RU2230378C2 - Thermionic conversion reactor - Google Patents

Thermionic conversion reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2230378C2
RU2230378C2 RU2002122915/06A RU2002122915A RU2230378C2 RU 2230378 C2 RU2230378 C2 RU 2230378C2 RU 2002122915/06 A RU2002122915/06 A RU 2002122915/06A RU 2002122915 A RU2002122915 A RU 2002122915A RU 2230378 C2 RU2230378 C2 RU 2230378C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
trp
thermionic
isotopes
reactor
fuel
Prior art date
Application number
RU2002122915/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002122915A (en
Inventor
В.А. Корнилов (RU)
В.А. Корнилов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
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 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU2002122915/06A priority Critical patent/RU2230378C2/en
Publication of RU2002122915A publication Critical patent/RU2002122915A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2230378C2 publication Critical patent/RU2230378C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

FIELD: thermionic plants primarily for space engineering. SUBSTANCE: thermionic conversion reactor has neutron deflector; core assembled of power-generating channels with fuel elements filled with fissionable material. Power-generating channels with fuel elements disposed near deflector are filled with fissionable material based on isotopes having higher neutron breeding factor and are separated from deflector by minimum one layer of power-generating channels with fissionable material of lower breeding factor. Chosen as isotopes of higher neutron breeding factor are 233U, 239Pu., and 241U. isotopes. Chosen as isotope of lower breeding factor is 235U. Proposed design ensures higher reactivity margin of reactor, heat-transfer field equalization throughout reactor core section, equalization of mean temperature of emitter cans over reactor core, and equal operating conditions for thermionic fuel elements. EFFECT: enhanced power characteristics and enlarged service life of reactor. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) преимущественно космического назначения.The invention relates to energy with thermionic conversion of thermal energy into electrical energy and can be used to create thermionic nuclear power plants (NPPs) mainly for space purposes.

