RU2595261C2

RU2595261C2 - Heat emission reactor-converter electric generating assembly (2 versions)

Info

Publication number: RU2595261C2
Application number: RU2014147940/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Корнилов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-08-27
Also published as: RU2014147940A

Abstract

FIELD: astronautics.

SUBSTANCE: invention can be used in aerospace engineering and nuclear power engineering when designing highly efficient space nuclear power plants on basis of heat emission reactor-converter. In heat emission reactor-converter electric generating assembly (EGA) consisting of series-connected power generating elements (PGE), with cylindrical electrodes, cylindrical emitter and cylindrical collector separated by coaxial interelectrode gap (IEG), each of which includes ventilated fuel-emitter unit (FEU) including fuel material (FM) based on UO₂, enclosed in shell, in space arrangement of switching jumper between first end cover of one PGE and the second end cover adjacent PGE located at distance of H<L, there is cylindrical shell made from same material as PGE tube cylindrical collector, wherein bottom of cylindrical shell being in contact with tube cylindrical collector, is made in form of flat circular ring, coaxially with central pipe GOU in space arrangement of switching jumper safety element is installed, connected to first end cover and passing through hole of said flat circular ring, safety element is made in form of cylindrical shell. Disclosed is second version of device.

EFFECT: higher efficiency of conversion of thermal energy released in fuel-emitter units of electricity assembly, to electric energy conversion cylindrical PGE, reduced probability of condensation UO₂ in interelectrode gaps PGE (coaxial and flat) and thereby increasing stability of power characteristics and resource EGA.

12 cl, 4 dwg

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).The invention relates to a thermionic method of converting thermal energy into electrical energy and can be used to create multi-element power generating assemblies (EHS) of a thermionic reactor-converter (TRP).

Наиболее распространена конструкция ЭГС [1, с. 207] с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) коаксиальной схемы с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором). Каждый ЭГЭ включает топливно-эмиттерный узел (ТЭУ) и цилиндрический коллектор. ТЭУ состоит из оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), заполненной топливным материалом (ТМ). Межэлектродный зазор (МЭЗ) между цилиндрическими электродами ЭГЭ устанавливается, как правило, порядка 0,3-0,5 мм. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым многоэлементную ЭГС.The most common design of EHS [1, p. 207] with series-connected power generating elements (EGE) of a coaxial circuit with cylindrical electrodes (emitter and collector). Each EGE includes a fuel-emitter unit (TEU) and a cylindrical collector. A TEU consists of a shell, the cylindrical part of which is an emitter of a thermionic converter (TEC) filled with fuel material (TM). The interelectrode gap (MEZ) between the cylindrical electrodes of the EGE is established, as a rule, of the order of 0.3-0.5 mm. EGE are connected to each other sequentially with the help of switching jumpers, thereby forming a multi-element EHS.

Известна ЭГС на базе термоэмиссионных ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой ТЭУ [2]. Термоэмиссионная ЭГС содержит последовательно соединенные ЭГЭ, где ТЭУ выполнены в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), а коллекторы выполнены в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием. ЭГС также содержит коллекторную изоляцию и корпус (чехол), общие для всех ЭГЭ. В такой ЭГС, с одинаковыми высотами ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, генерирование электроэнергии происходит как в коаксиальном МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и плоским основанием коллектора. Благодаря тому, что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах эмиттера плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ, и соответственно ЭГС, могут быть высокоэнергонапряженными.Known EHS based on thermionic EGE with a sealed emitter shell TEU [2]. Thermionic EHS contains series-connected EGE, where TECs are made in the form of short cylinders, the side and one of the end surfaces of which serve as the emitter of the thermionic converter (TEC), and the collectors are made in the form of a cylindrical shell with a flat base. EHS also contains collector insulation and a housing (case) common to all EGE. In such an EHS, with the same heights of the EGE with the plane-cylindrical configuration of the electrodes, electricity is generated both in the coaxial MEZ formed by the cylindrical parts of the emitter and collector, and in the flat MEZ formed by the end part of the emitter shell and the flat base of the collector. Due to the fact that a flat MEZ can be made much smaller than coaxial in technological capabilities (in reactor EGE up to 30-50 microns), at the same emitter temperatures, the electric power density increases with a decrease in the MEZ. Therefore, such an EGE, and, accordingly, EHS, can be highly energized.

Однако высокая энергонапряженность может быть реализована лишь в том случае, если будет обеспечена стабильность МЭЗ. Плоскоцилиндрические твэлы ЭГЭ выполняют, как правило, с длиной цилиндрической части оболочки твэла меньшей диаметра торцевой части оболочки твэла. Как показывают расчетно-теоретические и экспериментальные исследования [3-5], герметичные твэлы таких ЭГЭ, с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, имеют ограниченную ресурсоспособность. В первую очередь это связано с деформацией эмиттерной оболочки ЭГЭ вызванное распуханием ТМ от твердых и газообразных продуктов деления (ГПД). При длительной работе ТРП продукты деления будут накапливаться внутри герметичного твэла, давление их будет возрастать, что приводит 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 ЭГЭ типа "короткое замыкание". Как показывают расчеты, высокое давление продуктов деления ТМ на эмиттерную оболочку приводит к быстрой потере работоспособности ЭГЭ, вплоть до разрыва эмиттерной оболочки с выходом ТМ из твэла с последующей конденсацией ТМ на коллекторе, что и подтверждается результатами испытаний ЭГС в наземных реакторах [4].However, high energy intensity can only be realized if the stability of the MEZ is ensured. The flat-cylindrical fuel elements of the EGE are performed, as a rule, with the length of the cylindrical part of the cladding of the fuel rod less than the diameter of the end part of the cladding of the fuel element. As shown by theoretical and experimental studies [3-5], sealed fuel rods of such EGE, with a flat-cylindrical configuration of the electrodes, have limited resource life. This is primarily due to deformation of the EGE emitter shell caused by the swelling of HM from solid and gaseous fission products (GPA). During long-term operation of the TRP, fission products will accumulate inside the sealed fuel rod, their pressure will increase, which leads to deformation of the emitter shell. This in turn leads to a decrease in the MEZ and, as a result, to a short circuit of the emitter with the collector, i.e. to failure of the EGE type "short circuit". Calculations show that the high pressure of the products of fission of HMs into the emitter shell leads to a rapid loss of EGE operability, up to the rupture of the emitter shell with the release of HM from the fuel rod, followed by the condensation of HM on the collector, which is confirmed by the results of tests of EHS in surface reactors [4].

Известна термоэмиссионная ЭГС [6] с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащая последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ. Каждый ЭГЭ состоит из ТЭУ, в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером ТЭП, и коллектора содержащего две части, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания. ЭГС включает также коллекторную изоляцию и корпус, общие для всех ЭГЭ. С целью обеспечения примерно равной температуры эмиттеров всех последовательно соединенных ЭГЭ в ЭГС, в данном техническом решении используется геометрическое профилирование за счет изменения высоты ТЭУ. ЭГЭ, расположенные на краях ЭГС, выполнены с высотой ТЭУ и длиной части коллектора в виде цилиндрической оболочки большими, чем соответственно высота ТЭУ и длина части коллектора у ЭГЭ, расположенных в центре ЭГС.Known thermionic EHS [6] with a plane-cylindrical configuration of the electrodes, containing serially connected using switching jumpers EGE. Each EGE consists of a TEU, in the form of a short cylinder, the side and one of the end parts of which serve as the emitter of the TEC, and a collector containing two parts, one of which is made in the form of a cylindrical shell, and the second - in the form of a flat base. EHS also includes collector insulation and a housing common to all EGE. In order to ensure an approximately equal temperature of the emitters of all series-connected EGEs in the EHS, this technical solution uses geometric profiling by changing the height of the TEU. EGE located at the edges of the EHS are made with the height of the TEU and the length of the collector in the form of a cylindrical shell greater than the height of the TEU and the length of the part of the collector at the EGE located in the center of the EHS.

Недостатком данной конструкции ЭГС, в первую очередь, является невозможность обеспечения длительного ресурса таких энергонапряженных ЭГС [3-5], особенно это касается центральных ЭГЭ с наиболее короткими ТЭУ. ЭГС, выполненные с герметичными ТЭУ, по результатам реакторных испытаний подобных ЭГС в петлевых каналах, показали низкую ресурсоспособность по причине высокого давления развиваемого продуктами деления ТМ внутри ТЭУ, что приводит к деформации эмиттерной оболочки и замыканию электродов в МЭЗ. Кроме того, в ЭГЭ с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, конструктивно сложно организовать вывод газообразных продуктов деления (ГПД), чтобы хотя бы частично снизить давление на эмиттерную оболочку и увеличить таким образом ресурс работы ЭГС с такими «короткими» ТЭУ.The disadvantage of this design of EHS, first of all, is the impossibility of ensuring a long life of such energy-stressed EHS [3-5], especially with regard to central EGE with the shortest TEU. EHS performed with sealed TEUs, according to the results of reactor tests of similar EHS in loop channels, showed low resource life due to the high pressure developed by the fission products of TM inside the TEU, which leads to deformation of the emitter shell and shorting of the electrodes in the MEZ. In addition, in an EGE with a cylindrical configuration of the electrodes, it is structurally difficult to organize the withdrawal of gaseous fission products (GPA) in order to at least partially reduce the pressure on the emitter shell and thus increase the life of the EHS with such “short” TEUs.

В техническом решении [7] предложено выполнять плоскоцилиндрические ЭГЭ с газоотводным устройством (ГОУ), выполненным в виде центральной трубки с капиллярным наконечником, размещаемым в геометрическом центре ТЭУ. Причем, центральная трубка выведена в торцевую часть эмиттерной оболочки, конструктивно соединенную с коммутационной перемычкой, т.е. в наиболее «холодную» часть эмиттерной оболочки. Предполагается удалять ГПД через эту трубку из ТЭУ в МЭЗ.In the technical solution [7], it was proposed to perform plane-cylindrical EGE with a gas exhaust device (GOU) made in the form of a central tube with a capillary tip placed in the geometric center of the TEU. Moreover, the central tube is brought into the end part of the emitter shell, structurally connected to the switching jumper, i.e. into the “coldest" part of the emitter shell. It is supposed to remove the GPA through this tube from the TEU to the MEZ.

