RU2129740C1

RU2129740C1 - Space-based nuclear power plant

Info

Publication number: RU2129740C1
Application number: RU98113750A
Authority: RU
Inventors: В.А. Евтихин; А.Н. Чуманов
Original assignee: Евтихин Владимир Алексеевич; Чуманов Анатолий Николаевич
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 1999-04-27

Abstract

FIELD: nuclear power engineering. SUBSTANCE: power plant has nuclear power reactor with core incorporating tubular fuel elements and heat insulation placed in metal can, modular thermionic generator in the form of stack of thermionic converter modules with high-temperature heat pipe whose evaporation zone is located in reactor core. Condensation zone of heat pipe accommodates thermionic converters with shaped intermediate-temperature heat pipes transmitting heat to radiating cooler built up of finned intermediate-temperature heat pipes. Some portion of core heat insulation is made of set of pyrographite crucibles inserted in each other and joined together by means of carbon pins so that low heat-conductivity axis is perpendicular to external surface of heat insulation. Condensation zone of high-temperature heat pipes is located in channels of fuel elements with guaranteed clearance of 2 to 5 mm; emitters of thermionic converters are joined with external wall of high- temperature heat pipe in condensation zone; their collectors are joined with shaped intermediate-temperature heat pipe without electric insulation. Electrode-to-electrode electric insulation on thermionic converters is, essentially, shunt made of stack of metal sleeves coaxial with electrodes of thermionic converters and bellows, all welded together; collectors and emitters of converters are made in the form of fitted-in taper bushings; spacer bushings made of emitter material are installed between emitter current lead and collector; bearings are pinned to bushings. EFFECT: enlarged service life and improved performance characteristics of space-based nuclear power plant. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам. The present invention relates to nuclear energy, in particular to space nuclear power plants.

Известны конструкции космических ядерных энергоустановок мощностью 120-500 кВт [1, 2, 3] с вынесенной за пределы активной зоны ядерного реактора системой прямого преобразования тепла в электричество - термоэмиссионными преобразователями. There are known designs of space nuclear power plants with a capacity of 120-500 kW [1, 2, 3] with a system for direct conversion of heat into electricity — thermionic converters — taken out of the core of a nuclear reactor.

Эти энергоустановки имеют одинаковое компоновочное решение, состав блоков и единую принципиальную схему, где тепло, выделяемое в ядерном реакторе, транспортируется за его пределы высокотемпературными тепловыми трубами к эмиттерам трубчатых термоэмиссионных преобразователей, от которых непреобразованное тепло сбрасывается излучением холодильником-излучателем. These power plants have the same layout solution, the composition of the blocks and a single circuit diagram, where the heat generated in the nuclear reactor is transported outside it by high-temperature heat pipes to the emitters of tube thermionic converters, from which the unconverted heat is discharged by radiation from the refrigerator emitter.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является конструкция [4] космической ядерной энергоустановки, принципиальная тепловая схема которой заключается в передаче тепла от ядерного реактора к вынесенному модульному термоэмиссионному генератору и от него к холодильнику-излучателю посредством тепловых труб. Компоновочное решение состоит в последовательном расположении вдоль оси энергоустановки ее основных компонентов - ядерного реактора, термоэмиссионного генератора, радиационной защиты, холодильника излучателя - в объеме усеченного конуса. The closest technical solution to the proposed invention is the design [4] of a space nuclear power plant, the principle thermal circuit of which is to transfer heat from a nuclear reactor to a remote modular thermionic emission generator and from it to the refrigerator-emitter through heat pipes. The layout solution consists in the sequential arrangement along the axis of the power plant of its main components - a nuclear reactor, thermionic generator, radiation protection, radiator refrigerator - in the volume of a truncated cone.

