RU2172041C1

RU2172041C1 - Thermionic converter reactor

Info

Publication number: RU2172041C1
Application number: RU2000103849A
Authority: RU
Inventors: В.В. Синявский; В.Д. Юдицкий
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; spacecraft nuclear power units. SUBSTANCE: converter reactor has power-generating stacks. Each stack is, essentially, pressurized vessel accommodating power- generating fuel assemblies and two coolant headers placed on two ends of power-generating stacks. Each stack incorporates internal partition that functions to hydraulically separate fuel assemblies of stack and one of headers to form two groups. Coolant inlet and outlet pipes are connected to respective parts of partition-separated header. Partition may be made of heat-insulating material. EFFECT: simplified design, reduced size and mass of radiation shield. 2 cl, 3 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 мегаваттного 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 a power of 100 kW to a megawatt level.

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 (EGS), usually called thermionic power generating channels (EGC), a reflector in which the controls are 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 на 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 typed on an EGC and booster fuel rods, 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 модульная схема ТРП на быстрых нейтронах для космической ЯЭУ большой мощности, описанная 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 торцев коллекторами теплоносителя, имеющими патрубки для входа и выхода теплоносителя. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов. Closest to the invention in technical essence is a modular scheme of TRP on 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 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. 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 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 nuclear-free testing of EGP with electric heating. However, the introduction of modular construction on the one hand simplifies the assembly of TRP, since it is assembled from a limited number of EGPs, on the other hand, complicates the assembly, since it requires the placement of a large number of pipelines with a coolant on both sides of the TRP. 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, содержащим не менее двух 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 торцев ЭГП, в котором внутри 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. Перегородка может быть выполнена теплоизолирующей. The specified technical result is achieved in a TRP containing at least two EGPs in the form of a sealed enclosure equipped with nozzles for entering and exiting the coolant, with thermoemissive EHS located inside the enclosure and two collectors of the coolant located at the ends of the EGP, in which a partition is installed inside the EGP, hydraulically separating the EHS placed in the package into two groups and one of the coolant collectors in two parts, and the nozzles for entering and leaving the coolant are connected to each of astey divided manifold wall. The partition can be made insulating.

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 - продольный и поперечный сечения ЭГП, из которых набрана активная зона ТРП. In FIG. 1-3 are structural diagrams explaining the essence of the proposed technical solution, namely: in FIG. 1 shows the cross section of the TRP, and in FIG. 2 and FIG. 3 - longitudinal and cross section of the EGP, from which the active zone of the TRP.

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 в верхний коллектор, разделенный перегородкой 10 на две части: первую часть 11, куда через патрубок 8 подается теплоноситель, и вторую часть 12, откуда через патрубок 9 отводится теплоноситель. Стрелками на фиг. 2 показано течение теплоносителя в ЭГП. С противоположной стороны размещен нижний коллектор 13. ЭГС 6 внутри ЭГП 1 разделены перегородкой 14 на две части. Перегородки 10 и 14 могут быть выполнены за одно целое (в виде одной перегородки), а также теплоизолирующими, например, в виде трехслойного соединения металл-теплоизоляция-металл. Возможно изготовление перегородки в виде двухслойной конструкции с вакуумным зазором. ЭГС 6 снабжены токовыводами 15, которые в коммутационной камере 16 коммутируются, например, последовательно-параллельно, для получения требуемого напряжения и тока ЭГП. Из коммутационной камеры 16 через герметичные выводы идут два токовывода 17. 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, NaK eutectic alloy or Li. The coolant is supplied and removed through pipes 8 and 9, respectively, to the upper collector, divided by a partition 10 into two parts: the first part 11, where coolant is supplied through the pipe 8, and the second part 12, from where coolant is removed through the pipe 9. The arrows in FIG. 2 shows the flow of coolant in the EGP. The lower collector 13 is located on the opposite side. The EHS 6 inside the EHP 1 is divided by a partition 14 into two parts. Partitions 10 and 14 can be made in one piece (in the form of a single partition), as well as insulating, for example, in the form of a three-layer metal-thermal insulation-metal compound. It is possible to manufacture partitions in the form of a two-layer structure with a vacuum gap. The EHS 6 are equipped with current leads 15, which are switched in the switching chamber 16, for example, in series-parallel, to obtain the required voltage and current of the EHP. From the switching chamber 16 through the sealed leads are two current output 17.

ТРП работает следующим образом. TRP works as follows.

