RU2650885C1 - Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны - Google Patents
Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650885C1 RU2650885C1 RU2017127736A RU2017127736A RU2650885C1 RU 2650885 C1 RU2650885 C1 RU 2650885C1 RU 2017127736 A RU2017127736 A RU 2017127736A RU 2017127736 A RU2017127736 A RU 2017127736A RU 2650885 C1 RU2650885 C1 RU 2650885C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nuclear reactor
- heat pipe
- reactor according
- temperature heat
- power generating
- Prior art date
Links
- 230000009466 transformation Effects 0.000 title 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 14
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 14
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 claims description 5
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 3
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N gallium antimonide Chemical compound [Sb]#[Ga] VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910000753 refractory alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000004173 sunset yellow FCF Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C1/00—Reactor types
- G21C1/02—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области атомной энергетики. Ядерный реактор содержит активную зону, термофотопреобразователь (ТФП), электрогенерирующие модули (ЭГМ), высокотемпературные тепловые трубы (ВТТ), тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), боковой отражатель, систему управления, теплоизоляцию, систему охлаждения, радиационную защиту и корпус ядерного реактора. ЭГМ размещен внутри корпуса ядерного реактора. ВТТ состоит из цельного корпуса и расположенной на его внутренней боковой поверхности капиллярной структуры. ТВЭЛ расположен в зоне испарения ВТТ. Боковой отражатель окружает активную зону. Система управления состоит из привода и рабочего органа. ТВЭЛ, ВТТ, ТФП и радиационная защита расположены внутри ЭГМ. ТФП включает термофотоэлементы, контактирующие с теплопроводной подложкой. Технический результат - повышение коэффициента полезного действия ядерного реактора с прямым преобразованием энергии. 18 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в качестве автономного необслуживаемого источника электропитания.
Известна ядерная энергетическая установка (ЯЭУ), представленная в патенте РФ на изобретение №2129740 «Космическая ядерная энергетическая установка» с приоритетом от 28.07.1998.
ЯЭУ содержит модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей, вынесенных из активной зоны ядерного реактора и совмещенных с зоной конденсации высокотемпературных тепловых труб, у которых зона испарения размещена в графитовых матрицах активной зоны ядерного реактора с гарантируемым вакуумным зазором. Причем тепло подводится излучением через зазор от тепловыделяющих элементов, нагретых до высокой температуры. Эмиттер термоэмиссионного преобразователя размещен непосредственно на высокотемпературной тепловой трубе, а его коллектор - в зоне испарения среднетемпературной тепловой трубы, передающей непреобразованное тепло к холодильнику-излучателю. Межэлектродная электроизоляция в термоэмиссионных преобразователях выполнена в виде шунта, состоящего из пакета соосных с электродами термоэмиссионных преобразователей металлических стаканов и сильфона, сваренных между собой.
Недостатком указанного технического решения является относительно низкая эффективность термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования энергии в электрическую (Патент РФ на изобретение №2187156, заявка от 29.06. 2000).
Наиболее близкое техническое решение содержит электрогенерирующие элементы, размещенные в зоне конденсации высокотемпературной тепловой трубы, соединенные в электрическую цепь с помощью межэлектродной коммутации с катодным и анодным токовыводами внутри электрогенерирующего канала с парами цезия. Электрогенерирующий канал встроен в электрически нейтральный корпус модуля, внутри которого размещена высокотемпературная тепловая труба. Высокотемпературная тепловая труба содержит в испарительной зоне кольцевой тепловыделяющий элемент, а в зоне конденсации размещен многоэлементный электрогенерирующий канал с последовательно соединенными в электрическую цепь электрогенерирующими элементами. Эмиттер по крайней мере одного электрогенерирующего элемента размещен непосредственно на участке зоны конденсации и соединен с катодным токовыводом, обратным и коаксиальным по отношению к другим электрически изолированным от него, с помощью «мокрой» эмиттерной керамической изоляции, находящейся в парах цезия. Внутренняя поверхность эмиттеров соединена через «мокрую» эмиттерную керамическую изоляцию и катодный токовывод с внешней поверхностью зоны конденсации высокотемпературной тепловой трубы.
Недостатком указанного технического решения является относительно низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую. Коэффициент полезного действия (КПД) указанной ядерной энергетической установки, содержащей электрогенерирующие модули, составляет 8-10% при температуре 1400-1600 К.