Недостатком этой конструкции является ограничение ресурса из-за использования в качестве межэлектродной изоляции паяных металлокерамических узлов, контакта в высокотемпературной зоне разнородных материалов и использование керамических дистанционаторов, снижение электрических параметров генератора в сравнении с возможностями термоэмиссионного способа преобразования с одновременным понижением массогабаритных характеристик энергоустановки из-за применения теплопроводящей корпусной электроизоляции, а также из-за недостаточной механической прочности. The disadvantage of this design is the limited resource due to the use of brazed metal-ceramic assemblies as an electrode, contact of dissimilar materials in the high-temperature zone and the use of ceramic spacers, a decrease in the electrical parameters of the generator in comparison with the capabilities of the thermionic conversion method, while reducing the overall dimensions of the power plant due to the use thermally conductive electrical insulation, as well as due to insufficient Mechanical Protection strength.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения ресурса и рабочих параметров космической ядерной энергетической установки. The present invention solves the technical problem of increasing the resource and operating parameters of a space nuclear power plant.

Поставленная техническая задача решается тем, что в космической ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор с активной зоной и теплоизоляцией, размещенные в металлическом корпусе, модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей с высокотемпературной тепловой трубой, зона испарения которой погружена в активную зону реактора, а в зоне конденсации установлен термоэмиссионный преобразователь с фасонной среднетемпературной тепловой трубой для передачи тепла к холодильнику-излучателю, модульный холодильник-излучатель из оребренных среднетемпературных тепловых труб, состоящий из секций по количеству равных количеству модулей в термоэмиссионном генераторе, при этом часть теплоизоляции активной зоны выполнена в виде набора вставленных друг в друга и скрепленных между собой углеродными штифтами тиглей из пирографита или углеродного композитного материала таким образом, чтобы ось малой теплопроводности материала (ось "C") была перпендикулярна наружной поверхности теплоизоляции, зона испарения высокотемпературных тепловых труб размещена в каналах активной зоны с гарантированным (2-5 мм) зазором, эмиттеры термоэмиссионных преобразователей совмещены с наружной стенкой высокотемпературной тепловой трубы в зоне конденсации, а их коллекторы совмещены с фасонной среднетемпературной тепловой трубой без корпусной теплопроводящей электроизоляции, межэлектродная электроизоляция термоэмиссионных преобразователей выполнена в виде шунта, состоящего из пакета вставленных соосно с электродами термоэмиссионных преобразователей тонкостенных металлических стаканов и сильфона, сваренных между собой, эмиттер и коллектор выполнены в виде притертых друг к другу конических втулок с зазором 0,1-0,5 мм, между эмиттерным токовыводом и коллектором установлены дистанционирующие втулки с подшипниками из материала эмиттерного токовывода, опирающиеся на электроизолированную (покрытие) поверхность токовывода, а подшипники скреплены с втулками с помощью штифтов. The stated technical problem is solved in that in a space nuclear power plant containing a nuclear reactor with an active zone and thermal insulation, placed in a metal casing, a modular thermionic emission generator in the form of a package of thermionic converters with a high-temperature heat pipe, the evaporation zone of which is immersed in the reactor core, and in the condensation zone a thermionic converter with a shaped medium temperature heat pipe is installed to transfer heat to the refrigerator -radiator, a modular fridge-emitter of finned medium temperature heat pipes, consisting of sections equal to the number of modules in the thermionic generator, while the core insulation part is made as a set of pyrographite or carbon crucible pins inserted into each other and bonded to each other by carbon pins composite material so that the axis of low thermal conductivity of the material (axis "C") is perpendicular to the outer surface of the insulation, the evaporation zone is high thermal pipes are placed in the channels of the core with a guaranteed (2-5 mm) gap, the emitters of the thermionic converters are aligned with the outer wall of the high-temperature heat pipe in the condensation zone, and their collectors are combined with a shaped medium-temperature heat pipe without case heat-conducting electrical insulation, interelectrode electrical insulation of thermoelectric made in the form of a shunt, consisting of a package of thin-walled metal thermionic converters inserted coaxially with the electrodes of all cups and bellows welded together, the emitter and collector are made in the form of tapered bushings ground to each other with a gap of 0.1-0.5 mm, spacer bushings with bearings made of material of the emitter current lead based on electrically insulated are installed between the emitter current output and the collector (coating) the surface of the current lead, and the bearings are fastened to the bushings using pins.