Однако вывод ГПД из таких ТЭУ через «холодную» торцевую часть эмиттерной оболочки ограничен по времени, по причине забивания ГОУ конденсатом ТМ. В процессе работы энергонапряженных ЭГЭ происходит интенсивная переконденсация ТМ в ТЭУ с образованием центральной газовой полости (ЦГП). В результате в коротких плоско-цилиндрических ТЭУ происходит забивание конденсатом топлива как капиллярного наконечника с внешней стороны, так и конденсатом внутри центральной трубки ГОУ [8, 9, 10]. Происходит герметизация ТЭУ, что вызывает деформацию эмиттерной оболочки с последующим коротким замыканием эмиттера на коллектор. Поэтому схемно-конструктивное решение ЭГЭ с ГОУ должно быть таким, чтобы в процессе работы не происходила конденсация топлива в ГОУ и последующая герметизация ТЭУ. Это реализуется в конструкциях цилиндрических ЭГЭ с ГОУ, которые выполняют с длиной цилиндрической части оболочки твэла большей диаметра торцевой части оболочки твэла (как правило, 3-4 диаметра [3, 11]). Как одна из мер по предотвращению конденсации ТМ в ГОУ, как показывают расчетно-теоретические исследования [11], является вывод центральной трубки ГОУ в «горячую» торцевую часть эмиттерной оболочки не связанную с коммутационной перемычкой.However, the GPA output from such TEUs through the “cold” end part of the emitter shell is limited in time, due to the clogging of the GOU with TM condensate. In the process of operation of energy-stressing EGEs, intense condensation of HMs in TEU occurs with the formation of a central gas cavity (CGP). As a result, in short flat-cylindrical TEUs, the fuel condensate clogs both the capillary tip from the outside and the condensate inside the central GOU tube [8, 9, 10]. The TEU is sealed, which causes deformation of the emitter shell followed by a short circuit of the emitter to the collector. Therefore, the circuit-constructive solution of the EGE with the GOU should be such that in the process of operation there is no condensation of fuel in the GOU and the subsequent sealing of the TEU. This is realized in the designs of cylindrical EGE with GOU, which are performed with the length of the cylindrical part of the cladding of a fuel rod larger than the diameter of the end part of the cladding of a fuel element (usually 3-4 diameters [3, 11]). As one of the measures to prevent the condensation of HM in the GOU, as shown by theoretical and theoretical studies [11], is the output of the central tube of the GOU to the “hot” end part of the emitter shell not connected to the switching jumper.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является термоэмиссионная ЭГС, предложенная в [12]. ЭГС состоит из последовательно соединенных ЭГЭ. Каждый ЭГЭ содержит вентилируемый ТЭУ выполненный в виде цилиндра с топливным сердечником, заключенным в цилиндрическую эмиттерную оболочку с двумя торцевыми крышками. В первую торцевую крышку выведено ГОУ, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрическую эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ. Напротив выходного отверстия ГОУ размещена так называемая «холодная» ловушка, которая конструктивно соединена со второй торцевой крышкой. В «холодной» ловушке конденсируются пары ТМ, выходящего из ТЭУ через ГОУ вместе с ГПД. Так как вторая торцевая крышка одновременно соединена с коммутационной перемычкой, то ее температура будет несколько ниже, чем температура первой крышки (обычно на 200-300 К), поэтому ловушку условно называют «холодной». Длительный ресурс такой ЭГС обеспечивается благодаря системе удаления ГПД из ТЭУ через ГОУ, выведенного в первую торцевую крышку эмиттерной оболочки. ГПД удаляются через ГОУ из ТЭУ в МЭЗ, в результате чего снижается распухание ТМ и, соответственно, деформация эмиттерной оболочки.Closest to the invention in technical essence is thermionic EHS proposed in [12]. EHS consists of series-connected EGE. Each EGE contains a vented TEU made in the form of a cylinder with a fuel core enclosed in a cylindrical emitter shell with two end caps. A GOU is output to the first end cover, and the second end cover is connected to a switching jumper electrically commuting a cylindrical emitter shell with a collector of a neighboring EGE. Opposite the GOU outlet, a so-called “cold” trap is placed, which is structurally connected to the second end cover. In a “cold” trap, the pairs of TM leaving the TEU through the GOU together with the GPA condense. Since the second end cap is simultaneously connected to the jumper, its temperature will be slightly lower than the temperature of the first cap (usually 200-300 K), therefore the trap is conventionally called “cold”. The long life of such an EHS is ensured thanks to the system for removing the GPA from the TEU through the GOU, removed to the first end cover of the emitter shell. GPA are removed through the GOU from the TEU to the MEZ, as a result of which the swelling of the HM and, consequently, the deformation of the emitter shell are reduced.

Однако в данном техническом решении имеются следующие недостатки:However, this technical solution has the following disadvantages:

1) В каждом ЭГЭ не полностью используется эмиссионная поверхность оболочки ТЭУ в процессе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, что снижает КПД преобразователя, поскольку процесс генерирования электроэнергии происходит только в коаксиальном МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора и не используется поверхность «горячей» торцевой части эмиттерной оболочки не связанная с коммутационной перемычкой.1) In each EGE, the emission surface of the TEU shell is not fully used in the process of direct conversion of thermal energy into electrical energy, which reduces the efficiency of the converter, since the electricity generation process occurs only in the coaxial MEZ formed by the cylindrical parts of the emitter and collector and the “hot” end surface is not used parts of the emitter shell not connected to the jumper.

2) Предложенная конструкция ЭГС не исключает диффузию молекул UO₂, выходящих из ЭГЭ через ГОУ вместе с ГПД в пространство размещения коммутационной перемычки, в парогазовой смеси (Cs+Xe+Kr) к коллектору у входа в коаксиальный МЭЗ с последующей конденсацией. Конденсация молекул UO₂ на коллекторе и диффузии молекул UO₂ в МЭЗ нарушает работу ТЭП, приводит к деградации (не стабильности) энергетических характеристик ЭГЭ, снижению КПД и ресурса ЭГС.2) The proposed design of the EHS does not exclude the diffusion of UO ₂ molecules leaving the EGE through the GOU together with the GPA to the space of the switching jumper in the vapor-gas mixture (Cs + Xe + Kr) to the collector at the entrance to the coaxial MEZ with subsequent condensation. Condensation of UO ₂ molecules on the collector and diffusion of UO ₂ molecules in the MEZ disrupts the operation of the TEC, leads to degradation (instability) of the energy characteristics of the EGE, and a decrease in the efficiency and resource of the EHS.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение КПД преобразования тепловой энергии, выделяемой в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующей сборки, в электрическую энергию, а также повышению стабильности энергетических характеристик и ресурса ЭГС.The technical result achieved by using the invention is to increase the efficiency of conversion of thermal energy released in the fuel-emitter nodes of the power generating assembly into electrical energy, as well as to increase the stability of the energy characteristics and the resource of the EHS.

Указанный технический результат достигается в электрогенерирующей сборке термоэмиссионного реактора-преобразователя (по варианту 1), состоящей из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе UO₂, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, в пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, расположенными на расстоянии Н<L, установлен цилиндрический стакан, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора электрогенерирующего элемента, причем дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D, внутренним диаметром d и толщиной h_к, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана, обращенная в сторону пространства размещения коммутационной перемычки и находящаяся с ней в контакте, выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ<H с внешним диаметром D и толщиной стенки h, равной толщине трубки цилиндрического коллектора, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям:The specified technical result is achieved in the power generating assembly of the thermionic converter reactor (according to option 1), consisting of serially connected power generating elements, with cylindrical electrodes — a cylindrical emitter and a cylindrical collector, separated by a coaxial interelectrode gap of magnitude δ _MEZ , each of which contains a vented fuel-emitter assembly including a fuel material based on UO _2, enclosed in a shell, wherein the shell consists of a cylindrical of an emitter of length L and two flat end caps, a gas outlet device made in the form of a central tube is discharged into the first end cap, and the second end cap is connected to a switching jumper electrically switching a cylindrical emitter with a cylindrical collector made in the form of a tube with an external diameter D, which is a cylindrical collector of a thermionic converter of an adjacent power generating element, in the space of placement of the jumper, between the first end cover a cylindrical cup made of the same material as the tube of the cylindrical collector of the power generating element, and the bottom of the cylindrical cup in contact with the tube of the cylindrical collector, is installed by one electric generating element and a second end cap of an adjacent electric generating element located at a distance H <L. It formed as a flat circular ring having an outer diameter D, an inner diameter d and thickness h _a, wherein a circular ring is parallel pLANE and the first end cap forming between them a flat airgap δ≤δ _IES value and the side wall of the cylindrical nozzle which faces towards the housing space switching bridge and located in contact with it, is in the form of a right circular cylinder height l _PT <H with an external a diameter D and a wall thickness h equal to the thickness of the tube of the cylindrical collector, and a safety element is installed coaxially with the central tube of the venting device in the space of the jumper connected to the first end cap and passing through a hole with a diameter d of the aforementioned flat circular ring, the safety element is made in the form of a cylindrical shell with an external diameter d _PE and a length l ₂ corresponding to the relations:

d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ, (1)d _PE ≤ d-2 · δ _MEZ , (1)

H>l₂>h_к+δ. (2)H> l ₂ > h _k + δ. (2)

Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер. Предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан, трубка цилиндрического коллектора и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе Nb. На внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора нанесено коллекторное покрытие из сплава на основе W. На поверхность кругового кольца, со стороны обращенной к первой торцевой крышке, нанесено покрытие из сплава на основе W.The safety element, the first end cap and the gas vent device are made entirely of the same material as the cylindrical emitter. The safety element, the shell of the fuel-emitter unit and the gas vent device are made of monocrystalline W. The cylindrical cup, the tube of the cylindrical collector and the switching jumper are made of Nb-based alloy. A W-based alloy collector is applied to the inner surface of the tube of the cylindrical collector. A W-based alloy is applied to the surface of the circular ring from the side facing the first end cap.

