RU2185002C2 - Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент - Google Patents

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент Download PDF

Info

Publication number
RU2185002C2
RU2185002C2 RU2000116288A RU2000116288A RU2185002C2 RU 2185002 C2 RU2185002 C2 RU 2185002C2 RU 2000116288 A RU2000116288 A RU 2000116288A RU 2000116288 A RU2000116288 A RU 2000116288A RU 2185002 C2 RU2185002 C2 RU 2185002C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
emitter
fuel
thermionic
shell
tube
Prior art date
Application number
RU2000116288A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2000116288A (ru
Inventor
В.В. Синявский
В.Д. Юдицкий
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки"
Priority to RU2000116288A priority Critical patent/RU2185002C2/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2185002C2 publication Critical patent/RU2185002C2/ru
Publication of RU2000116288A publication Critical patent/RU2000116288A/ru

Links

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

Назначение: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство (ГОУ), один конец трубки ГОУ выведен в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части между местом выведения трубки газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. В качестве материала керамики или основы материала металлокерамики может быть использован оксид скандия. Изобретение обеспечивает высокие плотности электрической мощности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП).
Известны конструкции термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), называемых также термоэмиссионными твэлами, с различной конфигурацией электродов.
Наиболее распространена так называемая коаксиальная схема ЭГЭ с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором) [1]. Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером, заполнена делящимся веществом. Эмиттер устанавливается с зазором чаще всего в 0,5-0,3 мм относительно цилиндрического коллектора. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым ЭГС.
Основной проблемой создания таких ЭГЭ является обеспечение геометрической стабильности эмиттера, т.е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки вследствие распухания топливного сердечника в процессе работы делящегося вещества.
Известен термоэмиссионный ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой плоскоцилиндрической геометрии [2]. ЭГЭ содержат топливно-эмиттерный узел с герметичной эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, обычно диоксид урана. Часть наружной поверхности эмиттерной оболочки служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП). ЭГЭ содержит также коллектор и гибкую коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус.
Такой ЭГЭ может быть высокоэнергонапряженным. Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность МЭЗ. При длительной работе ГПД будут накапливаться внутри топливного сердечника в образовавшейся в процессе переконденсации топлива центральной газовой полости, давление их будет возрастать, что приведет к деформации эмиттерной оболочки. Это в свою очередь приводит к уменьшению МЭЗ и, как следствие, к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу типа "короткое замыкание".
Известен термоэмиссионный ЭГЭ цилиндрической геометрии с герметичной эмиттерной оболочкой [3]. ЭГЭ содержат топливно-эмиттерный узел с герметичной эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, обычно диоксид урана. Для выравнивания температурного поля эмиттера между эмиттером и топливным блоком размещена тепловая труба с продольно-поперечной передачей тепла. ЭГЭ содержит коллектор и коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус.
В таком ЭГЭ эмиттер может быть изотермичным. Однако при длительной работе ГПД будут накапливаться внутри топливного сердечников в образовавшейся в процессе переконденсации топлива центральной газовой полости, давление их будет возрастать, что будет приводить к деформации эмиттерной оболочки. Это в свою очередь приводит к уменьшению МЭЗ и, как следствие, к короткому замыканию эмиттера с коллектором, т.е. к отказу типа "короткое замыкание".
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является термоэмиссионный ЭГЭ с газоотводным устройством (ГОУ) [4]. Он содержит топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено ГОУ, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, противоположную торцевой части, соединенной с коммутационной перемычкой.
