ЗАМЕДЛИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ГИДРИДА ЦИРКОНИЯ И ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H01J45/00 G21C3/40 

Группа изобретений относится к области ядерной энергетики с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использована при создании термоэмиссионных реакторов-преобразователей с замедлителем нейтронов, выполненным из материала на основе гидрида циркония.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к первому изобретению из заявленной группы изобретений является замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя, содержащий пакет элементов из материала на основе гидрида циркония (патент РФ №2042231, МПК Н01J 45/00, опубл. 20.08.1995).

Элемент известного замедлителя нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнен в форме диска, на поверхность которого нанесено двухслойное покрытие с низкой водородопроницаемостью, при этом внутренний слой покрытия выполнен из фосфорсодержащего материала, а наружный слой - из кислородсодержащего материала.

Недостатком известного замедлителя нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя является снижение ресурса его работы из-за увеличения выхода водорода из материала элементов замедлителя нейтронов при его рабочих температурах около 650°С. Двухслойное покрытие на элементах замедлителя нейтронов не является надежным барьером для диффузии водорода, поскольку в покрытии могут образоваться различные дефекты, в том числе микротрещины, например, при сборке активной зоны или во время работы термоэмиссионного реактора-преобразователя. Последующая диффузия водорода через конструктивные элементы термоэмиссионного реактора-преобразователя приводит к ухудшению его выходных характеристик и к уменьшению ресурса работы.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков к второму изобретению из заявленной группы изобретений является термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий ограниченную обечайкой и трубными досками активную зону, в которой расположены электрогенерирующие каналы, между которыми установлены в виде пакета элементы замедлителя нейтронов, выполненные из материала на основе гидрида циркония (патент РФ №2042231, МПК Н01J 45/00, опубл. 20.08.1995).

В известном термоэмиссионном реакторе-преобразователе элементы замедлителя нейтронов выполнены в форме дисков, которые имеют двухслойное покрытие с низкой водородопроницаемостью. Пакет дисков расположен в полости активной зоны, которая заполнена газовой средой, способствующей сохранению защитных свойств покрытия элементов замедлителя нейтронов. Для создания и подачи газовой среды в полость с элементами замедлителя нейтронов термоэмиссионный реактор-преобразователь содержит устройства для создания и подачи газовой среды в полость с элементами замедлителя нейтронов..

Недостатком известного термоэмиссионного реактора-преобразователя является необходимость проведения дополнительных мер для исключения возможного ухудшения его выходных характеристик в условиях эксплуатации при рабочих температурах замедлителя нейтронов около 650°С, что объясняется увеличением выхода водорода из материала элементов замедлителя нейтронов. Выход (потери) водорода из материала элементов замедлителя нейтронов приводит к уменьшению запаса реактивности термоэмиссионного реактора-преобразователя и, как следствие, к снижению его ресурса. Диффузия водорода через конструктивные элементы термоэмиссионного реактора-преобразователя приводит к попаданию водорода в межэлектродный зазор электрогенерирующего канала, что вызывает процессы деградации в электрогенерирующих каналах. Кроме этого, недостатком известного термоэмиссионного реактора-преобразователя является усложнение его конструкции из-за введения в нее устройств для создания и подачи газовой среды в полость с элементами замедлителя нейтронов.

Задачей настоящей группы изобретений является создание замедлителя нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя и термоэмиссионного реактора-преобразователя, обладающих высоким ресурсом работы.

Техническим результатом настоящей группы изобретений является предотвращение диффузии водорода, обусловленной увеличенным выходом водорода из материала элементов замедлителя нейтронов при его рабочих температурах около 650°С, за счет создания защитного барьера с высокими водородудерживающими свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что известный замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя, содержащий пакет элементов из материала на основе гидрида циркония, согласно заявленному изобретению снабжен герметичным контейнером, который выполнен из монокристаллического оксида алюминия, при этом пакет элементов из материала на основе гидрида циркония размещен в герметичном контейнере, а упомянутые элементы выполнены в виде таблеток.

Отличительные признаки заявленного изобретения, касающиеся размещения элементов замедлителя нейтронов в герметичном контейнере, который выполнен из монокристаллического оксида алюминия, позволяют создать защитный барьер для выхода водорода из материала на основе гидрида циркония. Данный барьер обеспечивается высокими водородудерживающими свойствами монокристаллического оксида алюминия.