Тот же технический результат достигается в электрогенерирующей сборке термоэмиссионного реактора-преобразователя (по варианту 2), состоящей из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером и цилиндрическим коллектором, разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ, каждый из которых содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел, включающий топливный материал на основе UO₂, заключенный в оболочку, причем оболочка состоит из цилиндрического эмиттера длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки, а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер с цилиндрическим коллектором, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента, в области между вторыми торцевыми крышками двух соседних электрогенерирующих элементов находящимися на расстоянии Н+L, где Н - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, причем Н<L, установлен цилиндрический стакан, дно цилиндрического стакана, находящееся в контакте с коммутационной перемычкой, выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D и внутренним диаметром d и толщиной h_к, причем круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки, образуя между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ≤δ_МЭЗ, а боковая стенка цилиндрического стакана выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=L+δ+h_к с внешним диаметром D и толщиной стенки h и является цилиндрическим коллектором электрогенерирующего элемента, причем соосно с центральной трубкой газоотводного устройства в пространстве размещения коммутационной перемычки установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца, предохранительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям: d_ПЭ ≤ d-2·δ_МЭЗ, Н > l₂ > h_к+δ. Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер. Предохранительный элемент, оболочка топливно-эмиттерного узла и газоотводное устройство выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан и коммутационная перемычка выполнены из сплава на основе Nb. На поверхность кругового кольца, со стороны обращенной к первой торцевой крышке нанесено покрытие из сплава на основе W. На внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана нанесено покрытие из сплава на основе W.The same technical result is achieved in the power generating assembly of the thermionic converter reactor (according to option 2), consisting of series-connected power generating elements, with cylindrical electrodes — a cylindrical emitter and a cylindrical collector, separated by a coaxial interelectrode gap of magnitude δ _MEZ , each of which contains a vented fuel an emitter assembly including the fuel material based on UO _2, enclosed in a shell, wherein the shell consists of a cylindrical of a L of length L and two flat end caps, a vent device made in the form of a central tube is discharged into the first end cap, and the second end cap is connected to a switching jumper electrically switching a cylindrical emitter with a cylindrical collector made in the form of a tube with an outer diameter D, which is a cylindrical collector of a thermionic converter of an adjacent power generating element, in the region between the second end caps of two adjacent power generating elements entrances located at a distance of H + L, where H is the distance in the space of the jumper between the first end cover of one power generating element and the second end cover of an adjacent power generating element, with H <L, a cylindrical cup, the bottom of a cylindrical cup in contact with the commutation jumper is in the form of a flat circular ring having an outer diameter d and inner diameter d and thickness h _a, wherein a circular ring is parallel to the first plane t rtsevoy cover, forming between them a flat airgap δ≤δ _IES value and the side wall of the cylindrical cup is in the form of a right circular cylinder height l _PT = L + δ + h _to the external diameter D and wall thickness h, and a cylindrical collector power generating element moreover, coaxially with the central tube of the venting device, a safety element is installed in the space of the jumper, connected to the first end cover and passing through an opening with a diameter of d a flat annular ring, the safety element is designed as a cylindrical shell with an outer diameter d and length l _PE ₂ corresponding relations: d ≤ _d-PE 2 · δ _MEZ, H> l _2> h _to + δ. The safety element, the first end cap and the gas vent device are made entirely of the same material as the cylindrical emitter. The safety element, the shell of the fuel-emitter unit and the gas vent device are made of monocrystalline W. The cylindrical cup and the switching jumper are made of Nb-based alloy. A W-based alloy coating is applied to the surface of the circular ring from the side facing the first end cover. A W-based alloy coating is applied to the inner surface of the side wall of the cylindrical cup.

На фиг. 1 приведен общий вид электрогенерирующей сборки (ЭГС) последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ); на фиг. 2 приведена часть ЭГС первого варианта, где показано аксиальное сечение ЭГЭ с цилиндрическим стаканом и предохранительным элементом в пространстве размещения коммутационной перемычки; на фиг. 3 приведена часть ЭГС второго варианта, где показано аксиальное сечение ЭГЭ с предохранительным элементом и с цилиндрическим стаканом, боковая стенка которого одновременно служит цилиндрическим коллектором; на фиг. 4 на выносном элементе более детально показан предохранительный элемент.In FIG. 1 shows a General view of the power generating assembly (EHS) of the series-connected electricity generating elements (EGE); in FIG. 2 shows a part of the EHS of the first embodiment, which shows an axial section of the EGE with a cylindrical cup and a safety element in the space of the jumper; in FIG. 3 shows a part of the EHS of the second embodiment, which shows an axial section of the EGE with a safety element and with a cylindrical cup, the side wall of which simultaneously serves as a cylindrical collector; in FIG. 4, the safety element is shown in more detail on the remote element.

На фиг. 1-4 приведено:In FIG. 1-4 are given:

1 - электрогенерирующая сборка (ЭГС);1 - power generating assembly (EHS);

2 - электрогенерирующий элемент (ЭГЭ);2 - electricity generating element (EGE);

3 - цилиндрический эмиттер;3 - cylindrical emitter;

4 - цилиндрический коллектор;4 - a cylindrical collector;

5 - коаксиальный межэлектродный зазор (коаксиальный МЭЗ);5 - coaxial interelectrode gap (coaxial MEZ);

6 - топливно-эмиттерный узел (ТЭУ);6 - fuel-emitter unit (TEU);

7 - оболочка;7 - shell;

8 - топливный материал (ТМ);8 - fuel material (TM);

9 - первая торцевая крышка;9 - the first end cover;

10 - газоотводное устройство (ГОУ);10 - gas vent device (GOU);

11 - центральная трубка;11 - a central tube;

12 - капиллярный наконечник;12 - capillary tip;

13 - вторая торцевая крышка;13 - second end cap;

14 - коммутационная перемычка;14 - switching jumper;

15 - «холодная» ловушка;15 - “cold” trap;

16 - цилиндрический стакан;16 - a cylindrical glass;

17 - круговое кольцо;17 - a circular ring;

18 - плоский межэлектродный зазор (плоский МЭЗ);18 - flat interelectrode gap (flat MEZ);

19 - предохранительный элемент;19 - safety element;

20 - покрытие;20 - coating;

21 - коллекторное покрытие;21 - collector coating;

22 - дистанционатор;22 - remote control;

23 - дистанционатор;23 - remote control;

24 - центральная газовая полость (ЦГП);24 - the Central gas cavity (TGP);

25 - изолятор;25 - insulator;

26 - коллекторная изоляция;26 - collector insulation;

27 - корпус.27 - case.

В первом варианте исполнения (фиг. 1, 2, 4) электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнена следующим образом. Электрогенерирующая сборка (ЭГС) 1 (фиг. 1) термоэмиссионного реактора-преобразователя состоит из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) 2 с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером 3 и цилиндрическим коллектором 4 - разделенными коаксиальным МЭЗ 5 величиной δ_МЭЗ. Каждый ЭГЭ 2 содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел (ТЭУ) 6, включающий оболочку 7 и топливный материал (ТМ) 8 на основе UO₂, заключенный в оболочку 7. Оболочка 7 состоит из цилиндрического эмиттера 3 длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку 9 выведено газоотводное устройство 10, выполненное в виде центральной трубки 11 с капиллярным наконечником 12, размещенным в геометрическом центре ТЭУ 6. Вторая торцевая крышка 13 соединена с коммутационной перемычкой 14, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер 3 с цилиндрическим коллектором 4, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором 4 термоэмиссионного преобразователя соседнего электрогенерирующего элемента 2. В пространстве размещения коммутационной перемычки 14, между первой торцевой крышкой 9 одного ЭГЭ 2 и второй торцевой крышкой 13 соседнего ЭГЭ 2, расположенными на расстоянии Н<L, установлен цилиндрический стакан 16, выполненный из того же материала, что и трубка цилиндрического коллектора 4 ЭГЭ 2. Причем дно цилиндрического стакана 16, находящееся в контакте с трубкой цилиндрического коллектора 4, выполнено в виде плоского кругового кольца 17 с внешним диаметром D, внутренним диаметром d и толщиной h_к. Круговое кольцо 17 установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки 9, образуя между ними плоский МЭЗ 18 величиной δ≤δМЭЗ. Боковая стенка цилиндрического стакана 16, обращенная в сторону пространства размещения коммутационной перемычки 14 и находящаяся с ней в контакте, выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ<Н с внешним диаметром D и толщиной стенки h, равной толщине трубки цилиндрического коллектора 4. Соосно с центральной трубкой 11 газоотводного устройства 10 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлен предохранительный элемент 19, соединенный с первой торцевой крышкой 9 и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца 17. Предохранительный элемент 19 выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ и длиной l₂, отвечающими соотношениям (1) и (2). Предохранительный элемент 19, первая торцевая крышка 9 и газоотводное устройство 10 выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер 3. Предохранительный элемент 19, оболочка 7 ТЭУ 6 и ГОУ 10 выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан 16, трубка цилиндрического коллектора 4 и коммутационная перемычка 14 выполнены из сплава на основе Nb. На внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора 4 нанесено коллекторное покрытие 21 из сплава на основе W. На поверхность кругового кольца 17, со стороны обращенной к первой торцевой крышке 9, нанесено покрытие 20 из сплава на основе W. Со стороны второй торцевой крышки 13 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлена «холодная» ловушка 15, выполненная в виде воронки, для конденсата паров ТМ 8, выходящих из центральной газовой полости (ЦГП) 24. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18 установлены дистанционаторы 22 (фиг. 2) и 23 (фиг. 4). Цилиндрические коллекторы 4 двух соседних ЭГЭ 2 электрически отделены через изоляторы 25. Крайние ЭГЭ 2 снабжены токовыводами, соответственно эмиттерным и коллекторным (на рисунке не показаны). Общими для всех ЭГЭ 2 являются коллекторная изоляция 26 и корпус 27, который в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (на рисунке не показан).In the first embodiment (Fig. 1, 2, 4), the power generating assembly of the thermionic converter reactor is made as follows. The power generating assembly (EHS) 1 (Fig. 1) of the thermionic reactor-converter consists of series-connected electrical generating elements (EGE) 2 with cylindrical electrodes - a cylindrical emitter 3 and a cylindrical collector 4 - separated by a coaxial MEZ 5 of the value of δ _MEZ . Each EGE 2 contains a vented fuel-emitter assembly (TEU) 6, including a shell 7 and fuel material (TM) 8 based on UO ₂ , enclosed in a shell 7. Shell 7 consists of a cylindrical emitter 3 of length L and two flat end caps, the first end cover 9 displays a gas outlet device 10 made in the form of a central tube 11 with a capillary tip 12 located in the geometric center of the TEU 6. The second end cover 13 is connected to a jumper 14 electrically commuting a cylindrical emitter 3 with a cylinder a dric collector 4, made in the form of a tube with an external diameter D, which is a cylindrical collector 4 of the thermionic converter of the neighboring power generating element 2. In the space of the jumper 14, between the first end cover 9 of one EGE 2 and the second end cover 13 of the neighboring EGE 2 located on a distance of H <L, a cylindrical cup 16 is installed, made of the same material as the tube of the cylindrical collector 4 of the EGE 2. Moreover, the bottom of the cylindrical cup 16, which is in contact those with a cylindrical collector tube 4 is in the form of a flat circular ring 17 having an external diameter D, and inner diameter d _{to the} thickness h. The circular ring 17 is installed parallel to the plane of the first end cap 9, forming between them a flat MEZ 18 of value δ≤δMEZ. The side wall of the cylindrical cup 16, facing the contact space of the jumper 14 and in contact with it, is made in the form of a straight circular cylinder of height l _CT <H with an external diameter D and a wall thickness h equal to the thickness of the tube of the cylindrical collector 4. Coaxially with the central tube 11 of the gas outlet device 10 in the space of the jumper 14 is installed safety element 19 connected to the first end cover 9 and passing through a hole with a diameter d mentioned a flat annular ring 17. The securing element 19 is formed as a cylindrical shell with an outer diameter d and length l _PE ₂ corresponding to relations (1) and (2). The safety element 19, the first end cap 9 and the gas exhaust device 10 are made entirely of the same material as the cylindrical emitter 3. The safety element 19, the casing 7 of the TEU 6 and the GOU 10 are made of single-crystal W. A cylindrical cup 16, a tube of a cylindrical collector 4 and the jumper 14 is made of an alloy based on Nb. On the inner surface of the tube of the cylindrical collector 4, a collector coating 21 is made of W. -based alloy. On the surface of the circular ring 17, from the side facing the first end cap 9, a coating of 20 is made of the W-base alloy. From the side of the second end-cap 13 in the placement space switching jumper 14 installed a “cold” trap 15, made in the form of a funnel, for condensation of vapors TM 8 leaving the central gas cavity (CGP) 24. To maintain the corresponding value of the coaxial MEZ 5 and flat M EZ 18 installed remote controllers 22 (Fig. 2) and 23 (Fig. 4). The cylindrical collectors 4 of two adjacent EGE 2 are electrically separated through insulators 25. The extreme EGE 2 are equipped with current outputs, respectively emitter and collector (not shown in the figure). Common to all EGE 2 are collector insulation 26 and the housing 27, which under operating conditions is cooled externally by the coolant (not shown in the figure).