В термоэмиссионном реакторе-преобразователе (ТРП) происходит как генерирование тепловой энергии при делении ядер 235U в топливном материале (ТМ), так и непосредственное преобразование ее в электрическую. Элементарной ячейкой ТРП является электрогенерирующий элемент (ЭГЭ), а сборочной единицей - электрогенерирующий канал (ЭГК), состоящий, как правило, из последовательно соединенных ЭГЭ. Наибольшее распространение получили ЭГЭ и соответственно ЭГК коаксиального типа. Разрабатываются ТРП на тепловых, промежуточных и на быстрых нейтронах. С целью получения минимальных размеров ТРП и максимального использования объема активной зоны (а.з.) для размещения ЭГК и получения таким образом максимальной электрической мощности снимаемой с единицы а.з. ТРП, используют реакторы на быстрых нейтронах, где в а.з. отсутствует замедлитель. Очевидно для обеспечения одинаковой плотности тока эмиссии снимаемой с эмиссионной поверхности ТРП необходимо, чтобы эмиттерные оболочки твэлов в ЭГК работали в примерно равных температурных условиях. Для этого необходимо выравнивание тепловыделения по объему а.з. ТРП. Для реакторов с отражателем нейтронов существует неравномерность тепловыделения, причем наблюдаются два максимума тепловыделения: это в центральной части а.з. и всплеск тепловыделения на периферии а.з. у границы с отражателем [1]. Физическое профилирование, проводимое для выравнивания тепловыделения в а.з. ТРП, приводит к неравномерному распределению ТМ по объему а.з. и соответственно к неравномерности нагрузки, оказываемой на эмиттерные оболочки твэлов, находящихся в разных местах а.з. Это вызвано тем, что условия работы твэлов будут различны. В твэлах с меньшим количеством ТМ ниже интенсивность образования осколков деления (газообразных и твердых) и соответственно меньше оказываемое со стороны распухающего ТМ и осколков деления давление на оболочку твэла. Отсюда работоспособность таких термоэмиссионных твэлов выше сравнительно с твэлами, в которых ТМ больше. Как показывают исследования [2, 3], в термоэмиссионных твэлах с меньшим содержанием ТМ, особенно это касается высокотемпературных вентилируемых твэлов с летучим ТМ (например, UO2), выше надежность вывода газообразных осколков деления за пределы твэла. Эти обстоятельства приводят к неравномерности ресурсоспособности термоэмиссионных твэлов по активной зоне ТРП. Кроме того, физическое профилирование не всегда возможно, особенно для ТРП на быстрых нейтронах с малым объемом а.з. из-за проблем с критичностью, так как в твэлы ЭГК таких ТРП закладывается максимально возможное количество ТМ с максимально возможным обогащением по делящемуся веществу.In a thermionic converter reactor (TRP), both thermal energy is generated during the fission of 235 U nuclei in a fuel material (TM), and its direct conversion to electric. The unit cell of the TRP is an electricity generating element (EGE), and the assembly unit is the electricity generating channel (EGE), which usually consists of series-connected EGE. The most widespread EGE and, accordingly, EGC coaxial type. TRP are being developed on thermal, intermediate, and fast neutrons. In order to obtain the minimum TRP size and maximize the use of the core volume (a.z.) for placing an EGC and thus obtain the maximum electric power removed from a unit a.z. TRP, they use fast neutron reactors, where no moderator. Obviously, in order to ensure the same emission current density of the TRP removed from the emission surface, it is necessary that the emitter claddings of fuel elements in EGCs operate under approximately equal temperature conditions. For this, it is necessary to equalize the heat release by the volume of a.z. TRP. For reactors with a neutron reflector, there is a non-uniformity of heat release, and two maximums of heat release are observed: this is in the central part of the a.z. and a surge in heat generation at the periphery of the a.z. at the border with a reflector [1]. Physical profiling conducted to equalize the heat in the AC TRP, leads to an uneven distribution of TM in the volume of a.s. and, accordingly, to the unevenness of the load exerted on the emitter shells of fuel rods located in different places of the a.s. This is because the operating conditions of the fuel rods will be different. In fuel rods with a smaller amount of TM, the intensity of the formation of fission fragments (gaseous and solid) is lower and, accordingly, the pressure exerted by the swelling TM and fission fragments on the fuel cladding is lower. Hence, the performance of such thermionic fuel rods is higher compared to fuel rods in which there are more TMs. As studies [2, 3] show, in thermionic fuel rods with a lower TM content, this is especially true for high-temperature ventilated fuel elements with volatile TM (for example, UO 2 ), the reliability of the removal of gaseous fission fragments beyond the fuel rod is higher. These circumstances lead to the uneven resource capacity of thermionic fuel rods in the core of the TRP. In addition, physical profiling is not always possible, especially for low-volume fast-neutron pulsed neutron diffusers. due to criticality problems, since the maximum possible amount of TM with the maximum possible enrichment for fissile material is laid in the EGC fuel rods of such TRPs.

Известен ТРП на быстрых нейтронах, описанный в [4]. Он содержит а.з. и отражатель с органами управления реактором. В свою очередь, а.з. содержит термоэмиссионные ЭГК, которые обеспечивают требуемое значение электрической мощности, и бустерные тепловыделяющие элементы (БЭЛ), которые не являются электрогенерирующими, а добавлены в а.з. для обеспечения ее критичности, так как объемная доля делящегося вещества в них существенно выше, чем в ЭГК. БЭЛы могут быть размещены по всему объему а.з. ЭГК и БЭЛы содержат систему охлаждения на основе жидкометаллического теплоносителя, а БЭЛы, кроме того, могут иметь дополнительную систему охлаждения на основе тепловых труб. БЭЛы, которые содержат фактически лишь ТМ в корпусе, позволяют снизить критический объем а.з., а следовательно, и массу всей ЯЭУ. Однако введение в а.з. БЭЛ, кроме понижения кпд ЯЭУ и увеличения габаритов ЯЭУ за счет увеличения поверхности холодильника-излучателя, приводит к увеличению плотности критической загрузки ТМ в ТРП. Это, в свою очередь, повышает ядерную опасность при аварийных ситуациях с ракетой-носителем при выводе космического аппарата (КА) с ЯЭУ в космос.Known TRP on fast neutrons, described in [4]. It contains a.z. and a reflector with reactor controls. In turn, A.Z. contains thermionic EGCs that provide the required value of electric power, and booster fuel elements (BEL), which are not electrically generating, but are added to the a.z. to ensure its criticality, since the volume fraction of fissile material in them is significantly higher than in EGC. BELs can be placed throughout the entire volume of a.z. EGCs and BELs contain a cooling system based on a liquid metal coolant, and BELs, in addition, can have an additional cooling system based on heat pipes. BELs, which actually contain only TM in the housing, can reduce the critical volume of a.z. and, consequently, the mass of the entire nuclear power plant. However, the introduction to a.z. BEL, in addition to lowering the efficiency of the nuclear power plant and increasing the size of the nuclear power plant due to the increase in the surface of the refrigerator-emitter, leads to an increase in the density of the critical load of TM in the TRP. This, in turn, increases the nuclear hazard in emergency situations with a launch vehicle during the launch of a spacecraft (SC) from a nuclear power plant into space.

