Термоэмиссионный реактор-преобразователь

 

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерных энергоустановок. Сущность изобретения: в термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП), содержащем электрогенерирующие пакеты (ЭГП) в виде герметичного корпуса, снабженного размещенными у одного из торцов патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри него охлаждаемыми теплоносителем термоэмиссионными электрогенерирующими сборками (ЭГС), раздаточным и сборным коллекторами теплоносителя, размещенными у двух торцов ЭГП, причем к сборному коллектору подсоединен патрубок для выхода теплоносителя, в котором внутри каждого ЭГП соосно с ЭГС установлена не менее чем одна трубка для подачи теплоносителя, один конец которой гидравлически соединен с патрубком для входа теплоносителя, а другой конец гидравлически соединен с раздаточным коллектором теплоносителя. Технический результат - повышение эффективности генерации электроэнергии в ТРП при сохранении компактности и простоты сборки за счет обеспечения возможности работы всех ЭГС в примерно одинаковых условиях по температуре теплоносителя и снижения перетечек тепла из одной части активной зоны ТРП в другую. 3 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерно-энергетических установок.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) может быть на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах. ТРП на тепловых (и промежуточных) нейтронах из-за наличия в активной зоне замедлителя могут быть созданы лишь до электрических мощностей не более 100 кВт и относительно невысокого ресурса. ТРП на быстрых нейтронах могут быть созданы на мощности от 100 кВт до мегаватного уровня.

Известен ТРП на тепловых нейтронах космической ЯЭУ "Топаз" [1]. Он содержит активную зону (A3), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), отражателя, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов. ЭГС снаружи охлаждаются теплоносителем в виде эвтектического сплава NaK. Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года.

Известен ТРП на быстрых нейтронах по патенту [2]. Он содержит AЗ, набранную из ЭГС и бустерных ТВЭЛ. Такой ТРП имеет относительно малый объем AЗ и, следовательно, малую массу радиационной защиты.

Однако наземная отработка такого ТРП требует большого объема работ, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности должен быть выполнен при ядерно-энергетических испытаниях ТРП или даже ЯЭУ с ТРП.

Известен ТРП по патенту [3]. Он содержит AЗ, набранную из ЭГК и бустерных ТВЭЛ, которые размещены компактно в дополнительном герметичном корпусе, снабженном автономной системой охлаждения. Такой ТРП имеет относительно малый объем активной зоны и, следовательно, малую массу радиационной защиты.

Однако наземная отработка такого ТРП требует большого объема работ, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности должен быть выполнен при ядерно-энергетических испытаниях ТРП или даже ЯЭУ с ТРП.

Достаточно близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах модульной схемы для космической ЯЭУ большой мощности, описанный в [4] . ТРП содержит AЗ, набранную из гидравлически независимых электрогенерирующих пакетов (ЭГП), состоящих из корпуса, внутри которого размещены термоэмиссионные ЭГС. Каждый ЭГП в ТРП имеет независимую систему охлаждения в виде автономного литиевого контура с размещенными у торцов коллекторами теплоносителя, имеющими патрубки для входа и выхода теплоносителя. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов.

Такой ТРП также может иметь относительно невысокую массу и проектируется на электрическую мощность от 100-150 кВт до нескольких мегаватт. Модульное построение ТРП существенно упрощает экспериментальную отработку, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности может быть выполнен при стендовой безъядерной отработке ЭГП с электронагревом.

Однако введение модульного построения, с одной стороны, упрощает сборку ТРП, так как он собирается из ограниченного числа ЭГП, с другой стороны, затрудняет сборку, так как требует размещения большого числа трубопроводов с теплоносителем с двух сторон ТРП. Это также увеличивает габариты ТРП, а следовательно, массу радиационной защиты от излучений реактора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП по патенту [5]. Он содержит активную зону из не менее двух электрогенерирующих пакетов (ЭГП) в виде герметичного корпуса, снабженного патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем термоэмиссионными ЭГС и двумя коллекторами теплоносителя, размещенными у торцов пакета, причем внутри каждого ЭГП установлена перегородка, гидравлически разделяющая размещенные в пакете ЭГС на две группы и один из коллекторов теплоносителя на две части, а патрубки для входа и выхода теплоносителя подсоединены к каждой из частей разделенного перегородкой коллектора.

