RU2168794C1

RU2168794C1 - Stack-arrangement thermionic converter reactor

Info

Publication number: RU2168794C1
Application number: RU2000103844A
Authority: RU
Inventors: В.В. Синявский; В.Д. Юдицкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering and space engineering; space power units. SUBSTANCE: reactor has power-generating stacks in the form of pressurized vessel accommodating coolant, cooled power-generating thermionic assemblies, and headers for coolant dispensing and accumulating; headers are placed at ends of stacks; mounted above or inside coolant dispensing header is additional coolant-accumulation header; at least one power-generating assembly inside power-generating stack is made in the form of coolant pipeline hydraulically connected to dispensing header and to additional coolant-accumulation header; coolant outlet pipe is connected to additional coolant-accumulation header. Coolant pipeline may be heat-insulated or mounted inside pressurized pipe in a spaced relation and filled with gas or evacuated. EFFECT: simplified assembly procedure and reduced size of reactor. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерно-энергетических установок. The invention relates to nuclear energy and space technology and can be used to create predominantly space nuclear power plants.

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 мощностей не более 100 кВт и относительно невысокого ресурса. ТРП на быстрых нейтронах могут быть созданы на мощности от 100 кВт до мегаватного уровня. The thermionic reactor-converter (TRP) of a space nuclear power plant (NPP) can be based on thermal, intermediate, and fast neutrons. TRP on thermal (and intermediate) neutrons due to the presence in the core of the moderator can be created only up to a power of not more than 100 kW and a relatively low resource. Fast neutron propellants can be created at power from 100 kW to megawatts.

Известен ТРП на тепловых нейтронах космической ЯЭУ "Топаз" [1]. Он содержит активную зону (АЗ), 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. Known TRP on thermal neutrons of the space nuclear power plant "Topaz" [1]. It contains an active zone (AZ), consisting of a moderator and thermionic power generating assemblies. (EHS), commonly referred to as thermionic power generating channels (EHC), a reflector in which controls are placed in the form of rotary drums. EHS from the outside are cooled by a heat carrier in the form of a eutectic NaK alloy.

Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года. Such a TRP successfully worked out in space, generating an electric power of about 5 kW for about a year.

Известен ТРП на быстрых нейтронах по патенту [2]. Он содержит АЗ, набранную из ЭГС и бустерных твэл, снабженных системой вывода газообразных осколков деления. Такой ТРП имеет относительно малый объем АЗ, 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. Known TRP on fast neutrons according to the patent [2]. It contains AZ, recruited from EHS and booster fuel rods, equipped with a system for removing gaseous fission fragments. Such a TRP has a relatively small volume of AZ, and therefore, a small mass of radiation protection. However, the ground-based development of such a TRP requires a large amount of work, since the bulk of the tests to verify technical solutions and the development of reliability indicators should be performed during nuclear power tests of the TRP or even a nuclear power plant with TRP.

Известен ТРП по патенту [3]. Он содержит АЗ, 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. Known TRP patent [3]. It contains a AZ composed of EGCs and booster fuel elements, which are compactly housed in an additional sealed enclosure equipped with an autonomous cooling system. Such a TRP has a relatively small volume of the core and, therefore, a small mass of radiation protection. However, the ground-based development of such a TRP requires a large amount of work, since the bulk of the tests to verify technical solutions and the development of reliability indicators should be performed during nuclear power tests of the TRP or even a nuclear power plant with TRP.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП пакетной схемы (модульной схемы) на быстрых нейтронах для космической ЯЭУ большой мощности, описанный в [4]. ТРП содержит АЗ, 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. The closest to the invention in technical essence is the TRP of a packet scheme (modular scheme) for fast neutrons for high-power space nuclear power plants described in [4]. TRP contains AZ, recruited from hydraulically independent power generating packages (EGP), consisting of a housing, inside which are placed thermionic EHS. Each EGP in the TRP has an independent cooling system in the form of an autonomous lithium circuit with coolant collectors located at the ends, having nozzles for entering and leaving the coolant. The controls in the form of rotary drums are located in the side reflector of the TRP.