Указанный технический результат достигается тем, что известный термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий ограниченную обечайкой и трубными досками активную зону, в которой расположены электрогенерирующие каналы и установленные в виде пакетов элементы замедлителя нейтронов, выполненные из материала на основе гидрида циркония, согласно заявленному изобретению снабжен металлическими чехлами с размещенными в них герметичными контейнерами, которые выполнены из монокристаллического оксида алюминия, при этом металлические чехлы установлены в активной зоне между электрогенерирующими каналами и концевыми частями неразъемно соединены с трубными досками, а в герметичных контейнерах размещены пакеты элементов замедлителя нейтронов, выполненных из материала на основе гидрида циркония, причем упомянутые элементы выполнены в виде таблеток.

Отличительные признаки заявленного изобретения, касающиеся выполнения элементов замедлителя нейтронов в виде таблеток и размещения пакета элементов замедлителя нейтронов в герметичном контейнере, который выполнен из монокристаллического оксида алюминия, позволяют создать дополнительный барьер для выхода водорода из материала элемента. Данный барьер обеспечивается высокими водородудерживающими свойствами монокристаллического оксида алюминия. В результате повышается надежность и ресурс работы термоэмиссионного реактора-преобразователя за счет предотвращения потерь водорода в замедлителе нейтронов и исключения процессов деградации в электрогенерирующих каналах. Помимо этого, упрощается по сравнению с известным термоэмиссионным реактором-преобразователем (прототипом) процесс эксплуатации термоэмиссионного реактора-преобразователя за счет исключения технологической операции, связанной с подачей газа в полости с элементами замедлителя. Отличительный признак, касающийся размещения герметичных контейнеров в металлических чехлах позволяет повысить надежность работы элементов замедлителя нейтронов и упростить сборку активной зоны за счет создания единой сборочной единицы.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя (общий вид, продольный разрез), на фиг. 2 показан термоэмиссионный реактор-преобразователь (общий вид, продольный разрез), на фиг. 3 представлен замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя, размещенный в металлическом чехле (общий вид, продольный разрез).

Замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя содержит пакет элементов, представляющих собой таблетки 1, которые выполнены из материала на основе гидрида циркония, например, из циркония Э110 или сплава ЦНА. Пакет таблеток 1 установлен в герметичном контейнере. Герметичный контейнер выполнен из материала с низкой водородопроницаемостью, в качестве которого использован монокристаллический оксид алюминия (лейкосапфир), который характеризуется также высокими тепловой и радиационной стойкостью, диэлектрическими свойствами и инертностью в агрессивных средах. Герметичный контейнер представляет собой цилиндрическую трубу 2, торцы которой герметично закрыты заглушками 3. Таблетки 1 из материала на основе гидрида циркония могут быть выполнены с покрытием с низкой водородопроницаемостью или без покрытия. На таблетках из циркония Э110 может быть выполнено покрытие, состоящее из двух слоев, Внутренний слой покрытия выполнен из фосфорсодержащего материала, а наружный слой - из кислородсодержащего материала. Покрытие с низкой водородопроницаемостью на таблетках 1 из сплава ЦНА сформировано путем термообработки на воздухе, в среде углекислого газа или в атмосфере водяного пара.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь с жидкометаллическим теплоносителем содержит активную зону, ограниченную цилиндрической обечайкой 4 и трубными досками 5, 6. В активной зоне размещены с определенным шагом электрогенерирующие каналы 7, между которыми также с определенным шагом расположены цилиндрические металлические чехлы 8. В цилиндрическом металлическом чехле 8 размещен герметичный контейнер, выполненный из монокристаллического оксида алюминия (лейкосапфира), в котором расположен пакет элементов замедлителя нейтронов, которые выполнены из материала на основе гидрида циркония, например, из циркония Э110 или сплава ЦНА. Элементы замедлителя нейтронов выполнены в виде таблеток 1. Таблетки 1 из материала на основе гидрида циркония могут быть выполнены с покрытием с низкой водородопроницаемостью или без покрытия. На таблетках из циркония Э110 может быть выполнено покрытие, состоящее из двух слоев, Внутренний слой покрытия выполнен из фосфорсодержащего материала, а наружный слой - из кислородсодержащего материала. Покрытие с низкой водородопроницаемостью на таблетках 1 из сплава ЦНА сформировано путем термообработки на воздухе, в среде углекислого газа или в атмосфере водяного пара. Герметичный контейнер представляет собой цилиндрическую трубу 2, торцы которой герметично закрыты заглушками 3. В цилиндрическом металлическом чехле 8 с обоих торцов герметичного контейнера установлены торцевые отражатели, выполненные в виде цилиндров 9. Цилиндрические металлические чехлы 8 герметично закрыты торцевыми крышками 10 и концевыми частями неразъемно соединены с трубными досками 5, 6, например, посредством сварного шва. Герметичный контейнер с пакетом таблеток 1 расположен в цилиндрическом металлическом чехле 8 на высоте, соответствующей активной части электрогенерирующих каналов 7. В цилиндрической обечайке 4 выполнены входной патрубок 11 и выходной патрубок 12, через которые осуществляются подвод и отвод жидкометаллического теплоносителя, охлаждающего наружные поверхности электрогенерирующих каналов 7 и цилиндрических металлических чехлов 9.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь с замедлителем нейтронов на основе гидрида циркония работает следующим образом.

