[go: up one dir, main page]

RU2151441C1 - Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах - Google Patents

Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах Download PDF

Info

Publication number
RU2151441C1
RU2151441C1 RU98107010A RU98107010A RU2151441C1 RU 2151441 C1 RU2151441 C1 RU 2151441C1 RU 98107010 A RU98107010 A RU 98107010A RU 98107010 A RU98107010 A RU 98107010A RU 2151441 C1 RU2151441 C1 RU 2151441C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
trp
absorbers
resonant
thermionic
fast
Prior art date
Application number
RU98107010A
Other languages
English (en)
Other versions
RU98107010A (ru
Inventor
В.А. Корнилов
В.В. Синявский
В.Д. Юдицкий
А.К. Альмамбетов
М.К. Овчаренко
Original Assignee
Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" filed Critical Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU98107010A priority Critical patent/RU2151441C1/ru
Publication of RU98107010A publication Critical patent/RU98107010A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2151441C1 publication Critical patent/RU2151441C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических энергоустановок. Сущность изобретения: в активной зоне, набранной из термоэмиссионных сборок, наружные корпуса сборок выполнены из материала, содержащего резонансные поглотители тепловых нейтронов, или на корпус нанесено покрытие, содержащее резонансные поглотители тепловых нейтронов. В качестве материалов корпуса или покрытий, содержащих резонансные поглотители тепловых нейтронов, выбраны редкоземельные элементы: европий, гафний, гадолиний или их сплавы с конструкционными материалами. Изобретение позволяет сохранить высокие характеристики при обеспечении ядерной безопасности ЯЭУ. 2 ил.

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании преимущественно космических ядерно-энергетических установок.
Термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) может быть на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах. ТРП на тепловых (и промежуточных) нейтронах имеет более низкие удельные характеристики, чем ТРП на быстрых нейтронах в силу ряда свойств, присущих этим реакторам. В частности, для ТРП на быстрых нейтронах характерна более высокая температура эмиттера и коллектора, отсутствует замедлитель в активной зоне, что позволяет создать ЯЗУ с меньшими массогабаритными характеристиками и более высокими ресурсами показателями. Особенно заметны преимущества ЯЗУ м ТРП на быстрых нейтронах на мощности от 100 кВт до мегаваттного уровня [1, 2, 3].
Конструкция ТРП должна обеспечивать подкритическое состояние реактора при авариях в процессе вывода космического аппарата на рабочую орбиту, приводящих к попаданию ЯЭУ в воду. Для ТРП на быстрых нейтронах в значительной степени актуально обеспечение подкритичности реактора при окружении и попадании во внутренние полости водородосодержащих сред.
Известен ТРП на быстрых нейтронах для космической ЯЭУ большой мощности [2] . Он содержит активную зону, набранную из гидравлически независимых электрогенерирующих пакетов (ЭГП), состоящих из корпуса, внутри которого размещены термоэмиссионные электрогенерирующие сборки (ЭГС), называемые также электрогенерирующими каналами (ЭГК). Каждый ЭГП в ТРП имеет независимую систему охлаждения в виде автономного литиевого контура. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов.
Однако в таком ТРП не обеспечивается ядерная безопасность при гипотетической аварии при выведении в космос, когда ТРП в результате аварии попадает в водородосодержащую среду (воду или водородное топливо), в результате чего может произойти нарушение контроля над цепной ядерной реакцией деления топлива.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТРП на быстрых нейтронах космической ЯЭУ для пилотируемой экспедиции на Марс, описанный в [4]. Он содержит активную зону (АЗ), набранную из термоэмиссионных ