DE1177705B

DE1177705B - With cesium vapor filling working glow emission converter with a nuclear fuel body as emitter heater

Info

Publication number: DE1177705B
Application number: DEE25019A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Claus-Adolf Busse
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1963-06-20
Filing date: 1963-06-20
Publication date: 1964-09-10

Description

Mit Cäsiumdampffüllung arbeitender Glühemissionskonverter mit einem Kernbrennstoffkörper als Emitterbeheizer Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Cäsiumdampffüllung arbeitenden Glühemissionskonverter zur unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, bestehend aus einer Emitterelektrode und einer diese Elektrode mit engem Spalt umschließenden Kollektorelektrode, in welchem Konverter die Emitterelektrode den als Wärmequelle dienenden keramischen oder metallkeramischen Kernbrennstoffkörper als Hülle umgibt. Der Kernbrennstoffkörper hat also die Funktion des Heizers bei Glühemissionsröhren, die Elektronen werden aus der Hülle ausgedampft.Incandescent emission converter with a cesium vapor filling Nuclear fuel body as emitter heater The invention relates to a with Cesium vapor filling working glow emission converter for immediate conversion of thermal energy into electrical energy, consisting of an emitter electrode and a collector electrode enclosing this electrode with a narrow gap, in which Converter the emitter electrode to the ceramic or metal-ceramic used as a heat source Nuclear fuel body surrounds as a shell. So the nuclear fuel body has the function of the heater in incandescent emission tubes, the electrons are evaporated from the shell.

Die Heizwirkung des Kernbrennstoffes wird dadurch angefacht und unterhalten, daß mehrere Konverter - elektrisch und räumlich hintereinandergeschaltet - ein stabförmiges Brennstoffelement bilden, eine Vielzahl solcher Brennstoffelemente in einem kritischen Reaktorgitter angeordnet sind und das vorhandene Neutronenfeld in üblicher Weise eine sich selbst unterhaltende Kettenreaktion auslöst.The heating effect of the nuclear fuel is thereby fueled and maintained, that several converters - electrically and spatially connected in series - a rod-shaped Form fuel element, a variety of such fuel elements in a critical Reactor grid are arranged and the existing neutron field in the usual way triggers a self-sustaining chain reaction.

Der Elektrodenabstand zwischen Emitter- und Kollektorelektrode wird klein gehalten, um eine große Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad des Konverters zu erzielen. Das wirft bei Konvertern mit Kernbrennstoffkörpern, z. B. Stäben, besondere Probleme auf, da die Stäbe nicht nur bei extrem hohen Temperaturen (bis etwa 2000° C) arbeiten, sondern auch den zerstörenden Einwirkungen der Kernspaltung und der radioaktiven Strahlung unterworfen sind. Diese Einflüsse wirken sich sehr günstig auf die mechanische Stabilität und Formhaltigkeit der Stäbe und damit die Betriebssicherheit des Konverters aus. Es ist bei derart kleinen Spaltabmessungen zwischen Emitter- und Kollektorelektrode wie der erwähnten praktisch nicht zu vermeiden, daß es früher oder später zu einem Kurzschluß zwischen Emitter- und Kollektorelektrode durch direkten Kontakt der Stabhülle mit der Kollektorelektrode infolge thermischer Auslenkung oder Formveränderung durch Strahlungsschäden des Brennstoffes kommt. Demgemäß ist es das Bestreben im Konverterbau, dieser Störung vorzubeugen.The distance between the emitter and collector electrodes is kept small in order to achieve a high power density and high converter efficiency to achieve. That raises in converters with nuclear fuel bodies, z. B. rods, special Problems arise because the rods are not only used at extremely high temperatures (up to about 2000 ° C) work, but also the destructive effects of nuclear fission and the are subject to radioactive radiation. These influences have a very beneficial effect on the mechanical stability and shape retention of the bars and thus the operational safety of the converter. With such small gap dimensions between the emitter and collector electrode like the one mentioned practically impossible to avoid it earlier or later to a short circuit between the emitter and collector electrodes by direct Contact of the rod cover with the collector electrode as a result of thermal deflection or change in shape due to radiation damage to the fuel. Accordingly is it is the endeavor in converter construction to prevent this disruption.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Elektrodenabstand durch einen Dampffilm nachgiebig zu gestalten, in der Weise, daß die Emitterelektrode (ein Kernbrennstoffstab) in flüssiges Cäsium eintaucht und beim Aufheizen des Stabes das Cäsium an der Staboberfläche unter Bildung eines Dampffilms siedet. Dieser Film würde allen Bewegungen des Stabes folgen und verhindern, daß es zum Kurzschluß zwischen Stab und cäsiumbedeckter Kollektorelektrode kommt. Die Erfindung schlägt demgegenüber vor, den Kurzschluß durch eine besondere Art der Fixierung des Kernbrennstoffkörpers zu verhindern. Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß der Kernbrennstoffkörper so bemessen ist, daß Hülle und Brennstoffkörper weitgehend durch einen peripheren Spielraum getrennt sind.It has already been proposed to increase the electrode spacing by a To make the vapor film pliable in such a way that the emitter electrode (a nuclear fuel rod) immersed in liquid cesium and when the rod is heated up, the cesium on the rod surface boils with the formation of a vapor film. This movie would reflect all the movements of the wand and prevent a short circuit between the rod and the cesium-covered collector electrode comes. The invention proposes, on the other hand, the short circuit by a special To prevent the type of fixation of the nuclear fuel body. The solution is according to the invention in that the nuclear fuel body is dimensioned so that the shell and the fuel body are largely separated by a peripheral clearance.