Во втором варианте исполнения (фиг. 1, 3, 4) электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя выполнена следующим образом. Электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя состоит из последовательно соединенных электрогенерирующих элементов 2, с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером 3 и цилиндрическим коллектором 4 - разделенными коаксиальным МЭЗ 5 величиной δ_МЭЗ. Каждый ЭГЭ 2 содержит вентилируемый топливно-эмиттерный узел 6, включающий топливный материал 8 на основе UO₂, заключенный в оболочку 7. Оболочка 7 состоит из цилиндрического эмиттера 3 длиной L и двух плоских торцевых крышек, в первую торцевую крышку 9 выведено газоотводное устройство 10, выполненное в виде центральной трубки 11 с капиллярным наконечником 12, размещенным в геометрическом центре ТЭУ 6. Вторая торцевая крышка 13 соединена с коммутационной перемычкой 14, электрически коммутирующей цилиндрический эмиттер 3 с цилиндрическим коллектором 4, выполненным в виде трубки с внешним диаметром D, являющимся цилиндрическим коллектором 4 термоэмиссионного преобразователя соседнего ЭГЭ 2. В области между вторыми торцевыми крышками 13 двух соседних ЭГЭ 2, находящимися на расстоянии Н+L, где Н - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 между первой торцевой крышкой 9 одного ЭГЭ 2 и второй торцевой крышкой 13 соседнего ЭГЭ 2, причем Н<L, установлен цилиндрический стакан 16. Дно цилиндрического стакана 16, находящееся в контакте с коммутационной перемычкой 14, выполнено в виде плоского кругового кольца 17 с внешним диаметром D и внутренним диаметром d и толщиной h_к. Круговое кольцо 17 установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки 9, образуя между ними плоский МЭЗ 18 величиной δ≤δ_МЭЗ. Боковая стенка цилиндрического стакана 16 выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=L+δ+h_к с внешним диаметром D и толщиной стенки h и является цилиндрическим коллектором 4 электрогенерирующего элемента 2. Соосно с центральной трубкой 11 газоотводного устройства 10 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлен предохранительный элемент 19, соединенный с первой торцевой крышкой 9 и проходящий через отверстие диаметром d упомянутого плоского кругового кольца 17. Предохранительный элемент 19 выполнен в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ, с внутренним диаметром d₂ и длиной l₂, отвечающими соотношениям (1) и (2). Предохранительный элемент 19, первая торцевая крышка 9 и газоотводное устройство 10 выполнены зацело из того же материала, что и цилиндрический эмиттер 3. Предохранительный элемент 19, оболочка 7 топливно-эмиттерного узла 6 и газоотводное устройство 10 выполнены из монокристаллического W. Цилиндрический стакан 16 и коммутационная перемычка 14 выполнены из сплава на основе Nb. На поверхность кругового кольца 17, со стороны обращенной к первой торцевой крышке 9 нанесено покрытие из сплава на основе W. На внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана 16 нанесено покрытие из сплава на основе W. Со стороны второй торцевой крышки 13 в пространстве размещения коммутационной перемычки 14 установлена «холодная» ловушка 15, выполненная в виде воронки, для конденсата паров ТМ 8, выходящих из центральной газовой полости (ЦГП) 24. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18 установлены дистанционаторы 22 (фиг. 2) и 23 (фиг. 4). Цилиндрические коллекторы 4 двух соседних ЭГЭ 2 электрически отделены через изоляторы 25. Крайние ЭГЭ 2 снабжены токовыводами, соответственно эмиттерным и коллекторным (на рисунке не показаны). Общими для всех ЭГЭ 2 являются коллекторная изоляция 26 и корпус 27, который в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (на рисунке не показан).In the second embodiment (Fig. 1, 3, 4), the power generating assembly 1 of the thermionic converter reactor is made as follows. The power generating assembly 1 of the thermionic reactor-converter consists of series-connected power generating elements 2, with cylindrical electrodes - a cylindrical emitter 3 and a cylindrical collector 4 - separated by a coaxial MEZ 5 of the value of δ _MEZ . Each EGE 2 contains a vented fuel-emitter assembly 6, including UO ₂ -based fuel material 8 enclosed in a shell 7. The shell 7 consists of a cylindrical emitter 3 of length L and two flat end caps, a gas exhaust device 10 is led into the first end cap 9, made in the form of a central tube 11 with a capillary tip 12 located in the geometric center of the TEU 6. The second end cover 13 is connected to a switching jumper 14, electrically commuting a cylindrical emitter 3 with a cylindrical collector ohm 4, made in the form of a tube with an external diameter D, which is a cylindrical collector 4 of a thermionic converter of a neighboring EGE 2. In the region between the second end caps 13 of two adjacent EGE 2 located at a distance of H + L, where H is the distance in the space of the jumper 14 between the first end cover 9 of one EGE 2 and the second end cover 13 of the adjacent EGE 2, with H <L, a cylindrical cup 16 is installed. The bottom of the cylindrical cup 16 in contact with the jumper 14 is made in in the form of a flat circular ring 17 with an outer diameter D and an inner diameter d and a thickness h _k . The circular ring 17 is installed parallel to the plane of the first end cover 9, forming between them a flat MEZ 18 of value δ≤δ _MEZ . The side wall of the cylindrical cup 16 is made in the form of a straight circular cylinder of height l _CT = L + δ + h _k with an external diameter D and wall thickness h and is a cylindrical collector 4 of the electric generating element 2. Coaxially with the central tube 11 of the gas outlet device 10 in the switching space the jumper 14 has a safety element 19 connected to the first end cover 9 and passing through a hole with a diameter d of said flat circular ring 17. The safety element 19 is made in the form of cylines shell with an outer diameter d _PE , with an inner diameter d ₂ and a length l ₂ corresponding to relations (1) and (2). The safety element 19, the first end cap 9 and the gas exhaust device 10 are made entirely of the same material as the cylindrical emitter 3. The safety element 19, the shell 7 of the fuel-emitter assembly 6 and the gas exhaust device 10 are made of single-crystal W. Cylindrical glass 16 and switching the jumper 14 is made of an alloy based on Nb. A W-based alloy coating is applied to the surface of the circular ring 17 from the side facing the first end cover 9. A W-based alloy is applied to the inner surface of the side wall of the cylindrical cup 16. From the side of the second end cover 13 in the space of the jumper 14 a “cold” trap 15, made in the form of a funnel, was installed for condensate of vapors TM 8 leaving the central gas cavity (CGP) 24. To maintain the corresponding value of coaxial MEZ 5 and flat MEZ 18, Lena remote controllers 22 (Fig. 2) and 23 (Fig. 4). The cylindrical collectors 4 of two adjacent EGE 2 are electrically separated through insulators 25. The extreme EGE 2 are equipped with current outputs, respectively emitter and collector (not shown in the figure). Common to all EGE 2 are collector insulation 26 and the housing 27, which under operating conditions is cooled externally by the coolant (not shown in the figure).

В первом варианте исполнения электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя работает следующим образом.In the first embodiment, the power generating assembly 1 of the thermionic converter reactor operates as follows.