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 500 - 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 АЗ. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГС 6 каждого из ЭГП 1. In the initial state, the rotary cylinders 3 are in the position of the absorbing plates 4 to the AZ with EGP 1. Therefore, the TRP is not critical and in this state it is launched into space as part of the NPP. 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, the rotation of the rotary cylinders 3 is carried out in such a way that the plates 4 extend from the AZ. The reaction of fission of the fuel material in the cores of the EHS 6 of each of the EGP 1 begins.

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 первую часть 11 разделенного перегородкой 10 верхнего коллектора, из которой он попадает в первую по ходу теплоносителя группу ЭГС (часть активной зоны ТРП, образованную с помощью перегородки 14 половиной ЭГС 6). Протекающий теплоноситель 7 охлаждает ЭГС 6 первой группы и затем попадает в нижний коллектор 13, где поток теплоносителя разворачивается на 180^o и попадает на вход второй по ходу теплоносителя части активной зоны, образованной второй группой ЭГК 6. Протекающий теплоноситель 7 охлаждает ЭГС 6 второй группы и затем попадает во вторую часть 12 верхнего коллектора, из которой через патрубок 9 он поступает в систему охлаждения ЯЭУ (на схеме не показана). Если перегородки 10 и 14 изготовлены из металла, то возможна рекуперация, т.е. переток тепла из теплоносителя, протекающего во второй группе ЭГС, к теплоносителю, протекающему в первой группе ЭГС. Поэтому желательно перегородку сделать теплоизолирующей. В этом случае переток тепла через перегородку будет минимально возможным и тем самым эффективность охлаждения ЭГС не ухудшится. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в ЭГС 6 обеих групп 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 16, из которой с помощью изолированных от корпуса токовыводов 17 электроэнергия попадает потребителю или в устройства внешней коммутации (на схеме не показаны). Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем, как это описано выше, и затем сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (на схеме не показано).The generated heat is removed from the outer surface of the EHS 6 casings by the coolant 7, for example, NaK or Li, supplied to each EHP 1. The coolant 7 is supplied to the EHP through the inlet 8, from which it enters the first part 11 of the upper collector separated by a partition 10 from which it enters in the first along the coolant group of the EHS (part of the active zone of the TRP formed by the partition 14 half of the EHS 6). The flowing coolant 7 cools the EGS 6 of the first group and then enters the lower manifold 13, where the flow of the coolant is turned 180 ^° and enters the inlet of the second part of the active zone formed by the second group of EGCs 6. The flowing coolant 7 cools the EHS 6 of the second group and then it enters the second part 12 of the upper collector, from which through the pipe 9 it enters the cooling system of the nuclear power plant (not shown in the diagram). If the partitions 10 and 14 are made of metal, recovery is possible, i.e. heat transfer from the coolant flowing in the second EHS group to the coolant flowing in the first EHS group. Therefore, it is desirable to make the partition heat-insulating. In this case, the transfer of heat through the partition will be the minimum possible and thereby the cooling efficiency of the EHS will not deteriorate. After reaching the working level of thermal power in the EHS 6 of both groups, a working fluid (cesium vapor) is supplied and they begin to generate electricity. EHS 6 inside EHP 1 are switched in parallel, sequentially or parallel-sequentially. Switching is carried out in the switching chamber 16, from which, with the help of current leads 17 isolated from the housing, the electric energy enters the consumer or into external switching devices (not shown in the diagram). The unconverted heat of the thermodynamic cycle is removed by the heat carrier, as described above, and then is discharged into space by radiation in the refrigerator-emitter (not shown in the diagram).

Таким образом, предложенное решение, когда трубопроводы подвода и отвода теплоносителя расположены с одного торца ТРП, существенно упрощает сборку ТРП из ЭГП. В результате отсутствия трубопроводов с теплоносителем у одного из торцев 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 TRP, significantly simplifies the assembly of the TRP from the EGP. As a result of the absence of pipelines with a coolant, one of the ends of the TRP does not have 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.К оролева. 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 et al. // Space rocket technology. Proceedings of RSC Energia named after S.P.K oroleva. Series 12: Ed. RSC Energia, Korolev Mosk. reg. 1996. Issue. 2-3. from. 64-69, fig. 3.

Claims

1. Thermionic reactor-converter, containing an active zone of at least two power generating packages in the form of a sealed enclosure, equipped with nozzles for entering and leaving the coolant, with thermally emitted power generating assemblies located inside the enclosure and two coolant collectors located at the ends of the packet, characterized in that a partition is installed inside the power generation package that hydraulically separates the power generation assemblies located in the package into d there are two groups and one of the coolant collectors in two parts, and the nozzles for entering and leaving the coolant are connected to each part of the collector separated by a partition.

2. Thermionic reactor-converter according to claim 1, characterized in that the partition is made insulating.