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 безядерной 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. Such a TRP can also have a relatively low mass and is designed for electric power from 100-150 kW to several megawatts. The modular construction of the TRP significantly simplifies experimental testing, since the bulk of the tests to verify technical solutions and develop reliability indicators can be performed with bench-based non-nuclear testing of EGP with electric heating. However, the introduction of modular construction, on the one hand, simplifies the assembly of the heat transfer unit, since it is assembled from a limited number of EGPs, and on the other hand, it complicates the assembly, since it requires the placement of a large number of pipelines with a coolant on both sides of the heat transfer unit. It also increases the dimensions of the TRP, and therefore, the mass of radiation protection from radiation from the reactor.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является упрощение сборки и уменьшение габаритов ТРП и, следовательно, массы радиационной защиты ЯЭУ с ТРП. The technical result achieved by using the invention is to simplify the assembly and reduce the dimensions of the TRP and, consequently, the mass of radiation protection of a nuclear power plant with TRP.

Указанный технический результат достигается в ТРП пакетной схемы, содержащем не менее двух ЭГП в виде герметичного корпуса, снабженного патрубками для входа и выхода теплоносителя, с размещенными внутри корпуса охлаждаемыми теплоносителем, термоэмиссионными ЭГС и коллекторами раздачи и сбора теплоносителя, размещенными у двух торцов ЭГП, в котором над или внутри коллектора раздачи теплоносителя установлен дополнительный коллектор сбора теплоносителя, не менее чем одна ЭГС внутри ЭГП выполнена в виде трубопровода теплоносителя, который гидравлически соединен с коллектором раздачи и дополнительным коллектором сбора теплоносителя, причем патрубок для выхода теплоносителя подсоединен к дополнительному коллектору сбора теплоносителя. Трубопроводы теплоносителя снаружи могут быть окружены теплоизоляцией и (или) установлены внутри герметичной трубы с зазором, заполненным газом или отвакуумированным. The specified technical result is achieved in the TRP of a batch circuit containing at least two EGPs in the form of a sealed enclosure equipped with nozzles for entering and leaving the coolant, with the cooled coolant located inside the enclosure, thermionic EHS and collectors of distribution and collection of coolant located at the two ends of the EGP, in which an additional collector for collecting the coolant is installed above or inside the collector of the coolant, at least one EHS inside the EGP is made in the form of a coolant pipe The second one is hydraulically connected to the distribution manifold and an additional collector for collecting the coolant, and the nozzle for the exit of the coolant is connected to the additional collector for collecting the coolant. Heat carrier pipelines outside can be surrounded by thermal insulation and (or) installed inside a sealed pipe with a gap filled with gas or evacuated.

Чертежи фиг. 1-4 поясняют суть предлагаемого ТРП пакетной (модульной) схемы. На фиг. 1 приведен поперечный разрез ЭГП, на фиг. 2 - поперечное сечение ТРП, а на фиг. 3 и 4 - варианты изготовления трубопровода. The drawings of FIG. 1-4 explain the essence of the proposed TRP batch (modular) scheme. In FIG. 1 shows a cross section of the EGP, in FIG. 2 is a cross section of the TRP, and in FIG. 3 and 4 - manufacturing options for the pipeline.

