RU2173492C1

RU2173492C1 - Thermionic converter reactor

Info

Publication number: RU2173492C1
Application number: RU2000103848A
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: 2001-09-10

Abstract

FIELD: nuclear power engineering; space engineering; nuclear power and propelling plants for spacecraft. SUBSTANCE: converter reactor has core, reflector with control elements, and cooling system. Core is built up of thermionic power-generating fuel assemblies and at least one stack of booster fuel elements in pressurized vessel. At least one stack of booster fuel elements is made for at least partial drawing out of core and has individual cooling system with flexible sections. Stack of booster fuel elements is provided with locks that function to prevent its unwanted displacement. EFFECT: enhanced safety including in case of accident causing ingress of hydrogen-containing medium (water or hydrogen fuel). 1 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерных энергетических и двигательных установок. The invention relates to nuclear energy and space technology and can be used to create mainly space nuclear power and propulsion systems.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭЧ) может быть на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах. ТРП на тепловых (и промежуточных) нейтронах из-за наличия в активной зоне (AЗ) замедлителя могут быть созданы лишь до мощностей не более 100 кВт и относительно ограниченным ресурсом. ТРП на быстрых нейтронах могут быть созданы на мощности от 100 кВт до мегаваттного уровня и более длительного ресурса. Активная зона ТРП на тепловых нейтронах содержит относительно небольшое количество делящегося вещества и замедлитель. Активная зона ТРП на быстрых нейтронах не содержит замедлителя, а для обеспечения критичности требует относительно большого количества делящегося вещества. С этой точки зрения ТРП на быстрых нейтронах представляет повышенную ядерную опасность в случаях, когда возможно попадание в активную зону замедлителя, например водородосодержащего вещества, в том числе воды. The thermionic reactor-converter (TRP) of a space nuclear power plant (NEC) can be based on thermal, intermediate, and fast neutrons. TRP on thermal (and intermediate) neutrons due to the presence in the active zone (AZ) of a moderator can be created only up to a power of not more than 100 kW and a relatively limited resource. TRPs with fast neutrons can be created at a power of 100 kW to a megawatt level and a longer life. The thermal neutron TRP core contains a relatively small amount of fissile material and a moderator. The active zone of TRP at fast neutrons does not contain a moderator, and to ensure criticality requires a relatively large amount of fissile material. From this point of view, TRP with fast neutrons poses an increased nuclear danger in cases where it is possible to get into the active zone of a moderator, for example, a hydrogen-containing substance, including water.

Известен ТРП космической ЯЭН "Топаз" [1]. Он содержит AЗ, состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), боковой отражатель, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов. ЭГС снаружи охлаждаются теплоносителем (эвтектическим сплавом NaK). Known TRP space YaEN "Topaz" [1]. It contains an AZ consisting of a moderator and thermionic power generating assemblies (EGS), commonly called thermionic power generating channels (EGCs), a side reflector in which the controls are in the form of rotary drums. EHS from the outside are cooled by a heat carrier (eutectic NaK alloy).

Такой ТРП успешно отработал в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года. Так как ТРП выполнен на тепловых нейтронах и малой мощности, то его активная зона содержит относительно небольшое количество делящегося вещества. Such a TRP successfully worked out in space, generating an electric power of about 5 kW for about a year. Since TRP is made on thermal neutrons and low power, its core contains a relatively small amount of fissile material.

Известен ТРП, описанный в [2]. Он содержит AЗ и отражатель. AЗ в свою очередь содержит термоэмиссионные ЭГС, которые обеспечивают требуемое значение электрической мощности и так называемые бустерные твэлы, которые не являются электрогенерирующими, а добавлены в A3 для обеспечения ее критичности, так как объемная доля делящегося вещества в них существенно выше, чем в ЭГС. Бустерные твэлы размещены по всему объему AЗ, причем во внутренней области они размещены между ЭГС, а внешняя область AЗ содержит лишь бустерные твэлы. Бустерные твэлы охлаждаются тем же теплоносителем, что и ЭГС. Теплоноситель (эвтектика NaK) охлаждает сначала боковой отражатель, а затем AЗ. Known TRP described in [2]. It contains an AZ and a reflector. AZ, in turn, contains thermionic EHS, which provide the required value of electric power and the so-called booster fuel rods, which are not electricity generating, but are added to A3 to ensure its criticality, since the volume fraction of fissile material in them is significantly higher than in EHS. Booster fuel rods are placed throughout the entire volume of the AZ, and in the inner region they are located between the EHS, and the outer region of the AZ contains only booster fuel rods. Booster fuel rods are cooled by the same heat carrier as the EHS. The coolant (NaK eutectic) cools first the side reflector, and then AZ.

