ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП).

Наиболее распространена конструкция ЭГС [1, с. 207] с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) коаксиальной схемы с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором). Каждый ЭГЭ включает топливно-эмиттерный узел (ТЭУ) и цилиндрический коллектор. ТЭУ состоит из оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), заполненной топливным материалом (ТМ). Межэлектродный зазор (МЭЗ) между цилиндрическими электродами ЭГЭ устанавливается, как правило, порядка 0,3-0,5 мм. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым многоэлементную ЭГС.

Известна ЭГС на базе термоэмиссионных ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой ТЭУ [2]. Термоэмиссионная ЭГС содержит последовательно соединенные ЭГЭ, где ТЭУ выполнены в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), а коллекторы выполнены в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием. ЭГС также содержит коллекторную изоляцию и корпус (чехол), общие для всех ЭГЭ. В такой ЭГС, с одинаковыми высотами ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, генерирование электроэнергии происходит как в коаксиальном МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и плоским основанием коллектора. Благодаря тому, что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах эмиттера плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ, и соответственно ЭГС, могут быть высокоэнергонапряженными.

Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность МЭЗ. Плоскоцилиндрические твэлы ЭГЭ выполняют, как правило, с длиной цилиндрической части оболочки твэла меньшей диаметра торцевой части оболочки твэла. Как показывают расчетно-теоретические и экспериментальные исследования [3-5], герметичные твэлы таких ЭГЭ, с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, имеют ограниченную ресурсоспособность. В первую очередь это связано с деформацией эмиттерной оболочки ЭГЭ вызванное распуханием ТМ от твердых и газообразных продуктов деления (ГПД). При длительной работе ТРП продукты деления будут накапливаться внутри герметичного твэла, давление их будет возрастать, что приводит к деформации эмиттерной оболочки. Это в свою очередь приводит к уменьшению МЭЗ и, как следствие, к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу ЭГЭ типа "короткое замыкание". Как показывают расчеты, высокое давление продуктов деления ТМ на эмиттерную оболочку приводит к быстрой потере работоспособности ЭГЭ, вплоть до разрыва эмиттерной оболочки с выходом ТМ из твэла с последующей конденсацией ТМ на коллекторе, что и подтверждается результатами испытаний ЭГС в наземных реакторах [4].

Известна термоэмиссионная ЭГС [6] с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащая последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ. Каждый ЭГЭ состоит из ТЭУ, в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером ТЭП, и коллектора содержащего две части, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания. ЭГС включает также коллекторную изоляцию и корпус, общие для всех ЭГЭ. С целью обеспечения примерно равной температуры эмиттеров всех последовательно соединенных ЭГЭ в ЭГС, в данном техническом решении используется геометрическое профилирование за счет изменения высоты ТЭУ. ЭГЭ, расположенные на краях ЭГС, выполнены с высотой ТЭУ и длиной части коллектора в виде цилиндрической оболочки большими, чем соответственно высота ТЭУ и длина части коллектора у ЭГЭ, расположенных в центре ЭГС.

Недостатком данной конструкции ЭГС, в первую очередь, является невозможность обеспечения длительного ресурса таких энергонапряженных ЭГС [3-5], особенно это касается центральных ЭГЭ с наиболее короткими ТЭУ. ЭГС, выполненные с герметичными ТЭУ, по результатам реакторных испытаний подобных ЭГС в петлевых каналах, показали низкую ресурсоспособность по причине высокого давления развиваемого продуктами деления ТМ внутри ТЭУ, что приводит к деформации эмиттерной оболочки и замыканию электродов в МЭЗ. Кроме того, в ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, конструктивно сложно организовать вывод газообразных продуктов деления (ГПД), чтобы хотя бы частично снизить давление на эмиттерную оболочку и увеличить таким образом ресурс работы ЭГС с такими «короткими» ТЭУ.

В техническом решении [7] предложено выполнять плоскоцилиндрические ЭГЭ с газоотводным устройством (ГОУ), выполненным в виде центральной трубки с капиллярным наконечником, размещаемым в геометрическом центре ТЭУ. Причем, центральная трубка выведена в торцевую часть эмиттерной оболочки, конструктивно соединенную с коммутационной перемычкой, т.е. в наиболее «холодную» часть эмиттерной оболочки. Предполагается удалять ГПД через эту трубку из ТЭУ в МЭЗ.