Согласно литературным данным к настоящему времени при температуре около 1600 К достигнут КПД термоэмиссионного преобразования 13-16% (Ярыгин В.И. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии. Ч 1. Введение в специальность. Учебное пособие по курсу «Перспективные методы получения и преобразования энергии». - Обнинск: ИАТЭ, 2006, стр. 14). Возможности дальнейшего увеличения КПД термоэмиссионного преобразования без повышения температуры практически исчерпаны (В.Э. Птицын. Современное состояние и перспективы развития метода термоэмиссионного преобразования энергии. Научное приборостроение. 2013. Т. 23. №4. С. 30).
Кроме того, указанные выше технические решения характеризуются относительно невысоким ресурсом работы, связанным с ограниченной длительной прочностью конструкционных материалов при высокой температуре.
Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно, в повышении эффективности прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при более низкой температуре и в увеличении ресурса работы реактора.
Технический результат - повышение КПД ядерного реактора с прямым преобразованием энергии и увеличение ресурса, обусловленное более низкой рабочей температурой.
Для исключения указанных недостатков в ядерном реакторе с прямым преобразованием энергии, содержащим активную зону, по меньшей мере один электрогенерирующий модуль, размещенный внутри корпуса ядерного реактора, по меньшей мере одну высокотемпературную тепловую трубу, состоящую из цельного корпуса и расположенной на его внутренней боковой поверхности капиллярной структуры, по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, расположенный в зоне испарения высокотемпературной тепловой трубы, боковой отражатель, окружающий активную зону, систему управления, состоящую по меньшей мере из привода и рабочего органа, теплоизоляцию, систему охлаждения и радиационную защиту, причем тепловыделяющий элемент, высокотемпературная тепловая труба и преобразователь энергии расположены внутри электрогенерирующего модуля, предлагается:
- корпус ядерного реактора составить из боковой стенки, днища и крышки;
- электрогенерирующий модуль дополнительно снабдить радиационной защитой, расположенной над тепловыделяющими элементами;
- активную зону образовать из частей электрогенерирующих модулей, содержащих тепловыделяющие элементы;
- в качестве преобразователя энергии использовать термофотопреобразователь, состоящий из термофотоэлементов;
- в термофотопреобразователь включить по меньшей мере один термофотоэлемент, каждый из которых контактирует с теплопроводной подложкой;
- систему охлаждения составить из по меньшей мере одного радиатора и по меньшей мере одного теплообменника, соединенных между собой по меньшей мере одним подъемным и одним опускным каналом;
- теплообменник погрузить под уровень жидкости, заполняющей корпус ядерного реактора;
- радиатор и привод вывести за пределы корпуса ядерного реактора;
- рабочие органы установить с возможностью их перемещения в активной зоне;
- теплоизоляцию разместить внутри корпуса электрогенерирующего модуля в зоне испарения и в транспортной зоне высокотемпературной тепловой трубы.
В частных случаях исполнения ядерного реактора предлагается:
- над крышкой дополнительно установить купол;
- нижние части электрогенерирующих модулей и торцевую часть бокового отражателя укрепить на опорной решетке;
- верхние концы электрогенерирующих модулей зафиксировать в дистанционирующей решетке с возможностью продольного перемещения;
- на днище корпуса установить опору для поддержки опорной решетки;
- в объеме, ограниченном крышкой и куполом, разместить преобразователь тока и приводы системы управления;
- электрогенерирующие модули соединить с преобразователем тока по меньшей мере одним электрическим кабелем;
- термофотоэлементы выполнить из полупроводниковых материалов основе, например, Si, Ge, SiGe, GaAs, GaSb, InGaAsSb, InGaSb, InAsSbP, InGaAs, InGaAsInP;
- термофотоэлементы соединить в электрическую цепь;
- объем корпуса ядерного реактора заполнить жидкостью, например водой;
- корпус высокотемпературной тепловой трубы заполнить жидкометаллическим теплоносителем, например литием, кальцием, барием, свинцом, индием, серебром или их сплавами;
- зону конденсации высокотемпературной тепловой трубы снабдить покрытием, нанесенным на наружную боковую поверхность ее корпуса в области расположения термофотопреобразователя;
- покрытие выполнить из материалов, имеющих высокую степень черноты в широком спектральном диапазоне (0,5-10 мкм), например из SiC или на основе ZrO2, или из материалов, имеющих интенсивные линии излучения в диапазоне длин волн 1-2,5 мкм, например, содержащих NiO, CO3O4;
- теплообменник, подъемный канал, опускной канал выполнить в виде по меньшей мере одной низкотемпературной тепловой трубы;
- зону испарения низкотемпературной тепловой трубы выполнить в тепловом контакте с корпусом по меньшей мере одного электрогенерирующего модуля в области расположения термофотопреобразователя;
- в качестве теплоносителя низкотемпературной тепловой трубы использовать, например, этанол или его водный раствор с точкой замерзания не выше -40°C, аммиак, ацетон, фреон;
- внешнюю поверхность оболочки тепловыделяющего элемента снабдить капиллярной структурой.
