергии. Это приводит к нагреву оболочки 3 и катода 1, до температур, при которых с катода 1 начинают эмитировать «горячие» электроны. Одновременно происходит открытие клапана 22, после чего из бака 20 к нагревателю 10 под давлением начинает поступать рабочее тело. После поступления рабочего тела в трубопровод 16 клапан 22 закрывается, замыкая тем самым контур движения рабочего тела и препятствуя поступлению рабочего тела обратно в бак 20. При этом движению жидкости от нагревателя к диффузору препятствует обратный клапан 24. От нагревателя 10 рабочее тело с увеличенной энергией потока поступает в щелевое сверхзвуковое сопло 8. В щелевом сверхзвуковом сопле 8 рабочее тело разгоняется до сверхзвуковых скоростей и поступает в зазор между катодом 1 и анодом 5. Давление в потоке и его скорость подбираются таким образом, чтобы обеспечить переход электронов эмиссии с катода на анод с минимальными потерями энергии электронов. При движении в зазоре сверхзвуковой поток рабочего тела сносит электроны в направлении его движения. Таким образом, «ликвидируется» отрицательный пространственный заряд электронов, что существенно увеличивает плотность тока эмиссии и эффективность термоэмиссионного преобразования.

Ввиду того, что электроны переносятся с катода на анод сверхзвуковым потоком рабочего тела за малый промежуток времени, за который рассеяние энергии электронов, полученной при нагреве катода минимально, то существенно снижается зависимость эффективности термоэмиссионного преобразования от величины межэлектродного зазора. То есть при увеличении зазора время перехода электронов с катода на анод посредством сверхзвукового потока практически не изменяется.

Если используется диффузор из электропроводящего материала, то переход электронов посредством сверхзвукового потока практически не зависит от величины зазора, а зависит от величины скорости и давления в потоке. При увеличении зазора доля электронов, воспринимаемых электропроводящим сверхзвуковым диффузором со слоем восприятия электронов увеличивается по сравнению с долей электронов, воспринимаемых анодом. А значит эффективность термоэмиссионного преобразования практически не зависит от величины зазора, а зависит главным образом от скорости и плотности сверхзвукового потока рабочего тела.

Указанные особенности заявляемого устройства существенно увеличивают надежность и долговечность термоэмиссионного электрогенерирующего канала, снижают требования к обеспечению чистоты и формы рабочих поверхностей электродов от технологических газов и осколков деления при функционировании ТЭГК.

Таким образом, посредством сверхзвукового потока рабочего тела в зазоре электроны попадают на анод 5. Часть энергии электронов идет на нагрев анода 5, а за счет остальной части электроны совершают полезную работу под нагрузкой в потребителе электрической энергии 13. От анода 5 отводится тепловая энергия посредством охлаждающего элемента 7, в каналах которого циркулирует хладагент, поступивший в насос 19 из бака 20 после открытия клапана 23. После поступления хладагента в трубопровод 17, клапан 23 закрывается, замыкая контур движения хладагента и препятствуя его поступлению обратно в бак 23. От насоса 19 хладагент поступает в каналы охлаждающего элемента 7, где воспринимает тепло от анода 5 через электроизоляцию 6. После прохождения каналов охлаждающего элемента 7 хладагент поступает в трубопровод 17 и по нему направляется в теплообменник 18, например холодильник-излучатель, где впоследствии охлаждается. После теплообменника 18 хладагент опять направляется в насос 19, и цикл охлаждения анода повторяется заново.

Попадая в диффузор 9, рабочее тело тормозится до дозвуковой скорости и через выходное отверстие диффузора 9 попадает в трубопровод 21. Сетка 14, установленная на выходном отверстии диффузора 9, воспринимает оставшиеся электроны эмиссии. Электроны эмиссии от анода 2 и сетки 14 через токовывод 12 направляются к потребителю электрической энергии 13, где электроны эмиссии, совершая полезную работу, «остывают», потом, проходя токоввод 11, возвращаются в катод 1. При возвращении «остывших» электронов на катод 1 рассмотренный цикл термоэмиссионного преобразования повторяется заново.