Однако вывод ГПД из таких ТЭУ через «холодную» торцевую часть эмиттерной оболочки ограничен по времени, по причине забивания ГОУ конденсатом ТМ. В процессе работы энергонапряженных ЭГЭ происходит интенсивная переконденсация ТМ в ТЭУ с образованием центральной газовой полости (ЦГП). В результате в коротких плоско-цилиндрических ТЭУ происходит забивание конденсатом топлива как капиллярного наконечника с внешней стороны, так и конденсатом внутри центральной трубки ГОУ [8, 9, 10]. Происходит герметизация ТЭУ, что вызывает деформацию эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера на коллектор. Поэтому схемно-конструктивное решение ЭГЭ с ГОУ должно быть таким, чтобы в процессе работы не происходила конденсация топлива в ГОУ и последующая герметизация ТЭУ. Это реализуется в конструкциях цилиндрических ЭГЭ с ГОУ, которые выполняют с длиной цилиндрической части оболочки твэла большей диаметра торцевой части оболочки твэла (как правило, 3-4 диаметра [3, 11]). Как одна из мер по предотвращению конденсации ТМ в ГОУ, как показывают расчетно-теоретические исследования [11], является вывод центральной трубки ГОУ в «горячую» торцевую часть эмиттерной оболочки не связанную с коммутационной перемычкой.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является термоэмиссионная ЭГС, предложенная в [12]. ЭГС состоит из последовательно соединенных ЭГЭ. Каждый ЭГЭ содержит вентилируемый ТЭУ выполненный в виде цилиндра с топливным сердечником, заключенным в цилиндрическую эмиттерную оболочку с двумя торцевыми крышками. В первую торцевую крышку выведено ГОУ, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрическую эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ. Напротив выходного отверстия ГОУ размещена так называемая «холодная» ловушка, которая конструктивно соединена со второй торцевой крышкой. В «холодной» ловушке конденсируются пары ТМ, выходящего из ТЭУ через ГОУ вместе с ГПД. Так как вторая торцевая крышка одновременно соединена с коммутационной перемычкой, то ее температура будет несколько ниже, чем температура первой крышки (обычно на 200-300 К), поэтому ловушку условно называют «холодной». Длительный ресурс такой ЭГС обеспечивается благодаря системе удаления ГПД из ТЭУ через ГОУ, выведенного в первую торцевую крышку эмиттерной оболочки. ГПД удаляются через ГОУ из ТЭУ в МЭЗ, в результате чего снижается распухание ТМ и, соответственно, деформация эмиттерной оболочки.

Однако в данном техническом решении имеются следующие недостатки:

1) В каждом ЭГЭ не полностью используется эмиссионная поверхность оболочки ТЭУ в процессе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, что снижает КПД преобразователя, поскольку процесс генерирования электроэнергии происходит только в коаксиальном МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора и не используется поверхность «горячей» торцевой части эмиттерной оболочки не связанная с коммутационной перемычкой.

2) Предложенная конструкция ЭГС не исключает диффузию молекул UO₂, выходящих из ЭГЭ через ГОУ вместе с ГПД в пространство размещения коммутационной перемычки, в парогазовой смеси (Cs+Xe+Kr) к коллектору у входа в коаксиальный МЭЗ с последующей конденсацией. Конденсация молекул UO₂ на коллекторе и диффузии молекул UO₂ в МЭЗ нарушает работу ТЭП, приводит к деградации (не стабильности) энергетических характеристик ЭГЭ, снижению КПД и ресурса ЭГС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение КПД преобразования тепловой энергии, выделяемой в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующей сборки, в электрическую энергию, а также повышению стабильности энергетических характеристик и ресурса ЭГС.

Указанный технический результат достигается в электрогенерирующей сборке термоэмиссионного реактора-преобразователя (по варианту 1), состоящей из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе UO₂, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, в пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, расположенными на расстоянии Н<L, установлен цилиндрический стакан, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора электрогенерирующего элемента, причем дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D, внутренним диаметром d и толщиной h_к, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана, обращенная в сторону пространства размещения коммутационной перемычки и находящаяся с ней в контакте, выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ<H с внешним диаметром D и толщиной стенки h, равной толщине трубки цилиндрического коллектора, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям:

d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ, (1)

H>l₂>h_к+δ. (2)

Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер. Предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан, трубка цилиндрического коллектора и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе Nb. На внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора нанесено коллекторное покрытие из сплава на основе W. На поверхность кругового кольца, со стороны обращенной к первой торцевой крышке, нанесено покрытие из сплава на основе W.

Тот же технический результат достигается в электрогенерирующей сборке термоэмиссионного реактора-преобразователя (по варианту 2), состоящей из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе UO₂, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, в области между вторыми торцевыми крышками двух соседних электрогенерирующих элементов находящимися на расстоянии Н+L, где Н - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, причем Н<L, установлен цилиндрический стакан, дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с коммутационной перемычкой, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D и внутренним диаметром d и толщиной h_к, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=L+δ+h_к с внешним диаметром D и толщиной стенки h и является цилиндрическим коллектором электрогенерирующего элемента, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям: d_ПЭ ≤ d-2·δ_МЭЗ, Н > l₂ > h_к+δ. Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер. Предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе Nb. На поверхность кругового кольца, со стороны обращенной к первой торцевой крышке нанесено покрытие из сплава на основе W. На внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана нанесено покрытие из сплава на основе W.

На фиг. 1 приведен общий вид электрогенерирующей сборки (ЭГС) последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ); на фиг. 2 приведена часть ЭГС первого варианта, где показано аксиальное сечение ЭГЭ с цилиндрическим стаканом и предохранительным элементом в пространстве размещения коммутационной перемычки; на фиг. 3 приведена часть ЭГС второго варианта, где показано аксиальное сечение ЭГЭ с предохранительным элементом и с цилиндрическим стаканом, боковая стенка которого одновременно служит цилиндрическим коллектором; на фиг. 4 на выносном элементе более детально показан предохранительный элемент.