Auf diese Weise, d. h. durch möglichst berührungsfreies Haltern des Kernbrennstoffkörpers in der Hülle, wird erreicht, daß jegliche wie auch immer bedingte Formänderung des Kernbrennstoffkörpers sich nicht auf die Hülle überträgt und diese in der einjustierten Lage verharrt. Alle Störerscheinungen am Kernbrennstoff werden im Spielraum der Hülle aufgefangen. Dadurch werden zugleich eine Reihe weiterer Vorteile erzielt. So entfällt praktisch das Kompatibilitätsproblem zwischen Hülle und Kernbrennstoff bei hoher Betriebstemperatur. Insbesondere wird die Diffusion von Kernbrennstoffpartikeln durch die Hülle stark reduziert, und abbröckelndes Stabmaterial wird im Raum zwischen Hülle und Kernbrennstoffkörper abgefangen.In this way, i. H. by holding the Nuclear fuel body in the envelope, is achieved that any whatever conditional Change in shape of the nuclear fuel body is not transferred to the shell and this remains in the adjusted position. All disturbance phenomena on the nuclear fuel will be caught in the clearance of the envelope. This leads to a number of others Benefits achieved. This practically eliminates the compatibility problem between the case and nuclear fuel at high operating temperature. In particular, the diffusion of nuclear fuel particles greatly reduced by the envelope, and crumbling rod material is intercepted in the space between the shell and the nuclear fuel body.

Da der Kernbrennstoffkörper nur noch als nuklearer Heizer, nicht mehr als Emitter arbeitet, ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Brennstoffkörper und Hülle nicht erforderlich, die an sich große Schwierigkeiten macht. Im vorliegenden Fall geschieht die Befestigung des Körpers im Konvertergehäuse einfach durch Verstiften. Die vom Kernbrennstoff getrennte, elektrisch als Emitterelektrode geschaltete Hülle wird im wesentlichen beheizt durch die Temperaturstrahlung des Stabes. Als keramischer Brennstoff wird die für Konverter bereits vorgeschlagene Verbindung (UZr)C verwendet, die einen sehr hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Dampfdruck sowie ein hohes thermisches Emissionsvermögen besitzt und daher für die Rufheizung der Hülle durch Temperaturstrahlung sehr geeignet ist.Since the nuclear fuel body is only used as a nuclear heater, no more works as an emitter is an electrically conductive connection between the fuel body and sheath is not required, which in itself causes great difficulties. In the present In this case, the attachment of the body in the converter housing is done simply by pinning. the shell separated from the nuclear fuel and electrically connected as an emitter electrode is essentially heated by the thermal radiation of the rod. As a ceramic The compound (UZr) C already proposed for converters is used for fuel, which have a very high melting point, a low vapor pressure as well as a high thermal Has emissivity and therefore for the call heating of the envelope by thermal radiation is very suitable.