Поскольку предполагается использование тугоплавкого ядерного топлива (дикарбид урана), то в настоящем изобретении принята концепция сохранения активной зоны в компактном состоянии (без разлета) в аварийных ситуациях вплоть до падения на Землю с орбиты искусственного спутника Земли. Since it is intended to use refractory nuclear fuel (uranium dicarbide), the present invention adopts the concept of maintaining the core in a compact state (without expansion) in emergency situations until it falls to Earth from an orbit of an artificial Earth satellite.

Такое выполнение изобретения позволяет обеспечить неразрушаемость активной зоны ядерного реактора в различных критических ситуациях за счет вышеупомянутого выполнения теплоизоляции из пирографитовых тиглей, поскольку при этом обеспечивается теплозащита от аэродинамических тепловых потоков, при этом толщина теплоизоляции и длина внешнего тигля выбираются из расчета допустимых утечек тепла при работе установки и обеспечения допустимых перегревов тепловыделяющих элементов, уноса массы пирографита при аэродинамическом торможении, а также рассеяния остаточного тепла без расплавления топлива (толщина пирографита в пределах 12-20 мм). Размещение зоны испарения тепловой трубы в центральных каналах тепловыделяющих элементов с заданным зазором позволяет удалять осколки деления и продукты газоотделения из зазора за счет наличия космического вакуума и исключить термохимические реакции материалов высокотемпературной трубы и активной зоны. This embodiment of the invention allows to ensure the indestructibility of the core of a nuclear reactor in various critical situations due to the aforementioned thermal insulation made of pyrographic crucibles, since this provides thermal protection from aerodynamic heat flows, while the thickness of the thermal insulation and the length of the external crucible are selected from the calculation of allowable heat leakage during installation operation and ensuring permissible overheating of the fuel elements, the ablation of the mass of pyrographite during aerodynamic drag, and also dissipation of residual heat without fuel melting (pyrographite thickness in the range of 12-20 mm). Placing the evaporation zone of the heat pipe in the central channels of the fuel elements with a given gap allows you to remove fission fragments and gas separation products from the gap due to the presence of space vacuum and to exclude thermochemical reactions of materials of the high temperature pipe and the core.

Совмещение эмиттера термоэмиссионного преобразователя с наружной стенкой тепловой трубы в зоне конденсации, а коллектора термоэмиссионного преобразователя с фасонной тепловой трубой-теплопроводом приводит к тому, что высокотемпературная тепловая труба имеет потенциал эмиттера, а фасонная тепловая труба и секция тепловой трубы излучателя имеют потенциал коллектора, при этом секция тепловой трубы излучателя является токопроводом для передачи энергии от секции генератора к блоку электрооборудования, крепление конструкции модуля к силовым элементам осуществляется с использованием стандартных электроизоляционных материалов без обеспечения вакуумной плотности. Отсутствие корпусной эмиттерной и коллекторной теплопроводящей электроизоляции снижает термическое сопротивление тепловому потоку через термоэмиссионные преобразователи. При фиксированной температуре высокотемпературной тепловой трубы, определяемой допустимой температурой активной зоны, это приводит по сравнению с прототипом к повышению температуры эмиттера и, как следствие, к повышению электрической мощности и КПД. Коллекторное термическое сопротивление при оптимальной температуре коллектора повышает температуру излучателя, повышая тем самым массогабаритные характеристики энергоустановки. Выполнение шунта вышеуказанным способом позволяет при приварке законцовок к эмиттерному токовыводу и коллектору получить герметичный объем, заполняемый парами цезия, и исключить металлокерамический узел межэлектродной электроизоляции. Выполнение эмиттера и коллектора в виде притертых друг к другу конических втулок обеспечивает автоматическое сохранение в процессе работы межэлектродного зазора необходимого размера за осевого перемещения коллектора относительно эмиттера с учетом деформации сильфонов с фиксацией их положения. The combination of the emitter of the thermionic converter with the outer wall of the heat pipe in the condensation zone, and the collector of the thermionic converter with the shaped heat pipe-heat pipe leads to the fact that the high-temperature heat pipe has the potential of the emitter, and the shaped heat pipe and the section of the heat pipe of the emitter have a collector potential, while section of the heat pipe of the emitter is a conductor for transferring energy from the generator section to the electrical unit, fixing the design of the module to sexually-elements is performed using standard insulating materials without providing a vacuum density. The absence of a case emitter and collector heat-conducting electrical insulation reduces thermal resistance to heat flow through thermionic converters. At a fixed temperature of a high-temperature heat pipe, determined by the permissible core temperature, this leads, in comparison with the prototype, to an increase in the emitter temperature and, as a result, to an increase in electric power and efficiency. Collector thermal resistance at the optimal collector temperature increases the temperature of the emitter, thereby increasing the overall dimensions of the power plant. The implementation of the shunt in the above manner allows the welding of the tips to the emitter current output and the collector to obtain a sealed volume filled with cesium vapor, and to exclude the ceramic-metal assembly of interelectrode electrical insulation. The implementation of the emitter and the collector in the form of tapered bushings ground to each other ensures automatic preservation during operation of the interelectrode gap of the required size for the axial movement of the collector relative to the emitter, taking into account the deformation of the bellows with fixing their position.