На фиг. 1-4 приведено:

1 - электрогенерирующая сборка (ЭГС);

2 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ);

3 - цилиндрический эмиттер;

4 - цилиндрический коллектор;

5 - коаксиальный межэлектродный зазор (коаксиальный МЭЗ);

6 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ);

7 - оболочка;

8 - топливный материал (ТМ);

9 - первая торцевая крышка;

10 - газоотводное устройство (ГОУ);

11 - центральная трубка;

12 - капиллярный наконечник;

13 - вторая торцевая крышка;

14 - коммутационная перемычка;

15 - «холодная» ловушка;

16 - цилиндрический стакан;

17 - круговое кольцо;

18 - плоский межэлектродный зазор (плоский МЭЗ);

19 - предохранительный элемент;

20 - покрытие;

21 - коллекторное покрытие;

22 - дистанционатор;

23 - дистанционатор;

24 - центральная газовая полость (ЦГП);

25 - изолятор;

26 - коллекторная изоляция;

27 - корпус.

В первом варианте исполнения (фиг. 1, 2, 4) электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнена следующим образом. Электрогенерирующая сборка (ЭГС) 1 (фиг. 1) термоэмиссионного реактора-преобразователя состоит из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) 2 с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером 3 и цилиндрическим коллектором 4 - разделенными коаксиальным МЭЗ 5 величиной δ_МЭЗ. Каждый ЭГЭ 2 содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел (ТЭУ) 6, включающий оболочку 7 и топливный материал (ТМ) 8 на основе UO₂, заключенный в оболочку 7. Оболочка 7 состоит из цилиндрического эмиттера 3 длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку 9 выведено газоотводное устройство 10, выполненное в виде центральной трубки 11 с капиллярным наконечником 12, размещенным в геометрическом центре ТЭУ 6. Вторая торцевая крышка 13 соединена с коммутационной перемычкой 14, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер 3 с цилиндрическим коллектором 4, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором 4 термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента 2. В пространстве размещения коммутационной перемычки 14, между первой торцевой крышкой 9 одного ЭГЭ 2 и второй торцевой крышкой 13 соседнего ЭГЭ 2, расположенными на расстоянии Н<L, установлен цилиндрический стакан 16, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора 4 ЭГЭ 2. Причем дно цилиндрического стакана 16, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора 4, выполнено в виде плоского кругового кольца 17 с внешним диаметром D, внутренним диаметром d и толщиной h_к. Круговое кольцо 17 установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки 9, образуя между ними плоский МЭЗ 18 величиной δ≤δМЭЗ. Боковая стенка цилиндрического стакана 16, обращенная в сторону пространства размещения коммутационной перемычки 14 и находящаяся с ней в контакте, выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ<Н с внешним диаметром D и толщиной стенки h, равной толщине трубки цилиндрического коллектора 4. Соосно с центральной трубкой 11 газоотводного устройства 10 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлен предохранительный элемент 19, соединенный с первой торцевой крышкой 9 и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца 17. Предохранительный элемент 19 выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям (1) и (2). Предохранительный элемент 19, первая торцевая крышка 9 и газоотводное устройство 10 выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер 3. Предохранительный элемент 19, оболочка 7 ТЭУ 6 и ГОУ 10 выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан 16, трубка цилиндрического коллектора 4 и коммутационная перемычка 14 выполнены из сплава на основе Nb. На внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора 4 нанесено коллекторное покрытие 21 из сплава на основе W. На поверхность кругового кольца 17, со стороны обращенной к первой торцевой крышке 9, нанесено покрытие 20 из сплава на основе W. Со стороны второй торцевой крышки 13 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлена «холодная» ловушка 15, выполненная в виде воронки, для конденсата паров ТМ 8, выходящих из центральной газовой полости (ЦГП) 24. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18 установлены дистанционаторы 22 (фиг. 2) и 23 (фиг. 4). Цилиндрические коллекторы 4 двух соседних ЭГЭ 2 электрически отделены через изоляторы 25. Крайние ЭГЭ 2 снабжены токовыводами, соответственно эмиттерным и коллекторным (на рисунке не показаны). Общими для всех ЭГЭ 2 являются коллекторная изоляция 26 и корпус 27, который в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (на рисунке не показан).

