Тепловыделяющий элемент-преобразователь (ТЭП) Российский патент 2018 года по МПК G21C3/02 

Данное изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при модернизации и разработке новых ядерных реакторов атомных электростанций, в том числе портативных электростанций для питания судов, подводных лодок, электрических реактивных двигателей самолетов и других мобильных устройств.

Известны тепловыделяющие элементы современных ядерных реакторов, которые применяются в большинстве действующих атомных электростанций, например, патент 2347289 RU, который взят в качестве прототипа. Указанный тепловыделяющий элемент ядерного реактора (ТВЭЛ), как и большинство известных ТВЭЛ, имея множество достоинств, не может преобразовывать тепловую энергию, выделяющуюся при ядерных реакциях на оболочке сердечника ТВЭЛ, в электрическую энергию, что является большим недостатком прототипа, патент 2347289 RU и других известных ТВЭЛ

Целью настоящего изобретения является создание тепловыделяющего элемента-преобразователя (ТЭП), тепловой энергии, получаемой оболочкой сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора в электрическую энергию. При этом, с целью упрощения использования ТЭП в действующих ядерных реакторах, как и при создании новых ядерных реакторов, в тепловыделяющем элементе-преобразователе (ТЭП) могут быть сохранены основные присоединительные размеры ТВЭЛ, их топливных сердечников и топливных элементов.

Указанная цель достигается созданием вакуумного диода-преобразователя тепловой энергии оболочки тепловыделяющего элемента в электрическую энергию. При этом оболочка тепловыделяющего элемента служит катодом, а анодом служит металлическая труба, установленная на изоляторах вокруг оболочки тепловыделяющего элемента, исключающих короткое замыкание между катодом и анодом. Для создания вакуума предусмотрены штуцер откачки воздуха и газопоглотители.

Тепловыделяющий элемент-преобразователь состоит из сердечника, герметизирующей оболочки сердечника, служащую катодом диодного преобразователя и анода, закрепленного на оболочке сердечника с помощью изоляторов Фиг. 1. Расстояние между катодом и анодом устанавливается 2-2,5 миллиметров. Толщина анода должна обеспечивать механическую прочность анода.

Описание конструкции. Штуцер 1, Фиг. 1, имеет присоединительные размеры верхней концевой заглушки применяемых в настоящее время тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), герметично соединен с анодом сварочным швом 2 и служит для откачки воздуха из пространства между катодом и анодом. Газопоглотитель 3 служит для поглощения остаточных газов и улучшения вакуума между катодом и анодом. Металлизированный изолятор 4 и диэлектрическая металлизированная втулка 13 служат для установки требуемого зазора между катодом и анодом. Сварочные соединения 12 и 14 обеспечивают герметичное соединение нижней заглушки 15, тепловыделяющего элемента-преобразователя. Место сварки 5, верхней заглушки 6, с оболочкой сердечника 8, обеспечивает герметизацию тепловыделяющего элемента в его верхней части. Металлизированный изолятор 4 обеспечивает симметричное, относительно оболочки ТВЭЛ, крепление анода 11. Фиксатор топлива 7, оболочка топливного сердечника 8 и сердечник 10 конструктивные элементы, применяемые в настоящее время в ТВЭЛ. Покрытие оболочки сердечника ТВЭЛ, которая является катодом ТЭП, 9, служит для увеличения тока насыщения вакуумного диода. Это покрытие может быть оксидным, вольфрамовым поликристаллическим или вольфрамовым монокристаллическим. Кристаллографическая плоскость монокристалла, обращенная к аноду, должна иметь наибольший ток насыщения катода. Трубчатый анод ТЭП 11, может охлаждаться так же, как охлаждаются ТВЭЛ в действующих конструкциях ядерных реакторов или другим известным способом, например, воздушным радиатором.

Тепловыделяющие элементы-преобразователи размещается в тепловыделяющих сборках (ТВС), аналогично размещению ТВЭЛ в тепловыделяющих сборках. При этом, по аналогии с ТВЭЛ, ТВС состоят из нескольких тепловыделяющих элементов-преобразователей. Катоды и аноды ТЭП могут соединяться последовательно, параллельно или смешанно. Варианты схем соединения анодов и катодов ТЭП в сборках представлены на Фиг. 2.