Бустерные твэлы, которые содержат фактически лишь топливо в оболочке, позволяют снизить критический объем AЗ, а следовательно, и массу всей ЯЭУ. Однако введение в AЗ бустерных твэл кроме понижения КПД преобразования энергии в ТРП и соответственно увеличения поверхности холодильника-излучателя, приводит к увеличению плотности критической загрузки делящегося вещества в реакторе. Это в свою очередь повышает ядерную опасность при аварийных ситуациях с ракетой-носителем при выводе КА с ЯЭУ в космос. Booster fuel rods, which actually contain only fuel in the cladding, can reduce the critical volume of AZs and, consequently, the mass of the entire nuclear power plant. However, the introduction of booster fuel elements into the AZ, in addition to lowering the efficiency of energy conversion into TRP and, accordingly, increasing the surface of the refrigerator-emitter, leads to an increase in the critical loading density of fissile material in the reactor. This, in turn, increases the nuclear hazard in emergency situations with a launch vehicle during the launch of spacecraft from a nuclear power plant into space.

В качестве прототипа примем ТРП, предложенный в [3]. Он содержит AЗ, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения, причем AЗ набрана из термоэмиссионных ЭГС и бустерных твэлов, размещенных компактно внутри не менее одного герметичного корпуса (пакета), снабженного автономной системой охлаждения. Наилучший результат достигается при расположении пакета бустерных твэл в центре AЗ или на периферии у отражателя. Возможно исполнение AЗ из нескольких пакетов, которые могут быть выполнены шестигранной формы. As a prototype we take the TRP proposed in [3]. It contains an AZ, a reflector with reactor controls, and a cooling system, and the AZ is composed of thermionic EHSs and booster fuel rods placed compactly inside at least one sealed enclosure (package) equipped with an autonomous cooling system. The best result is achieved when the package of booster fuel elements is located in the center of the AZ or on the periphery of the reflector. Execution of AZ from several packages is possible, which can be made hexagonal.

Бустерные твэлы, размещенные компактно в виде пакета с собственном корпусе, снабженном автономной системой охлаждения, позволяют не только снизить критический объем AЗ, а следовательно, массу радиационной защиты ЯЭУ, но и за счет повышения температуры теплоносителя, охлаждающего бустерные твэлы, несущественно увеличить поверхность и соответственно массу холодильника-излучателя. Booster fuel rods placed compactly in the form of a package with their own housing equipped with an autonomous cooling system allow not only to reduce the critical volume of AZs and, consequently, the mass of radiation protection of nuclear power plants, but also by increasing the temperature of the coolant cooling the booster fuel rods, it is not essential to increase the surface and, accordingly, the mass of the refrigerator emitter.

Однако в таком ТРП не обеспечивается ядерная безопасность при гипотетической аварии при выведении в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное ракетное топливо), в результате чего становится надкритичным. However, in such a TRP, nuclear safety is not ensured in a hypothetical accident when launched into space, when TRP as a result of an accident enters a hydrogen-containing medium (water or hydrogen rocket fuel), as a result of which it becomes supercritical.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение безопасности, в том числе обеспечение ядерной безопасности при гипотетической аварии при выведении в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное топливо). The technical result achieved by using the invention is to increase safety, including ensuring nuclear safety in a hypothetical accident when launched into space, when the TRP as a result of an accident enters a hydrogen-containing medium (water or hydrogen fuel).

Указанный технический результат достигается в ТРП, содержащем AЗ, отражатель с органами управления и систему охлаждения, причем AЗ набрана из термоэмиссионных ЭГС и не менее чем одного пакета бустерных твэл в герметичном корпусе, снабженного автономной системой охлаждения, в котором по крайней мере один пакет бустерных твэл в герметичном корпусе выполнен с возможностью хотя бы частичного выдвижения из активной зоны относительно термоэмиссионных ЭГС, а автономная система охлаждения снабжена гибкими участками. Корпус пакета бустерных твэл может быть снабжен не менее чем одним замком, препятствующим несанкционированному перемещению пакета. The specified technical result is achieved in a TRP containing AZ, a reflector with controls and a cooling system, wherein AZ is composed of thermionic EHS and at least one package of booster fuel elements in a sealed enclosure equipped with an autonomous cooling system in which at least one package of booster fuel elements in a sealed enclosure it is made with the possibility of at least partial extension from the core relative to thermionic EHS, and the autonomous cooling system is equipped with flexible sections. The housing of the package of booster fuel elements can be equipped with at least one lock that prevents unauthorized movement of the package.