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. Часть ЭГС 6 выполнена в виде трубопроводов 8 теплоносителя. ЭГС 6 всех ЭГП 1 образуют активную зону ТРП. Выше и ниже торцов ЭГС 6 расположены соответственно коллектор 9 раздачи теплоносителя и коллектор 10 сбора теплоносителя 7. Выше коллектора 9 раздачи теплоносителя расположен дополнительный коллектор 11 сбора теплоносителя. Подвод теплоносителя в ЭГП осуществляется через патрубок 12, подсоединенный к коллектору 9, а отвод - через патрубок 13, подсоединенный к дополнительному коллектору 11. Трубопроводы 8 гидравлически соединяют коллектор 10 сбора теплоносителя и дополнительный коллектор 11 сбора теплоносителя. Трубопроводы 8 могут быть изготовлены в виде теплоизолирующей системы. На фиг. 3 показан вариант выполнения трубопровода 8 в виде наружной трубки 14, слоя теплоизоляции 15 и внутренней трубки 16 (трехслойной трубы металл-керамика-металл), внутри которой протекает теплоноситель 7. На фиг. 4 показан вариант выполнения теплоизоляции трубопровода 8, когда трубопровод 8 установлен внутри герметичной трубы 17 с зазором 18, заполненным газом или отвакуумированным. The TRP contains an EGP 1 and a side reflector 2, in which the TRP controls are located in the form of rotary cylinders 3 with neutron-absorbing plates 4. The EGP includes a sealed housing 5, inside of which are thermionic EHS 6, the outer casings of which are cooled by a heat carrier 7, for example, a eutectic alloy NaK or Li. Part of the EHS 6 is made in the form of pipelines 8 coolant. EHS 6 of all EGP 1 form the active zone of the TRP. Above and below the ends of the EHS 6 are located respectively the collector 9 of the distribution of coolant and the collector 10 of the collection of coolant 7. Above the collector 9 of the distribution of coolant is an additional collector 11 of the collection of coolant. The coolant is supplied to the EGP through a pipe 12 connected to a collector 9, and the discharge is through a pipe 13 connected to an additional collector 11. Pipelines 8 hydraulically connect a collector 10 for collecting the coolant and an additional collector 11 for collecting the coolant. Pipelines 8 can be made in the form of a heat insulating system. In FIG. 3 shows an embodiment of a pipeline 8 in the form of an outer tube 14, a layer of thermal insulation 15 and an inner tube 16 (a three-layer metal-ceramic-metal pipe), inside which the coolant 7 flows. FIG. 4 shows an embodiment of the thermal insulation of the pipe 8 when the pipe 8 is installed inside the sealed pipe 17 with a gap 18 filled with gas or evacuated.

ЭГС 6 снабжены токовыводами 19, которые в коммутационной камере 20 коммутируются, например, последовательно-параллельно, для получения требуемого напряжения и тока ЭГП. Из коммутационной камеры 19 через герметичные выводы идут два токовывода 21. The EHS 6 are equipped with current outputs 19, which are switched in the switching chamber 20, for example, in series-parallel, to obtain the required voltage and current of the EHP. From the switching chamber 19 through the sealed leads are two current leads 21.

ТРП работает следующим образом. TRP works as follows.

В исходном состоянии размещенные в отражателе 2 поворотные цилиндры 3 находятся в положении поглощающими накладками 4 к активной зоне с ЭГП 1. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 3 таким образом, что накладки 4 отходят от активной зоны с ЭГП 1. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГС 6, расположенных внутри корпуса 5 каждого из ЭГП 1. In the initial state, the rotary cylinders 3 located in the reflector 2 are in the position of the absorbing plates 4 to the core with the EGP 1. Therefore, the TRP is not critical and in this state it is launched into space as part of the nuclear power plant. In a radiation-safe orbit, for example, with a height of 500 - 800 km, a nuclear power plant is launched. To do this, automatically, upon command from the Earth or the control system of the nuclear power plant (or spacecraft), the rotary cylinders 3 are turned so that the pads 4 extend from the core with the EGP 1. The reaction of fission of fuel material in the cores of the EGS 6 located inside the body 5 of each EGP 1.

