Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент

 

Назначение: энергетика, ядерная техника и непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионного реактора-преобразователя. Сущность изобретения: для выравнивания температурного поля эмиттера между ним и торцевым блоком размещена тепловая труба (ТТ) с продольно-радиальным переносом тепла. ТТ выполнена в виде двухстенной оболочки с капиллярной структурой, размещенной у внутренней и внешней стенок оболочек и поперек стенок в виде радиальных пластин с отверстиями. В качестве рабочего тела ТТ выбран литий, преимущественно изотоп литий-7. В качестве материала ТТ выбран вольфрам или его сплавы. Капиллярная структура выполнена в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, ядерной технике и непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании электрогенерирующих сборок термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП).

Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент (ЭГЭ) представляет собой элементарную ячейку ТРП, так как в ЭГЭ происходит весь цикл от генерации тепла при делении ядер урана до преобразования части второго тепла непосредственно в электричество. Последовательно-скоммутированные ЭГЭ образуют электрогенерирующую сборку (ЭГЭ)-сборочную единицу ТРП.

Известно несколько конструкционных схема ЭГЭ. Наиболее распространена коаксиальная схем ЭГЭ, разрабатывается схема с внешним расположением горючего, были созданы и испытаны ЭГЭ с плоскоцилиндрической геометрией электродов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ЭГЭ для ТРН "Топаз". Он содержит топливный сердечник из диоксида урана, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, коллектор, коллекторную изоляцию и наружный чехол. ЭГЭ содержит также систему дистанционаторов, обеспечивающих поддержание межэлектродного зазора, и коммутационную перемычку, с помощью которой эмиттер ЭГЭ электрически коммутируется с коллектором соседнего ЭГЭ. Последовательно соединенные ЭГЭ образуют ЭГС, из которых собирается активная зона ТРП.

В рассматриваемом ЭГЭ наблюдается существенная неизотермичность эмиттера, связанная с утечками тепла через коммутационную перемычку. Неизотермичность эмиттера может достигать 200^oC более и распространяется на значительную часть длины ЭГЭ. В результате эффективность преобразования энергии в ЭГЭ снижается, так как при ограничении максимальной температуры эмиттера снижение температуры приводит к снижению как плотности генерируемого тока так и КПД преобразования, который заметно снижается с уменьшением плотности генерируемой мощности. В результате необходимости выполнены условия: T_{Е max} ≅ T_{Е доп}, (1) где T_{E макс}, T_{E доп} максимальное и допустимое значения температуры эмиттера, эффективность работы эмиттера может снижаться в 1,5-2 раза.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности использования эмиттерной поверхности как с точки зрения увеличения средней плотности электрической мощности при заданном T_{Е доп}, так и повышение ресурса за счет повышения изотермичности эмиттера.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном ЭГЭ, содержащем блок делящегося вещества, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, в котором между эмиттером и топливным блоком установлена тепловая труба с радиально-продольной передачей тепла. В качестве рабочего тела такой тепловой трубы (TT) может быть выбран литий, а еще лучше обогащенный по изотопу литий-7. В качестве фитильной структуры такой TT можно использовать сетку и перфорированные радиальные паровые каналы. В качестве материала TT может быть выбран молибден, вольфрам или их сплавы.

На чертеже приведена схема термоэмиссионного ЭГЭ, содержащего топливный сердечник 1, эмиттерную оболочку, состоящую из эмиттера 2 и двух торцевых крышек 3 и 4. Между сердечником 1 и эмиттером 2 вдоль всей длины эмиттера размещена тепловая труба 5, которая содержит герметичный корпус 6 и капиллярную структуру в виде двух частей части 7 для поперечной радиальной перетечки теплоносителя и части 8 для продольной перетечки жидкого теплоносителя. Паровой объем TT 5 образован также поперечными каналами 9 и продольными каналами 10, ЭГЭ содержит также коллектор 11, коллекторную изоляцию 12 и наружную трубку (чехол) 13. Для электрической коммутации ЭГ и ЭГС предусмотрена коммутационная перемычка 14, снабженная отверстиями 15 для прохода пара цезия в межэлектродные зазоры 16.

Термоэмиссионный ЭГЭ работает следующим образом.