Обеспечение длительного ресурса такого ЭГЭ оказалось возможным благодаря созданию вентилируемого ЭГЭ с системой удаления газообразных продуктов деления (ГПД) из топливного сердечника ЭГЭ. Это обеспечивается с помощью специальных газоотводных устройств (ГОУ), например цилиндрической трубки с малым отверстием (жиклером), размещаемой в геометрическом центре сердечника. ГПД удаляются через эту трубку из сердечника, например, в межэлектродный зазор (МЭЗ), в результате чего газового распухания топлива и соответственно деформации эмиттерной оболочки не происходит. Однако в течение длительного ресурса это может быть реализовано лишь в том случае, если не происходит забивание ГОУ конденсатом делящегося вещества (оксида урана). В процессе работы ЭГЭ происходит переконденсация делящегося вещества, в результате чего возможно забивание конденсатом топлива как жиклера ГОУ, так и трубки ГОУ. В результате этого происходит герметизация сердечника, вентилируемый термоэмиссионный ЭГЭ превращается в ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой, ГПД накапливаются в сердечнике с увеличением давления, что вызывает деформацию эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера на коллектор. Поэтому схемно-конструкционное решение ЭГЭ с ГОУ должно быть таким, чтобы в процессе работы не происходила конденсация топлива в ГОУ. Тогда вместе с ГПД пары топлива выходят через Г0У и конденсируются вне сердечника, не герметизируя его. Однако это реализуется лишь в том случае, если температура ГОУ выше температуры насыщения пара диоксида урана в трубке ГОУ. Для этого трубка должна быть выведена в так называемый "горячий" торец, т.е. торцевую часть эмиттерной оболочки, противоположной торцу с коммутационной перемычкой.
Однако вывод трубки ГОУ в "горячий" торец, позволяющий обеспечить длительную работоспособность ГОУ, приводит к усложнению конструкции ЭГЭ, так как обе торцевые части эмиттерной оболочки являются достаточно сложными (одна часть с трубкой ГОУ, другая часть с коммутационной перемычкой), требуют сварки цилиндрической части эмиттерной оболочки с обеими торцевыми. Это не только усложняет технологию изготовления ЭГЭ, но и снижает надежность из-за появления дополнительного сварного шва торцевой части с ГОУ с цилиндрической частью эмиттерной оболочки.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения длительного ресурса ЭГЭ с высокими значениями плотностей электрической мощности с одновременным упрощением технологии и повышением надежности работы.
Указанный технический результат реализуется в термоэмиссионном ЭГЭ, содержащем топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцевых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, в котором газоотводное устройство выведено в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части эмиттерной оболочки между местом выведения газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики. В качестве керамики или основы металлокерамики может быть применен оксид скандия.
На чертеже изображена конструкционная схема термоэмиссионного ЭГЭ.
ЭГЭ содержит топливно-эмиттерный узел, коллектор 1 и коммутационную перемычку 2. Топливно-эмиттерный узел состоит из цилиндрического топливного сердечника 3 и эмиттерной оболочки, включающей боковую часть 4, наружная цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером ТЭП, и две торцевые части 5 и 6. Внутри топливного сердечника 3 размещено ГОУ, состоящее из жиклера 7 и трубки 8, причем одним концом трубка 8 выведена в торцевую часть 6 эмиттерной оболочки. Эта же торцевая часть 6 соединена с коммутационной перемычкой 2, которая обеспечивает электрическую коммутацию торцевой части 6 эмиттерной оболочки с коллектором 8 одного из соседних ЭГЭ при коммутации ЭГЭ в ЭГС. Часть (участок) 9 торцевой части 6 эмиттерной оболочки между местом выведения трубки 8 ГОУ и подсоединением коммутационной перемычки 2 выполнена из керамики или металлокерамики. Зазор 10 между эмиттером (наружной поверхностью боковой части 4 эмиттерной оболочки) и коллектором 1 является межэлектронным зазором (МЭЗ) термоэмиссионного преобразователя и в рабочих условиях заполнен паром цезия.
Термоэмиссионный ЭГЭ работает следующим образом.
В исходном состоянии топливный сердечник 3 заполнен таблетками топлива из диоксида урана, обычно в виде шайб или полушайб с центральным отверстием. Таблетки установлены с небольшим технологическим зазором относительно внутренней поверхности эмиттерной оболочки. При этом суммарная пористость сердечника выбирается равной примерно 70% от внутреннего объема эмиттерной оболочки.
При работе вследствие деления ядер урана топливный сердечник 3 нагревается, топливо в виде диоксида урана испаряется с горячих участков и конденсируется на холодных участках внутри эмиттерной оболочки. Происходит так называемая переконденсация топлива внутри сердечника, в результате чего топливо примет конфигурацию, приведенную на чертеже, с центральной газовой полостью 11.
Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 3, подается на цилиндрическую 4 и торцевые части 5 и 6 эмиттерной оболочки и далее в МЭЗ 10, заполненный паром цезия. Часть тепла в МЭЗ 10 преобразуется в электроэнергию. Не преобразованная часть тепла попадает на коллектор 1. С коллектора 1 тепло через слой коллекторной изоляции 12 передается несущей трубке (чехлу) 13 ЭГС, с которого тепло снимается теплоносителем (не показано). Возможен съем тепла с чехла 13 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГЭ (не показана).
При делении ядер урана в топливном сердечнике 3 образуются осколки деления, в том числе газообразные продукты деления (ГПД), которые диффундируя через топливный материал сердечника 3, собираются в центральной газовой полости 11. При наличии ГОУ эти ГПД через жиклер 7 и внутренние объемы трубки 8 ГОУ выходят в межэлементный промежуток 14. Однако вместе с ГПД через жиклер 7 будет уходить и пар топливного материала (оксида урана), который может сконденсироваться во внутреннем объеме трубки 8 ГОУ. Это может привести к "закупорке" (герметизации) ГОУ переконденсировавшимся топливным материалом. Для исключения этого необходимо, чтобы температура вдоль ГОУ была выше температуры насыщения топливного материала при соответствующем давлении вдоль трубки 8 ГОУ. Так как трубка 8 ГОУ выводится в торцевую часть 6 ("холодный" торец) эмиттерной оболочки с температурой существенно ниже температуры эмиттера (из-за отвода тепла с торцевой части 6 эмиттерной оболочки через коммутационную перемычку 2 на коллектор 8 соседнего ЭГЭ), а ГПД и соответственно пары топливного материала на входе в жиклер 7 имеют температуру, близкую к максимальной температуре топливного сердечника, то вдоль трубки ГОУ будет перепад температур и пары топлива могут сконденсироваться внутри трубки 8 ГОУ. В результате может произойти герметизация переконденсировавшимся топливом сердечника. Накапливающиеся внутри газовой полости 11 ГПД приведут к деформации эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера 4 на коллектор 1.
Для обеспечения условий недопущения конденсации топливного материала внутри трубки 8 ГОУ необходимо, что вдоль нее был минимально возможный перепад температуры. Это может быть достигнуто за счет введения теплоизолирующего участка между местом выведения трубки 8 ГОУ и подсоединением коммутационной перемычки 2 в торцевую часть 6 эмиттерной оболочки. В качестве такого теплоизолятора может быть использован участок 9 торцевой части 6, который выполнен из керамики или металлокерамики, теплопроводность которых существенно ниже, чем материал эмиттерной оболочки. В результате подвода тепла из топливного сердечника 3 к трубке 8 ГОУ и относительно малого отвода тепла от трубки ГОУ к коммутационной перемычке (благодаря наличию теплоизолирующего участка 9) температура трубки ГОУ будет достаточно высокой, что гарантирует отсутствие конденсации топливного материала внутри трубки 8 ГОУ, вывод ГПД из сердечника и, следовательно, позволяет обеспечить длительный режим работы ЭГЭ.
В качестве материала керамики или основы металлокерамики должен использоваться высокотемпературный теплоизоляционный материал, стойкий в паре цезия и выдерживающий высокие потоки радиационных излучений. В качестве такого материала лучше всего подходит оксид скандия.
Размещение на одном торце и вывода трубки 8 ГОУ и подсоединения коммутационной перемычки 2 существенно упрощают технологию изготовления ЭГЭ. Это связано с тем, что эмиттерная оболочка может быть изготовлена в виде свариваемых двух частей: стакана из цилиндрической 4 и торцевой 5 частей как единого целого и торцевой части 6 с ГОУ и коммутационной перемычкой. Исключение второго сварного шва (соединение цилиндрической 4 и торцевой 5 частей) повышает надежность работы ЭГЭ, так как разрушение эмиттерной оболочки, например, при термоциклах как правило происходит на сварных соединениях эмиттерной оболочки.
Литература
1. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов /В.В. Синявский и др. М.: Атомиздат, 1981, с. 15-20.
2. Патент RU 2095881 C1, H 01 J 45/50. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка.
3. Патент RU 2086034 C1, Н 01 J 45/50. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент.
4. Исследование процессов переконденсации в эмиттерных узлах с малым содержанием двуокиси урана в реакторе/Е.С. Бекмухамбетов и др.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений радиационное материаловедение. 1985, вып. 4 (37), с. 43-44, рис. 3.