На чертеже приведен продольный разрез ТРП в нерабочем состоянии, т.е. в подкритическом состоянии (до пуска, например, в процессе вывода в космос). The drawing shows a longitudinal section of the TRP in the idle state, i.e. in a subcritical state (before launch, for example, in the process of launching into space).

ТРП содержит AЗ 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. AЗ 1 набрана из ЭГС 4, которые содержат электрогенерирующие элементы (ЭГЭ) 5 и корпус 6, который снаружи охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. На торцах ЭГС 4 размещены элементы 7 торцевого отражателя. Подвод теплоносителя для охлаждения ЭГС 4 осуществляется через патрубок 8, а отвод - через патрубок 9. В центральной части 10 AЗ 1 размещен в герметичном корпусе 11 пакет бустерных твэл 12, содержащих делящееся вещество. С торцев бустерных твэл 12, также как и ЭГС 4, размещены элементы 13 торцевого отражателя. Бустерные твэлы 12 охлаждаются автономным контуром теплоносителя, который подводится через входной патрубок 14 и отводится через выходной патрубок 15. Как входной, так и выходной патрубки 14 и 15 подсоединены соответственно к гибким участкам 16 и 17 контура, выполненным, например, в виде сильфонов или гофрированной трубки. В боковом отражателе 2 размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 18 с поглощающими нейтроны накладками 19. Корпус 11 пакета с бустерными твэлами 12 подсоединен к устройству 20 обеспечения передвижения корпуса 11 пакета внутри центральной части 10 AЗ 1. ТРП может быть снабжен специальными замками 21, не допускающими несанкционированное перемещение корпуса 11 пакета с бустерными твэл 12. TRP contains AZ 1 and reflector 2, between which a sealed housing 3 can be placed. AZ 1 is assembled from EHS 4, which contain electricity generating elements (EGE) 5 and housing 6, which are externally cooled by a heat carrier, for example, NaK or Li eutectic alloy. At the ends of the EHS 4 placed elements 7 of the end reflector. The coolant inlet for cooling the EHS 4 is carried out through the pipe 8, and the drain through the pipe 9. In the central part 10 of the AZ 1 is placed in a sealed enclosure 11 a package of booster fuel rods 12 containing fissile material. From the ends of the booster fuel rods 12, as well as the EHS 4, elements 13 of the end reflector are placed. The booster fuel rods 12 are cooled by an autonomous coolant circuit, which is supplied through the inlet pipe 14 and discharged through the outlet pipe 15. Both the input and output pipes 14 and 15 are connected respectively to flexible sections 16 and 17 of the circuit, made, for example, in the form of bellows or corrugated tube. The TRP controls in the form of rotary cylinders 18 with neutron-absorbing plates 19 are located in the lateral reflector 2. The housing 11 of the package with booster fuel rods 12 is connected to the device 20 for moving the housing 11 of the package inside the central part 10 AZ 1. The TRP can be equipped with special locks 21, not allowing unauthorized movement of the housing 11 of the package with the booster fuel rods 12.

ТРП работает следующим образом. TRP works as follows.

При транспортировке на космодром, подготовке к пуску и пуске ракеты-носителя корпус 11 пакета с бустерными твэлами 12 хотя бы частично выдвинут из центральной части 10 AЗ 1 ТРП. В результате удаления вместе с бустерными твэлами 12 части делящегося вещества и, следовательно, заметного уменьшения количества делящегося вещества в AЗ 1, ТРП существенно подкритичен. С этой же целью до запуска, т.е. в исходном состоянии, поворотные цилиндры 18 находятся в положении поглощающими накладками 19 к AЗ 1. ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос. When transporting to the cosmodrome, preparing for launch and launch of the launch vehicle, case 11 of the package with booster fuel rods 12 is at least partially extended from the central part 10 of the AZ 1 TRP. As a result of the removal together with the booster fuel rods of 12 parts of the fissile material and, consequently, a noticeable decrease in the amount of fissile material in AZ 1, the TRP is substantially subcritical. For the same purpose, before launch, i.e. in the initial state, the rotary cylinders 18 are in the position of the absorbing pads 19 to the AZ 1. TRP is not critical and in this state as part of the nuclear power plant it is launched into space.