- в тепловыделяющем элементе использовать по меньшей мере одно ядерное топливо, выбранное, например, из: UO2, PuO2, U-Zr-C-N с низким (до 20%) или высоким (более 20%) обогащением.
Сущность изобретения поясняется на фигурах, где на фиг. 1 представлено продольное осевое сечение одного из вариантов исполнения ядерного реактора с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны, на фиг. 2 - продольное осевое сечение электрогенерирующего модуля, на фиг. 3 - поперечное сечение электрогенерирующего модуля в области термофотопреобразователя (сечение А-А).
На фигурах приняты следующие позиционные обозначения: 1 - боковая стенка; 2 - боковой отражатель; 3 - днище; 4 - капиллярная структура; 5 - корпус высокотемпературной тепловой трубы; 6 - корпус электрогенерирующего модуля; 7 - крышка; 8 - купол; 9 опора; 10 - опорная решетка; 11 - опускной канал, 12 - подъемный канал, 13 - покрытие; 14 - преобразователь тока; 15 - привод; 16 - рабочий орган; 17 - радиатор; 18 - радиационная защита, 19 - тепловыделяющий элемент; 20 - теплоизоляция; 21 - теплообменник; 22 - теплопроводная подложка; 23 - термофотоэлемент; 24 - электрический кабель.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии содержит активную зону, термофотопреобразователь, по меньшей мере один электрогенерирующий модуль, по меньшей мере одну высокотемпературную тепловую трубу, по меньшей мере один тепловыделяющий элемент 19, боковой отражатель 2, систему управления, теплоизоляцию 20, систему охлаждения, радиационную защиту 18 и корпус ядерного реактора.
Реактор работает в автономном режиме, без постоянного технического обслуживания.
Активная зона реактора набрана из электрогенерирующих модулей, каждый из которых содержит по меньшей мере один тепловыделяющий элемент 19.
Активная зона размещена в корпусе реактора, заполненном жидкостью, выполняющей функцию теплоносителя и биологической защиты, например водой.
Электрогенерирующий модуль размещен внутри корпуса ядерного реактора и предназначен для преобразования тепловой энергии в электрическую.
Тепловыделяющий элемент 19 расположен внутри электрогенерирующего модуля, в зоне испарения высокотемпературной тепловой трубы. Его обязательными конструктивными элементами являются герметичная оболочка и по меньшей мере одно ядерное топливо, выбранное, например, из: UO2, PuO2, U-Zr-C-N с низким (до 20%) или высоким (более 20%) обогащением. Тепловыделяющий элемент 19 предназначен для производства тепловой энергии, выделяющейся при делении ядерного топлива. Оболочка тепловыделяющего элемента может быть снабжена капиллярной структурой для отвода тепла испаряющимся теплоносителем.
Высокотемпературная тепловая труба расположена внутри электрогенерирующего модуля и состоит из цельного корпуса 5, внутренняя боковая поверхность которого снабжена капиллярной структурой 4. Высокотемпературная тепловая труба предназначена для передачи тепла от тепловыделяющих элементов 19 к термофотопреобразователю.
Высокотемпературная тепловая труба содержит жидкометаллический теплоноситель, напримерлитий, кальций, барий, свинец, индий, серебро или их сплавы. Функционально высокотемпературная тепловая труба делится на три зоны. В зоне испарения высокотемпературной тепловой трубы под действием тепла, выделяющегося в тепловыделяющих элементах 19, происходит испарение теплоносителя из капиллярной структуры 4. Парообразный теплоноситель переносит теплоту испарения через транспортную зону высокотемпературной тепловой трубы в зону конденсации. Тепло, полученное зоной конденсации, передается излучением на термофотопреобразователь.
На наружной боковой поверхности корпуса высокотемпературной тепловой трубы 5 в зоне конденсации, в области расположения термофотопреобразователя может быть нанесено покрытие 13, выполненное из материалов, имеющих высокую степень черноты в широком спектральном диапазоне (0,5-10 мкм), например из SiC или на основе ZrO2, или из материалов, имеющих интенсивные линии излучения в диапазоне длин волн 1-2,5 мкм, например, содержащих NiO, CO3O4 для увеличения теплового потока, передаваемого от тепловой трубы к термофотопреобразователю.
