RU2076386C1

RU2076386C1 - Thermionic nuclear reactor-converter

Info

Publication number: RU2076386C1
Application number: RU94038403A
Authority: RU
Inventors: В.А. Корнилов; В.В. Синявский
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1994-10-11
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1997-03-27
Also published as: RU94038403A

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: thermionic nuclear reactor-converter has active core composed by thermionic channels for electric power generation and booster fuel rods which are placed near core neutron reflector with separation filled up by not less than one layers of thermionic channels for electric power generation to provide electric power output growing up. EFFECT: higher efficiency of reactor-converter operating. 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) преимущественно космического назначения. The invention relates to energy with thermionic conversion of thermal energy into electrical energy and can be used to create thermionic nuclear power plants (NPPs) mainly for space purposes.

В термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП) происходит как генерирование тепловой энергии при делении ядер урана, так и непосредственное преобразование ее в электрическую. In a thermionic converter reactor (TRP), both the generation of thermal energy during the fission of uranium nuclei and its direct conversion into electrical energy occur.

Элементарной ячейкой ТРП является электрогенерирующий элемент (ЭГЭ), а сборочной единицей электрогенерирующий канал (ЭГК), состоящий как правило из последовательно соединенных ЭГЭ. Наибольшее распространение получили ЭГЭ и соответственно ЭГК коаксиального типа. С целью получения минимальных размеров ТРП и максимального использования объема активной зоны (а.з.) для размещения ЭГК и получения таким образом максимальной электрической мощности снимаемой с единицы а.з. ТРП, используют реакторы на быстрых нейтронах, где в а.з. отсутствует замедлитель. Однако требования минимальных масс космической ЯЭУ приводят к необходимости дальнейшего уменьшения объема а.з. ТРП, что достигается с помощью замены части ЭГК на бустерные твэлы. Так в США [1] проводились исследования по разработке ЯЭУ электрической мощностью 40 кВт для обитаемой космической станции, жестко укрепленной на корабле, либо соединенной с ним гибкой связью; другим объектом исследования была ЯЭУ электрической мощностью 5-134 кВт для необитаемых объектов, включая питание электрического двигателя. Для этих установок рассматривались два вида реакторов:
1) на быстрых нейтронах с использованием бустерных твэлов из UN или UO₂;
2) на быстрых и промежуточных нейтронах, с использованием бустерных твэлов с замедлителем (U-ZrH).The unit cell of the TRP is an electricity generating element (EGE), and the assembly unit is an electricity generating channel (EGE), which usually consists of series-connected EGE. The most widespread EGE and, accordingly, EGC coaxial type. In order to obtain the minimum TRP size and maximize the use of the core volume (a.z.) for placing an EGC and thus obtain the maximum electric power removed from a unit a.z. TRP, they use fast neutron reactors, where no moderator. However, the requirements of the minimum masses of a space nuclear power plant lead to the need for a further decrease in the volume of a.s. TRP, which is achieved by replacing part of the EGC with booster fuel rods. So in the USA [1], research was conducted on the development of a nuclear power plant with an electric power of 40 kW for an inhabited space station, rigidly mounted on a ship, or connected to it by flexible communication; Another object of study was a nuclear power plant with an electric power of 5-134 kW for uninhabited objects, including powering an electric motor. For these plants, two types of reactors were considered:
1) fast neutrons using booster fuel rods from UN or UO ₂ ;
2) on fast and intermediate neutrons, using moderator booster fuel rods (U-ZrH).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах, активная зона которого состоит из ЭГК, часть которых заменена на бустерные твэлы с целью уменьшения объема а.з. [2]
Как показывает практика создания высокоэффективных ТРП, для обеспечения длительной работоспособности важно, чтобы ЭГК работали в примерно равных температурных условиях. Для этого необходимо выравнивание тепловыделения по объему а.з. ТРП.The closest to the invention in technical essence is TRP on fast neutrons, the active zone of which consists of EGCs, some of which are replaced by booster fuel rods in order to reduce the volume of a.z. [2]
As the practice of creating highly efficient TRP shows, to ensure long-term performance, it is important that EGCs operate in approximately equal temperature conditions. For this it is necessary to equalize the heat release by the volume of a.z. TRP.

Для ТРП на быстрых нейтронах с относительно толстым замедляющим отражателем существует неравномерность тепловыделения, причем наблюдаются два максимума тепловыделения: это в центральной части а.з. и всплеск тепловыделения на периферии а.з. ТРП у границы с отражателем [3] Ядерное профилирование, проводимое для выравнивания тепловыделения в а.з. ТРП, не всегда возможно, особенно для ТРП с малым объемом а.з. так как в твэлы ЭГК таких ТРП закладывается максимально возможное количество топливного материала. For TRPs with fast neutrons with a relatively thick moderating reflector, there is a non-uniformity of heat release, and two maximums of heat release are observed: this is in the central part of the a.z. and burst of heat on the periphery TRP at the border with the reflector [3] Nuclear profiling conducted to equalize the heat in the AC TRP is not always possible, especially for TRP with a small volume of a.z. since the maximum possible amount of fuel material is laid in the EGK fuel rods of such TRPs.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является выравнивание поля тепловыделения по сечению а.з. ТРП на быстрых нейтронах. The technical result achieved by using the invention is the alignment of the field of heat generation over the cross section a.z. TRP on fast neutrons.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащим отражатель, активную зону, набранную из термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и бустерных твэлов, отличающимся тем, что бустерные твэлы равномерно расположены у отражателя активной зоны и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов. The indicated technical result is achieved in a thermionic reactor containing a reflector, an active zone composed of thermionic electricity generating channels and booster fuel rods, characterized in that the booster fuel rods are uniformly located at the core reflector and are separated from the reflector by at least one layer of electric generating channels.