Все это позволяет повысить выходные характеристики, надежность и ресурс установки в целом за счет повышения надежности и ресурса теплоизоляции и улучшения параметров термоэмиссионных преобразователей. All this allows to increase the output characteristics, reliability and resource of the installation as a whole by increasing the reliability and resource of thermal insulation and improving the parameters of thermionic converters.

Предлагаемое изобретение поясняется схемой, показанной на чертеже, где представлена конструктивная схема космической ядерной энергоустановки, состоящей из расположенных соосно в пределах усеченного конуса ядерного реактора 1, модульного термоэмиссионного электрогенератора 2, радиационной защиты 3 и модульного холодильника-излучателя на тепловых трубах 4, при этом количество модулей электрогенератора равно количеству модулей холодильника-излучателя. В состав ядерного реактора входит высокотемпературная активная зона 5 с отверстиями и теплоизоляцией в виде кожуха 6, состоящего из пакета вставленных друг в друга пирографитовых тиглей, скрепленных штифтами 7. В отверстиях активной зоны с зазором (2-5 мм) установлены тепловоспринимающие (зона испарения) концы высокотемпературных тепловых труб 8. В зоне теплоотвода (зона конденсации) эти тепловые трубы имеют конусные утолщения и их наружные поверхности являются эмиттерами термоэмиссионных преобразователей модулей 9. Количество модулей соответствует количеству тепловых труб. Модуль цельнометаллический, цельносварной включает в себя, кроме эмиттера, концевой коллектор 10, эмиттерные токовыводы 11, сваренные через металлический шунт в виде пакета соосно расположенных с электродами тонкостенных металлических стаканов и сильфона 12, с коллектором 10. Конические электроды имеют обоймы 13 с подшипниками 14, скрепленные между собой штифтами 15. Подшипники опираются на поверхность эмиттерных токовыводов, покрытую электроизоляцией 16. Межэлектродный зазор выставляется посредством осевого смещения коллектора 10 по отношению к эмиттеру 9 с фиксацией в заданном положении. При конусности 1:30 рабочий зазор образуется при осевом смещении коллектора на 4 мм. The invention is illustrated by the diagram shown in the drawing, which shows a structural diagram of a space nuclear power plant, consisting of coaxially located within a truncated cone of a nuclear reactor 1, a modular thermionic electric generator 2, radiation protection 3 and a modular refrigerator-radiator with heat pipes 4, the number modules of the electric generator is equal to the number of modules of the refrigerator-emitter. The composition of the nuclear reactor includes a high-temperature core 5 with holes and thermal insulation in the form of a casing 6, consisting of a package of pyrographite crucibles inserted into each other, fastened with pins 7. Heat-absorbing sensors (evaporation zone) are installed in the openings of the core with a gap (2-5 mm) the ends of high-temperature heat pipes 8. In the heat removal zone (condensation zone), these heat pipes have conical bulges and their outer surfaces are emitters of thermionic converters of modules 9. Number of modules corresponds to the number of heat pipes. The all-metal, all-welded module includes, in addition to the emitter, an end collector 10, emitter current leads 11, welded through a metal shunt in the form of a package of thin-walled metal cups and bellows 12 coaxially arranged with electrodes, with a collector 10. Conical electrodes have cages 13 with bearings 14, fastened together by pins 15. The bearings are supported on the surface of the emitter current leads coated with electrical insulation 16. The electrode gap is set by axial displacement of the collector 10 in relation ju to the emitter 9 with fixation in a given position. With a taper of 1:30, a working clearance is formed when the collector is axially displaced by 4 mm.

