RU2159479C2

RU2159479C2 - Термоэмиссионный ядерный реактор

Info

Publication number: RU2159479C2
Application number: RU95105172/06A
Authority: RU
Inventors: М. Болл Руссел; Дж. Мэдэрэс Джон
Original assignee: Бвэкс Текнолоджис, Инк.
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 2000-11-20
Also published as: US5408510A

Abstract

Использование: для прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Сущность изобретения: устройство содержит термоэмиссионные тепловыделяющие элементы, образованные из множества концентрических цилиндров. Центральный цилиндр является совмещенной тепловой трубой и коллектором термоэмиссионного конвертера. Средний цилиндр является эмиттером конвертера. Между средним и внешним цилиндрами расположено ядерное топливо, в качестве которого используют UО₂. Внешний цилиндр является физическим барьером между тепловыделяющим элементом и замедлителем. Между внешним радиусом топлива и внешним цилиндром выполнен зазор, содержащий многослойную фольговую изоляцию, выполняющую функцию термического барьера между топливом и внешним цилиндром и вмещающую расширение топлива. Тепловыделяющие элементы размещены в баке ядерного реактора, заполненного водородным замедлителем. Технический результат заключается в повышении эффективности термоэмиссионного ядерного реактора при одновременном уменьшении его размеров. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области ядерных, в частности термоэмиссионных реакторов.

Термоэмиссионные реакторы используют термоэмиссионные преобразующие устройства для прямого преобразования тепла в электричество. Указанные преобразователи работают следующим образом. Нагревание катода приводит к смещению электронов из кристаллической решетки материала катода из-за увеличения их кинетической энергии. Указанные электроны поступают на анод, который подвергают охлаждению. Подключение двух указанных электродов к нагрузке приводит к появлению электрического тока в образовавшейся цепи. Использование термоэмиссионных устройств в комбинации с ядерными реакторами имеет особенные перспективы в случае использования их в космическом пространстве вне земной атмосферы из-за возможности снижения массы устройства при сохранении равных выходных характеристик устройства.

Известные термоэмиссионные реакторы используют два принципа - или термоэмиссия вне активной зоны, или использование термоэмиссионных тепловыводящих элементов.

Внезонные реакторы обычно имеют цилиндрическую форму активной зоны реактора с ядерным топливом высокой проводимости. В качестве топлива обычно используют UC₂. Термоэмиссионные устройства располагают вне активной зоны реактора. Теплопередача от ядерного топлива заставляет термоионные диоды генерировать электроэнергию. При высоких температурах, необходимых для эффективной работы термоионного диода, ядерное топливо увеличивается в объеме. Изолирование диодов от топлива устраняет влияние изменения объема топлива на эффективность работы указанных термоионных диодов. Использование указанных систем требует использования иного топлива, отличного от UC₂, для предотвращения разогрева топлива до чрезмерных температур. Даже с использованием топлива, имеющего высокую теплопроводность, указанный тип реактора ограничен относительно низкими уровнями мощности, вызванными необходимостью сохранения приемлемой температуры топлива.

Второй вид термоэмиссионного реактора использует термоэмиссионные тепловыделяющие элементы (TFE). TFE представляют собой цилиндрический термоионный диод с ядерным топливом, расположенным в центре диода. Оболочка тепловыделяющего элемента становится эмиттером и должна быть рассчитана на увеличение объема топлива и химическую активность многочисленных изотопов, образующихся в процессе расщепления. Эти устройства могут использовать более совершенные виды топлива, такие как UO₂, поскольку теплопроводящая дорожка от центра топливной таблетки до термоионного диода довольно коротка. Подобные устройства позволяют получить большую мощность, поскольку TFE превращается в модульный топливный элемент. Однако увеличение объема топлива приводит к появлению дополнительных проблем.