Выделяющееся тепло отводится с наружной поверхности корпусов ЭГС 6 теплоносителем 7, например, эвтектическим сплавом NaK или жидким Li, подаваемым в каждый ЭГП 1. Схема движения теплоносителя 7 в ЭГП показана стрелками. Теплоноситель из системы охлаждения ЯЭУ (на схемах не показана) подается в каждый ЭГП 1 через входной патрубок 12, из которого попадает в коллектор 9 раздачи теплоносителя и затем в активную зону, где охлаждает наружные поверхности ЭГС 6. Подогретый теплоноситель попадает в коллектор 10 сбора теплоносителя, где поток теплоносителя разворачивается на 180^o и через трубопроводы 8, установленные вместо нескольких ЭГС 6, попадает в дополнительный коллектор 11, откуда через патрубок 13 попадает в систему охлаждения ЯЭУ.The generated heat is removed from the outer surface of the EHS 6 housings by the heat carrier 7, for example, a eutectic NaK alloy or liquid Li supplied to each EHP 1. The movement pattern of the coolant 7 in the EHP is shown by arrows. The coolant from the cooling system of the nuclear power plant (not shown in the diagrams) is supplied to each EGP 1 through the inlet 12, from which it enters the collector 9 of the distribution of coolant and then into the active zone, where it cools the outer surfaces of the EHS 6. The heated coolant enters the collector 10 of the coolant , where the coolant flow is turned through 180 ^o and through pipelines 8 installed instead of several EHS 6, it enters an additional manifold 11, from where it enters the cooling system of the nuclear power plant through the pipe 13.

Если трубопровод 8 изготовлен из металла, то возможна рекуперация, т.е. переток тепла из подогретого теплоносителя, протекающего внутри трубопровода, к теплоносителю 7, протекающему снаружи трубопровода 8. Поэтому желательно трубопровод 8 сделать теплоизолирующим, например, в виде наружной трубки 14, слоя теплоизоляции 15 и внутренней трубки 16 или в виде наружной трубки 17, внутрь которой с зазором 18, заполняемым газом или отвакуумированным, вставлен трубопровод 8. В этих случаях переток тепла от нагретого теплоносителя, протекающего внутри трубки 16 (трубопровода 8), к теплоносителю, протекающему снаружи трубки 14 или 17, т.е. через стенки трубопровода 8, будет минимально возможным и тем самым эффективность охлаждения ЭГС за счет введения трубопроводов 8 не ухудшится. If the pipeline 8 is made of metal, recovery is possible, i.e. heat transfer from the heated coolant flowing inside the pipeline to the coolant 7 flowing outside the pipe 8. Therefore, it is desirable to make the pipe 8 heat-insulating, for example, in the form of an outer tube 14, a layer of insulation 15 and an inner tube 16, or in the form of an outer tube 17, inside of which with a gap 18, filled with gas or evacuated, pipe 8 is inserted. In these cases, heat transfer from the heated coolant flowing inside the tube 16 (pipe 8) to the coolant flowing outside the tube 14 if 17, i.e., through the walls of the pipeline 8, it will be the minimum possible and thereby the cooling efficiency of the EHS due to the introduction of the pipelines 8 will not deteriorate.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в ЭГС 6 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. ЭГС 6 снабжены токовыводами 21, с помощью которых внутри корпуса 5 ЭГП 1 ЭГС 6 коммутируются параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. Коммутация осуществляется в коммутационной камере 19, из которой с помощью изолированных от корпуса токовывоводов 20 электроэнергия попадает потребителю или в устройства внешней коммутации (на схеме не показаны). Непреобразованная в ЭГС 6 теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем 7, как это описано выше, и затем с помощью системы охлаждения сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (на чертеже не показано). After reaching the working level of thermal power, a working fluid (cesium vapor) is supplied to the EHS 6 and they begin to generate electricity. EHS 6 is equipped with current leads 21, with which inside the housing 5 EHP 1 EHS 6 are switched in parallel, sequentially or parallel-sequentially. Switching is carried out in the switching chamber 19, from which, using isolated current leads 20 from the electric power, is supplied to the consumer or to external switching devices (not shown in the diagram). The heat of the thermodynamic cycle that was not converted to EHS 6 is removed by the heat carrier 7, as described above, and then, using a cooling system, it is discharged into space by radiation in a refrigerator-emitter (not shown in the drawing).