Die annähernd berührungsfreie Halterung des Kernbrennstoffkörpers kann auf verschiedene Weise gelöst werden. Der Körper kann z. B. als an einem Ende gefaßter Stab frei in die Hülle hineinragen, er kann auch lose an mehreren Punkten der Hülle abgestützt in die Hülle eingelegt werden. Wesentlich ist indes. daß sich der Brennstoffkörper in der Hülle der Form nach verändern kann, ohne die Hülle zu deformieren.The almost contact-free mounting of the nuclear fuel body can be solved in several ways. The body can e.g. B. than at one end The gripped rod protrudes freely into the sheath, it can also loosely at several points the shell can be inserted into the shell in a supported manner. What is essential, however. that itself the fuel body can change shape in the shell without the shell deform.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Glühemissionskonverters nach der Erfindung, mit in die Hülle hineinragendem Kernbrennstoffstab, im Längsschnitt.The drawing schematically illustrates an embodiment of the glow emission converter according to the invention, with protruding into the shell Nuclear fuel rod, in longitudinal section.

In der Zeichnung bezeichnet 1 den Kernbrennstoffstab, 2 die Hülle (in Gestalt eines Fingerhutrohres) und 3 das Konvertergefäß, dessen unterer Teil 3 a als Kollektorelektrode, dessen oberer Teil 3 b als Deckel ausgebildet ist. Kollektorelektrode 3 a und Hülle 3 mit Deckel 3 b sind voneinander durch eine Isoliermanschette 4 getrennt. Die genannten Teile begrenzen vakuumdicht den Verdampfungsraum 5 für das in der Ausstülpung 6 des Konvertergefäßes befindliche Cäsium 7. Die Heizspirale 7a dient zur genauen Einstellung der Cs-Temperatur.In the drawing, 1 denotes the nuclear fuel rod, 2 the envelope (in the form of a thimble tube) and 3 the converter vessel, its lower part 3 a as a collector electrode, the upper part 3 b of which is designed as a cover. Collector electrode 3 a and shell 3 with cover 3 b are separated from one another by an insulating sleeve 4. The parts mentioned delimit the evaporation chamber 5 in a vacuum-tight manner for the in the Protrusion 6 of the converter vessel located cesium 7. The heating coil 7a is used for precise setting of the Cs temperature.

Erfindungsgemäß ist der Kernbrennstoffstab 1 in der Hülle 2 frei unter Belassung des konzentrischen Spielraumes 8 angeordnet. Die Hülle 2 ist elektrisch gut leitend mit dem Deckel 3 b verbunden, z. B. durch Vakuumlötung. Der Deckel 3 b läuft in den Halter 9 aus, in dem der Kernbrennstoffstab 1 mit Hilfe des Stiftes 10 verbunden ist. Der obere Teil des Halters 9 ist aus Gründen der Wärmedämmung als dünner Hals ausgeführt und mit Strahlungsschirmblechen 9 a versehen. Der Kernbrennstoff weist zwei Zonen auf, nämlich die Befestigungszone 1 a aus abgereichertem Material und die Zone 16 aus angereichertem Material.According to the invention, the nuclear fuel rod 1 is freely below in the envelope 2 Leaving the concentric clearance 8 arranged. The sheath 2 is electrical with good conductivity connected to the cover 3 b, z. B. by vacuum soldering. The lid 3 b runs out into the holder 9, in which the nuclear fuel rod 1 with the help of the pin 10 is connected. The upper part of the holder 9 is for reasons of thermal insulation designed as a thin neck and provided with radiation shield plates 9 a. The nuclear fuel has two zones, namely the attachment zone 1 a made of depleted material and zone 16 of enriched material.