Устройства вне активной зоны содержат кольцевую зону с расположенными вокруг термоионными диодами снаружи и внутри кольцевого пространства. Подобная конструкция использует термоэмиссионный модуль тепловой трубы (ТНРМ). ТНРМ содержит цилиндрический термоионный диод, подобный TFE, но имеет центральную тепловую трубу для отвода тепла. Это устройство обеспечивает превращение энергии при одновременном отводе отработанного тепла в едином модуле. Указанная конфигурация имеет преимущество по сравнению с аналогичными конструкциями, поскольку использует в качестве горючего UО₂ вместо карбидного топлива. Одновременно конструкция обладает и определенными недостатками - ограничение размеров и температуры топлива.

Известен патент US 4755350, в основном характеризующий конструкцию теплового стока в центре термоэмиссионного преобразователя, используемого для поглощения энергии, вырабатываемой ядерным топливом вне конвертера. Центральный теплоприемник выполняет и функции замедлителя нейтронов таким образом, что замедление происходит внутри конвертера.

Известен патент US 5219516, характеризующий конструкцию тепловой трубы, проходящей снаружи термоэмиссионного излучателя и позволяющей улучшить распространение теплоты на поверхности эмиттера и сохранение постоянной температуры.

Известен патент US 5247548, характеризующий термоэмиссионный реактор, обеспечивающий получение электрической и двигательной энергии. В этом случае множество модулей термоэлектронных тепловых труб располагают на расстоянии друг от друга с шагом, позволяющим получение шестиугольника. Тепловыделяющие элементы установлены в промежутках между модулями термоэлектронных тепловых труб.

Известна конструкция термоэмиссионного реактора (Каретников Д. В. Термоэмиссионное преобразование энергии. - М.: Атомиздат, 1971), содержащего бак ядерного реактора, водородный замедлитель, расположенный в указанном баке, и множество термоэмиссионных тепловыводящих элементов, расположенных внутри указанного бака не касаясь друг друга, причем термоэмиссионные тепловыводящие элементы включают тепловую трубу с коллектором, эмиттер конвертера, расположенный вокруг внешней части тепловой трубы и концентрично тепловой трубе с коллектором с образованием кольцевого зазора между ними, кольцо ядерного топлива, расположенное концентрично эмиттера конвертера, и замкнутую оболочку, расположенную концентрично кольца ядерного топлива.

В основном, известные из уровня техники устройства используют центральный компонент ядерного топлива в качестве источника тепла, причем тепловая энергии излучается или выводится наружу в эмиттер термоэмиссионного преобразователя, в котором и происходит преобразование энергии. Отходящая тепловая энергия затем излучается в радиальном направлении наружу на систему переноса тепла, соединенную с конечным теплоприемником. Подобные устройства имеют два существенных недостатка.

Во-первых, явление увеличения объема ("распухания") ядерного топлива при высоких температурах и длительность этого процесса приводит к выделению ядерного топлива наружу, что вызывает увеличение радиуса эмиттера термоэмиссионного конвертера, приводящего к его контакту с коллектором и, следовательно, к короткому замыканию. Учитывая увеличение объема топлива, обычно увеличивают зазор между эмиттером конвертера и коллектором во избежание короткого замыкания. Указанное увеличение зазора приводит к снижению эффективности электрического преобразования. Во-вторых, в связи с тем, что эмиттер расположен вблизи поля нейтронного потока, материал эмиттера может отрицательно влиять на уровень потока, вызывающего расщепление ядра. Следовательно, промышленно выпускаемые устройства не эффективны.

Целью настоящего изобретения является увеличение эффективности термоэмиссионного генератора ядерного реактора при уменьшении его размеров.

Указанная цель достигается использованием конструкции термоэмиссионного ядерного реактора, содержащего бак ядерного реактора, водородный замедлитель, расположенный в указанном баке, и множество термоэмиссионных тепловыводящих элементов, расположенных внутри указанного бака не касаясь друг друга, термоэмиссионные тепловыводящие элементы включают тепловую трубу с коллектором, эмиттер конвертера, расположенный вокруг внешней части тепловой трубы и концентрично тепловой трубе с коллектором с образованием кольцевого зазора между ними, кольцо ядерного топлива, расположенное концентрично эмиттера конвертера, и замкнутую оболочку, расположенную концентрично кольца ядерного топлива, причем он дополнительно содержит изоляционный фольговый материал, способный сжиматься и расположенный концентрично кольцу ядерного топлива под замкнутой оболочкой, выполненной в форме цилиндра, эмиттер конвертера выполнен из вольфрама, а кольцо ядерного топлива выполнено из UО₂.