Такой ТРП также может иметь относительно невысокую массу и проектируется на электрическую мощность от 100-150 кВт до нескольких мегаватт. Модульное построение ТРП существенно упрощает экспериментальную отработку, так как основной объем испытаний по проверке технических решений и отработке показателей надежности может быть выполнен при стендовой безъядерной отработке ЭГП с электронагревом. Размещение трубопроводов с одного торца ТРП упрощает сборку ТРП, уменьшает габариты и массу радиационной защиты.

Однако наличие в каждом ЭГП перегородки приводит к двум нежелательным последствиям, а именно наличию двух групп ЭГС, работающих при разных средних температурах теплоносителя, и, следовательно, температурах коллектора, и рекуперации тепла в активной зоне через перегородку. Первое приводит к снижению эффективности ТРП за счет того, что половина ЭГС работают не при оптимальной температуре коллектора с понижением плотности электрической мощности при одновременном повышении температуры эмиттеров ЭГС. Второе из-за перетечек тепла через перегородку из половины ЭГП с более "горячим" теплоносителем в другую половину с более "холодным" теплоносителем понижает эффективность теплосъема, требует увеличения расхода теплоносителя, а следовательно, повышенных затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя через активную зону ТРП.

Задачей изобретения является повышение эффективности генерации электроэнергии в ТРП при сохранении компактности и простоты сборки за счет обеспечения возможности работы всех ЭГС в примерно одинаковых условиях по температуре теплоносителя и снижения перетечек тепла из одной части активной зоны ТРП в другую.

Поставленная задача достигается в ТРП, содержащем не менее двух ЭГП в виде герметичного корпуса, снабженного размещенными у одного из торцов патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем термоэмиссионными ЭГС и раздаточным и сборным коллекторами теплоносителя, размещенными у двух торцов ЭГП, причем к сборному коллектору подсоединен патрубок для выхода теплоносителя, в котором внутри каждого ЭГП соосно термоэмиссионным ЭГС установлена не менее чем одна трубка для подачи теплоносителя, с одного конца гидравлически соединенная с патрубком для входа теплоносителя, а другой конец гидравлически соединен с раздаточным коллектором теплоносителя.

На фиг.1-3 приведены конструкционные схемы, поясняющие суть предложенного технического решения, а именно: на фиг.1 приведено поперечное сечение ТРП, а на фиг.2 и фиг.3 - продольное и поперечное сечения ЭГП, из которых набрана активная зона ТРП.

ТРП содержит ЭГП 1 и боковой отражатель 2, в котором размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 3 с поглощающими нейтроны накладками 4. ЭГП включает герметичный корпус 5, внутри которого размещены термоэмиссионные ЭГС 6, наружные корпуса которых охлаждаются теплоносителем 7, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод и отвод теплоносителя осуществляется соответственно через патрубки 8 и 9. Патрубок 8 для подвода теплоносителя гидравлически соединен с одним концом трубки 10, установленной соосно с термоэмиссионными ЭГС 6. Второй конец трубки 10 гидравлически соединен с раздаточным коллектором 11 теплоносителя. Длина трубки 10 не менее длины активной части ЭГС 6. Сборный коллектор 12 теплоносителя размещен с другого торца ЭГП и гидравлически соединен с патрубком 9 для отвода теплоносителя. Стрелками на фиг.2 показано течение теплоносителя в ЭГП. ЭГС 6 снабжены токовыводами 13, которые в коммутационной камере 14 коммутируются, например, последовательно-параллельно, для получения требуемого напряжения и тока ЭГП. Из коммутационной камеры 14 через герметичные выводы идут два токовывода 15.

ТРП работает следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 3 находятся в положении поглощающими накладками 4 к АЗ с ЭГП 1. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например высотой 800 км, производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ осуществляется разворот поворотных цилиндров 3 таким образом, что накладки 4 отходят от A3. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГС 6 каждого из ЭГП 1.