Термофотопреобразователь включает по меньшей мере один термофотоэлемент 23, выполненный из полупроводникового материала, на основе, например, Si, Ge, SiGe, GaAs, GaSb, InGaAsSb, InGaSb, InAsSbP, InGaAs, InGaAsInP, который служит для преобразования теплового потока, излучаемого тепловой трубой, в электрическую энергию.
Термофотоэлемент 23 расположен на теплопроводной подложке 22, служащей для передачи тепла к системе охлаждения через корпус электрогенерирующего модуля 6.
Боковой отражатель 2 окружает активную зону реактора и служит для уменьшения утечки нейтронов.
Система управления состоит по меньшей мере из привода 15 и рабочего органа 16, содержащего поглощающее нейтроны вещество, и служит для регулирования мощности реактора и прекращения реакции деления в аварийных ситуациях.
Приводы 15 рабочих органов 16 системы управления выведены за пределы корпуса ядерного реактора и расположены под защитным куполом 8. Приводы 15 служат для перемещения рабочих органов 16.
Рабочие органы 16 установлены с возможностью их перемещения в активной зоне и предназначены для поглощения нейтронов с целью регулирования мощности реактора или прекращения его работы.
Система охлаждения содержит по меньшей мере один теплообменник 21, по меньшей мере один подъемный канал 12, по меньшей мере один опускной канал 11 и по меньшей мере один радиатор 17 и предназначена для удаления неиспользованного тепла за пределы корпуса ядерного реактора.
Теплообменник 21 погружен под уровень жидкости, заполняющей корпус ядерного реактора, и предназначен для ее охлаждения.
Радиатор 17 расположен за пределами корпуса ядерного реактора и купола 8 и предназначен для рассеяния в атмосфере неиспользованного тепла, поступающего к нему от теплообменника 21.
Радиационная защита 18 расположена над тепловыделяющими элементами 19 и предназначена для защиты термофотопреобразователя от реакторного излучения.
Теплоизоляция 20 размещена внутри корпуса электрогенерирующего модуля 6 в зоне испарения и в транспортной зоне высокотемпературной тепловой трубы. Теплоизоляция 20 позволяет свести к минимуму утечки тепла, выделяемого тепловыделяющими элементами, в жидкость.
Корпус ядерного реактора, состоящий из боковой стенки 1, днища 3 и крышки 7, заполнен жидкостью, выполняющей функции теплоносителя и биологической защиты. 17 частных случаев исполнения ядерного реактора.
Над крышкой 7 корпуса дополнительно установлен купол 8, предназначенный для защиты от внешних механических воздействий, напримерт падения воздушного судна.
Нижние части электрогенерирующих модулей и торцевая часть бокового отражателя 2 укреплены на опорной решетке 10, обеспечивающей дистанционирование электрогенерирующих модулей, не препятствуя при этом естественной циркуляции жидкости.
Верхние концы электрогенерирующих модулей фиксируются в дистанционирующей решетке с возможностью продольного перемещения для компенсации термического расширения.
На днище 3 корпуса ядерного реактора установлена опора 9, поддерживающая опорную решетку 10.
В объеме, ограниченном крышкой 7 и куполом 8, размещены приводы 15 системы управления и преобразователь тока 14, служащий для преобразования постоянного тока, генерируемого термофотопреобразователями, в переменный ток промышленной частоты.
Каждый электрогенерирующий модуль соединен с преобразователем тока 14 по меньшей мере одним электрическим кабелем 24.
Термофотоэлементы 23 могут быть выполнены из полупроводниковых материалов, на основе, например, Si, Ge, SiGe, GaAs, GaSb, InGaAsSb, InGaSb, InAsSbP, InGaAs, InGaAsInP.
Термофотоэлементы 23 соединены в электрическую цепь и образуют термофотопреобразователь. Электрическая цепь служит для согласования электрических параметров термофотоэлементов 23 с параметрами преобразователя тока 14 или потребителя энергии.
Корпус ядерного реактора заполнен жидкостью (например, водой), являющейся одновременно теплоносителем, биологической защитой и замедлителем, необходимым в случае ядерного реактора с тепловым спектром нейтронов.
Корпус высокотемпературной тепловой трубы 5 содержит жидкометаллический теплоноситель, например литий, кальций, барий, свинец, индий, серебро или их сплавы.