Таким образом, предложенное решение, когда трубопроводы подвода и отвода теплоносителя расположены с одного торца ТРП, существенно упрощает сборку ТРП из ЭГП, позволяет использовать один из торцов ЭГП для размещения коммутационной камеры. В результате отсутствия трубопроводов с теплоносителем у одного из торцов ТРП нет необходимости размещать их вдоль наружной поверхности ТРП, увеличивая тем самым габариты ТРП. В результате ТРП становится более компактным и, следовательно, требуется меньший диаметр радиационной защиты полезного груза КА от вторичного излучения трубопроводов. Это приводит к уменьшению массы ЯЭУ. Thus, the proposed solution, when the pipelines for supplying and discharging the coolant are located at one end of the heat exchanger, significantly simplifies the assembly of the heat exchanger from the EGP, and allows one of the ends of the EGP to be used to place the switching chamber. As a result of the absence of pipelines with a coolant, one of the ends of the TRP does not need to place them along the outer surface of the TRP, thereby increasing the dimensions of the TRP. As a result, TRP becomes more compact and, therefore, a smaller diameter of radiation protection of the spacecraft payload from secondary radiation of pipelines is required. This leads to a decrease in the mass of the NPP.

Источники информации
1. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз". - Атомная энергия. 1974. Т.36, вып. 6. С. 450-454.Sources of information
1. Kuznetsov V.A., Gryaznov G.M., Artyukhov G.Ya. et al. Development and creation of a thermal emission nuclear power plant "Topaz". - Atomic Energy. 1974.V.36, no. 6.P. 450-454.

2. Патент RU 2076385 C1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.03.97. Бюл. N 9. 2. Patent RU 2076385 C1, MKI H 01 J 45/00. Thermal emission reactor converter. Publ. 03/27/97. Bull. N 9.

3. Патент RU 2086036 C1, МКИ H 01 J 45/00. Термоэмисионный реактор-преобразователь. Опубл. 27.07.97. Бюл. N 21. 3. Patent RU 2086036 C1, MKI H 01 J 45/00. Thermal emission reactor converter. Publ. 07/27/97. Bull. N 21.

4. Разработка, изготовление и испытания полномасштабного имитатора электрогенерирующего пакета модульной космической ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения / П.И.Быстров, В.П.Кириенко, Г.А.Купцов и др. // 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. 4. Development, manufacture and testing of a full-scale simulator of the power generating package of a modular space nuclear power plant with a lithium-niobium cooling system / P.I. Bystrov, V. P. Kirienko, G. A. Kuptsov and others // Rocket-space technology. Proceedings of RSC Energia named after S.P. Koroleva. Series 12: Ed. RSC "Energy", Korolev, Moscow 1996. Issue 2-3. S.64-69, Fig. 3.

Claims

1. The thermionic emission reactor-converter of the batch circuit, containing at least two electric generating packets in the form of a sealed enclosure, equipped with nozzles for entering and exiting the heat carrier, with the thermally emitted electric generating assemblies and the distribution and collection collectors of the heat carrier located at the ends of the packet located inside the housing, characterized in the fact that an additional collector for collecting the coolant is installed above the collector or inside the distribution medium of the coolant, not less than to thermionic power generating assembly within the package is designed as a coolant conduit, which is hydraulically connected to the distribution manifold and the additional coolant collection manifold, wherein the pipe is connected to the coolant outlet manifold to collect additional coolant.

2. The thermionic reactor-converter of the batch circuit according to claim 1, characterized in that the coolant pipe is insulated.

3. The thermionic emission reactor-converter of the batch circuit according to claim 1, characterized in that the coolant pipe is installed inside the sealed pipe with a gap filled with gas or evacuated.

4. The thermionic reactor-converter of the batch circuit according to claim 1, characterized in that the nozzles for entering and leaving the coolant are located at one end of the thermionic reactor-converter.