В результате работы термоэмиссионного реактора-преобразователя в топливно-эмиттерных узлах 6 ЭГС 1 происходит деление ядер ²³⁵U с выделением тепловой энергии. Эта тепловая энергия подводится к оболочке 7 ТЭУ 6, в частности к цилиндрическому эмиттеру 3 и первой торцевой крышке 9, нагревает их, вызывая эмиссию электронов. Электроны, «испаряясь» с внешней поверхности цилиндрического эмиттера 3, попадают в коаксиальный МЭЗ 5, заполненный парами Cs, ионизованные атомы которого нейтрализуют пространственный заряд электронов. Далее электроны, пройдя коаксиальный МЭЗ 5, «конденсируются» на коллекторное покрытие 21 цилиндрического коллектора 4. Поскольку трубка цилиндрического коллектора 4 и коммутационная перемычка 14 находятся в контакте с цилиндрическим стаканом 16, то, при замыкании цепи на внешнюю нагрузку (на рисунке не показана), электроны беспрепятственно движутся по цилиндрическому коллектору 4 через коммутационную перемычку 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2 электрогенерирующей сборки 1. Одновременно происходит процесс «испарения» электронов также с поверхности первой торцевой крышки 9, температура которой близка к температуре цилиндрического эмиттера 3, в плоский МЭЗ 18. Падение напряжения в плоском МЭЗ 18 будет меньше, чем в коаксиальном МЭЗ 5, поскольку плоский МЭЗ 18 по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального МЭЗ 5 (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), то, при одинаковых температурах эмиттера, плотность генерируемой электрической мощности в ТЭП с плоском МЭЗ 18 увеличивается. Далее электроны «конденсируются» на коллекторное покрытие 20 кругового кольца 17. Откуда, при замыкании цепи, электроны перемещаются в радиальном направлении по плоскому круговому кольцу 17 к стенке цилиндрического стакана 16 и далее по коммутационной перемычке 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2. В процессе генерирования электроэнергии в каждом ЭГЭ 2 дистанционаторы 22 и 23 обеспечивают поддержание соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18. Не преобразованное в термоэмиссионном преобразователе с плоским МЭЗ 18 в электроэнергию тепло отводится с кругового кольца 17 теплопроводностью в радиальном направлении к цилиндрическому коллектору 4. Одновременно на цилиндрический коллектор 4 поступает не преобразованное тепло термоэмиссионного преобразователя с коаксиальным МЭЗ 5. С цилиндрического коллектора 4 это суммарное тепло через слой коллекторной изоляции 26 теплопроводностью передается корпусу 27 ЭГС 1, с которого тепло снимается жидкометаллическим теплоносителем (на рисунке не показан).As a result of the operation of the thermionic converter reactor in the fuel-emitter nodes 6 of the EHS 1, the fission of ²³⁵ U nuclei occurs with the release of thermal energy. This thermal energy is supplied to the shell 7 of the TEU 6, in particular to the cylindrical emitter 3 and the first end cover 9, heats them, causing the emission of electrons. Electrons "evaporating" from the outer surface of the cylindrical emitter 3 fall into a coaxial MEZ 5 filled with Cs vapors, the ionized atoms of which neutralize the space charge of the electrons. Further, the electrons, having passed the coaxial MEZ 5, “condense” onto the collector coating 21 of the cylindrical collector 4. Since the tube of the cylindrical collector 4 and the jumper 14 are in contact with the cylindrical cup 16, then, when the circuit is closed to an external load (not shown in the figure) , the electrons freely move along the cylindrical collector 4 through the jumper 14 to the cylindrical emitter 3 of the adjacent EGE 2 of the power generating assembly 1. Simultaneously, the process of “evaporation” of the electron also from the surface of the first end cover 9, whose temperature is close to the temperature of the cylindrical emitter 3, into the flat MEZ 18. The voltage drop in the flat MEZ 18 will be less than in the coaxial MEZ 5, since the flat MEZ 18 can be made much smaller in terms of technological capabilities coaxial MEZ 5 (in reactor EGE up to 30-50 microns), then, at the same emitter temperatures, the density of the generated electric power in the TEC with a flat MEZ 18 increases. Then the electrons “condense” onto the collector coating 20 of the circular ring 17. From whence the circuit closes, the electrons move radially along the flat circular ring 17 to the wall of the cylindrical cup 16 and then through the jumper 14 to the cylindrical emitter 3 of the adjacent EGE 2. In the process the power generation in each EGE 2, the remote controllers 22 and 23 ensure the maintenance of the corresponding value of the coaxial MEZ 5 and the flat MEZ 18. Not converted to a thermionic converter with a flat MEZ 18 heat is removed from the circular ring 17 by thermal conductivity in the radial direction to the cylindrical collector 4. At the same time, the unconverted heat of the thermionic converter with coaxial MEZ 5 is supplied to the cylindrical collector 4. From the cylindrical collector 4, this total heat is transferred through the collector insulation layer 26 to the heat conductivity 27 of the EHS 1 , from which heat is removed by the liquid metal coolant (not shown in the figure).

В исходном состоянии топливно-эмиттерный узел 6 ЭГЭ 2 заполнен ТМ 8, выполненным в виде топливного блока или набора таблеток из UO₂ с центральным отверстием, где размещают ГОУ 10. Топливный блок или таблетки установлены с небольшим технологическим зазором относительно внутренней поверхности цилиндрического эмиттера 3 оболочки 7. При работе ЭГС 1, вследствие ядерного деления ²³⁵U, ТМ 8 в ТЭУ 6 нагревается, происходит перестройка его структуры по механизму испарение - конденсация с образованием центральной газовой полости 24, куда в результате диффузии продуктов деления стекаются ГПД. ГПД, в основном это инертные газы Xe и Kr, через капиллярный наконечник 12, центральную трубку 11, и предохранительный элемент 19 выходят в пространство размещения коммутационной перемычки 14 и далее через коаксиальный МЭЗ 5 и плоский МЭЗ 18 электрогенерирующих элементов 2 выходят за пределы ЭГС 1. Вместе с ГПД из ЦГП 24 через ГОУ 10 и предохранительный элемент 19 в парогазовой среде Cs и инертных газов Xe и Kr идет диффузия молекул UO₂ в пространство размещения коммутационной перемычки 14 в область «холодной» ловушки 15, где UO₂ конденсируется. Так как ГОУ 10 выведено в первую торцевую крышку 9, являющуюся «горячим» торцем оболочки 7 ТЭУ 6, то "закупорки" (герметизации) ГОУ 10 конденсатом топливного материала 8 не происходит, так как размеры ГОУ 10 подобраны таким образом, что давление пара UO₂ в центральной трубке 11 после капиллярного наконечника 12 ГОУ 10 ниже равновесного давления, соответствующего температуре центральной трубки 11. Кроме того, внутренний диаметр цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выполнен так, что превышает внутренний диаметр центральной трубки 11 ГОУ 10, что позволяет понизить концентрацию молекул UO₂ во внутреннем объеме предохранительного элемента 19 и не допустить конденсацию UO₂ в предохранительном элементе 19. Свободный срез цилиндрической оболочки предохранительного элемента 19 выходит в пространство размещения коммутационной перемычки 14 (фиг. 2) в объем, где установлена «холодная» ловушка 15. Это позволяет сконденсировать UO₂ в «холодной» ловушке 15 и таким образом предотвратить проникновение ТМ 8 в плоский МЭЗ 18 и коаксиальный МЭЗ 5. В результате чего не будет происходить ухудшения энергетических характеристик ЭГС 1, за счет их вредного влияния на эмиссионные свойства электродов ТЭП в процессе длительного ресурса ЭГС 1, а контролируемый процесс вывода ГПД из ТЭУ 6 позволит снизить давление на оболочку 7 ЭГЭ 2 от распухающего ТМ 8 и тем самым повысить ресурсоспособность ЭГС 1.In the initial state, the fuel-emitter unit 6 EGE 2 is filled with TM 8, made in the form of a fuel block or a set of tablets from UO ₂ with a central hole where the GOU 10 is placed. The fuel block or tablets are installed with a small technological gap relative to the inner surface of the cylindrical shell emitter 3 7. During the operation of EHS 1, due to nuclear fission of ²³⁵ U, ТМ 8 in ТЭУ 6 is heated, its structure undergoes a restructuring by the evaporation – condensation mechanism with the formation of a central gas cavity 24, where as a result of diff Russian fission products flock to the GPA. The GPA, mainly Xe and Kr inert gases, through the capillary tip 12, the central tube 11, and the safety element 19 go into the space of the switching jumper 14 and then through the coaxial MEZ 5 and the flat MEZ 18 of the power generating elements 2 go beyond the EHS 1. Together with the GPA from the CHP 24 through the GOU 10 and the safety element 19 in the vapor-gas medium Cs and inert gases Xe and Kr, the UO ₂ molecules diffuse into the space of the switching jumper 14 into the region of the cold trap 15, where the UO ₂ condenses. Since the GOU 10 is brought into the first end cover 9, which is the “hot” end of the shell 7 of the TEU 6, there is no “blocking” (sealing) of the GOU 10 with the condensate of the fuel material 8, since the dimensions of the GOU 10 are selected so that the vapor pressure UO ₂ in the Central tube 11 after the capillary tip 12 GOU 10 below the equilibrium pressure corresponding to the temperature of the Central tube 11. In addition, the inner diameter of the cylindrical shell of the safety element 19 is made so that exceeds the inner diameter of the Central tube 11 G OS 10, which allows to reduce the concentration of UO ₂ molecules in the inner volume of the safety element 19 and to prevent condensation of UO ₂ in the safety element 19. A free cut of the cylindrical shell of the safety element 19 goes into the space of the jumper 14 (Fig. 2) into the space where a cold trap 15 is installed. This allows condensation of UO ₂ in the cold trap 15 and thus prevents the penetration of TM 8 into a flat MEZ 18 and coaxial MEZ 5. As a result, there will be no deterioration energy characteristics of EHS 1, due to their harmful effect on the emission properties of TEC electrodes during the long life of EHS 1, and the controlled process of removing GPA from TEU 6 will reduce the pressure on the shell 7 of EGE 2 from the swelling TM 8 and thereby increase the serviceability of EHS 1.

Во втором варианте исполнения электрогенерирующая сборка 1 термоэмиссионного реактора-преобразователя работает следующим образом.In the second embodiment, the power generating assembly 1 of the thermionic converter reactor operates as follows.