В дальнейшем изобретение будет раскрыто со ссылками на соответствующие чертежи, на которых схематично представлены детали изобретения, обозначенные цифровыми позициями.

На фиг. 1 схематично показано радиальное сечение активной зоны ядерного реактора.

Фиг. 2 показывает радиальное сечение термоэмиссионного тепловыделяющего элемента данного изобретения.

Подробное описание предпочтительного примера реализации
Как показана на чертеже /фиг.1/, изобретение обозначено позицией 10. Термоэмиссионный ядерный реактор /10/ состоит из ядерного реактора /12/ и множества термоэмиссионных ядерных тепловыделяющих элементов /14/. Баком /12/ ядерного реактора может служить любая подходящая емкость, в которой заключен водородный замедлитель /16/. Замедлитель в виде обыкновенной воды используется в предпочтительном варианте, но могут быть использованы и другие эффективные замедлители нейтронов.

Каждый термоэмиссионный тепловыделяющий элемент /14/ образован из ряда концентрических цилиндров, включающих совмещенную тепловую трубу и коллектор /18/, эмиттер конвертера /20/, кольцо ядерного топлива /22/, изоляцию /24/ и цилиндр /26/.

Тепловая труба с коллектором /18/ имеет коллектор /28/, расположенный на наружном диаметре трубы. В предпочтительном варианте толщина коллектора /28/ составляет примерно 2 мм. Холодный конец тепловой трубы соединен с конечным теплоприемником, но может быть соединен с промежуточной системой охлаждения. Кольцеобразный зазор /30/ образован между коллектором /28/ и эмиттером /20/ конвертера. Наиболее подходящий размер зазора/30/ составляет 0,25 мм. Он заполнен парами цезия, которые способствуют продвижению потока электронов от эмиттера /20/ к коллектору /28/. Эмиттер /20/ расположен вокруг и концентрично с тепловой трубой и коллектором /18/. Наиболее подходящая толщина эмиттера /20/ составляет 2,0 мм. Предпочтительно он изготавливается из вольфрама или другого подходящего материала, который может быть использован в качестве излучателя. Эмиттер /20/ находится в физическом контакте с внутренним радиусом кольца ядерного топлива /22/. Сжимающая нагрузка кольца ядерного топлива /22/ на эмиттере /20/ дает возможность для более эффективного зазора /30/, чем если бы эмиттер был напряжен, и снижает возможность неисправности агрегата. Кольцо ядерного топлива /22/ расположено вокруг и концентрично с эмиттером /20/ и образуется из обогащенного UO₂ или других химических веществ, способных к ядерному делению и подходящих для этого использования. В данной конструкции расстояние между внутренним и внешним диаметрами кольца ядерного топлива /22/ составляет 10 мм. Изоляция /24/ расположена в зазоре между топливным кольцом /22/ и цилиндром /26/ концентрично с топливным кольцом /22/ и предпочтительно является многослойной фольговой изоляцией, способной к сжатию, которая создает термический барьер между топливом и цилиндром /26/ и вмещает тепловое расширение топливного кольца /22/. Цилиндр /26/ является замкнутым цилиндром, расположенным вокруг и концентрично с изоляцией /24/, которая действует как физическая граница для предотвращения контакта между внутренними компонентами термоэмиссионного ядерного тепловыделяющего элемента /14/ и замедлителем /16/. Цилиндр /26/ предпочтительно образуется из металла, подходящего для этого применения, и его толщина составляет 1,0 мм.