На радиационно-безопасной орбите, например, высотой 500-800 км, производится пуск ЯЭУ. Для этого сначала автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) выключаются специальные запорные замки 21, препятствующие несанкционированному вводу корпуса 11 с бустерными твэлами 12 в активную зону 1, и с помощью устройства 20, выполненного, например, в виде червячной передачи, корпус 11 пакета с бустерными твэлами 12 вдвигается в часть 10 AЗ 1. При этом не обходимая подкритичность обеспечивается тем, что поворотные цилиндры 18 находятся в положении поглощающими накладками 19 к АЗ 1. Поэтому ТРП не критичен и после полного вдвижения корпуса 11 пакета с бустерными твэлами 12 в часть 10 AЗ 1. При перемещении пакета гибкие участки 16 и 17 трубопроводов, выполненные, например, в виде сильфонов обеспечивают целостность контура охлаждения бустерных твэл 12. In a radiation-safe orbit, for example, 500-800 km high, a nuclear power plant is launched. To do this, first, at the command of the Earth or the control system of the nuclear power plant (or spacecraft), special locking locks 21 are turned off, preventing the unauthorized entry of the housing 11 with the booster rods 12 into the active zone 1, and using the device 20, made, for example, in the form of a worm gear , the housing 11 of the package with the booster fuel rods 12 is pushed into the part 10 of the AZ 1. In this case, the necessary subcriticality is ensured by the fact that the rotary cylinders 18 are in the position of the absorbing plates 19 to the AZ 1. Therefore, the TRP is not critical even after full the housing 11 of the package with booster fuel rods 12 in part 10 of AZ 1. When moving the package, flexible sections 16 and 17 of pipelines, made, for example, in the form of bellows ensure the integrity of the cooling circuit of the booster fuel rods 12.

Пуск реактора, а следовательно, и всей ЯЭУ с полностью сформированной AЗ 1 осуществляется следующим образом. Разворотом поворотных цилиндров 18 таким образом, что поглощающие нейтроны накладки 19 отходят от AЗ 1, обеспечивается ввод положительной реактивности до наступления критичности ТРП. Торцевой отражатель 2 и боковые отражатели, сформированные из элементов 7 и 13, обеспечивают экономию нейтронов, рождающихся в A3 1. Начинается реакция деления топливного материала в ЭГЭ 5 ЭГС 4 и топливного материала бустерных твэл 12. Выделяющееся в ЭГЭ 5 тепло отводится с наружной поверхности 6 ЭГС 4 теплоносителем основного контура (на чертеже не показан), причем подвод теплоносителя происходит через патрубок 8, а отвод - через патрубок 9. The start-up of the reactor, and therefore the entire nuclear power plant with a fully formed AZ 1, is carried out as follows. By turning the rotary cylinders 18 in such a way that the absorbing neutrons of the lining 19 move away from AZ 1, positive reactivity is introduced before the criticality of the TRP occurs. End reflector 2 and side reflectors formed from elements 7 and 13 provide savings of neutrons generated in A3 1. The reaction of fission of fuel material in EGE 5 of EHS 4 and fuel material of booster fuel rods 12 begins. Heat released in EGE 5 is removed from the outer surface 6 EHS 4 with the coolant of the main circuit (not shown in the drawing), moreover, the coolant is supplied through the pipe 8, and the tap through the pipe 9.

Отвод тепла от пакета бустерных твэл 12 осуществляется теплоносителем, который подается в корпус 11 через входной патрубок 14 и выходит через выходной патрубок 15. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГЭ 5 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию, которая отводится потребителю. Heat is removed from the package of booster fuel elements 12 through a coolant, which is supplied to the housing 11 through the inlet pipe 14 and exits through the outlet pipe 15. After reaching the working level of thermal power, a working fluid (cesium vapor) is supplied to the electrode gap EGE 5 and they begin to generate electricity, which is given to the consumer.