Выделяющееся тепло отводится с наружной поверхности корпусов ЭГС 6 теплоносителем 7, например NaK или Li, подаваемым в каждый ЭГП 1. Теплоноситель 7 в ЭГП подается через входной патрубок 8, из которого попадает в трубку 10, пройдя через которую, он попадает в раздаточный коллектор 11, в котором разворачивается на 180^o и поступает в зазоры между наружными поверхностями ЭГС 6. Протекающий теплоноситель 7, охлаждая ЭГС 6, подогревается и затем попадает в сборный коллектор 12, из которого через патрубок 9 поступает в систему охлаждения ЯЭУ (не показана).

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в ЭГС 6 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. ЭГС 6 внутри ЭГП 1 коммутируются параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. Коммутация осуществляется в коммутационной камере 14, из которой с помощью изолированных от корпуса токовыводов 15 электроэнергия попадает потребителю или в устройства внешней коммутации (не показаны). Непреобразованная в ЭГС 6 теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем 7, как это описано выше, и затем сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (не показано).

Так как трубка 10 изготовлена из металла, то будет иметь место рекуперация, т. е. переток тепла из теплоносителя 7, протекающего между ЭГС 6, в теплоноситель в трубке 10. Однако этот переток тепла будет существенно меньше, чем в прототипе ТРП с перегородкой, вследствие существенно меньшей поверхности теплообмена трубки и меньшего подогрева теплоносителя. Тем самым не потребуется увеличения расхода теплоносителя, а следовательно, повышенных затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя через активную зону ТРП. Тем самым эффективность ТРП повысится.

За счет того, что все ЭГС 6 охлаждаются практически одинаково, так как у них одинаковые температуры входа теплоносителя из раздаточного коллектора 11 и выхода теплоносителя в сборный коллектор 12, их параметры, в том числе средняя температура теплоносителя, могут быть выбраны оптимальными. Следовательно, ЭГС и соответственно ТРП будут работать в оптимальных режимах, т. е. при максимальной эффективности.

Таким образом, в компактном ТРП модульной схемы, в котором трубопроводы подвода и отвода теплоносителя расположены с одного торца каждого ЭГП, с упрощенной сборкой, введение в активную зону трубки для подачи теплоносителя с одного торца ТРП в раздаточный коллектор теплоносителя, расположенный на другом торце, позволяет повысить эффективность генерации электроэнергии за счет уменьшения рекуперации в активной зоне, обеспечения одинаковых условий работы в системе охлаждения всех ЭГС и снижения затрат на прокачку теплоносителя.

Источники информации 1. Кузнецов В.Д., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЗУ "Топаз". - Атомная энергия. 1974. Т.36, вып.6. С.450-454.

2. Патент RU 2076385 С1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.03.97. Бюл. 9.

3. Патент RU 2086036 С1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.07.97. Бюл. 21.

4. Быстров П.И. и др. Разработка, изготовление и испытания полномасштабного имитатора электрогенерирующего пакета модульной космической ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения. Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия" им. С.П. Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия", г. Королев Моск. обл. 1996. Вып.2-3. С.64-69, рис.3.

5. Патент RU 2172041 С1, H 01 J 45/00. G 21 D 7/04, G 21 C 3/40. Термоэмиссионный реактор-преобразователь. Опубл. 10.08.2001. Бюл. 22.

Формула изобретения

Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий активную зону из не менее двух электрогенерирующих пакетов в виде герметичного корпуса, снабженного размещенными у одного из торцов патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем термоэмиссионными электрогенерирующими сборками, раздаточным и сборным коллекторами теплоносителя, размещенными у двух торцов пакета, причем к сборному коллектору подсоединен патрубок для выхода теплоносителя, отличающийся тем, что внутри каждого пакета соосно термоэмиссионным электрогенерирующим сборкам установлена не менее чем одна трубка для подачи теплоносителя, один конец которой гидравлически соединен с патрубком для входа теплоносителя, а другой конец гидравлически соединен с раздаточным коллектором теплоносителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3