В результате работы термоэмиссионного реактора-преобразователя в топливно-эмиттерных узлах 6 ЭГС 1 происходит деление ядер ²³⁵U с выделением тепловой энергии. Эта тепловая энергия подводится к оболочке 7 ТЭУ 6, в частности к цилиндрическому эмиттеру 3 и первой торцевой крышке 9, нагревает их, вызывая эмиссию электронов. Электроны, «испаряясь» с внешней поверхности цилиндрического эмиттера 3, попадают в коаксиальный МЭЗ 5, заполненный парами Cs, ионизованные атомы которого нейтрализуют пространственный заряд электронов. Далее электроны, пройдя коаксиальный МЭЗ 5, «конденсируются» на коллекторное покрытие 21 внутренней поверхности боковой стенки цилиндрического стакана 16, являющейся одновременно цилиндрическим коллектором 4. Поскольку коммутационная перемычка 14 находится в контакте с цилиндрическим стаканом 16, то, при замыкании цепи на внешнюю нагрузку (на рисунке не показана), электроны беспрепятственно движутся по боковой стенки цилиндрического стакана 16 через коммутационную перемычку 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2 электрогенерирующей сборки 1. Одновременно происходит процесс «испарения» электронов также с поверхности первой торцевой крышки 9, температура которой близка к температуре цилиндрического эмиттера 3, в плоский МЭЗ 18. Падение напряжения в плоском МЭЗ 18 будет меньше, чем в коаксиальном МЭЗ 5, поскольку плоский МЭЗ 18 по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального МЭЗ 5 (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), то, при одинаковых температурах эмиттера, плотность генерируемой электрической мощности в ТЭП с плоском МЭЗ 18 увеличивается. Далее электроны «конденсируются» на коллекторное покрытие 20 кругового кольца 17. Откуда, при замыкании цепи, электроны перемещаются в радиальном направлении по плоскому круговому кольцу 17 к боковой стенке цилиндрического стакана 16 и далее по коммутационной перемычке 14 к цилиндрическому эмиттеру 3 соседнего ЭГЭ 2. В процессе генерирования электроэнергии в каждом ЭГЭ 2 дистанционаторы 22 и 23 обеспечивают поддержание соответствующей величины коаксиального МЭЗ 5 и плоского МЭЗ 18. Не преобразованное в термоэмиссионном преобразователе с плоским МЭЗ 18 в электроэнергию тепло отводится с кругового кольца 17 теплопроводностью в радиальном направлении к боковой стенке цилиндрического стакана 16. Одновременно к боковой стенке цилиндрического стакана 16 поступает не преобразованное тепло термоэмиссионного преобразователя с коаксиальным МЭЗ 5. С боковой стенки цилиндрического стакана 16 это суммарное тепло через слой коллекторной изоляции 26 теплопроводностью передается корпусу 27 ЭГС 1, с которого тепло снимается жидкометаллическим теплоносителем (на рисунке не показан).As a result of the operation of the thermionic converter reactor in the fuel-emitter nodes 6 of the EHS 1, the fission of ²³⁵ U nuclei occurs with the release of thermal energy. This thermal energy is supplied to the shell 7 of the TEU 6, in particular to the cylindrical emitter 3 and the first end cover 9, heats them, causing the emission of electrons. Electrons "evaporating" from the outer surface of the cylindrical emitter 3 fall into a coaxial MEZ 5 filled with Cs vapors, the ionized atoms of which neutralize the space charge of the electrons. Further, the electrons, having passed the coaxial MEZ 5, “condense” onto the collector coating 21 of the inner surface of the side wall of the cylindrical cup 16, which is also a cylindrical collector 4. Since the jumper 14 is in contact with the cylindrical cup 16, then, when the circuit is closed to an external load ( not shown), the electrons move unhindered along the side wall of the cylindrical cup 16 through the jumper 14 to the cylindrical emitter 3 of the adjacent EGE 2 of assembly 1. Simultaneously, the process of “evaporation” of electrons also takes place from the surface of the first end cover 9, the temperature of which is close to the temperature of the cylindrical emitter 3, into a flat MEZ 18. The voltage drop in a flat MEZ 18 will be less than in a coaxial MEZ 5, since it is flat With respect to technological capabilities, MEZ 18 can be made much smaller than coaxial MEZ 5 (in reactor EGEs up to 30-50 μm), then, at the same emitter temperatures, the density of generated electric power in a TEC with a flat MEZ 18 increases. Further, the electrons "condense" onto the collector coating 20 of the circular ring 17. From whence the circuit is closed, the electrons move radially along the flat circular ring 17 to the side wall of the cylindrical cup 16 and then through the jumper 14 to the cylindrical emitter 3 of the adjacent EGE 2. B in the process of generating electricity in each EGE 2, the remote controllers 22 and 23 ensure the maintenance of the corresponding value of the coaxial MEZ 5 and the flat MEZ 18. Not transformed in a thermionic converter with a plane m MEZ 18, heat is dissipated into electric energy from the circular ring 17 by thermal conductivity in the radial direction to the side wall of the cylindrical cup 16. At the same time, the unconverted heat of the thermionic converter with coaxial MEZ 5 enters the side wall of the cylindrical cup 5. This is the total heat through the collector insulation layer 26 is transferred by heat conduction to the body 27 of the EHS 1, from which heat is removed by the liquid metal coolant (not shown in the figure).

Приведем пример, для первого варианта, исполнения электрогенерирующей сборки.We give an example, for the first option, the execution of the power generating assembly.

Электрогенерирующую сборку выполняем с наружным диаметром корпуса 20 мм, состоящую из 10 последовательно соединенных электрогенерирующих элементов. ЭГЭ выполнены с цилиндрическими электродами - цилиндрическим эмиттером диаметром D_E=16,6 мм и цилиндрическим коллектором - разделенными коаксиальным межэлектродным зазором величиной δ_МЭЗ=0,4 мм. Каждый ЭГЭ содержит вентилируемый ТЭУ, включающий ТМ на основе UO₂ с 96% обогащением по изотопу ²³⁵U и с относительной объемной долей ТМ в ТЭУ ε_тм=0,6. ТМ заключен в оболочку толщиной h_O=1,1 мм. Оболочка состоит из цилиндрического эмиттера, выполненного из монокристаллического вольфрама длиной L=59 мм, и двух плоских торцевых крышек. В первую торцевую крышку выведено газоотводное устройство, выполненное в виде центральной трубки длиной l_ЦТ=27 мм с внутренним диаметром d₁=2,2 мм. Капиллярный наконечник ГОУ размещен в геометрическом центре ТЭУ и выполнен длиной l₀=5 мм с внутренним диаметром d₀=0,1 мм. Трубку цилиндрического коллектора выполняем из сплава на основе Nb с внешним диаметром D=18 мм. В пространстве размещения коммутационной перемычки, между первой торцевой крышкой одного ЭГЭ и второй торцевой крышкой соседнего ЭГЭ, расположенными на расстоянии Н=11 мм, устанавливаем цилиндрический стакан. Дно цилиндрического стакана находится в контакте с цилиндрическим коллектором и выполнено в виде плоского кругового кольца с внешним диаметром D=18 мм, внутренним диаметром d=4,2 мм и толщиной h_к=1 мм. Круговое кольцо установлено параллельно плоскости первой торцевой крышки и образует между ними плоский межэлектродный зазор величиной δ=50 мкм. Боковая стенка цилиндрического стакана обращена в сторону пространства размещения коммутационной перемычки и находится в контакте с коммутационной перемычкой. Боковая стенка цилиндрического стакана выполнена в виде прямого кругового цилиндра высотой l_СТ=5 мм с внешним диаметром D=18 мм и толщиной стенки h=0,3 мм, равной толщине трубки цилиндрического коллектора. В пространстве размещения коммутационной перемычки, соосно с центральной трубкой, установлен предохранительный элемент, соединенный с первой торцевой крышкой и проходящий через отверстие диаметром d=4,2 мм упомянутого плоского кругового кольца. Предохранительный элемент, выполненный в виде цилиндрической оболочки с внешним диаметром d_ПЭ=3,4 мм, с внутренним диаметром d₂=2,5 мм и длиной l₂=5 мм, отвечает соотношениям (1) и (2), т.е. d_ПЭ ≤ d-2·δ_МЭЗ и Н > l₂ > h_к+δ. Цилиндрический стакан и трубка цилиндрического коллектора выполнены из сплава на основе Nb. Предохранительный элемент, первая торцевая крышка и газоотводное устройство выполнены зацело из монокристаллического W. На поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, и на внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора нанесено покрытие из сплава на основе поликристаллического W. Для поддержания соответствующей величины коаксиального МЭЗ и плоского МЭЗ установлены дистанционаторы, выполненные из Sc₂O₃. Цилиндрические коллекторы двух соседних ЭГЭ электрически отделены через изоляторы из Al₂O₃. Общими для всех ЭГЭ в электрогенерирующей сборке являются коллекторная изоляция, выполненная из Al₂O₃ толщиной 0,7 мм, и корпус ЭГС, выполненный из сплава Nb толщиной 0,3 мм.We carry out the power-generating assembly with an outer diameter of the body of 20 mm, consisting of 10 power-generating elements connected in series. EGEs are made with cylindrical electrodes — a cylindrical emitter with a diameter D _E = 16.6 mm and a cylindrical collector — separated by a coaxial interelectrode gap of δ _MEZ = 0.4 mm. Each EGE contains a ventilated TEU, including UO ₂ based TM with 96% enrichment by ²³⁵ U isotope and with a relative volume fraction of TM in TEU ε _tm = 0.6. The TM is enclosed in a shell with a thickness h _O = 1.1 mm. The shell consists of a cylindrical emitter made of single-crystal tungsten with a length of L = 59 mm and two flat end caps. A vent device made in the form of a central tube of length l _CT = 27 mm with an inner diameter of d ₁ = 2.2 mm is displayed in the first end cover. The capillary tip of the GOU is located in the geometric center of the TEU and is made with a length l ₀ = 5 mm with an inner diameter d ₀ = 0.1 mm. The tube of the cylindrical collector is made of an alloy based on Nb with an external diameter of D = 18 mm. In the space of placement of the jumper, between the first end cover of one EGE and the second end cover of the neighboring EGE, located at a distance of H = 11 mm, we install a cylindrical glass. The bottom of the cylindrical cup is in contact with the cylindrical collector and is made in the form of a flat circular ring with an outer diameter of D = 18 mm, an inner diameter of d = 4.2 mm and a thickness h _k = 1 mm. The circular ring is installed parallel to the plane of the first end cap and forms a flat interelectrode gap between them of δ = 50 μm. The side wall of the cylindrical cup faces the space of the jumper and is in contact with the jumper. The side wall of the cylindrical cup is made in the form of a straight circular cylinder with a height of l _CT = 5 mm with an external diameter of D = 18 mm and a wall thickness of h = 0.3 mm equal to the thickness of the tube of the cylindrical collector. In the space where the jumper is located, coaxially with the central tube, a safety element is installed connected to the first end cover and passing through an opening with a diameter of d = 4.2 mm of the said flat circular ring. The safety element, made in the form of a cylindrical shell with an external diameter d _PE = 3.4 mm, with an internal diameter d ₂ = 2.5 mm and a length l ₂ = 5 mm, corresponds to relations (1) and (2), i.e. . d _PE ≤ d-2 · δ _MEZ and H> l ₂ > h _k + δ. The cylindrical cup and the tube of the cylindrical collector are made of an alloy based on Nb. The safety element, the first end cap and the gas vent device are made entirely of monocrystalline W. On the surface of the circular ring, from the side facing the first end cap, and on the inner surface of the tube of the cylindrical collector, a coating is made of an alloy based on polycrystalline W. To maintain the corresponding coaxial value The MEZ and the flat MEZ are equipped with spacers made of Sc ₂ O ₃ . The cylindrical collectors of two adjacent EGE are electrically separated through insulators of Al ₂ O ₃ . Common to all EGE in the power generation assembly are collector insulation made of Al ₂ O ₃ with a thickness of 0.7 mm and an EHS body made of Nb alloy 0.3 mm thick.

Покажем насколько суммарно будет увеличена эмиссионная поверхность ТЭП (F_ЭМ) для каждого ЭГЭ, при использовании в ЭГЭ дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки.Let us show how much the emission surface of the TEC (F _EM ) for each EGE will be increased, when used in the EGE in addition as the emitter of the first end cap.