Известен термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий отражатель, активную зону, набранную из электрогенерирующих каналов с твэлами, заполненными топливным материалом на основе изотопа 235U, описанный в [5] для ЯЭУ с уровнем электрической мощности 100...150 кВт. Рассмотрены два варианта такого ТРП на быстрых нейтронах с пакетной и моноблочной структурой активной зоны. Для обеспечения достаточности запаса реактивности на кампанию, а.з. ТРП содержат бустерные элементы. Недостатком этих вариантов ТРП является существенная неравномерность тепловыделения по а.з. Так средняя тепловая мощность в периферийных ЭГК, примыкающих к отражателю, достигает ~12,6 кВт (в расчете на одно ЭГК) при средней тепловой мощности в остальных ЭГК ~10,8 кВт. Как следствие этого факта отмечается повышенная температура эмиттерных оболочек в этих ЭГК и снижение таким образом ресурсных характеристик ЭГК и ТРП в целом. Кроме того, использование БЭЛ приводит к сокращению суммарной эмиссионной поверхности в ТРП, снижению кпд всей ЯЭУ и увеличению габаритов холодильника-излучателя и ЯЭУ в целом.Known thermionic reactor-converter, containing a reflector, an active zone, recruited from electricity generating channels with fuel rods filled with fuel material based on the 235 U isotope, described in [5] for nuclear power plants with an electric power level of 100 ... 150 kW. Two variants of such a TRP based on fast neutrons with a packet and monoblock core structure are considered. To ensure the adequacy of the reactivity margin for the campaign, a.z. TRP contain booster elements. The disadvantage of these options TRP is a significant unevenness of heat release in the A.Z. Thus, the average thermal power in peripheral EGCs adjacent to the reflector reaches ~ 12.6 kW (per one EGC), while the average thermal power in other EGCs is ~ 10.8 kW. As a consequence of this fact, an elevated temperature of the emitter shells in these EGCs and thus a decrease in the resource characteristics of EGCs and TRPs in general are observed. In addition, the use of BEL leads to a reduction in the total emission surface in the TRP, a decrease in the efficiency of the entire nuclear power plant, and an increase in the dimensions of the refrigerator-emitter and the nuclear power plant as a whole.

Близким к изобретению по технической сущности можно считать ТРП для космической ЯЭУ "Топаз" [6] с полезной электрической мощностью ~6 кВт. ТРП содержит отражатель, активную зону, набранную из электрогенерирующих каналов с твэлами, заполненными топливным материалом на основе изотопа 235U. Активная зона включает 5-элементные ЭГК, расположенные в отверстиях замедлителя из гидрида циркония, и окружена отражателем из бериллия. В боковом отражателе размещены органы управления реактором в виде 12 поворотных цилиндров из бериллия с секторными нейтронопоглощающими накладками из карбида бора. Наружные корпуса ЭГК охлаждаются теплоносителем (эвтектическим сплавом Na-K). Отмечаются относительно большие утечки водорода из замедлителя в активной зоне, который попадает в межэлектродные зазоры и тем самым способствует деградации электрических характеристик реактора, соответствующих уменьшению исходного кпд преобразования в среднем с относительной скоростью (5-7)•10-3 %/ч. Кроме того, отмечалось у данного ТРП изменение реактивности, обусловленное относительно большими утечками водорода из замедлителя (примерно на 80-85% суммарного изменения реактивности). По результатам летных испытаний было отмечено, что средняя скорость уменьшения реактивности превышала значения, полученные при соответствующих наземных испытаниях.Close to the invention in technical essence can be considered TRP for the space nuclear power plant "Topaz" [6] with a useful electric power of ~ 6 kW. The TRP contains a reflector, an active zone drawn from electricity generating channels with fuel rods filled with fuel material based on the 235 U isotope. The active zone includes 5-element EGCs located in the holes of the moderator from zirconium hydride and is surrounded by a beryllium reflector. Reactor controls in the form of 12 beryllium rotary cylinders with sector neutron-absorbing boron carbide pads are located in the side reflector. The outer shells of EGCs are cooled by a heat carrier (eutectic alloy Na-K). Relatively large leakages of hydrogen from the moderator in the core, which falls into the interelectrode gaps, are observed and thereby contribute to the degradation of the electrical characteristics of the reactor, corresponding to a decrease in the initial conversion efficiency on average with a relative speed of (5-7) • 10 -3 % / h. In addition, a change in reactivity was noted in this TRP due to relatively large hydrogen leakages from the moderator (approximately 80-85% of the total change in reactivity). According to the results of flight tests, it was noted that the average rate of decrease in reactivity exceeded the values obtained from the corresponding ground tests.