Наружная боковая поверхность корпуса высокотемпературной тепловой трубы 5 в зоне конденсации в области термофотопреобразователя снабжена покрытием 13 для увеличения теплового потока, передаваемого от тепловой трубы к термофотопреобразователю.
Покрытие 13 выполнено из материалов, имеющих высокую степень черноты в широком спектральном диапазоне (0,5-10 мкм), например из SiC или на основе ZrO2, или из материалов, имеющих интенсивные линии излучения в диапазоне длин волн 1-2,5 мкм, например, содержащих NiO, CO3O4.
Теплообменник 21, подъемный канал 12, опускной канал 11 выполнены в виде по меньшей мере одной низкотемпературной тепловой трубы.
Зона испарения низкотемпературной тепловой трубы совмещена с корпусом по меньшей мере одного электрогенерирующего модуля 6 в области расположения термофотопреобразователя.
В качестве теплоносителя низкотемпературной тепловой трубы используют, например, этанол или его водный раствор с точкой замерзания не выше -40°C, аммиак, ацетон, фреон.
Внешняя поверхность оболочки тепловыделяющего элемента 19 снабжена капиллярной структурой для обеспечения отвода выделяющегося тепла испаряющимся теплоносителем.
Тепловыделяющий элемент 19 содержит по меньшей мере одно ядерное топливо, выбранное, например, из: UO2, PuO2, U-Zr-C-N с низким (до 20%) или высоким (более 20%) обогащением.
Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны работает следующим образом.
В тепловыделяющих элементах 19 активной зоны происходят ядерные реакции с выделением тепла. Выделившееся тепло передается к зоне испарения высокотемпературной тепловой трубы. Увеличение мощности реактора с помощью системы управления приводит к повышению температуры высокотемпературной тепловой трубы, жидкометаллический теплоноситель, содержащийся в капиллярной структуре 4 высокотемпературной тепловой трубы, плавится и испаряется, поглощая при этом теплоту испарения. Пар жидкометаллического теплоносителя распространяется вдоль транспортной зоны высокотемпературной тепловой трубы к зоне конденсации, где конденсируется и разогревает корпус высокотемпературной тепловой трубы 5 до заданной рабочей температуры. Наружная боковая поверхность корпуса высокотемпературной тепловой трубы 5 в зоне конденсации излучает полученное тепло на термофотоэлементы 23. Благодаря внутреннему фотоэффекту в термофотоэлементах возникает электродвижущая сила, создающая электрический ток в электрических кабелях 24 и преобразователе тока 14. Таким образом, часть тепловой энергии превращается в электрическую.
Сконденсировавшийся жидкометаллический теплоноситель возвращается по капиллярной структуре 4 в зону испарения высокотемпературной тепловой трубы. Неиспользованное тепло проходит сквозь термофотоэлементы 23, теплопроводную подложку 22, стенку корпуса электрогенерирующего модуля 6, теплоноситель, заполняющий корпус реактора, к теплообменнику 21, передается по подъемному каналу 12 к радиатору 17 и рассеивается в атмосферном воздухе. Система охлаждения рассчитана таким образом, чтобы температура термофотоэлементов была не выше допустимой.
Конкретный вариант исполнения ядерного реактора с прямым преобразованием энергии выполнен следующим образом.
Корпус ядерного реактора выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т толщиной 20 мм. Внутренний диаметр цилиндрической боковой стенки составляет 2,5 м, высота - 8 м. В качестве жидкости используется вода, уровень которой составляет 7 м.
Система охлаждения выполнена в виде четырех одинаковых автономных низкотемпературных тепловых труб (термосифонов), соединенных с радиаторами. В качестве рабочей жидкости низкотемпературных тепловых труб используют водный раствор этанола с точкой замерзания не выше -40°C.
Система управления состоит из шести рабочих органов 16 с электрическими приводами. Рабочий орган 16 содержит поглощающее нейтроны вещество, заключенное в оболочку из нержавеющей стали. В качестве поглощающего вещества используется карбид бора. Рабочие органы 16 размещены между электрогенерирующими модулями с возможностью их перемещения в активной зоне. В качестве приводов 15 используются реверсивные электродвигатели.
Электрогенерирующий модуль выполнен в виде герметичного корпуса 6, внутри которого содержатся тепловыделяющие элементы 19, высокотемпературная тепловая труба, теплоизоляция 20, радиационная защита 18 и термофотоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую.
Корпус электрогенерирующего модуля 6 выполнен из циркониевого сплава Э110. Внешний диаметр корпуса - 52 мм, толщина стенки - 1 мм, длина (высота) - 2400 мм. Внутри корпуса создан вакуум.