Энергоустановка работает следующим образом. Power installation works as follows.

Тепло, выделяемое в активной зоне 5, излучением передается к тепловоспринимающим поверхностям (зона испарения) высокотемпературных тепловых труб 8, и передается вдоль их оси к теплоотводящим (зона конденсации) поверхностям, являющимся эмиттерами 9 термоэмиссионных преобразователей электрогенератора 2. Это тепло разогревает конструкцию и при рабочих температурах электродов реализуется выработка электроэнергии. Непреобразованная часть тепла подводится к холодильнику-излучателю 4 и сбрасывается в Космос. Наличие теплоизолирующего кожуха 6 обеспечивает неразрушаемость активной зоны в различных аварийных ситуациях, в частности при несанкционированном спуске с орбиты искусственного спутника Земли. The heat released in the active zone 5 is transmitted by radiation to the heat-absorbing surfaces (evaporation zone) of the high-temperature heat pipes 8, and is transferred along their axis to the heat-removing (condensation zone) surfaces that are emitters 9 of the thermionic converters of the electric generator 2. This heat heats up the structure even during operation The temperatures of the electrodes are used to generate electricity. The unconverted part of the heat is supplied to the refrigerator-emitter 4 and discharged into space. The presence of a heat-insulating casing 6 provides indestructibility of the core in various emergency situations, in particular during unauthorized descent from the orbit of an artificial Earth satellite.

В обоснование предложенной конструкции проведены испытания модели энергетического модуля, состоящего из высокотемпературной молибденовой тепловой трубы с литием и цилиндрического термоэмиссионного преобразователя, в котором тепло к эмиттеру подводилось при 1500^oC. Модель проработала 4000 часов до планового останова [5]. В настоящее время ведутся ресурсные испытания торцевого термоэмиссионного преобразователя с высокотемпературной литиевой тепловой трубой при температуре 1500^oC. Достигнут ресурс 2500 часов, испытания продолжаются.In support of the proposed design, we tested the model of the energy module, consisting of a high-temperature molybdenum heat pipe with lithium and a cylindrical thermionic converter in which heat was supplied to the emitter at 1500 ^o C. The model worked 4000 hours before the scheduled shutdown [5]. At present, life tests of the end thermionic converter with a high-temperature lithium heat pipe at a temperature of 1500 ^o C are underway. A resource of 2500 hours has been reached, tests are ongoing.

Следует отметить, что предложенная схема энергоустановки и термоэмиссионных преобразователей дешевле и более технологична по сравнению с известными конструкциями, она позволяет осуществлять раздельную обработку ее элементов, состоящих из маломатериалоемких модулей, требует ограниченного объема стендовых устройств. It should be noted that the proposed scheme of the power plant and thermionic converters is cheaper and more technologically advanced in comparison with the known designs, it allows separate processing of its elements, consisting of low-material modules, requires a limited amount of bench devices.