Во время работы термоэмиссионного реактора-преобразователя в результате тепловыделения температура замедлителя нейтронов составляет величину около 650°С. При таком уровне температур происходит выход водорода из замедлителя нейтронов. Выполнение элементов замедлителя нейтронов в виде таблеток 1 и размещение таблеток 1 в герметичном контейнере, который выполнен из материала с низкой водородопроницаемостью, в качестве которого использован монокристаллический оксид алюминия (лейкосапфир), обеспечивает исключение диффузии водорода. Вышедший из материала замедлителя нейтронов водород остается в полости герметичного контейнера, что исключает последующее попадание водорода в межэлектродный зазор электрогенерирующего канала и не приводит к уменьшению ресурса работы термоэмиссионного реактора-преобразователя. Кроме этого, при выполнении таблеток 1 из материала на основе гидрида циркония без покрытия с низкой водородопроницаемостью вышедший из материала таблеток 1 водород при вышеуказанном уровне температур возвращается обратно в материал таблеток 1, что позволяет сохранить работоспособность замедлителя нейтронов.

Группа изобретений относится к области ядерной энергетики с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использована при создании термоэмиссионных реакторов-преобразователей с замедлителем нейтронов, выполненным из материала на основе гидрида циркония. Замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя содержит пакет элементов из материала на основе гидрида циркония, который размещен в герметичном контейнере, выполненном из монокристаллического оксида алюминия. Элементы из материала на основе гидрида циркония выполнены в виде таблеток. Термоэмиссионный реактор-преобразователь содержит ограниченную обечайкой и трубными досками активную зону, в которой расположены электрогенерирующие каналы, между которыми установлены металлические чехлы с размещенными в них герметичными контейнерами, которые выполнены из монокристаллического оксида алюминия,. Металлические чехлы концевыми частями неразъемно соединены с трубными досками, а в герметичных контейнерах размещены пакеты элементов замедлителя нейтронов, выполненных в виде таблеток из материала на основе гидрида циркония. Технический результат - предотвращение диффузии водорода, обусловленной увеличенным выходом водорода из материала элементов замедлителя нейтронов при его рабочих температурах около 650°С, за счет создания защитного барьера с высокими водородудерживающими свойствами. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Замедлитель нейтронов термоэмиссионного реактора-преобразователя, содержащий пакет элементов из материала на основе гидрида циркония, отличающийся тем, что замедлитель снабжен герметичным контейнером, который выполнен из монокристаллического оксида алюминия, при этом пакет элементов из материала на основе гидрида циркония размещен в герметичном контейнере, а упомянутые элементы выполнены в виде таблеток.

2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий ограниченную обечайкой и трубными досками активную зону, в которой расположены электрогенерирующие каналы и установленные в виде пакетов элементы замедлителя нейтронов, выполненные из материала на основе гидрида циркония, отличающийся тем, что реактор-преобразователь снабжен металлическими чехлами с размещенными в них герметичными контейнерами, которые выполнены из монокристаллического оксида алюминия, при этом металлические чехлы установлены в активной зоне между электрогенерирующими каналами и концевыми частями и неразъемно соединены с трубными досками, а в герметичных контейнерах размещены пакеты элементов замедлителя нейтронов, выполненных из материала на основе гидрида циркония, причем упомянутые элементы выполнены в виде таблеток.