Корпус высокотемпературной тепловой трубы 5 выполнен из тугоплавкого сплава НбЦУ и рассчитан на работу в вакууме и в жидком литии при температуре 1500 К до 10 лет.
Внутри корпуса электрогенерирующего модуля 6 расположена теплоизоляция 20, выполненная из 9 слоев гофрированной фольги толщиной 0,1 мм. Материал фольги НбЦУ.
Над тепловыделяющими элементами 19 расположена радиационная защита 18 из вольфрама толщиной 25 см.
На внешнюю поверхность корпуса высокотемпературной тепловой трубы 5 в зоне конденсации нанесено покрытие 13, выполненное из диоксида циркония (ZrO2), обеспечивающее степень черноты не менее 0,9.
В верхней части корпуса электрогенерирующего модуля 6 расположены концентрично с зоной испарения тепловой трубы 260 термофотоэлементов 23, выполненных из антимонида галлия (GaSb), работоспособного в инфракрасной области спектра. Термофотоэлементы имеют тепловой контакт с теплопроводной медной подложкой толщиной 2-3 мм, примыкающей к внутренней боковой поверхности корпуса.
Термофотоэлементы 23 соединены в последовательно-параллельную электрическую цепь, обеспечивающую выходное напряжение 24 В.
Электрогенерирующие модули полностью погружены в воду и фиксируются с шагом 69 мм в опорной решетке 10, выполненной в виде перекрещивающихся стержней, образующих гексагональные ячейки. Материал стержней - нержавеющая сталь Х18Н10Т.
Верхние концы электрогенерирующих модулей фиксируются с шагом 69 мм в дистанционирующей решетке из нержавеющей стали Х18Н10Т с возможностью продольного перемещения для компенсации термического расширения.
Опора 9 выполнена из нержавеющей стали X18Н10Т и жестко соединена с днищем 3. Опора 9 удерживает опорную решетку на высоте 115 см от днища 3.
Преимущества предлагаемого реактора по сравнению с наиболее близким аналогом заключаются в более высоком КПД. Это обусловлено более эффективным способом преобразования энергии. Кроме того, к техническому результату можно отнести увеличение ресурса работы ядерного реактора, связанное с понижением рабочей температуры.
Согласно литературным данным к настоящему времени для термофотоэлектрического преобразования с термофотоэлементами на основе гетероструктур (например, GaSb, InGaAsSb) при температуре около 1500 К достигнуты КПД от 17 до 30% (Dashiell М.W. et al. Quaternary InGaAsSb thermophotovoltaic diodes // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2006. - Vol. 53, N 12. - P. 2879-2891, Fourspring P.M. et al. Optical coatings for thermophotovoltaic spectral control // Applied optics. - 2006. - Vol. 45, N 7. - P. 1356-1358, Wernsman B. et al. Greater than 20% radiant heat conversion efficiency of a thermophotovoltaic radiator/module system using reflective spectral control // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2004. - Vol. 51, N3. - P. 512-515).
Максимальные достигнутые величины КПД для термоэмиссионного преобразования составляют 13-16% при температуре 1600 К (Ярыгин В.И. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии. Ч.1. Введение в специальность. Учебное пособие по курсу «Перспективные методы получения и преобразования энергии». - Обнинск: ИАТЭ, 2006. - стр. 14).
Таким образом, КПД термофотопреобразования при температуре около 1500 К до двух раз выше, чем термоэмиссионного, что позволяет снизить рабочую температуру.
Расчетный КПД ядерной энергетической установки, содержащей термоэмиссионные электрогенерирующие модули (Патент РФ на изобретение №2187156, заявка от 29.06. 2000), составляет 8-10% при температуре 1400-1600 К. Метод интерполяции дает для температуры 1500 К значение КПД 9%.
Расчетные оценки показали, что при рабочей температуре 1500 К КПД предлагаемого реактора составит от 10 до 20%.
Преимущества предлагаемого реактора по сравнению с наиболее близким аналогом демонстрируются таблицей, в которой приведены расчетные оценки.