На чертеже приведена конструкционная схема предложенного ТРП. ТРП 1 содержит активную зону 2, которая набрана из ЭГК 3 и бустерных твэлов 4. Снаружи а. з. 2 размещен отражатель 5, в боковой части которого размещены органы СУЗ 6, например, в виде поворотных цилиндров с нейтронопоглощающими вставками 7. Бустерные твэлы 4, расположены (желательно равномерно по окружности) в области а.з. 2, где наблюдается минимум тепловыделения. Этот минимум тепловыделения расположен на периферии активной зоны на расстоянии примерно в 1-2 диаметра ЭГК от границы отражателя. Поэтому бустерные твэлы 4 должны быть расположены от границы отражателя 8 на расстоянии не менее чем в один слой ЭГК 3. Для равномерного снятия тепловой энергии с ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 в а.з. 2 ТРП 1 использован вытеснитель 9. The drawing shows a structural diagram of the proposed TRP. TRP 1 contains an active zone 2, which is composed of EGC 3 and booster fuel rods 4. Outside a. h. 2, a reflector 5 is placed, in the lateral part of which there are CPS elements 6, for example, in the form of rotary cylinders with neutron-absorbing inserts 7. Booster fuel rods 4 are located (preferably uniformly around the circumference) in the a.z. 2, where there is a minimum of heat. This minimum of heat generation is located on the periphery of the active zone at a distance of about 1-2 diameters of the EHC from the boundary of the reflector. Therefore, the booster fuel rods 4 should be located from the boundary of the reflector 8 at a distance of not less than one layer of the EGC 3. For uniform removal of thermal energy from the EGC 3 and the booster fuel rods 4 in the AC 2 TRP 1 used displacer 9.

Термоэмисионный реактор-преобразователь работает следующим образом. Thermionic reactor converter operates as follows.

После сборки ТРП 1 подсоединения его ко всем системам ЯЭУ, проводятся необходимые проверки и, при космическом использовании, ТРП 1 в составе ЯЭУ выводится в космос на радиационно-безопасную орбиту. After assembling the TRP 1, connecting it to all NPP systems, the necessary checks are carried out and, in space use, the TRP 1 as part of the NPP is put into space in a radiation-safe orbit.

По команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП 1 путем поворота органов СУЗ 6, расположенных в боковом отражателе 5 поглощающими вставками 7 от активной зоны 2. При достижении критичности ТРП 1, в топливном материале ЭГК 3 и бустерных твэлов 4 начинает выделяться тепло. Поскольку бустерные твэлы 4 имеют более высокую плотность по U²³⁵ по сравнению с ЭГК 3 и расположены они преимущественно равномерно по зоне минимума тепловыделения в а.з. 2 ТРП 1, то это приводит к выравниванию поля тепловыделения по а. з. 2 ТРОП 1, что положительно сказывается на эффективности работы ЭГК 3.At the command of the Earth, the TRP 1 is automatically launched by turning the BPS 6 located in the side reflector 5 with absorbing inserts 7 from the active zone 2. Upon reaching the criticality of the TRP 1, heat begins to be generated in the fuel material of the EGC 3 and booster fuel rods 4. Since the booster fuel rods 4 have a higher density in U ²³⁵ compared to EGC 3 and they are located predominantly uniformly over the zone of minimum heat generation in the AC 2 TRP 1, then this leads to alignment of the heat release field in a. h. 2 TROP 1, which positively affects the performance of EGC 3.

Как показали предварительные оценки, применительно к ТРП, предложение разместить бустерные твэлы у границы активной зоны, отделив их от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов, позволяет:
увеличить электрическую мощность ТРП при неизменной тепловой мощности ТРП за с чет более равномерного распределения тепловой мощности по объему активной зоны ТРП;
получить более высокие средние удельные энергетические характеристики, снимаемые с единицы объема активной зоны ТРП при неизменной максимальной температуре эмиттеров ЭГК;
получить более высокий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в ТРП за счет более равномерного распределения температуры эмиттерных оболочек ЭГЭ в ЭГК;
увеличить ресурс работы ТРП за счет более равномерного распределения нагрузки на эмиттеpные оболочки ЭГЭ в ЭГК от распухающего топливного материала.As preliminary estimates showed, in relation to TRP, the proposal to place booster fuel rods at the core boundary, separating them from the reflector with at least one layer of power generating channels, allows:
to increase the electric power of the TRP with a constant thermal power of the TRP, with even more uniform distribution of thermal power over the volume of the active zone of the TRP;
to obtain higher average specific energy characteristics, taken from a unit volume of the active zone of the TRP at a constant maximum temperature of the EGC emitters;
to obtain a higher efficiency of converting thermal energy into electrical energy into TRP due to a more uniform temperature distribution of the emitter shells of the EGE in the EGC;
increase the life of the TRP due to a more uniform distribution of the load on the emitter shells of the EGE in the EGC from swelling fuel material.

Claims

A thermionic converter reactor containing a reflector, an active zone composed of thermionic electricity generating channels and booster fuel rods, characterized in that the booster fuel rods are located in the region of the core reflector and are separated from the reflector by at least one layer of electric generating channels.