Der Spielraum 8 zwischen Kernbrennstoffstab und Hülle mißt radial an jeder Seite etwa 1 mm, während die Spaltbreite des Verdampfungsraumes 5 zwischen 0,1 und 0,25 mm liegt. Die wirksame Länge der Hülle der Emitterelektrode beträgt 28 mm, der Hüllendurchmesser 10 mm. Die wirksame Länge der Emitter- bzw. Kollektorelektrode ist bestimmt durch die Länge der angereicherten Stabzone 1 b. Im Bereich der Zone 1 a ist die Hülle 2 in der Wandstärke aus Gründen der Wärmedämmung verdünnt. Am Fingerhutende besitzt sie ein Loch, das das Auspumpen der Luft aus dem Spielraum 8 gestattet.The clearance 8 between the nuclear fuel rod and the cladding measures radially on each side about 1 mm, while the gap width of the evaporation space 5 between 0.1 and 0.25 mm. The effective length of the shell of the emitter electrode is 28 mm, the shell diameter 10 mm. The effective length of the emitter or collector electrode is determined by the length of the enriched bar zone 1 b. In the area of the zone 1 a, the shell 2 is thinned in wall thickness for reasons of thermal insulation. At the Thimble she owns a hole that allows air to be pumped out of the game room 8 permitted.

Als Werkstoffe für die Bestandteile des Konverters sind vorzusehen: Niobium für die Teile 3a, 3 b, 6, 9 und 10, Molybdän für die Hülle 2, A1203 für den Isolierring 4. Als Hüllenmaterial kommen auch andere Kathodenstoffe wie W, Ta, Nb, Re, Ir usw.in Frage.The following materials are to be used for the components of the converter: Niobium for parts 3a, 3b, 6, 9 and 10, molybdenum for shell 2, A1203 for the insulating ring 4. Other cathode materials such as W, Ta, Nb, Re, Ir etc in question.

Die Leistungsdichte an der Hüllenoberfläche liegt bei etwa 10 bis 20 A/cm-, die Klemmenspannung bei etwa 0,5 bis 1 V (vgl. die Klemmen 11, 12). Die Außentemperatur des Konvertergefäßes (und damit der Kollektorelektrode) wird durch besondere Kühlung, z. B. durch ein strömendes Medium, auf etwa 400° C gehalten. Die Betriebstemperatur der Hülle (also der Emitterelektrode) liegt bei etwa 1800° C, die des Kernbrennstoffstabes bei etwa 2000° C, die der Stiftverbindung bei etwa 1500° C. Die Temperatur des Cäsiumreservoirs wird auf etwa 300° C gehalten.The power density on the envelope surface is around 10 to 20 A / cm-, the terminal voltage at around 0.5 to 1 V (see terminals 11, 12). the The outside temperature of the converter vessel (and thus the collector electrode) is increased by special cooling, e.g. B. held at about 400 ° C by a flowing medium. The operating temperature of the shell (i.e. the emitter electrode) is around 1800 ° C, that of the nuclear fuel rod at about 2000 ° C, that of the pin connection at about 1500 ° C. The temperature of the cesium reservoir is maintained at around 300 ° C.

Claims

Claims: 1. Incandescent emission converter working with cesium vapor filling for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, consisting of from an emitter electrode and one surrounding this electrode with a narrow gap Collector electrode, in which converter the emitter electrode is used as a heat source serving ceramic or metal-ceramic nuclear fuel body surrounds as a shell, characterized in that the nuclear fuel body is dimensioned so that the envelope and fuel bodies are largely separated by a peripheral clearance.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the nuclear fuel body designed as a rod held on one side and the cover as a thimble tube with a lid is, the lid is used to hold the rod.

3. Converter according to claim 2, characterized characterized in that the cover for holding the nuclear fuel rod has an approach (z. B. neck or neck), the cross-section of which depends on the desired Thermal insulation compared to the lid cross-sectional area is reduced.

4. Converter to Claim 2, characterized in that the nuclear fuel rod on the cover by a Pen is held.

5. Converter according to claim 1, characterized in that the Nuclear fuel body as a free body and the shell as a closed container is formed, wherein the body is loosely supported at several points on the shell is inserted into the case.

6. Converter according to claim 2, characterized in that that the nuclear fuel in the area of the fortification zone is made of depleted material exists, the beginning of this zone is the end of the effective areas of the emitter or Determined collector electrodes and measures at the area of the fastening zone Sheath to insulate the heat flow into the fastening are made.