После изготовления эмиттера 2 с донышком 4 внутрь вставляется тепловая труба 5, которая предварительно была отвакуумирована, обезгажена и заполнена теплоносителем, например, литием. Внутрь тепловой трубы, выполненной в виде цилиндрической оболочки, вставляется топливный сердечник 1, например, в виде таблеток из диоксида или карбида урана. После этого к торцу эмиттера 2 приваривается вторая торцевая крышка 3 с коммутационной перемычкой 14. Сварной герметичный шок 17 шлифуется. Последовательно коммутируя внутри чехла 13 через слой изоляции 12 отделенные ЭГЭ образуют ЭГС. Набранная из таких ЭГС активная зона ТРП готова к работе. При появлении с помощью органов регулирования положительной реактивности в топливном сердечнике 1 за счет деления ядер урана выделяется тепло, которое теплопроводностью доставляется к внутренней части корпуса 6 ТТ. Это тепло испаряет жидкое рабочее тело, например литий, которое заполняет капиллярную структуру 7 и 8 ТТ 5. Пар проходит в паровом канале 9 и конденсируется на капиллярной структуре 8 у наружной стенки корпуса 4 ТТ 5. Далее с этой стенки тепло передается на эмиттер 2. Часть этой тепловой мощности в межэлектродном зазоре 16, заполненном паром цезия, преобразуется в электроэнергию, которая с помощью коммутационной перемычки 14 суммируется с вырабатываемыми другими ЭГЭ электроэнергией и отводится потребителю. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла поступает на коллектор 11 и далее теплопроводностью передается через коллекторную изоляцию 12 чехлу 13,с которого тепло уносится теплоносителем.

Из-за наличия металлической коммутационной перемычки 14 часть поступившего на эмиттер 2 тепла теплопроводностью через перемычку 14 переносится на коллектор 11. В результате вдоль эмиттера 2 образуется градиент температуры с понижением у края, примыкающего к торцевой крышке 3. В результате в ТТ 5 кроме радиального переноса тепла в паровых каналах 9 происходит продольный перенос тепла в результате испарения жидкой фазы рабочего тела в более нагретой части, например, вблизи крышки 4, переноса пара по паровым продольным каналам 10 и конденсации пара в более холодных частях ТТ, например, вблизи крышки 3. Сконденсировавшаяся жидкая фаза рабочего тела по капиллярной структуре 8 возвращается в более нагретую часть, где снова испаряется.

В результате происходит продольное выравнивание температур вдоль ТТ 5, а следовательно, и эмиттера 2. Известно, что в правильно спроектированных ТТ градиент температур может быть ничтожен (менее 1^oC), а следовательно, в предложенной конструкции ЭГЭ может быть обеспечено практически полное выравнивание температуры эмиттера. На фиг.2 показано температурное поле типичного ЭГЭ в виде зависимости температуры эмиттера T_Е от координаты Z, причем Z O соответствует краю эмиттера 2 у крышки 4, a 1 соответствует краю эмиттера 2 у крышки 3 с коммутационной перемычкой 14. Здесь кривая "a" относится к ЭГЭ без ТТ, а кривая "b" к предложенному ЭГЭ с ТТ При одинаковых T_{Е макс} в предложенной ЭГЭ с температуры полем, соответствующим кривой "b", генерируемая мощность, почти в 2 раза выше, чем в типичном ЭГЭ с температурным полем по кривой "a". Выравнивание температуры эмиттера позволяет повысить тепловую мощность ЭГЭ, а следовательно, и эффективность, при выполнении условия (1). Возможно повышение эффективности и при сохранении неизменной тепловой мощности ЭГЭ, в этом случае выравнивание температуры эмиттера приведет к снижению T_{Е макс}, а следовательно, и увеличению ресурса при сохранении генерируемой электрической мощности. Температурное поле эмиттера в этом случае демонстрирует кривая "c" фиг.2.

На фиг. 1 изображена традиционная схема коаксиального ЭГЭ с внутренним расположением топливного блока в виде топливного сердечника. Предложенный ЭГЭ может быть выполнен и по схеме с внешним расположением топливного блока в виде шетигранника с внутренним отверстием.

В качестве рабочего тела ТТ целесообразно использовать литий как оптимальное рабочее тело, начиная с температур, примерно 550K. Так как ЭГЭ размещен в активной зоне ТРП, целесообразное использовать изотоп литий-7 или естественную смесь изотопов, обогащенную по литию-7. В качестве материала как оболочек так и капиллярной структуры ТТ целесообразно использовать молибден, вольфрам или их сплавы, а для улучшения нейтроннофизических характеристик ТРП из таких ЭГЭ-изотоп вольфрама-184 с относительно небольшим сечением тепловых нейтронов.

Формула изобретения

1. Термоэмиссионный электрогенерирующий элемент, содержащий топливный блок из делящегося материала, размещенный внутри эмиттерной оболочки, цилиндрическая часть которой является эмиттером, отличающийся тем, что между эмиттером и топливным блоком установлена тепловая труба с радиально-продольной передачей тепла.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что тепловая труба выполнена в виде цилиндрической двухстенной оболочки с капиллярной структурой, размещенной у внутренней и внешней стенок оболочки и поперек стенок в виде радиальных пластин, снабженных отверстиями.

3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела тепловой трубы выбран литий.

4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве лития выбран изотоп лития-7 или естественная смесь изотопов лития, обогащенная по изотопу литий-7.

5. Элемент по пп.1 4, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки и капиллярной структуры тепловой трубы выбран вольфрам или его сплавы.

6. Элемент по п. 5, отличающийся тем, что в качестве вольфрама выбран изотоп вольфрама-184.

7. Элемент по пп.1 6, отличающийся тем, что в качестве капиллярной структуры использовано не менее одного слоя сетки или перфорированного экрана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2