Задачей является повышение запаса реактивности ТРП, выравнивание поля тепловыделения по сечению а.з. ТРП, выравнивание средней температуры эмиттерных оболочек по а.з. ТРП, создание равных условий в работе термоэмиссионного твэла и повышение, таким образом, энергетических характеристик и ресурса ТРП.The task is to increase the reactivity margin of the TRP, aligning the field of heat generation over the cross section of the gas station TRP, equalization of the average temperature of the emitter shells on the a.z. TRP, creation of equal conditions in the operation of a thermionic fuel rod and, thus, increase of the energy characteristics and resource of the TRP.

Задача достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе, содержащем отражатель нейтронов, активную зону, набранную из электрогенерирующих каналов с твэлами, заполненными топливным материалом, электрогенерирующие каналы с твэлами около отражателя заполнены топливным материалом на основе изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов с топливным материалом с более низким коэффициентом воспроизводства. В качестве изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов выбраны изотопы 233U, 239Pu, 241Pu. В качестве изотопов с более низким коэффициентом воспроизводства нейтронов выбран изотоп 235U.The task is achieved in a thermionic converter reactor containing a neutron reflector, an active zone drawn from electric generating channels with fuel rods filled with fuel material, electric generating channels with fuel rods near the reflector are filled with fuel material based on isotopes with a higher neutron reproduction coefficient and separated from the reflector by at least than a single layer of electricity generating channels with fuel material with a lower reproduction rate. The isotopes 233 U, 239 Pu, 241 Pu were selected as isotopes with a higher neutron reproduction coefficient. The isotope 235 U is chosen as the isotope with a lower neutron reproduction coefficient.

Использование изотопов (U233, 239Pu, 241Рu) с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов в ТМ твэла по сравнению с ТМ на основе изотопов с более низким коэффициентом воспроизводства нейтронов (235U) вызвано, в первую очередь, тем, что обеспечивает существенно более высокий запас реактивности ТРП при одинаковой доле топлива в реакторе [7, 8, 9, 10].The use of isotopes (U 233 , 239 Pu, 241 Pu) with a higher neutron reproduction coefficient in fuel elements TM compared to TM based on isotopes with a lower neutron reproduction coefficient ( 235 U) is primarily due to the fact that it provides significantly more a high reserve of reactivity of TRP with the same proportion of fuel in the reactor [7, 8, 9, 10].

Возможно выравнивание тепловыделения по объему а.з. ТРП варьированием в твэле долей ТМ с более высоким и более низким коэффициентом воспроизводства. Термоэмиссионные твэлы, примыкающие к отражателю, не менее одного слоя, заполнены топливным материалом на основе изотопа 235U, другая часть твэлов заполнена топливным материалом, в котором изотоп 235U замещается полностью или частично изотопами с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов, причем плотность этих изотопов в топливном материале твэлов уменьшается, в среднем образуя плавную зависимость, по радиусу и длине активной зоны ТРП от периферии к центру активной зоны, изменяясь от максимального значения у периферии активной зоны до нуля в центре активной зоны. Расположение ЭГК и твэлов с ТМ на основе изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов по активной зоне ТРП и ход изменения плотности этих изотопов по радиусу и высоте а.з. объясняется прежде всего характерной для ядерных реакторов кривой распределения тепловыделения по активной зоне [11].It is possible to align the heat release in the volume of a.z. TRP by varying in the fuel element the shares of TM with a higher and lower reproduction rate. Thermionic fuel rods adjacent to the reflector of at least one layer are filled with fuel material based on the 235 U isotope, the other part of the fuel rods is filled with fuel material in which the 235 U isotope is replaced in whole or in part by isotopes with a higher neutron reproduction coefficient, and the density of these isotopes in the fuel material of the fuel rods decreases, on average forming a smooth dependence, along the radius and length of the TRP active zone from the periphery to the center of the active zone, changing from the maximum value at the periphery of the active the first zone to zero in the center of the core. The arrangement of EGCs and fuel rods with TM based on isotopes with a higher neutron reproduction coefficient over the TRP active zone and the course of the change in the density of these isotopes along the radius and height of the a.s. first of all, it is explained by the curve of the distribution of heat release over the core characteristic of nuclear reactors [11].