Claims (19)
1. Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии, содержащий активную зону, преобразователь энергии, по меньшей мере один электрогенерирующий модуль, размещенный внутри корпуса ядерного реактора, по меньшей мере одну высокотемпературную тепловую трубу, состоящую из цельного корпуса и расположенной на его внутренней боковой поверхности капиллярной структуры, по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, расположенный в зоне испарения высокотемпературной тепловой трубы, боковой отражатель, окружающий активную зону, систему управления, состоящую по меньшей мере из привода и рабочего органа, систему охлаждения, теплоизоляцию, причем тепловыделяющий элемент, высокотемпературная тепловая труба и преобразователь энергии расположены внутри электрогенерирующего модуля, отличающийся тем, что корпус устройства составлен из боковой стенки, днища и крышки, электрогенерирующий модуль дополнительно снабжен радиационной защитой, причем активная зона образована частями электрогенерирующих модулей, содержащими тепловыделяющие элементы, в качестве преобразователя энергии использован термофотопреобразователь, термофотопреобразователь включает по меньшей мере один термофотоэлемент, каждый из которых контактирует с теплопроводной подложкой, система охлаждения включает по меньшей мере один радиатор и по меньшей мере один теплообменник, соединенные между собой по меньшей мере одним подъемным и одним опускным каналом, теплообменник погружен под уровень жидкости, заполняющей корпус ядерного реактора, радиатор и привод выведены за пределы корпуса ядерного реактора, рабочие органы установлены с возможностью их перемещения в активной зоне, а теплоизоляция размещена внутри корпуса электрогенерирующего модуля в зоне испарения и в транспортной зоне высокотемпературной тепловой трубы.
2. Ядерный реактор п. 1, отличающийся тем, что над крышкой дополнительно установлен купол.
3. Ядерный реактор п. 1, отличающийся тем, что нижние части электрогенерирующих модулей и торцевая часть бокового отражателя укреплены на опорной решетке.
4. Ядерный реактор п. 1, отличающийся тем, что верхние концы электрогенерирующих модулей фиксируются в дистанционирующей решетке с возможностью продольного перемещения.
5. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что на днище установлена опора, поддерживающая опорную решетку.
6. Ядерный реактор по п. 2, отличающийся тем, что в объеме, ограниченном крышкой и куполом, размещены приводы системы управления и преобразователь тока.
7. Ядерный реактор по п. 6, отличающийся тем, что каждый электрогенерирующий модуль сообщен с преобразователем тока по меньшей мере одним электрическим кабелем.
8. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что термофотоэлементы выполнены из полупроводниковых материалов на основе Si, Ge, SiGe, GaAs, GaSb, InGaAsSb, InGaSb, InAsSbP, InGaAs или InGaAsInP.
9. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что термофотоэлементы соединены в электрическую цепь.
10. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что объем корпуса ядерного реактора заполнен жидкостью.
11. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя высокотемпературной тепловой трубы использован литий, кальций, барий, свинец, индий, серебро или их сплавы.
12. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что зона конденсации высокотемпературной тепловой трубы снабжена покрытием, нанесенным на наружную боковую поверхность ее корпуса в области расположения термофотопреобразователя.
13. Ядерный реактор по п. 12, отличающийся тем, что покрытие выполнено из SiC или из материалов на основе ZrO2, имеющих высокую степень черноты в широком спектральном диапазоне.
14. Ядерный реактор по п. 12, отличающийся тем, что покрытие выполнено из материалов, содержащих NiO или Co3O4, имеющих интенсивные линии излучения в диапазоне длин волн 1-2,5 мкм.
15. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник, подъемный канал и опускной канал выполнены в виде по меньшей мере одной низкотемпературной тепловой трубы.
16. Ядерный реактор по п. 15, отличающийся тем, что зона испарения низкотемпературной тепловой трубы совмещена с корпусом по меньшей мере одного электрогенерирующего модуля в области расположения термофотопреобразователя.
17. Ядерный реактор по п. 15, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя низкотемпературной тепловой трубы используют этанол или его водный раствор, аммиак, ацетон или фреон.
18. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что оболочка твэла содержит на своей внешней поверхности капиллярную структуру.
19. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ядерного топлива тепловыделяющего элемента используется UO2, PuO2 или U-Zr-C-N с низким (до 20%) или высоким (более 20%) обогащением.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127736A RU2650885C1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127736A RU2650885C1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2650885C1 true RU2650885C1 (ru) | 2018-04-18 |
Family
ID=61976811
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017127736A RU2650885C1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2650885C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2724919C1 (ru) * | 2019-12-18 | 2020-06-26 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Реактор-преобразователь |
WO2022040159A3 (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-31 | Nuscale Power, Llc | Thermal power conversion systems including heat pipes and photovoltaic cells |
US11710577B2 (en) | 2019-10-15 | 2023-07-25 | Nuscale Power, Llc | Nuclear reactors having liquid metal alloy fuels and/or moderators |
US11728053B2 (en) | 2019-10-15 | 2023-08-15 | Nuscale Power, Llc | Heat pipe networks for heat removal, such as heat removal from nuclear reactors, and associated systems and methods |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2187156C2 (ru) * | 2000-06-29 | 2002-08-10 | Государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. академика А.И.Лейпунского" | Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (варианты) |
RU2388087C2 (ru) * | 2008-04-14 | 2010-04-27 | Сеиф Османович Чолах | Способ преобразования энергии излучения радиоактивных отходов в электрическую энергию |
WO2015134047A1 (en) * | 2014-03-03 | 2015-09-11 | Blacklight Power, Inc. | Photovoltaic power generation systems and methods regarding same |
RU161260U1 (ru) * | 2015-11-03 | 2016-04-10 | Вячеслав Васильевич Черний | Модифицированное устройство атомного реактора прямого преобразования радиационной энергии в электрическую |
-
2017
- 2017-08-03 RU RU2017127736A patent/RU2650885C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2187156C2 (ru) * | 2000-06-29 | 2002-08-10 | Государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. академика А.И.Лейпунского" | Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (варианты) |
RU2388087C2 (ru) * | 2008-04-14 | 2010-04-27 | Сеиф Османович Чолах | Способ преобразования энергии излучения радиоактивных отходов в электрическую энергию |
WO2015134047A1 (en) * | 2014-03-03 | 2015-09-11 | Blacklight Power, Inc. | Photovoltaic power generation systems and methods regarding same |
RU161260U1 (ru) * | 2015-11-03 | 2016-04-10 | Вячеслав Васильевич Черний | Модифицированное устройство атомного реактора прямого преобразования радиационной энергии в электрическую |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11710577B2 (en) | 2019-10-15 | 2023-07-25 | Nuscale Power, Llc | Nuclear reactors having liquid metal alloy fuels and/or moderators |
US11728053B2 (en) | 2019-10-15 | 2023-08-15 | Nuscale Power, Llc | Heat pipe networks for heat removal, such as heat removal from nuclear reactors, and associated systems and methods |
RU2724919C1 (ru) * | 2019-12-18 | 2020-06-26 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Реактор-преобразователь |
WO2022040159A3 (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-31 | Nuscale Power, Llc | Thermal power conversion systems including heat pipes and photovoltaic cells |
US12062462B2 (en) | 2020-08-17 | 2024-08-13 | Nuscale Power, Llc | Thermal power conversion systems including heat pipes and photovoltaic cells |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2650885C1 (ru) | Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны | |
US4755350A (en) | Thermionic reactor module with thermal storage reservoir | |
RU2159479C2 (ru) | Термоэмиссионный ядерный реактор | |
RU2687288C1 (ru) | Активная зона ядерного реактора | |
CN110945600B (zh) | 核反应堆堆芯 | |
JP2017181445A (ja) | 可搬式原子炉およびその炉心 | |
US12062462B2 (en) | Thermal power conversion systems including heat pipes and photovoltaic cells | |
KR20210008563A (ko) | 원자력 발전 시스템의 전력 출력을 향상시키기 위한 방법 및 장치 | |
CN109859859A (zh) | 一种基于钨导热的无对流换热整体模块式超小型空间反应堆堆芯 | |
CN116230260A (zh) | 全固态全静态微型反应堆 | |
JP2010267800A (ja) | 太陽光熱複合発電システムにおける太陽熱集熱体および該太陽熱集熱体を利用した太陽光熱発電モジュール | |
US3276914A (en) | Reactor-thermoelectric generator | |
RU2563551C2 (ru) | Метод и устройство термофотоэлектрических преобразователей с микронным зазором (мртv) высокой степени с субмикронным зазором | |
CN109958479B (zh) | 热化学储热热电子发电装置 | |
Wang et al. | Toward high performance radioisotope thermophotovoltaic systems using spectral control | |
RU2660942C1 (ru) | Активная зона ядерного реактора | |
RU2595772C1 (ru) | Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор | |
RU2724919C1 (ru) | Реактор-преобразователь | |
JP2021179313A (ja) | 原子炉および原子炉の除熱方法 | |
RU2000116664A (ru) | Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую | |
KR101284288B1 (ko) | 알칼리 금속 열전변환기용 단전지 모듈 | |
US3623947A (en) | Nuclear reactor and thermionic converter cells therefor | |
De et al. | A theoretical study on solar thermionic (thermo electronic) power conversion with a parabolic concentrator | |
JP6582752B2 (ja) | 制御棒、発電システム | |
KR20110097217A (ko) | 폐열 발전 장치 |