Реактор-преобразователь Российский патент 2020 года по МПК G21C1/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ядерных энергетических установках с прямым преобразованием энергии.

Известен реактор-преобразователь (Грязнов Г.М., Пупко В.Я. ТОПАЗ-1 - советская космическая ядерно-энергетическая установка. Природа, 1991, №10, с. 29-36). Активная зона реактора набрана из располагающихся в замедлителе электрогенерирующих каналов (ЭГК). ЭГК содержит последовательно соединенные термоэмиссионные преобразователи, содержащие источники тепла в виде твэлов, оболочки которых являются эмиттерами, и отделенные от них кольцевым зазором коллекторы, через изолирующие прокладки соединенные с корпусом ЭГК, охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем, в которых кольцевой зазор между анодом (коллектором) и катодом (эмиттером электронов) промывается парами цезия, подаваемыми из цезиевого термостата с одного торца ЭГК и сбрасываемыми в окружающую среду на другом торце ЭГК. Недостатками известного решения являются: наличие в активной зоне относительно большого количества посторонних нейтронопоглощающих материалов; относительно высокая азимутальная и продольная неравномерность плотности теплового потока на эмиттерах термоэмиссионного преобразователя, обусловленная распределением потока нейтронов по объему активной зоны.

1. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является реактор ядерной энергетической установки ЭЛЬБРУС (М.К. Овчаренко, А.Н. Забудько, В.И. Ярыгин и др., «Концепция долгоресурсной ЯЭУ "Эльбрус-400/200" с эффективными низкотемпературными термоэмиссионными преобразователями, вынесенными из активной зоны», доклад на Международной научно-технической конференции «Ядерная энергетика в космосе-2005», Москва-Подольск, 1-3 марта 2005 г.). В едином прочном корпусе реактора размещен отражатель, 270 термоэмиссионных модулей (ТЭМ) и 55 стрежней безопасности в гексагональной упаковке. ТЭМ включает в себя чехол, в котором расположен твэл, высокотемпературная тепловая труба (ВТТ) и термоэмиссионный преобразователь (ТЭП). На внешней поверхности твэла из UO₂ размещена экранно-вакуумная теплоизоляция, а сквозь его внутреннее отверстие пропущена литиевая ВТТ из молибдена. ВТТ подводит тепло от твэла к ТЭП, расположенным в ее зоне конденсации. Поверхность чехла ТЭМ омывается жидкометаллическим теплоносителем.

Недостатками этого технического решения являются:

- наличие в активной зоне относительно большого количества посторонних нейтронопоглощающих материалов, что приводит к снижению запаса реактивности реактора;

- относительно высокая азимутальная неравномерность теплового потока подводимого к преобразователям энергии обусловленная распределением потока нейтронов по объему активной зоны.

Задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а именно, в снижении количества посторонних нейтронопоглощающих материалов в активной зоне и уменьшении азимутальной неравномерности плотности теплового потока подводимого к преобразователям энергии.

Для решения поставленной задачи в ядерном реакторе-преобразователе, содержащем корпус с размещенной в нем, образованной твэлами активной зоной и отражателем установленным вдоль наружной боковой поверхности корпуса в районе твэлов, причем боковая поверхность твэлов покрыта капиллярно-пористой структурой предлагается:

- ядерный реактор-преобразователь дополнительно снабдить капиллярно-пористой вставкой и блоком электрогенерирующих элементов располагающихся внутри корпуса;

- капиллярно-пористую вставку разместить в зазоре между смежными торцевыми частями активной зоны и блока электрогенерирующих элементов;

- боковую и обращенную к активной зоне торцевую поверхности электрогенерирующих элементов покрыть капиллярно-пористой структурой.

В частных случаях исполнения устройства предлагается:

- во-первых, капиллярно-пористую вставку выполнить в виде перфорированной перегородки;

- во-вторых, перфорированную перегородку выполнить в виде сотовой структуры с размером ячейки, по меньшей мере, соответствующей минимальному поперечному размеру электрогенерирующего элемента и твэла.

Технические результаты - повышение КПД ядерного реактора-преобразователя и увеличение запаса его реактивности.

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежа, где на фигуре 1 представлено схематическое изображение ядерного реактора-преобразователя, а на фигуре 2 - поперечное сечение ядерного реактора-преобразователя по капиллярно-пористой вставке. На фигурах приняты следующие позиционные обозначения: 1 - блок коммутационных камер и коллекторов; 2 - корпус; 3 - отражатель; 4 - паровое пространство; 5 - капиллярно-пористая вставка; 6 - твэл; 7 - электрогенерирующий элемент.

Ядерный реактор-преобразователь содержит корпус 2, отражатель 3, активную зону, блок электрогенерирующих элементов 7, капиллярно-пористую вставку 5 и блок коммутационных камер и коллекторов 1.

Активная зона, образованная твэлами 6, размещена в корпусе 2. Отражатель 3 установлен вдоль наружной боковой поверхности корпуса 2 в районе твэлов 6. Боковая поверхность твэлов 6 покрыта капиллярно-пористой структурой.

Капиллярно-пористая вставка 5 и блок электрогенерирующих элементов 7 расположены внутри корпуса 2.

Капиллярно-пористая вставка 5 размещена в зазоре между смежными торцевыми частями активной зоны и блока электрогенерирующих элементов 7.

В частном случае исполнения капиллярно-пористая вставка 5 выполнена в виде перфорированной перегородки, что обеспечивает улучшение передачи конденсата теплоносителя от электрогенерирующих элементов 7 к твэлам 6. Перфорированная перегородка собрана в виде сотовой структуры с размером ячейки, по меньшей мере, соответствующей минимальному поперечному размеру электрогенерирующего элемента 7 и твэла 6. Это гарантирует протекание конденсата между капиллярными структурами твэла 6 и электрогенерирующего элемента 7.