В приведенном конструктивном исполнении ЭГС F_ЭМ, будет складываться из поверхности цилиндрического эмиттера (F_ЭЦ) и поверхности первой торцевой крышки (F_ЭТ).In the given design, the EHS F _EM will be composed of the surface of the cylindrical emitter (F _EC ) and the surface of the first end cover (F _ET ).

F_ЭЦ=π·D_E·L=π·16,6·59=3077 мм² ≈ 31 см².F _EC = π · D _E · L = π · 16.6 · 59 = 3077 mm ² ≈ 31 cm ² .

$F_{Э Т} = π \cdot (D_{E}^{2} / \cdot 4 - d_{П Э}^{2} / 4) = π \cdot (16, 6^{2} / \cdot 4 - 3, 4^{2} / 4) = 207 м м^{2} \approx 2, 1 с м^{2}$

.

F_{E T} = π \cdot (D_{E}^{2} / \cdot four - d_{P E}^{} / four) = π \cdot (one 6, 6^{2} / \cdot four - 3, {four}^{2} / four) = 207 m m^{2} \approx 2, one from m^{2}

.

F_ЭМ=F_ЭЦ+F_ЭТ=31+2,1=33,1 см² F _EM = F _EC + F _ET = 31 + 2.1 = 33.1 cm ²

Приведем пример, для второго варианта, исполнения электрогенерирующей сборки.Let us give an example, for the second option, the execution of the power generating assembly.

Второй вариант (фиг. 3) отличается от первого только конструкцией и размещением цилиндрического стакана. Оболочка ТЭУ, также как в первом варианте, состоит из цилиндрического эмиттера, выполненного из монокристаллического вольфрама длиной L=59 мм, и двух плоских торцевых крышек. В области между вторыми торцевыми крышками двух соседних электрогенерирующих элементов, находящимися на расстоянии Н+L, где Н=11 мм - расстояние в пространстве размещения коммутационной перемычки между первой торцевой крышкой одного электрогенерирующего элемента и второй торцевой крышкой соседнего электрогенерирующего элемента, установлен цилиндрический стакан. Причем боковая стенка цилиндрического стакана одновременно является цилиндрическим коллектором ЭГЭ. Цилиндрический стакан выполнен в виде прямого кругового цилиндра высотой l_ст=L+δ+h_к=59+0,05+1=60,05 мм. Здесь значения параметров δ=50 мкм = 0,05 мм и hк=1 мм приняты такими же, как и в первом варианте. Значения остальных параметров, а также принятых материалов для исполнения конструктивных элементов электрогенерирующей сборки выбраны аналогично первому варианту исполнения ЭГС. Поэтому суммарное увеличение эмиссионной поверхности ТЭП (F_ЭМ) Для каждого ЭГЭ, при использовании в ЭГЭ дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки, будет аналогичным первому варианту F_ЭМ=33,1 см².The second option (Fig. 3) differs from the first only in the design and placement of the cylindrical glass. The TEU shell, as in the first embodiment, consists of a cylindrical emitter made of single-crystal tungsten with a length of L = 59 mm and two flat end caps. A cylindrical cup is installed in the region between the second end caps of two adjacent power generating elements located at a distance of H + L, where H = 11 mm is the distance in the space of the jumper between the first end cover of one power generating element and the second end cover of an adjacent power generating element. Moreover, the side wall of the cylindrical glass is simultaneously a cylindrical collector of EGE. The cylindrical cup is made in the form of a straight circular cylinder with a height l _st = L + δ + h _k = 59 + 0.05 + 1 = 60.05 mm. Here the parameter values δ = 50 μm = 0.05 mm and hk = 1 mm are taken to be the same as in the first embodiment. The values of the remaining parameters, as well as the accepted materials for the execution of structural elements of the power generating assembly, are selected similarly to the first embodiment of the EHS. Therefore, the total increase in the emission surface of the TEC (F _EM ) For each EGE, when used in the EGE in addition as the emitter of the first end cover, will be similar to the first option F _EM = 33.1 cm ² .

По результатам приведенных выше расчетных примеров необходимо отметить следующее. Использование в качестве эмиттера первой торцевой крышки, дополнительно к цилиндрическому эмиттеру, увеличивает не только суммарную поверхность эмиссии, но и эффективность ЭГЭ. Величину плоского МЭЗ технологически проще выполнить значительно меньшей, чем коаксиального МЭЗ (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм). При одинаковых температурах эмиттера плотность генерируемой электрической мощности в плоском ТЭП, при уменьшении величины МЭЗ, существенно увеличивается [13, с. 341]. Поэтому использование дополнительно в качестве эмиттера первой торцевой крышки позволяет повысить КПД и среднюю удельную мощность ЭГЭ. Кроме того, как показывают исследования характерных температур по эмиттерной оболочке ЭГЭ [3], примерно на трети площади цилиндрической эмиттерной оболочки, температура плавно снижается, примерно на 200-300 K, от максимального значения по направлению ко второй торцевой крышке ЭГЭ, связанной с коммутационной перемычкой. А поскольку ток эмиссии, в соответствии с формулой Ричардсона-Дешмана [13, с. 328], экспоненциально зависит от температуры эмиттера, то это приводит к заметному снижению эффективности цилиндрического эмиттера примерно на трети его поверхности. Поэтому, несмотря на небольшую прибавку в площади эмиссии первой торцевой крышки, ее вклад в суммарную электрическую мощность ЭГЭ можно ожидать значительно большей.According to the results of the above calculation examples, the following should be noted. The use of the first end cap as an emitter, in addition to a cylindrical emitter, increases not only the total emission surface, but also the EGE efficiency. The magnitude of a flat MEZ is technologically simpler to perform much smaller than that of a coaxial MEZ (in reactor EGE up to 30-50 microns). At the same emitter temperatures, the density of the generated electric power in a flat TEC, with a decrease in the value of the MEZ, significantly increases [13, p. 341]. Therefore, the use of the first end cap as an emitter makes it possible to increase the efficiency and average specific power of the EGE. In addition, as shown by studies of characteristic temperatures in the EGE emitter shell [3], in about a third of the area of the cylindrical emitter shell, the temperature gradually decreases, by about 200-300 K, from the maximum value towards the second end cap of the EGE associated with the jumper . And since the emission current, in accordance with the Richardson-Deshman formula [13, p. 328], exponentially dependent on the temperature of the emitter, this leads to a noticeable decrease in the efficiency of the cylindrical emitter on about a third of its surface. Therefore, despite a small increase in the emission area of the first end cover, its contribution to the total electric power of the EGE can be expected to be much larger.

Приведенные выше соотношения (1) и (2) в первом и втором вариантах:The above relations (1) and (2) in the first and second variants:

d_ПЭ≤d-2·δ_МЭЗ; (1)d _PE ≤ d-2 · δ _MEZ ; (one)

H>l₂>h_к+δ; (2) H> l _2> h _to + δ; (2)

логично вытекают из конструкций рассмотренных на фиг. 2-4.logically follow from the constructions discussed in FIG. 2-4.

Так соотношение (1), как видно из фиг. 4, определено в первую очередь необходимостью беспрепятственного прохода паров цезия в плоский МЭЗ и коаксиальный МЭЗ.Thus, relation (1), as can be seen from FIG. 4, is determined primarily by the need for unhindered passage of cesium vapor into a flat MEZ and coaxial MEZ.

Соотношение (2), как видно из фиг. 2-4, определено необходимостью предотвращения конденсации паров ТМ, выходящих вместе с ГПД из ЦГП, в плоский и коаксиальный МЭЗ. Поэтому длина l₂ предохранительного элемента должна быть больше h_к+δ и позволяла вывести пары ТМ через предохранительный элемент в полость «холодной» ловушки, где и они локализуются конденсируясь на стенках «холодной» ловушки.Relation (2), as can be seen from FIG. 2-4, it is determined by the need to prevent condensation of TM vapors, leaving together with the GPA from the CGP, into a flat and coaxial MEZ. Therefore, the length l _{2 of the} safety element should be greater than h _k + δ and would allow the TM pairs to be led out through the safety element into the cavity of the “cold” trap, where they are also condensed on the walls of the “cold” trap.

Необходимо отметить, что предложение использовать в качестве оболочки ТЭУ монокристаллический W, а также делать за одно целое предохранительный элемент, ГОУ и первую торцевую крышку из монокристаллического тугоплавкого металла, в данном случае W, вызвано тем, что взаимодействие ТМ на основе соединений урана с тугоплавкими металлами в широком интервале температур сводится к диффузии компонентов топлива в материал конструкции. Известно, что для поликристаллических сплавов зерно-граничная диффузия на несколько порядков превышает объемную диффузию [14, с. 175], характерную для монокристаллических сплавов, тем самым предотвращается проникновение ТМ в конструкцию и ее разрушение.It should be noted that the proposal to use single-crystal W as a TEU shell, as well as to integrate a safety element, GOU and the first end cover of a single-crystal refractory metal, in this case W, is caused by the interaction of HM based on uranium compounds with refractory metals over a wide temperature range, it is reduced to the diffusion of fuel components into the construction material. It is known that for polycrystalline alloys, grain-boundary diffusion exceeds the bulk diffusion by several orders of magnitude [14, p. 175], characteristic of single-crystal alloys, thereby preventing the penetration of HM into the structure and its destruction.

На поверхность кругового кольца, со стороны, обращенной к первой торцевой крышке, и на внутреннюю поверхность трубки цилиндрического коллектора (вариант 1) или на внутреннюю поверхность боковой стенки цилиндрического стакана (вариант 2) нанесено покрытие из сплава на основе поликристаллического W. Поскольку, при использовании монокристаллического эмиттера из W, для этой W-W электродной пары характерны высокая однородность эмиссионно-адсорбционных свойств по поверхности, достаточно низкие значения приведенной степени черноты и массопереноса в рабочих условиях [15].On the surface of the circular ring, from the side facing the first end cap, and on the inner surface of the tube of the cylindrical collector (option 1) or on the inner surface of the side wall of the cylindrical cup (option 2), a coating of an alloy based on polycrystalline W. is applied. single-crystal emitter from W, this WW electrode pair is characterized by a high uniformity of emission and adsorption properties on the surface, fairly low values of the reduced degree of blackness and mass transfer wasp in operating conditions [15].