Во втором варианте исполнения (фиг. 1, 3, 4) электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнена следующим образом. Электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя состоит из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов 2, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером 3 и цилиндрическим коллектором 4 - разделенными коаксиальным МЭЗ 5 величиной δ_МЭЗ. Каждый ЭГЭ 2 содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел 6, включающий топливный материал 8 на основе UO₂, заключенный в оболочку 7. Оболочка 7 состоит из цилиндрического эмиттера 3 длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку 9 выведено газоотводное устройство 10, выполненное в виде центральной трубки 11 с капиллярным наконечником 12, размещенным в геометрическом центре ТЭУ 6. Вторая торцевая крышка 13 соединена с коммутационной перемычкой 14, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер 3 с цилиндрическим коллектором 4, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором 4 термоэмиссионного преобразователя соседнего ЭГЭ 2. В области между вторыми торцевыми крышками 13 двух соседних ЭГЭ 2, находящимися на расстоянии Н+L, где Н - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 между первой торцевой крышкой 9 одного ЭГЭ 2 и второй торцевой крышкой 13 соседнего ЭГЭ 2, причем Н<L, установлен цилиндрический стакан 16. Дно цилиндрического стакана 16, находящееся в контакте с коммутационной перемычкой 14, выполнено в виде плоского кругового кольца 17 с внешним диаметром D и внутренним диаметром d и толщиной h_к. Круговое кольцо 17 установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки 9, образуя между ними плоский МЭЗ 18 величиной δ≤δ_МЭЗ. Боковая стенка цилиндрического стакана 16 выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=L+δ+h_к с внешним диаметром D и толщиной стенки h и является цилиндрическим коллектором 4 электрогенерирующего элемента 2. Соосно с центральной трубкой 11 газоотводного устройства 10 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлен предохранительный элемент 19, соединенный с первой торцевой крышкой 9 и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца 17. Предохранительный элемент 19 выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ, с внутренним диаметром d₂ и длиной l₂, отвечающими соотношениям (1) и (2). Предохранительный элемент 19, первая торцевая крышка 9 и газоотводное устройство 10 выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер 3. Предохранительный элемент 19, оболочка 7 топливно-эмиттерного узла 6 и газоотводное устройство 10 выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан 16 и коммутационная перемычка 14 выполнены из сплава на основе Nb. На поверхность кругового кольца 17, со стороны обращенной к первой торцевой крышке 9 нанесено покрытие из сплава на основе W. На внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана 16 нанесено покрытие из сплава на основе W. Со стороны второй торцевой крышки 13 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлена «холодная» ловушка 15, выполненная в виде воронки, для конденсата паров ТМ 8, выходящих из центральной газовой полости (ЦГП) 24. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18 установлены дистанционаторы 22 (фиг. 2) и 23 (фиг. 4). Цилиндрические коллекторы 4 двух соседних ЭГЭ 2 электрически отделены через изоляторы 25. Крайние ЭГЭ 2 снабжены токовыводами, соответственно эмиттерным и коллекторным (на рисунке не показаны). Общими для всех ЭГЭ 2 являются коллекторная изоляция 26 и корпус 27, который в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (на рисунке не показан).

В первом варианте исполнения электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя работает следующим образом.

В результате работы термоэмиссионного реактора-преобразователя в топливно-эмиттерных узлах 6 ЭГС 1 происходит деление ядер ²³⁵U с выделением тепловой энергии. Эта тепловая энергия подводится к оболочке 7 ТЭУ 6, в частности к цилиндрическому эмиттеру 3 и первой торцевой крышке 9, нагревает их, вызывая эмиссию электронов. Электроны, «испаряясь» с внешней поверхности цилиндрического эмиттера 3, попадают в коаксиальный МЭЗ 5, заполненный парами Cs, ионизованные атомы которого нейтрализуют пространственный заряд электронов. Далее электроны, пройдя коаксиальный МЭЗ 5, «конденсируются» на коллекторное покрытие 21 цилиндрического коллектора 4. Поскольку трубка цилиндрического коллектора 4 и коммутационная перемычка 14 находятся в контакте с цилиндрическим стаканом 16, то, при замыкании цепи на внешнюю нагрузку (на рисунке не показана), электроны беспрепятственно движутся по цилиндрическому коллектору 4 через коммутационную перемычку 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2 электрогенерирующей сборки 1. Одновременно происходит процесс «испарения» электронов также с поверхности первой торцевой крышки 9, температура которой близка к температуре цилиндрического эмиттера 3, в плоский МЭЗ 18. Падение напряжения в плоском МЭЗ 18 будет меньше, чем в коаксиальном МЭЗ 5, поскольку плоский МЭЗ 18 по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального МЭЗ 5 (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), то, при одинаковых температурах эмиттера, плотность генерируемой электрической мощности в ТЭП с плоском МЭЗ 18 увеличивается. Далее электроны «конденсируются» на коллекторное покрытие 20 кругового кольца 17. Откуда, при замыкании цепи, электроны перемещаются в радиальном направлении по плоскому круговому кольцу 17 к стенке цилиндрического стакана 16 и далее по коммутационной перемычке 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2. В процессе генерирования электроэнергии в каждом ЭГЭ 2 дистанционаторы 22 и 23 обеспечивают поддержание соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18. Не преобразованное в термоэмиссионном преобразователе с плоским МЭЗ 18 в электроэнергию тепло отводится с кругового кольца 17 теплопроводностью в радиальном направлении к цилиндрическому коллектору 4. Одновременно на цилиндрический коллектор 4 поступает не преобразованное тепло термоэмиссионного преобразователя с коаксиальным МЭЗ 5. С цилиндрического коллектора 4 это суммарное тепло через слой коллекторной изоляции 26 теплопроводностью передается корпусу 27 ЭГС 1, с которого тепло снимается жидкометаллическим теплоносителем (на рисунке не показан).