Claims (2)

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливно-эмиттерный узел в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой, боковая цилиндрическая поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, а одна из торцовых частей соединена с коммутационной перемычкой, и коллектор, причем внутри топливного сердечника размещено газоотводное устройство, одним концом выведенное в торцевую часть эмиттерной оболочки, отличающийся тем, что один конец трубки газоотводного устройства выведен в торцевую часть эмиттерной оболочки с коммутационной перемычкой, причем по крайней мере часть этой торцевой части эмиттерной оболочки между местом выведения трубки газоотводного устройства и подсоединением коммутационной перемычки выполнена из керамики или металлокерамики.
2. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве керамики или основы металлокерамики применен оксид скандия.
RU2000116288A 2000-06-26 2000-06-26 Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент RU2185002C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000116288A RU2185002C2 (ru) 2000-06-26 2000-06-26 Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000116288A RU2185002C2 (ru) 2000-06-26 2000-06-26 Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2185002C2 true RU2185002C2 (ru) 2002-07-10
RU2000116288A RU2000116288A (ru) 2002-08-10

Family

ID=20236609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000116288A RU2185002C2 (ru) 2000-06-26 2000-06-26 Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2185002C2 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573551C2 (ru) * 2014-05-27 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Способ охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
RU2578387C2 (ru) * 2014-05-27 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
RU2595261C2 (ru) * 2014-11-27 2016-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя (варианты)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573551C2 (ru) * 2014-05-27 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Способ охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
RU2578387C2 (ru) * 2014-05-27 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
RU2595261C2 (ru) * 2014-11-27 2016-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2159479C2 (ru) Термоэмиссионный ядерный реактор
US5851689A (en) Method for operating a fuel cell assembly
CA1164041A (en) Fuel cell generator
US3009869A (en) Fuel element for nuclear reactors
JPH0362460A (ja) 固体電解質型燃料電池
US2984613A (en) Fuel element for nuclear reactors
RU2185002C2 (ru) Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент
US5353321A (en) Plasma thermoelement
RU2595261C2 (ru) Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя (варианты)
US3262860A (en) Flexible clad nuclear fuel element
RU2191442C2 (ru) Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка
US3215868A (en) Tiiermionic converter
JP4928672B2 (ja) 固体電解質型燃料電池の電極構造
RU2138880C1 (ru) Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов
US3625823A (en) Nuclear fuel rod
RU2086034C1 (ru) Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент
RU2165656C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2070752C1 (ru) Плоскоцилиндрический термоэмиссионный электрогенерирующий элемент
JP4331578B2 (ja) 水蒸気改質型水素製造装置
JP4327687B2 (ja) 高温水蒸気電解装置
RU2133509C1 (ru) Вентилируемый тепловыделяющий элемент ядерного реактора
US6212250B1 (en) Fuel element closure method
RU2195741C2 (ru) Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов
Monroe Jr Thermionic energy converters
JPS6251435B2 (ru)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070627