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет:Thus, the proposed technical solution allows you to:

1) повысить КПД преобразования тепловой энергии, выделяемой в топливно-эмиттерных узлах электрогенерирующей сборки, в электрическую энергию за счет увеличения эффективной площади термоэмиссионного преобразования цилиндрических ЭГЭ включающее использование в качестве дополнительного эмиттера «горячей» торцевой крышки, через которую осуществлен вывод газообразных продуктов деления;1) to increase the efficiency of the conversion of thermal energy released in the fuel-emitter nodes of the power generating assembly into electrical energy by increasing the effective area of thermionic conversion of cylindrical EGEs, including the use of a “hot” end cap through which the output of gaseous fission products is carried out;

2) снизить вероятность конденсации UO₂ в межэлектродных зазорах ЭГЭ (коаксиальном и плоском), за счет установки цилиндрического стакана и предохранительного элемента, и тем самым повысить стабильность энергетических характеристик и ресурс ЭГС.2) to reduce the likelihood of condensation of UO ₂ in the interelectrode gaps of the EGE (coaxial and flat) by installing a cylindrical cup and a safety element, and thereby increase the stability of the energy characteristics and the resource of the EHS.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1985.1. Samoilov A.G. Fuel elements of nuclear reactors. M .: Energoatomizdat, 1985.

2. Патент RU 2095881 C1, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. Опубл. 10.11.1997.2. Patent RU 2095881 C1, H01J 45/00. Thermionic power generation assembly. Publ. 11/10/1997.

3. Корнилов В.А. Процессы тепло- и массопереноса в высокотемпературных твэлах термоэмиссионных электрогенерирующих каналов // Сб. РКТ. Сер. 12. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Королев. 1996. Вып. 2-3. С. 99-112.3. Kornilov V.A. Heat and mass transfer processes in high-temperature fuel rods of thermionic electric power generating channels // Sat. Rkt. Ser. 12. Proceedings of RSC Energia named after S.P. Queen. Korolev. 1996. Issue. 2-3. S. 99-112.

4. Нейтронографические исследования термоэмиссионных ЭГК при петлевых реакторных испытаниях / Бекмухамбетов Е.С., Карнаухов А.С., Корнилов В.А. и др. // Ракетно-космическая техника: Труды РКК "Энергия". Сер. 12. 1996, вып. 2-3. С. 113-131.4. Neutron diffraction studies of thermionic EGCs during loop reactor tests / Bekmukhambetov ES, Karnaukhov AS, Kornilov VA and others // Space rocket technology: Proceedings of RSC Energia. Ser. 12 1996, no. 2-3. S. 113-131.

5. Корнилов В.А. Инженерная методика оценки ресурсоспособности термоэмиссионного электрогенерирующего элемента в случае выхода из строя системы удаления газообразных продуктов деления // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 192-197.5. Kornilov V.A. An engineering methodology for assessing the resource capacity of a thermionic electric generating element in the event of a failure of the system for removing gaseous fission products // Sat. Rocket and Space Technology: Ser. XII. Vol. 1-2. - RSC Energia, 1998, p. 192-197.

6. Патент RU 2195741 С2, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов. Опубл. 27.12.2002.6. Patent RU 2195741 C2, H01J 45/00. Thermionic electricity generating assembly with a flat-cylinder configuration of electrodes. Publ. 12/27/2002.

7. Патент RU 2138880 H01J 45/00. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов. Опубл. 27.09.1999.7. Patent RU 2138880 H01J 45/00. Thermionic electric power generating element with a flat-cylindrical configuration of electrodes. Publ. 09/27/1999.

8. Корнилов В.А. Исследование областей работоспособности системы вывода газообразных продуктов деления из термоэмиссионных твэлов в координатах обобщенных переменных // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 99-104.8. Kornilov V.A. Investigation of the areas of operability of the system for removing gaseous fission products from thermionic fuel elements in the coordinates of generalized variables // Sat. Rocket and Space Technology: Ser. XII. Vol. 1-2. - RSC Energia, 1998, p. 99-104.

9. Корнилов В.А., Сухов Ю.И., Юдицкий В.Д. Метод расчета температурных полей топливного сердечника термоэмиссионного электрогенерирующего элемента / Атомная энергия. - 1980. - Т. 49. Вып. 6. - С. 393-394.9. Kornilov V.A., Sukhov Yu.I., Yuditsky V.D. Method for calculating the temperature fields of the fuel core of a thermionic power generating element / Atomic energy. - 1980. - T. 49. Issue. 6. - S. 393-394.

10. Корнилов В.А. Критериальное прогнозирование работоспособности вентилируемого термоэмиссионного твэла // Атомная энергия. 2002. Т. 93, вып. 1. С. 75-78.10. Kornilov V.A. Criteria prediction of the operability of a ventilated thermionic fuel element // Atomic energy. 2002.Vol. 93, no. 1, p. 75-78.

11. Корнилов В.А. Некоторые проблемы обеспечения работоспособности вентилируемого твэла термоэмиссионного реактора-преобразователя // Сб. Ракетно-космическая техника: Сер. XII. Вып. 1-2. - РКК "Энергия", 1998, с. 79-85.11. Kornilov V.A. Some problems of ensuring the operability of a ventilated fuel element of a thermionic converter reactor // Sat. Rocket and Space Technology: Ser. XII. Vol. 1-2. - RSC Energia, 1998, p. 79-85.

12. Патент RU 2191442 С2, H01J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. Опубл. 20.10.2002.12. Patent RU 2191442 C2, H01J 45/00. Thermionic power generation assembly. Publ. 10/20/2002.

13. О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Литовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: «Высшая школа», 1978.13.O.N. Favorsky, V.V. Fishgoyt, E.I. Lithuanian. Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. M .: "Higher School", 1978.

14. Б.С. Бокштейн. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.14. B.S. Bokstein. Diffusion in metals. M .: Metallurgy, 1978.

15. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса / Агеев В.П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. // В сб.: РКТ Под ред. И.Г. Пульхровой, ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С. 25-33.15. An energy propulsion unit based on a thermionic nuclear electric propulsion system for the Martian expeditionary complex / Ageev VP, Bystrov PI, Vizgalov AV et al. // In: RKT Ed. I.G. Pulkhrova, TsNTI "Search" - NIITP. 1992. Issue. 1 (134). S. 25-33.

Claims

1. The power generating assembly of the thermionic reactor-converter, consisting of series-connected power generating elements, with cylindrical electrodes - a cylindrical emitter and a cylindrical collector, separated by a coaxial interelectrode gap of magnitude δ _MEZ , each of which contains a vented fuel-emitter assembly comprising a dioxide-based fuel material uranium enclosed in a shell, and the shell consists of a cylindrical emitter of length L and two flat end wings a screw, a vent device made in the form of a central tube is displayed in the first end cap, and the second end cap is connected to a switching jumper electrically commutating a cylindrical emitter with a cylindrical collector made in the form of a tube with an outer diameter D, which is a cylindrical collector of a thermionic converter of an adjacent power generating element , characterized in that in the space of placement of the jumper, between the first end cover of one electricity a cylindrical cup made of the same material as the tube of the cylindrical collector of the power generating element, and the bottom of the cylindrical cup in contact with the tube of the cylindrical collector is made in in the form of a flat circular ring with an outer diameter D, an inner diameter d and a thickness h _K , and the circular ring is installed parallel to the plane of the first end cover, about forming a flat interelectrode gap between them of the value δ≤δ _MEZ , and the side wall of the cylindrical cup facing the space of the jumper and in contact with it is made in the form of a straight circular cylinder of height l _CT <H with outer diameter D and wall thickness h equal to the thickness of the tube of the cylindrical collector, and a safety element connected to the first end is installed coaxially with the central tube of the gas outlet device in the space of the jumper oh lid and extending through an opening diameter d of said flat circular ring, the safety element is designed as a cylindrical shell with an outer diameter d and length l _PE _2, corresponding relationships: d 2 _≤d-PE · δ _MEZ; H> l ₂ > h _K + δ.

2. The power generating assembly of the thermionic reactor-converter according to claim 1, characterized in that the safety element, the first end cap and the gas exhaust device are made entirely of the same material as the cylindrical emitter.

3. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 1, characterized in that the safety element, the shell of the fuel-emitter assembly and the gas exhaust device are made of single-crystal tungsten.

4. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 1, characterized in that the cylindrical cup, the tube of the cylindrical collector and the switching jumper are made of niobium-based alloy.

5. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 1, characterized in that a tungsten-based alloy collector coating is applied to the inner surface of the tube of the cylindrical collector.

6. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 1, characterized in that the surface of the circular ring, from the side facing the first end cover, is coated with a tungsten-based alloy.

7. The power generating assembly of the thermionic reactor-converter, consisting of series-connected power generating elements, with cylindrical electrodes - a cylindrical emitter and a cylindrical collector, separated by a coaxial interelectrode gap of magnitude δ _MEZ , each of which contains a vented fuel-emitter assembly comprising a dioxide-based fuel material uranium enclosed in a shell, and the shell consists of a cylindrical emitter of length L and two flat end wings a screw, a vent device made in the form of a central tube is displayed in the first end cap, and the second end cap is connected to a switching jumper electrically commutating a cylindrical emitter with a cylindrical collector made in the form of a tube with an outer diameter D, which is a cylindrical collector of a thermionic converter of an adjacent power generating element , characterized in that in the region between the second end caps of two adjacent power generating elements located on the distance H + L, where H is the distance in the space of the jumper between the first end cover of one power generating element and the second end cover of the adjacent power generating element, with H <L, a cylindrical cup is installed, the bottom of the cylindrical cup in contact with the switching jumper is made in the form of a flat circular ring with an outer diameter D and an inner diameter d and a thickness h _K , the circular ring being installed parallel to the plane of the first end cap, forming between them there is a flat interelectrode gap of δ≤δ _MEZ , and the side wall of the cylindrical cup is made in the form of a straight circular cylinder of height l _CT = L + δ + h _K with an outer diameter D and wall thickness h and is a cylindrical collector of the power generating element, and coaxially with a central element of the venting device in the space of the jumper is equipped with a safety element connected to the first end cap and passing through an opening with a diameter d of the said flat circular tsa, the safety element is designed as a cylindrical shell with an outer diameter d and length l _PE _2, corresponding relationships: d 2 _≤d-PE · δ _MEZ; H> l ₂ > h _K + δ.

8. The power generating assembly of the thermionic reactor-converter according to claim 7, characterized in that the safety element, the first end cap and the gas exhaust device are made entirely of the same material as the cylindrical emitter.

9. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 7, characterized in that the safety element, the shell of the fuel-emitter assembly and the gas exhaust device are made of single-crystal tungsten.

10. The power generating assembly of the thermionic reactor-converter according to claim 7, characterized in that the cylindrical cup and the switching jumper are made of niobium-based alloy.

11. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 7, characterized in that a tungsten-based alloy is coated on the surface of the circular ring from the side facing the first end cover.

12. The power generating assembly of the thermionic converter reactor according to claim 7, characterized in that a tungsten-based alloy coating is applied to the inner surface of the side wall of the cylindrical glass.