В исходном состоянии топливно-эмиттерный узел 6 ЭГЭ 2 заполнен ТМ 8, выполненным в виде топливного блока или набора таблеток из UO₂ с центральным отверстием, где размещают ГОУ 10. Топливный блок или таблетки установлены с небольшим технологическим зазором относительно внутренней поверхности цилиндрического эмиттера 3 оболочки 7. При работе ЭГС 1, вследствие ядерного деления ²³⁵U, ТМ 8 в ТЭУ 6 нагревается, происходит перестройка его структуры по механизму испарение - конденсация с образованием центральной газовой полости 24, куда в результате диффузии продуктов деления стекаются ГПД. ГПД, в основном это инертные газы Xe и Kr, через капиллярный наконечник 12, центральную трубку 11, и предохранительный элемент 19 выходят в пространство размещения коммутационной перемычки 14 и далее через коаксиальный МЭЗ 5 и плоский МЭЗ 18 электрогенерирующих элементов 2 выходят за пределы ЭГС 1. Вместе с ГПД из ЦГП 24 через ГОУ 10 и предохранительный элемент 19 в парогазовой среде Cs и инертных газов Xe и Kr идет диффузия молекул UO₂ в пространство размещения коммутационной перемычки 14 в область «холодной» ловушки 15, где UO₂ конденсируется. Так как ГОУ 10 выведено в первую торцевую крышку 9, являющуюся «горячим» торцем оболочки 7 ТЭУ 6, то "закупорки" (герметизации) ГОУ 10 конденсатом топливного материала 8 не происходит, так как размеры ГОУ 10 подобраны таким образом, что давление пара UO₂ в центральной трубке 11 после капиллярного наконечника 12 ГОУ 10 ниже равновесного давления, соответствующего температуре центральной трубки 11. Кроме того, внутренний диаметр цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выполнен так, что превышает внутренний диаметр центральной трубки 11 ГОУ 10, что позволяет понизить концентрацию молекул UO₂ во внутреннем объеме предохранительного элемента 19 и не допустить конденсацию UO₂ в предохранительном элементе 19. Свободный срез цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выходит в пространство размещения коммутационной перемычки 14 (фиг. 2) в объем, где установлена «холодная» ловушка 15. Это позволяет сконденсировать UO₂ в «холодной» ловушке 15 и таким образом предотвратить проникновение ТМ 8 в плоский МЭЗ 18 и коаксиальный МЭЗ 5. В результате чего не будет происходить ухудшения энергетических характеристик ЭГС 1, за счет их вредного влияния на эмиссионные свойства электродов ТЭП в процессе длительного ресурса ЭГС 1, а контролируемый процесс вывода ГПД из ТЭУ 6 позволит снизить давление на оболочку 7 ЭГЭ 2 от распухающего ТМ 8 и тем самым повысить ресурсоспособность ЭГС 1.

Во втором варианте исполнения электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя работает следующим образом.

В результате работы термоэмиссионного реактора-преобразователя в топливно-эмиттерных узлах 6 ЭГС 1 происходит деление ядер ²³⁵U с выделением тепловой энергии. Эта тепловая энергия подводится к оболочке 7 ТЭУ 6, в частности к цилиндрическому эмиттеру 3 и первой торцевой крышке 9, нагревает их, вызывая эмиссию электронов. Электроны, «испаряясь» с внешней поверхности цилиндрического эмиттера 3, попадают в коаксиальный МЭЗ 5, заполненный парами Cs, ионизованные атомы которого нейтрализуют пространственный заряд электронов. Далее электроны, пройдя коаксиальный МЭЗ 5, «конденсируются» на коллекторное покрытие 21 внутренней поверхности боковой стенки цилиндрического стакана 16, являющейся одновременно цилиндрическим коллектором 4. Поскольку коммутационная перемычка 14 находится в контакте с цилиндрическим стаканом 16, то, при замыкании цепи на внешнюю нагрузку (на рисунке не показана), электроны беспрепятственно движутся по боковой стенки цилиндрического стакана 16 через коммутационную перемычку 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2 электрогенерирующей сборки 1. Одновременно происходит процесс «испарения» электронов также с поверхности первой торцевой крышки 9, температура которой близка к температуре цилиндрического эмиттера 3, в плоский МЭЗ 18. Падение напряжения в плоском МЭЗ 18 будет меньше, чем в коаксиальном МЭЗ 5, поскольку плоский МЭЗ 18 по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального МЭЗ 5 (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), то, при одинаковых температурах эмиттера, плотность генерируемой электрической мощности в ТЭП с плоском МЭЗ 18 увеличивается. Далее электроны «конденсируются» на коллекторное покрытие 20 кругового кольца 17. Откуда, при замыкании цепи, электроны перемещаются в радиальном направлении по плоскому круговому кольцу 17 к боковой стенке цилиндрического стакана 16 и далее по коммутационной перемычке 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2. В процессе генерирования электроэнергии в каждом ЭГЭ 2 дистанционаторы 22 и 23 обеспечивают поддержание соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18. Не преобразованное в термоэмиссионном преобразователе с плоским МЭЗ 18 в электроэнергию тепло отводится с кругового кольца 17 теплопроводностью в радиальном направлении к боковой стенке цилиндрического стакана 16. Одновременно к боковой стенке цилиндрического стакана 16 поступает не преобразованное тепло термоэмиссионного преобразователя с коаксиальным МЭЗ 5. С боковой стенки цилиндрического стакана 16 это суммарное тепло через слой коллекторной изоляции 26 теплопроводностью передается корпусу 27 ЭГС 1, с которого тепло снимается жидкометаллическим теплоносителем (на рисунке не показан).