Фиг. 2, а) наглядно поясняет увеличение тока и напряжения на ТЭП, которые изображены в виде вакуумных диодных преобразователей. При подключении к цепочке последовательно соединенных диодных преобразователей Д1 - Д4 нагрузки из двух параллельно соединенных диодных преобразователей Д5 и Д6 так, что положительное напряжение подано на аноды, а отрицательное на катоды Д5 и Д6. Поданное напряжение на Д5 и Д6 вызывает увеличения тока в параллельно включенных преобразователях. Увеличение тока преобразователей Д5, Д6 вызовет увеличение тока во всей цепи последовательно соединенных преобразователей, при этом увеличится напряжение на диодных преобразователях Д1 - Д4, что увеличит ток в цепочке Д5 и Д6 и получается цепная реакция, которая прекратится только после достижения тока насыщения в цепочке Д1-Д4.

Явления повышения напряжения источника питания при подключении нагрузки к источнику питания на основе вакуумных диодных термопреобразователей, подвигло автора на создание данного изобретения.

В обычных выпрямителях, аккумуляторах, батарейках при подключении нагрузки происходит падение напряжения источника питания, из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.

На Фиг 2 б) изображена схема питания электродвигателя постоянного тока, который может приводить во вращение ротор генератора переменного тока. Нагрузкой источника питания, может быть умформер и другие потребители электрической энергии.

Тепловыделяющий элемент-преобразователь тепловой энергии, выделяемой ядерной реакцией на оболочке сердечника ТВЭЛ, работает следующим образом.

При протекании ядерной реакции в сердечнике ТВЭЛ, выделяется большое количество тепла, оболочка сердечника нагревается до высокой температуры, при которой в вакууме, вокруг оболочки сердечника образуется облако электронов, с энергией больше энергии связи электрона с атомами оболочки сердечника. Часть электронов достигает анода, заряжая его отрицательно, при этом оболочка сердечника, являющаяся катодом, теряет электроны и заряжается положительно. Разность потенциалов между катодом и анодом служит источником питания для потребителей электроэнергии.

Важным обстоятельством является то, что при подключении нагрузки к ТЭП, поток электронов увеличивается, из-за уменьшения отрицательного напряжения между анодом и катодом, за счет падения напряжения на нагрузке, что позволяет создать мощный электрический источник питания.

Для охлаждения анода ТЭП могут использоваться применяемые в настоящее время системы охлаждения ТВЭЛ, или другие устройства охлаждения, например, воздушные радиаторы.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при модернизации и разработке новых ядерных реакторов атомных электростанций, в том числе портативных электростанций для питания судов, подводных лодок, электрических реактивных двигателей самолетов и других мобильных устройств. Тепловыделяющий элемент-преобразователь тепловой энергии оболочки сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора в электрическую энергию содержит топливный сердечник, оболочку топливного сердечника, фиксатор топлива, концевые заглушки. Вокруг трубчатой оболочки топливного сердечника установлен трубчатый анод, изолированный от оболочки топливного сердечника изоляторами. Оболочка топливного стержня и трубчатый анод образуют вакуумный диод, катодом в котором является оболочка топливного сердечника, для создания вакуума предусмотрен штуцер откачки и газопоглотители. Технический результат – создание тепловыделяющего элемента-преобразователя тепловой энергии, получаемой оболочкой сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора, в электрическую энергию с сохранением основных присоединительных размеров твэлов, их топливных сердечников и топливных элементов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловыделяющий элемент-преобразователь тепловой энергии оболочки сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора в электрическую энергию, содержащий топливный сердечник, оболочку топливного сердечника, фиксатор топлива, концевые заглушки, отличающийся тем, что вокруг трубчатой оболочки топливного сердечника установлен трубчатый анод, изолированный от оболочки топливного сердечника изоляторами; оболочка топливного стержня и трубчатый анод образуют вакуумный диод, катодом в котором является оболочка топливного сердечника, для создания вакуума предусмотрен штуцер откачки и газопоглотители.

2. Тепловыделяющий элемент по п. 1, отличающийся тем, что трубчатая оболочка топливного сердечника, служащая катодом, покрыта веществом, снижающим энергию выхода электронов из катода и увеличивающим ток насыщения катода.