На фиг.1 приведена конструкционная схема предложенного ТРП. На фиг.2 приведено поперечное сечение ТРП с моноблочной структурой активной зоны. На фиг.3 - конструкционная схема ЭГК.Figure 1 shows the structural diagram of the proposed TRP. Figure 2 shows the cross section of the TRP with a monoblock structure of the active zone. Figure 3 - structural diagram of the EGC.

ТРП 1 содержит активную зону 2, которая набрана из ЭГК 3, 4, отражатель нейтронов 5, в боковой части которого размещены органы системы управления и защиты (СУЗ) 6, например, в виде поворотных цилиндров с нейтронопоглощающими вставками 7. ЭГК 3, 4 представляют последовательно соединенные сборки ЭГЭ 8. ЭГЭ 8 включает эмиттер 11, коллектор 12, причем эмиттером 11 служит оболочка термоэмиссионного твэла 9, заключающая топливный материал 10. ЭГК 3 с твэлами 9, заполнены ТМ на основе изотопа 235U. В области активной зоны 2, около отражателя 5, размещены ЭГК 4 с твэлами 9, заполненными ТМ на основе изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов, которые отделены от отражателя 5 не менее чем одним слоем ЭГК 3 с ТМ на основе изотопа 235U. Термоэмиссионные твэлы 9 ЭГК 3, примыкающие к отражателю 5, не менее одного слоя, заполнены ТМ 10 на основе изотопа 235U, для другой части ЭГК 4 твэлы 9 заполнены ТМ 10, в котором изотоп 235U замещается полностью или частично изотопами с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов, причем плотность этих изотопов в ТМ 10 твэлов 9 уменьшается, в среднем образуя плавную зависимость, изменяясь от максимального значения у периферии активной зоны 2 до нуля в центре активной зоны 2 (на фиг.2 это обстоятельство выражено плотностью штриховки поперечного сечения ЭГК 4, плавно уменьшающейся от периферии а.з. 2 к его центру).TRP 1 contains an active zone 2, which is composed of EGC 3, 4, a neutron reflector 5, in the lateral part of which are placed the control and protection system (CPS) 6, for example, in the form of rotary cylinders with neutron-absorbing inserts 7. EGCs 3, 4 represent serially connected assemblies of the EGE 8. The EGE 8 includes an emitter 11, a collector 12, and the emitter 11 is the sheath of the thermionic fuel rod 9, which encloses the fuel material 10. The EGC 3 with the fuel rods 9 are filled with TM based on the 235 U isotope. In the region of the active zone 2, about reflector 5, placed EGK 4 with a fuel rod 9 filled with TM based on isotopes with a higher neutron reproduction coefficient, which are separated from reflector 5 by at least one layer of EGC 3 with TM based on the 235 U isotope. Thermionic fuel rods 9 of EGC 3 adjacent to reflector 5, at least one layer are filled with TM 10 based on the 235 U isotope, for the other part of the EGC 4 fuel rods 9 are filled with TM 10 in which the 235 U isotope is replaced in whole or in part by isotopes with a higher neutron reproduction coefficient, and the density of these isotopes in the TM 10 of fuel rods 9 decreases, in average image I have a smooth dependence, changing from the maximum value at the periphery of the active zone 2 to zero in the center of the active zone 2 (in Fig. 2 this circumstance is expressed by the density of the hatching of the cross section of the EGC 4, gradually decreasing from the periphery of the a.z. 2 to its center).