Источники информации
1. AIAA Paper 76-1041. E.V. Pawlik, W.M. Phillips. A Nuclear Electric Propulsion Vehicle for Planetary Exploration. T.M. Hsieh and W.M. Phillips. An Imporved Thermionic Power Conversion Systems for Space Propulsion - Proc. 13th IECEC, 1978, 1917-1922.Sources of information
1. AIAA Paper 76-1041. EV Pawlik, WM Phillips. A Nuclear Electric Propulsion Vehicle for Planetary Exploration. TM Hsieh and WM Phillips. An Imporved Thermionic Power Conversion Systems for Space Propulsion - Proc. 13th IECEC, 1978, 1917-1922.

2. W. M. Phillips, M. C. Ectabrook, T.M. Hsieh. Proc. 11th Intersoc. Energy Conversion Engineering Conf,1976, 1487-1493. Пер. - Ядерная термоэмиссионная энергоустановка (НТБ - Я сг - 34). 2. W. M. Phillips, M. C. Ectabrook, T. M. Hsieh. Proc. 11th Intersoc. Energy Conversion Engineering Conf, 1976, 1487-1493. Per. - Nuclear thermionic power plant (NTB - I sg - 34).

3. D. R. Koenig, W.A. Renken, E.M. Salmi. Heat Pipe Reactor for Space Applications. AIAA Paper 77-491, 7 pp. W.M. Phillips, M.C. Estabrook, T.M. Hsieh. Proc. 11th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, pp. 1483-1493 (769256). 3. D. R. Koenig, W.A. Renken, E.M. Salmi. Heat Pipe Reactor for Space Applications. AIAA Paper 77-491, 7 pp. W.M. Phillips, M.C. Estabrook, T.M. Hsieh. Proc. 11th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, pp. 1483-1493 (769256).

4. J.E. Mondt, C. Stapfer, T.M. Hsieh. Nuclear Power Source for Electric Propulsion. AIAA Paper 79-2088. (прототип). 4. J.E. Mondt, C. Stapfer, T.M. Hsieh. Nuclear Power Source for Electric Propulsion. AIAA Paper 79-2088. (prototype).

5. Евтихин В.А., Лям А.Л. и др. Создание и испытание демонстрационного модуля. НТО мк/1192 НПО "Красная звезда", 1986. 5. Evtikhin V.A., Lyam A.L. et al. Creation and testing of a demo module. NTO MK / 1192 NPO "Red Star", 1986.

Claims

A space nuclear power plant containing a nuclear reactor with a high-temperature core and thermal insulation housed in a metal casing, a modular thermionic emission generator in the form of a package of modules of thermionic converters with a high-temperature heat pipe, the evaporation zone of which is immersed in the reactor core, and a thermionic converter is installed in the condensation zone with shaped medium temperature heat pipe for heat transfer to the refrigerator-emitter, refrigerator a holder made of finned medium temperature heat pipes, their number being equal to the number of modules, characterized in that the core insulation is made in the form of a set of pyrographite or carbon composite material crucible pins fixed together by carbon pins so that the axis of low thermal conductivity is perpendicular to the outer surface of the insulation, the evaporation zone of high-temperature heat pipes is placed in the channels of the active zone with a guaranteed 2 - 5 mm gap, emitters t thermionic converters are combined with the outer wall of the high-temperature heat pipe in the condensation zone, and the collectors are combined with the shaped medium-temperature heat pipe without case heat-conducting electrical insulation, the interelectrode electrical insulation of thermionic converters is made in the form of a shunt, consisting of a package of thermoelectric thermoelectrics inserted into the coaxial metal electrodes and thermoelectric electrodes welded together, emitter and collector thermionic converters The plugs are made in the form of tapered bushings ground to each other with a clearance of 0.1 - 0.2 mm, spacer bushings with bearings made of the material of the emitter current collector are installed between the emitter current output and the collector, resting on the electrically insulated surface of the current lead, the bearings are fastened to the bushings using pins.