В работе реакция деления ядра происходит внутри расщепляемого топлива, высвобождая тепловую энергию внутри топлива. Это происходит неравномерно внутри топливного кольца /22/, при этом большая часть энергии генерируется на внешнем участке топлива, уменьшаясь по направлению к внутреннему радиусу топлива. Это происходит в результате того, что замедлитель является внешним относительно каждого отдельного тепловыделяющего элемента так, что интенсивность деления довольно высока во внешнем участке топлива около замедлителя и низка во внутреннем участке топлива около эмиттера термоэмиссионного конвертера. Тепловая энергия проводится радиально внутрь благодаря термическому барьеру, создаваемому многослойной фольговой изоляцией /24/. Расположение электродов коллектора и эмиттера во внутренней части элемента дает большое свободное пространство для топлива и замедлителя. Это может быть использовано как для удержания, так и для выпуска газообразного продукта деления. Конвертер генерирует электрический потенциал между эмиттером /20/ и коллектором /28/. Отходное тепло отводится тепловой трубой /18/. Удаление отходного тепла через тепловую трубу в центре термоэмиссионного тепловыделяющего элемента /14/ и термический барьер между топливом и замедлителем позволяет использовать низкотемпературные водородные замедлители, такие как вода, гидрид циркония или полиэтилен. В то время как эмиттер /20/ требует использования вольфрама или другого материала, имеющего свойство проводимости для эффективного термоэмиссионного преобразования, такие материалы имеют высокое сечение поглощения электронов.

Однако в этом примере реализации изобретения негативное действие этих материалов на процесс расщепления атомного ядра незначителен из-за размещения эмиттера /20/ в области относительно низкого потока нейтронов. Это позволяет использовать материалы, которые более соответствуют для работы в термоэмиссионных конвертерах и дают более высокую конверсивную эффективность. Термоэмиссионные ядерные тепловыделяющие элементы /14/, эмиттеры и коллекторы соединены электрическим путем в параллельные и/или последовательные соединения для генерирования электроэнергии. Передача тепла из топлива в эмиттер происходит путем проводимости, что более эффективно, чем путь радиационной или конвекционной передачи тепла. Эта высокая эффективность позволяет топливу работать при более низкой температуре, чем в других термоэлектронных конструкциях и позволяет использовать в качестве топлива двуокись урана. В варианте фиг. 1, где 61 термоэмиссионный тепловыделяющий элемент, каждый из которых имеет длину приблизительно 800 мм, подсчитано, что при полной мощности реактора будет производиться примерно 100 кВт. Следует понимать, что фиг. 1 является схематическим изображением предпочтительного примера реализации термоэмиссионных ядерных тепловыделяющих элементов /14/ и что компоненты, обеспечивающие безопасность и контроль, известные в производстве, могут также включаться в зону реактора или отражатель реактора.

В связи с тем, что многие примеры могут быть реализованы с учетом объема изобретения, и в связи с тем, что могут иметь место многие модификации изобретения, детально описанного здесь, согласна требованиям закона о составлении описания, представленные здесь элементы и детали должны полностью толковаться как иллюстрация к чертежам, однако не ограничивающая сути изобретения.

Claims

Термоэмиссионный ядерный реактор, содержащий бак ядерного реактора, водородный замедлитель, расположенный в указанном баке, и множество термоэмиссионных тепловыводящих элементов, расположенных внутри указанного бака, не касаясь друг друга, причем термоэмиссионные тепловыводящие элементы включают тепловую трубу с коллектором, эмиттер конвертера, расположенный внутри внешней части тепловой трубы и концентрично тепловой трубе с коллектором с образованием кольцевого зазора между ними, кольцо ядерного топлива, расположенное концентрично эмиттеру конвертера, и замкнутую оболочку, расположенную концентрично кольцу ядерного топлива, отличающийся тем, что он дополнительно содержит изоляционный фольговый материал, способный сжиматься и расположенный концентрично кольцу ядерного топлива под замкнутой оболочкой, выполненной в форме цилиндра, эмиттер конвертера выполнен из вольфрама, а кольцо ядерного топлива выполнено из UO₂.