По трубопроводу 21 рабочее тело, проходя через обратный клапан 24, попадает в нагреватель 10 и от него поступает в щелевое сверхзвуковое сопло 8 и цикл движения рабочего тела в заявляемом ТЭГК повторяется заново.

Таким образом, осуществляется прямое термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую энергию.

Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше технический результат, который заключается в том, что повышается надежность и долговечность устройства, осуществляющего термоэмиссионное преобразование. Это достигается тем, что в конструкции отсутствует необходимость поддержания постоянной достаточно малой величины межэлектродного расстояния. В этом случае перенос электронов эмиссии с катода на анод осуществляется посредством движения рабочего тела со сверхзвуковой скоростью. Причем данный перенос происходит за очень малый промежуток времени. За это время энергия электронов эмиссии, полученная при нагреве катода, не успевает существенно рассеяться при взаимодействии электронов эмиссии с атомами и молекулами движущегося с большой сверхзвуковой скоростью рабочего тела. При этом движущееся рабочее тело со сверхзвуковой скоростью осуществляет унос электронов эмиссии сверхзвуковым потоком рабочего тела от эмиссионной поверхности катода, что устраняет отрицательный пространственный заряд в зазоре, присутствие которого препятствует дальнейшей эмиссии. Это способствует существенному увеличению плотности тока эмиссии, что в совокупности с минимальным рассеянием энергии электронов эмиссии при взаимодействии с набегающим сверхзвуковым потоком рабочего тела во время перехода с катода на анод повышает эффективность термоэмиссионного преобразования.

Изобретение относится к средствам преобразования тепловой энергии в электрическую. Термоэмиссионный электрогенерирующий канал включает плоскоцилиндрический катод (1), плоскоцилиндрический анод (5), электрически связанный с катодом через токовывод (12), потребитель электрической энергии (13) и токоввод (14), оболочку, находящуюся в тепловом контакте с катодом через слой электроизоляции (2), ядерное топливо (4), элемент (7) системы охлаждения с каналами, находящийся в тепловом контакте с анодом, щелевое сверхзвуковое сопло (8) из электронепроводящего материала, диффузор (9) из электронепроводящего материала расположен на торце, противоположном торцу с установленным щелевым сверхзвуковым соплом, и соединен с ним через трубопровод (16), внутри которого размещен нагреватель (10) рабочего тела. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента, а также увеличение эффективности термоэмиссионного преобразования за счет устранения отрицательного пространственного заряда и технологических газов, засоряющих рабочие поверхности электродов сверхзвуковым потоком рабочего тела. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий канал, включающий в свой состав плоскоцилиндрический катод с нанесенным на его поверхность эмиссионным слоем, расположенный с зазором от катода плоскоцилиндрический анод с нанесенным на обращенную к катоду поверхность слоем восприятия электронов, электрически связанный с катодом через токовывод, потребитель электрической энергии и токоввод, оболочку, находящуюся в тепловом контакте с катодом через слой электроизоляции, ядерное топливо, расположенное внутри оболочки, элемент системы охлаждения с каналами, находящийся в тепловом контакте с анодом через слой электроизоляции, отличающийся тем, что в одном торце плоскоцилиндрических катода и анода установлено щелевое сверхзвуковое сопло из электронепроводящего материала, а на противоположном торце располагается диффузор из электронепроводящего материала, который соединен со щелевым сверхзвуковым соплом через трубопровод, внутри которого размещен нагреватель рабочего тела.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диффузор выполнен из электропроводящего материала, находится в тепловом контакте с катодом и токовводом через слой электроизоляции, а обращенная к сверхзвуковому потоку рабочего тела поверхность диффузора покрыта слоем восприятия электронов.