В исходном состоянии топливно-эмиттерный узел 6 ЭГЭ 2 заполнен ТМ 8, выполненным в виде топливного блока или набора таблеток из UO₂ с центральным отверстием, где размещают ГОУ 10. Топливный блок или таблетки установлены с небольшим технологическим зазором относительно внутренней поверхности цилиндрического эмиттера 3 оболочки 7. При работе ЭГС 1, вследствие ядерного деления ²³⁵U, ТМ 8 в ТЭУ 6 нагревается, происходит перестройка его структуры по механизму испарение - конденсация с образованием центральной газовой полости 24, куда в результате диффузии продуктов деления стекаются ГПД. ГПД, в основном это инертные газы Xe и Kr, через капиллярный наконечник 12, центральную трубку 11, и предохранительный элемент 19 выходят в пространство размещения коммутационной перемычки 14 и далее через коаксиальный МЭЗ 5 и плоский МЭЗ 18 электрогенерирующих элементов 2 выходят за пределы ЭГС 1. Вместе с ГПД из ЦГП 24 через ГОУ 10 и предохранительный элемент 19 в парогазовой среде Cs и инертных газов Xe и Kr идет диффузия молекул UO₂ в пространство размещения коммутационной перемычки 14 в область «холодной» ловушки 15, где UO₂ конденсируется. Так как ГОУ 10 выведено в первую торцевую крышку 9, являющуюся «горячим» торцем оболочки 7 ТЭУ 6, то "закупорки" (герметизации) ГОУ 10 конденсатом топливного материала 8 не происходит, так как размеры ГОУ 10 подобраны таким образом, что давление пара UO₂ в центральной трубке 11 после капиллярного наконечника 12 ГОУ 10 ниже равновесного давления, соответствующего температуре центральной трубки 11. Кроме того, внутренний диаметр цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выполнен так, что превышает внутренний диаметр центральной трубки 11 ГОУ 10, что позволяет понизить концентрацию молекул UO₂ во внутреннем объеме предохранительного элемента 19 и не допустить конденсацию UO₂ в предохранительном элементе 19. Свободный срез цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выходит в пространство размещения коммутационной перемычки 14 (фиг. 2) в объем, где установлена «холодная» ловушка 15. Это позволяет сконденсировать UO₂ в «холодной» ловушке 15 и таким образом предотвратить проникновение ТМ 8 в плоский МЭЗ 18 и коаксиальный МЭЗ 5. В результате чего не будет происходить ухудшения энергетических характеристик ЭГС 1, за счет их вредного влияния на эмиссионные свойства электродов ТЭП в процессе длительного ресурса ЭГС 1, а контролируемый процесс вывода ГПД из ТЭУ 6 позволит снизить давление на оболочку 7 ЭГЭ 2 от распухающего ТМ 8 и тем самым повысить ресурсоспособность ЭГС 1.

Приведем пример, для первого варианта, исполнения электрогенерирующей сборки.

Электрогенерирующую сборку выполняем с наружным диаметром корпуса 20 мм, состоящую из 10 последовательно соединенных электрогенерирующих элементов. ЭГЭ выполнены с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером диаметром D_E=16,6 мм и цилиндрическим коллектором - разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ=0,4 мм. Каждый ЭГЭ содержит вентилируемый ТЭУ, включающий ТМ на основе UO₂ с 96% обогащением по изотопу ²³⁵U и с относительной объемной долей ТМ в ТЭУ ε_тм=0,6. ТМ заключен в оболочку толщиной h_O=1,1 мм. Оболочка состоит из цилиндрического эмиттера, выполненного из монокристаллического вольфрама длиной L=59 мм, и двух плоских торцевых крышек. В первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки длиной l_ЦТ=27 мм с внутренним диаметром d₁=2,2 мм. Капиллярный наконечник ГОУ размещен в геометрическом центре ТЭУ и выполнен длиной l₀=5 мм с внутренним диаметром d₀=0,1 мм. Трубку цилиндрического коллектора выполняем из сплава на основе Nb с внешним диаметром D=18 мм. В пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного ЭГЭ и второй торцевой крышкой соседнего ЭГЭ, расположенными на расстоянии Н=11 мм, устанавливаем цилиндрический стакан. Дно цилиндрического стакана находится в контакте с цилиндрическим коллектором и выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D=18 мм, внутренним диаметром d=4,2 мм и толщиной h_к=1 мм. Круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки и образует между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ=50 мкм. Боковая стенка цилиндрического стакана обращена в сторону пространства размещения коммутационной перемычки и находится в контакте с коммутационной перемычкой. Боковая стенка цилиндрического стакана выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=5 мм с внешним диаметром D=18 мм и толщиной стенки h=0,3 мм, равной толщине трубки цилиндрического коллектора. В пространстве размещения коммутационной перемычки, соосно с центральной трубкой, установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d=4,2 мм упомянутого плоского кругового кольца. Предохранительный элемент, выполненный в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ=3,4 мм, с внутренним диаметром d₂=2,5 мм и длиной l₂=5 мм, отвечает соотношениям (1) и (2), т.е. d_ПЭ ≤ d-2·δ_МЭЗ и Н > l₂ > h_к+δ. Цилиндрический стакан и трубка цилиндрического коллектора выполнены из сплава на основе Nb. Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из монокристаллического W. На поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, и на внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора нанесено покрытие из сплава на основе поликристаллического W. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ и плоского МЭЗ установлены дистанционаторы, выполненные из Sc₂O₃. Цилиндрические коллекторы двух соседних ЭГЭ электрически отделены через изоляторы из Al₂O₃. Общими для всех ЭГЭ в электрогенерирующей сборке являются коллекторная изоляция, выполненная из Al₂O₃ толщиной 0,7 мм, и корпус ЭГС, выполненный из сплава Nb толщиной 0,3 мм.