Термоэмиссионный реактор-преобразователь работает следующим образом. После сборки ТРП 1 и подсоединения его ко всем системам ЯЭУ, проводятся необходимые проверки и, при космическом использовании, ТРП 1 в составе ЯЭУ выводится в космос на радиационно-безопасную орбиту. По команде с Земли или автоматически производится пуск ТРП 1 путем поворота органов СУЗ 6, расположенных в боковом отражателе 5 поглощающими вставками 7 от активной зоны 2. При достижении критичности ТРП 1, в топливном материале 10 твэлов 9 ЭГК 3 и ЭГК 4 начинает выделяться тепло. Поскольку твэлы 9 ЭГК 4 включают делящийся материал на основе изотопов с повышенным коэффициентом воспроизводства нейтронов, по сравнению с ЭГК 3, и расположены в зоне минимума тепловыделения а.з. 2 ТРП 1, что приводит к выравниванию тепловыделения по радиусу а.з. 2, что вызывает равномерный нагрев эмиттеров 11 в ЭГЭ 8. Это обстоятельство приводит к выравниванию условий работы твэлов 9 и ЭГЭ 8 по всему ТРП 1, что приводит к повышению энергоресурсных характеристик и кпд ТРП.Thermionic reactor converter operates as follows. After the assembly of the TRP 1 and its connection to all NPP systems, the necessary checks are carried out and, in space use, the TRP 1 as part of the NPP is put into space in a radiation-safe orbit. At the command of the Earth, the TRP 1 is automatically launched by turning the BPS 6 located in the lateral reflector 5 with absorbing inserts 7 from the core 2. Upon reaching the criticality of the TRP 1, heat is generated in the fuel material of 10 fuel rods 9 of EGK 3 and EGK 4. Since fuel rods 9 of EGC 4 include fissile material based on isotopes with an increased neutron reproduction coefficient, compared with EGC 3, and are located in the zone of minimum heat release a.z. 2 TRP 1, which leads to equalization of heat generation along the radius of the a.s. 2, which causes uniform heating of the emitters 11 in the EGE 8. This circumstance leads to equalization of the operating conditions of the fuel rods 9 and EGE 8 throughout the TRP 1, which leads to an increase in the energy resource characteristics and efficiency of the TRP.

Таким образом, предложенное техническое решение повышает запас реактивности ТРП и позволяет:Thus, the proposed technical solution increases the reactivity margin of the TRP and allows you to:

увеличить электрическую мощность ТРП, при неизменной суммарной тепловой мощности ТРП, за счет более равномерного распределения тепловой мощности по объему активной зоны ТРП;to increase the electric power of the TRP, at a constant total thermal power of the TRP, due to a more uniform distribution of thermal power over the volume of the active zone of the TRP;

получить более высокие средние удельные энергетические характеристики, снимаемые с единицы объема активной зоны ТРП при неизменной максимальной температуре эмиттеров ЭГК;to obtain higher average specific energy characteristics, taken from a unit volume of the active zone of the TRP at a constant maximum temperature of the EGC emitters;

получить более высокий кпд преобразования тепловой энергии в электрическую в ТРП за счет более равномерного распределения температуры эмиттерных оболочек ЭГЭ в ТРП;to obtain a higher efficiency of converting thermal energy into electrical energy in TRP due to a more uniform temperature distribution of the emitter shells of the EGE in TRP;

увеличить ресурс работы ТРП за счет более равномерного по объему а.з. распределения нагрузки на эмиттерные оболочки твэлов ЭГЭ от распухающего топливного материала;to increase the life of the TRP due to a more uniform in terms of volume AZ load distribution on the emitter cladding of EGE fuel rods from swelling fuel material;

увеличить долю конструкционных материалов, относительную долю пористости в твэлах ЭГЭ, что приводит к увеличению ресурсных характеристик ЭГК и ТРП в целом.to increase the share of structural materials, the relative share of porosity in the fuel elements of the EGE, which leads to an increase in the resource characteristics of EGC and TRP as a whole.

Кроме того, использование в ТМ изотопа 233U вместо изотопа 235U позволяет не менять физико-химические характеристики ТМ, в частности его характеристики по совместимости с материалом эмиттерной оболочки, сохранять неизменной долю ТМ в твэлах, добиваться таким ядерным профилированием практически равнопрочности термоэмиссионных твэлов по всей активной зоне ТРП.In addition, the use of the 233 U isotope instead of the 235 U isotope in a TM makes it possible not to change the physicochemical characteristics of the TM, in particular its compatibility characteristics with the material of the emitter cladding, to keep the share of the TM in the fuel rods unchanged, to achieve almost uniform thermal emission fuel rods with such nuclear profiling throughout active zone TRP.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.15.1. Samoilov A.G. Fuel elements of nuclear reactors. M .: Energoatomizdat, 1985, p. 15.

2. Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчета температурных полей гетерогенного топливного сердечника термоэмиссионного топливного элемента. Атомная энергия, 1980, том 49, вып. 6, с.393 и 394.2. Kornilov V.A., Sukhov Yu.I., Yuditsky V.D. Method for calculating the temperature fields of a heterogeneous fuel core of a thermionic fuel element. Atomic Energy, 1980, Volume 49, no. 6, p. 393 and 394.

3. Корнилов В.А., Юдицкий В.Д. Моделирование тепло- и массопереноса в сердечнике термоэмиссионного твэла. Атомная энергия, 1982, том 53, вып. 2, с.74-76.3. Kornilov V.A., Yuditsky V.D. Modeling of heat and mass transfer in the core of a thermionic fuel element. Atomic Energy, 1982, Volume 53, no. 2, p. 74-76.

4. Патент RU №2138096 С1. МКИ Н 01 J 45/00. Термоэмиссионный реактор-преобразователь. Опубл. 20.09.99, Бюл. №26.4. Patent RU No. 2138096 C1. MKI H 01 J 45/00. Thermionic converter reactor. Publ. 09/20/99, Bull. No. 26.

5. Комбинированная ядерно-энергетическая установка "ТЭМБР" с реактором-преобразователем на быстрых нейтронах/В.И.Читайкин, В.И.Ионкин, М.К.Овчаренко и др.//Пятая международная конференция "Ядерная энергетика в космосе", сб. докладов./Под общей ред. проф. И.И.Федика, ч.1. - Подольск, Моск. обл., 1999, с.94.5. Combined nuclear power plant "TEMBR" with a fast reactor neutron converter / V.I. Chitaykin, V.I. Ionkin, M.K. Ovcharenko and others // Fifth international conference "Nuclear energy in space", Sat reports./ Under the general ed. prof. I.I. Fedika, part 1. - Podolsk, Mosk. reg., 1999, p. 94.

6. Основные задачи и результаты летных испытаний ЯЭУ по программе "Топаз"/И.П.Богуш, Г.М.Грязнов, Е.Е.Жаботинский и др. Атомная энергия, т.70, вып. 4, 1991, с.214.6. The main tasks and results of flight tests of nuclear power plants under the program "Topaz" / I.P. Bogush, G.M. Gryaznov, E.E. Zhabotinsky et al. Atomic energy, vol. 70, no. 4, 1991, p. 214.

7. Справочник по ядерной физике./Под ред. акад. Л.А.Арцимовича. - М.: Физматгиз, 1963, с.267 и 338.7. Handbook of Nuclear Physics./ Ed. Acad. L.A. Artsimovich. - M .: Fizmatgiz, 1963, p. 267 and 338.

8. Джекобс А., Клайн Д., Ремик Ф. Основы ядерной науки и реакторы. - М.: Госатомиздат, 1962, с.61 и 188.8. Jacobs A., Kline D., Remick F. Fundamentals of nuclear science and reactors. - M .: Gosatomizdat, 1962, p. 61 and 188.

9. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. - М.: Госатомиздат, 1962, с.9.9. Zaimovsky A.S., Kalashnikov V.V., Golovnin I.S. Fuel elements of nuclear reactors. - M .: Gosatomizdat, 1962, p. 9.

10. Емельянов В.С., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего. - М.: Атомиздат, 1968, с.12 и 298.10. Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I. Metallurgy of nuclear fuel. - M .: Atomizdat, 1968, p. 12 and 298.

11. [1], c.16.11. [1], p.16.