В случае аварии ракеты-носителя или разгонного блока, возможно попадание ТРП в воду или водородное топливо, и проникновение являющимися замедлителями веществ в AЗ 1 и заполнение всех пустот AЗ 1 водородосодержащим веществом. В этом случае ТРП превращается в реактор на тепловых нейтронах. При этом критическая загрузка реактора существенно снижается. Поэтому если бы во время аварии при запуске ракеты пакет с бустерными твэлами 12 находился в части 10 A3 1 ТРП, то заполненный замедлителем реактор стал бы надкритичным и могла бы возникнуть цепная реакция. Однако отсутствие по крайней мере части пакета с бустерными твэлами 12 в части 10 AЗ 1 делает ТРП подкритичным и при заполнении водородосодержащим веществом всех свободных объемов AЗ 1. Специальные запорные замки 21 ни при каких механических воздействиях (взрыв, пожар, удар о скальный грунт и т.п.) не позволяют корпусу 11 с бустерными твэлами 12 попасть в часть 10 AЗ 1. В результате критичность реактора не достигается и он остается в подкритичном состоянии и при наличии во всех пустотах AЗ 1 (межэлектродные зазоры ЭГЭ 5, внутренние полости топливно-эмиттерных узлов, зазоры между ЭГС и др.) водородосодержащих веществ. Тем самым обеспечивается ядерная безопасность во всех ситуациях, включая гипотетические аварии при выведении при последующем полном заполнении пустот AЗ водородом или водой. In the event of an accident in a launch vehicle or booster block, TRP may enter water or hydrogen fuel and penetrate substances that are moderators into AZ 1 and fill all the voids of AZ 1 with a hydrogen-containing substance. In this case, the TRP is converted into a thermal neutron reactor. In this case, the critical load of the reactor is significantly reduced. Therefore, if during an accident when a missile was launched, a packet with booster fuel rods 12 was located in part 10 A3 1 of the TRP, then the reactor filled with a moderator would become supercritical and a chain reaction could occur. However, the absence of at least part of the package with booster fuel rods 12 in part 10 of AZ 1 makes the TRP subcritical even when filling with hydrogen-containing substance all the free volumes of AZ 1. Special locking locks 21 under no mechanical stress (explosion, fire, impact on rocky ground, etc. .p.) do not allow the housing 11 with the booster fuel rods 12 to fall into part 10 of AZ 1. As a result, the criticality of the reactor is not achieved and it remains in a subcritical state and in the presence of AZ 1 in all voids (EGE 5 interelectrode gaps, internal fuel-emitting cavities nodal nodes, gaps between EHS and others) hydrogen-containing substances. Thus, nuclear safety is ensured in all situations, including hypothetical accidents during removal during the subsequent complete filling of the AZ voids with hydrogen or water.

Таким образом, выполнение пакета с компактным размещением бустерных твэл с возможностью хотя бы частичного выдвижения из активной зоны ТРП и системой охлаждения с гибкими участками позволяет обеспечить ядерную безопасность при любых авариях ракеты-носителя при сохранении пониженных массогабаритных характеристик ТРП. Thus, the implementation of the package with a compact arrangement of booster fuel elements with the possibility of at least partial extension from the TRP core and a cooling system with flexible sections makes it possible to ensure nuclear safety in any accidents of the launch vehicle while maintaining reduced mass and size characteristics of the TRP.

Источники информации
1. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионная 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, vol. 36, no. 6, p. 450-454.

2. Gietzen A. J. et al1. 25 kWe Thermionic Power System for Space Base Application. "IEEE Conf. Rec./Thermionic Conversion Specialist 9th Annual Conf., Miami Beach, Fla, 1970" N.Y. 1970, 145 - 150. 2. Gietzen A. J. et al1. 25 kWe Thermionic Power System for Space Base Application. "IEEE Conf. Rec./Thermionic Conversion Specialist 9th Annual Conf., Miami Beach, Fla, 1970" N.Y. 1970, 145-150.

3. Патент RU 2086036 C1, МКИ6 H 01 J 45/00. Термоэмиссионный реактор преобразователь. Опубл. 27.07.97. Бюл. N 21. 3. Patent RU 2086036 C1, MKI6 H 01 J 45/00. Thermionic reactor converter. Publ. 07/27/97. Bull. N 21.

Claims

Thermionic reactor-converter comprising an active zone, a reflector with controls and a cooling system, the active zone being composed of thermionic power generating assemblies and at least one package of booster fuel elements in an airtight housing equipped with an autonomous cooling system, characterized in that at least , one package of booster fuel elements in a sealed enclosure is capable of at least partial extension from the core relative to thermionic power generating assemblies, and autonomous Single pack cooling system is provided with flexible portions, wherein the housing is provided with a fuel rod booster packet least one lock preventing unauthorized movement of the package into the core.