Боковая и обращенная к активной зоне торцевая поверхности электрогенерирующих элементов (7) покрыты капиллярно-пористой структурой.

Паровое пространство 4 внутри корпуса 2 заполнено паром щелочного металла, а капиллярно-пористая вставка 5 и капиллярная структура на поверхности твэлов и электрогенерирующих элементов 7 - конденсатом пара.

Со стороны блока электрогенерирующих элементов 7 на торце корпуса 2 размещен блок коммутационных камер и коллекторов 1.

Устройство работает следующим образом.

При выводе реактора-преобразователя на энергетический уровень мощности в твэлах 6 в результате деления ядер топлива нейтронами выделяется тепло и происходит разогрев оболочек твэлов 6 до рабочей температуры 1500-1700 К. Теплоноситель, содержащийся в жидкой фазе в капиллярной структуре на поверхности твэлов 6 испаряется. Пар внутри корпуса 2 через отверстия в капиллярно-пористой вставке 5 переносится к внешним поверхностям твэлов 6, где конденсируется на капиллярной структуре. Конденсат отдает теплоту испарения, нагревая электрогенерирующие элементы 7 до температуры твэлов 6. Конденсат теплоносителя по капиллярной структуре электрогенерирующих элементов 7 перетекает к капиллярно-пористой вставке 5 и по ней поступает к твэлам 6, частично растекаясь в радиальном направлении, запитывая капиллярную структуру на поверхности твэлов 6. За счет капиллярного потенциала осуществляется согласование мощности каждого твэла 6 с количеством подводимого конденсата. Подвод теплоносителя к внутренним полостям электрогенерирующего элемента 7 через блок коммутационных камер и коллекторов теплоносителя 1 обеспечивает рабочий перепад температуры между коллекторами и эмиттерами электрогенерирующего элемента 7.

Пример конкретного исполнения устройства.

Корпус 2 выполнен из молибдена. Отражатель 3 выполнен из металлического бериллия. Твэлы 6 с топливом на основе диоксида урана, очехлованы трубкой из молибденового сплава. Внешний диаметр твэла 10 мм. Электрогенерирующие элементы 7 выполнены стержневой формы с внешним чехлом из молибденового сплава. На внешних поверхностях чехлов твелов 6 и электрогенерирующих элементов 7 нанесена сетка саржевого плетения из молибдена. Внешний диаметр электрогенерирующего элемента 7 равен 20 мм.

Капиллярно-пористая вставка 5 выполнена в виде перфорированной перегородки, которая представляет собой сотовую структуру из деформированных лент сетки саржевого плетения из молибдена соединенных между собой контактной сваркой. Диаметр сотовой ячейки 10 мм. В качестве теплоносителя применен литий.

Проведенные аналитические оценки показали, что запас реактивности предложенного ядерного реактора-преобразователя, по сравнению с наиболее близким техническим решением, выше на 3,5%.

При удельном энергосъеме с поверхности электрогенерирующего элемента 7 равном 1,4 Вт/см² КПД предложенного ядерного реактора-преобразователя выше в 1,4 раза по сравнению наиболее близким техническим решением.

Преимущества предлагаемого ядерного реактора-преобразователя по сравнению с наиболее близким техническим решением демонстрируются в таблице.

Изобретение относится к реактору-преобразователю. Ядерный реактор-преобразователь содержит корпус (2), отражатель (3), активную зону, блок электрогенерирующих элементов (7), капиллярно-пористую вставку (5) и блок коммутационных камер и коллекторов (1). Активная зона, образованная твэлами (6), размещена в корпусе (2). Отражатель (3) установлен вдоль наружной боковой поверхности корпуса (2) в районе твэлов (6). Боковая поверхность твэлов (6) покрыта капиллярно-пористой структурой. Капиллярно-пористая вставка (5) и блок электрогенерирующих элементов (7) расположены внутри корпуса (2). Капиллярно-пористая вставка (5) размещена в зазоре между смежными торцевыми частями активной зоны и блока электрогенерирующих элементов (7). Боковая и обращенная к активной зоне торцевая поверхности электрогенерирующих элементов (7) покрыты капиллярно-пористой структурой. В частных случаях выполнения устройства, во-первых, капиллярно-пористая вставка (5) выполнена в виде перфорированной перегородки, и, во-вторых, перфорированная перегородка выполнена в виде сотовой структуры с размером ячейки, по меньшей мере, соответствующим минимальному поперечному размеру электрогенерирующего элемента (7) и твэла (6). Техническим результатом является повышение КПД ядерного реактора-преобразователя и увеличение его запаса реактивности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Ядерный реактор-преобразователь, содержащий корпус с размещенной в нем образованной твэлами активной зоной и отражатель, установленный вдоль наружной боковой поверхности корпуса в районе твэлов, причем боковая поверхность твэлов покрыта капиллярно-пористой структурой, отличающийся тем, что ядерный реактор-преобразователь дополнительно снабжен капиллярно-пористой вставкой и блоком электрогенерирующих элементов, расположенными внутри корпуса, капиллярно-пористая вставка размещена в зазоре между смежными торцевыми частями активной зоны и блока электрогенерирующих элементов, а боковая и обращенная к активной зоне поверхности электрогенерирующих элементов покрыты капиллярно-пористой структурой.

2. Ядерный реактор-преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что капиллярно-пористая вставка выполнена в виде перфорированной перегородки.

3. Ядерный реактор-преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что перфорированная перегородка выполнена в виде сотовой структуры с размером ячейки, по меньшей мере, соответствующим минимальному поперечному размеру электрогенерирующего элемента и твэла.