Покажем насколько суммарно будет увеличена эмиссионная поверхность ТЭП (F_ЭМ) для каждого ЭГЭ, при использовании в ЭГЭ дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки.

В приведенном конструктивном исполнении ЭГС F_ЭМ, будет складываться из поверхности цилиндрического эмиттера (F_ЭЦ) и поверхности первой торцевой крышки (F_ЭТ).

F_ЭЦ=π·D_E·L=π·16,6·59=3077 мм² ≈ 31 см².

$$F_{ЭТ}=\pi \cdot (D_E^2/\cdot 4-d_{ПЭ}^2/4)=\pi \cdot (16,6^2/\cdot 4-3,4^2/4)=207м{м}^2\approx 2,1с{м}^2$$ .

F_ЭМ=F_ЭЦ+F_ЭТ=31+2,1=33,1 см²

Приведем пример, для второго варианта, исполнения электрогенерирующей сборки.

Второй вариант (фиг. 3) отличается от первого только конструкцией и размещением цилиндрического стакана. Оболочка ТЭУ, также как в первом варианте, состоит из цилиндрического эмиттера, выполненного из монокристаллического вольфрама длиной L=59 мм, и двух плоских торцевых крышек. В области между вторыми торцевыми крышками двух соседних электрогенерирующих элементов, находящимися на расстоянии Н+L, где Н=11 мм - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, установлен цилиндрический стакан. Причем боковая стенка цилиндрического стакана одновременно является цилиндрическим коллектором ЭГЭ. Цилиндрический стакан выполнен в виде прямого кругового цилиндра высотой l_ст=L+δ+h_к=59+0,05+1=60,05 мм. Здесь значения параметров δ=50 мкм = 0,05 мм и hк=1 мм приняты такими же, как и в первом варианте. Значения остальных параметров, а также принятых материалов для исполнения конструктивных элементов электрогенерирующей сборки выбраны аналогично первому варианту исполнения ЭГС. Поэтому суммарное увеличение эмиссионной поверхности ТЭП (F_ЭМ) Для каждого ЭГЭ, при использовании в ЭГЭ дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки, будет аналогичным первому варианту F_ЭМ=33,1 см².

По результатам приведенных выше расчетных примеров необходимо отметить следующее. Использование в качестве эмиттера первой торцевой крышки, дополнительно к цилиндрическому эмиттеру, увеличивает не только суммарную поверхность эмиссии, но и эффективность ЭГЭ. Величину плоского МЭЗ технологически проще выполнить значительно меньшей, чем коаксиального МЭЗ (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм). При одинаковых температурах эмиттера плотность генерируемой электрической мощности в плоском ТЭП, при уменьшении величины МЭЗ, существенно увеличивается [13, с. 341]. Поэтому использование дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки позволяет повысить КПД и среднюю удельную мощность ЭГЭ. Кроме того, как показывают исследования характерных температур по эмиттерной оболочке ЭГЭ [3], примерно на трети площади цилиндрической эмиттерной оболочки, температура плавно снижается, примерно на 200-300 K, от максимального значения по направлению ко второй торцевой крышке ЭГЭ, связанной с коммутационной перемычкой. А поскольку ток эмиссии, в соответствии с формулой Ричардсона-Дешмана [13, с. 328], экспоненциально зависит от температуры эмиттера, то это приводит к заметному снижению эффективности цилиндрического эмиттера примерно на трети его поверхности. Поэтому, несмотря на небольшую прибавку в площади эмиссии первой торцевой крышки, ее вклад в суммарную электрическую мощность ЭГЭ можно ожидать значительно большей.

Приведенные выше соотношения (1) и (2) в первом и втором вариантах:

d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ; (1)

H>l₂>h_к+δ; (2)

логично вытекают из конструкций рассмотренных на фиг. 2-4.

Так соотношение (1), как видно из фиг. 4, определено в первую очередь необходимостью беспрепятственного прохода паров цезия в плоский МЭЗ и коаксиальный МЭЗ.

Соотношение (2), как видно из фиг. 2-4, определено необходимостью предотвращения конденсации паров ТМ, выходящих вместе с ГПД из ЦГП, в плоский и коаксиальный МЭЗ. Поэтому длина l₂ предохранительного элемента должна быть больше h_к+δ и позволяла вывести пары ТМ через предохранительный элемент в полость «холодной» ловушки, где и они локализуются конденсируясь на стенках «холодной» ловушки.

Необходимо отметить, что предложение использовать в качестве оболочки ТЭУ монокристаллический W, а также делать за одно целое предохранительный элемент, ГОУ и первую торцевую крышку из монокристаллического тугоплавкого металла, в данном случае W, вызвано тем, что взаимодействие ТМ на основе соединений урана с тугоплавкими металлами в широком интервале температур сводится к диффузии компонентов топлива в материал конструкции. Известно, что для поликристаллических сплавов зерно-граничная диффузия на несколько порядков превышает объемную диффузию [14, с. 175], характерную для монокристаллических сплавов, тем самым предотвращается проникновение ТМ в конструкцию и ее разрушение.

На поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, и на внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора (вариант 1) или на внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана (вариант 2) нанесено покрытие из сплава на основе поликристаллического W. Поскольку, при использовании монокристаллического эмиттера из W, для этой W-W электродной пары характерны высокая однородность эмиссионно-адсорбционных свойств по поверхности, достаточно низкие значения приведенной степени черноты и массопереноса в рабочих условиях [15].

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет:

1) повысить КПД преобразования тепловой энергии, выделяемой в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующей сборки, в электрическую энергию за счет увеличения эффективной площади термоэмиссионного преобразования цилиндрических ЭГЭ включающее использование в качестве дополнительного эмиттера «горячей» торцевой крышки, через которую осуществлен вывод газообразных продуктов деления;

2) снизить вероятность конденсации UO₂ в межэлектродных зазорах ЭГЭ (коаксиальном и плоском), за счет установки цилиндрического стакана и предохранительного элемента, и тем самым повысить стабильность энергетических характеристик и ресурс ЭГС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Патент RU 2095881 C1, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. Опубл. 10.11.1997.

3. Корнилов В.А. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных электрогенерирующих каналов // Сб. РКТ. Сер. 12. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Королев. 1996. Вып. 2-3. С. 99-112.

4. Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях / Бекмухамбетов Е.С., Карнаухов А.С., Корнилов В.А. и др. // Ракетно-космическая техника: Труды РКК "Энергия". Сер. 12. 1996, вып. 2-3. С. 113-131.

5. Корнилов В.А. Инженерная методика оценки ресурсоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента в случае выхода из строя системы удаления газообразных продуктов деления // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 192-197.

6. Патент RU 2195741 С2, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов. Опубл. 27.12.2002.

7. Патент RU 2138880 H01J 45/00. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов. Опубл. 27.09.1999.

8. Корнилов В.А. Исследование областей работоспособности системы вывода газообразных продуктов деления из термоэмиссионных твэлов в координатах обобщенных переменных // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 99-104.

9. Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчета температурных полей топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента / Атомная энергия. - 1980. - Т. 49. Вып. 6. - С. 393-394.

10. Корнилов В.А. Критериальное прогнозирование работоспособности вентилируемого термоэмиссионного твэла // Атомная энергия. 2002. Т. 93, вып. 1. С. 75-78.

11. Корнилов В.А. Некоторые проблемы обеспечения работоспособности вентилируемого твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 79-85.

12. Патент RU 2191442 С2, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. Опубл. 20.10.2002.

13. О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Литовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: «Высшая школа», 1978.

14. Б.С. Бокштейн. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.

15. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса / Агеев В.П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. // В сб.: РКТ Под ред. И.Г. Пульхровой, ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С. 25-33.

Изобретение может быть использовано в космической технике и атомной энергетике при создании высокоэффективных космических ядерных энергетических установок на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя. В электрогенерирующей сборке (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя, состоящей из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором (МЭЗ), каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел (ТЭУ), включающий топливный материал (ТМ) на основе UO₂, заключенный в оболочку, в пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного ЭГЭ и второй торцевой крышкой соседнего ЭГЭ, расположенными на расстоянии Н<L, установлен цилиндрический стакан, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора ЭГЭ, причем дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора, выполнено в виде плоского кругового кольца, соосно с центральной трубкой ГОУ в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки. Технический результат - повышение КПД преобразования тепловой энергии, выделяемой в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующей сборки, в электрическую энергию преобразования цилиндрических ЭГЭ, снижение вероятности конденсации UO₂ в межэлектродных зазорах ЭГЭ (коаксиальном и плоском) и тем самым повышение стабильности энергетических характеристик и ресурса ЭГС. Раскрыт второй вариант устройства. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя, состоящая из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе диоксида урана, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, отличающаяся тем, что в пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, расположенными на расстоянии H<L, установлен цилиндрический стакан, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора электрогенерирующего элемента, причем дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D, внутренним диаметром d и толщиной h_K, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана, обращенная в сторону пространства размещения коммутационной перемычки и находящаяся с ней в контакте, выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_CT<H с внешним диаметром D и толщиной стенки h, равной толщине трубки цилиндрического коллектора, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям: d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ; H>l₂>h_K+δ.

2. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер.

3. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического вольфрама.

4. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрический стакан, трубка цилиндрического коллектора и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе ниобия.

5. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что на внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора нанесено коллекторное покрытие из сплава на основе вольфрама.

6. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, нанесено покрытие из сплава на основе вольфрама.

7. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя, состоящая из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе диоксида урана, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, отличающаяся тем, что в области между вторыми торцевыми крышками двух соседних электрогенерирующих элементов, находящимися на расстоянии H + L, где H - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, причем H<L, установлен цилиндрический стакан, дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с коммутационной перемычкой, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D и внутренним диаметром d и толщиной h_K, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_CT=L+δ+h_K с внешним диаметром D и толщиной стенки h и является цилиндрическим коллектором электрогенерирующего элемента, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям: d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ; H>l₂>h_K+δ.

8. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 7, отличающаяся тем, что предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер.

9. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 7, отличающаяся тем, что предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического вольфрама.

10. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 7, отличающаяся тем, что цилиндрический стакан и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе ниобия.

11. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 7, отличающаяся тем, что на поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, нанесено покрытие из сплава на основе вольфрама.

12. Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя по п. 7, отличающаяся тем, что на внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана нанесено покрытие из сплава на основе вольфрама.