Claims (3)

1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий отражатель нейтронов, активную зону, набранную из электрогенерирующих каналов с твэлами, заполненными топливным материалом, отличающийся тем, что электрогенерирующие каналы с твэлами около отражателя заполнены топливным материалом на основе изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов и отделены от отражателя не менее чем одним слоем электрогенерирующих каналов с топливным материалом с более низким коэффициентом воспроизводства.1. Thermionic reactor-converter containing a neutron reflector, an active zone recruited from electricity generating channels with fuel rods filled with fuel material, characterized in that the electricity generating channels with fuel rods near the reflector are filled with fuel material based on isotopes with a higher neutron reproduction coefficient and separated from reflector with at least one layer of electricity generating channels with fuel material with a lower reproduction rate. 2. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве изотопов с более высоким коэффициентом воспроизводства нейтронов выбраны изотопы 233U, 239Pu, 241Pu.2. Thermionic reactor-converter according to claim 1, characterized in that the isotopes 233 U, 239 Pu, 241 Pu are selected as isotopes with a higher neutron reproduction coefficient. 3. Термоэмиссионный реактор-преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве изотопов с более низким коэффициентом воспроизводства нейтронов выбран изотоп 235U.3. Thermionic reactor-converter according to claim 1, characterized in that the isotope 235 U is selected as the isotope with a lower neutron reproduction coefficient.
RU2002122915/06A 2002-08-26 2002-08-26 Thermionic conversion reactor RU2230378C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002122915/06A RU2230378C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Thermionic conversion reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002122915/06A RU2230378C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Thermionic conversion reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002122915A RU2002122915A (en) 2004-03-10
RU2230378C2 true RU2230378C2 (en) 2004-06-10

Family

ID=32846023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002122915/06A RU2230378C2 (en) 2002-08-26 2002-08-26 Thermionic conversion reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2230378C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680250C1 (en) * 2018-04-13 2019-02-19 Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" Active zone of the nuclear reactor
RU2724927C1 (en) * 2019-10-14 2020-06-26 Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" Neutron moderator based on zirconium hydride and thermionic reactor-converter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БОГУШ И.Б. и др. Основные задачи и результаты летных испытаний ЯЭУ по программе "Топаз". Атомная энергия. Т. 70. Вып. 4. - 1991, с. 214. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680250C1 (en) * 2018-04-13 2019-02-19 Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" Active zone of the nuclear reactor
RU2724927C1 (en) * 2019-10-14 2020-06-26 Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" Neutron moderator based on zirconium hydride and thermionic reactor-converter

Also Published As

Publication number Publication date
RU2002122915A (en) 2004-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5408510A (en) Thermionic nuclear reactor with flux shielded components
US2998367A (en) Boiling reactors
US9767926B2 (en) Modular nuclear fission waste conversion reactor
WO2007024716A2 (en) High-density, solid solution nuclear fuel and fuel block utilizing same
WO2011011504A1 (en) Nuclear battery based on hydride/thorium fuel
US4186050A (en) Nuclear reactors
He et al. Research on power flattening method and neutron characteristic analysis of a megawatt-class space gas-cooled fast reactor
RU2230378C2 (en) Thermionic conversion reactor
CA2097412C (en) Fuel bundle for use in heavy water cooled reactors
El‐Genk et al. Start‐up simulation of a thermionic space nuclear reactor system
Yao et al. Scheme research of mars surface nuclear reactor power
Manly Utilization of BeO in reactors
CN113205892B (en) Reactor core system of prismatic gas-cooled micro-reactor
RU2592071C2 (en) Space nuclear dual-mode power plant of transport-power module
RU2088981C1 (en) Fast reactor using liquid-metal coolant
RU2076386C1 (en) Thermionic nuclear reactor-converter
Jevremovic et al. Conceptual design of an indirect-cycle, supercritical-steam-cooled fast breeder reactor with negative coolant void reactivity characteristics
CN113270207B (en) Short-life-period air-cooled micro-reactor performance optimization structure
Snyder Jr et al. STAR-C, A Thermionic Reactor for Low Power Space Applications
Variastuti et al. Optimization of Core Regions and Fuel Fractions for Better Power Peaking Factor of 150, 450 and 1,000 MWth Molten Salt Reactor.
Ellis System Definition Document: Reactor Data Necessary for Modeling Plutonium Disposition in Catawba Nuclear Station Units 1 and 2
Rhee et al. Space‐R thermionic space nuclear power system with single cell incore thermionic fuel elements
RU2084043C1 (en) Thermal-emission converting reactor
Klein et al. Low power incore thermionic space reactor design concepts using advanced technology
Ponomarev‐Stepnoi et al. Space nuclear power system based on thermionic reactor with single‐cell TFEs and zirconium hydride moderator

Legal Events

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

Effective date: 20050827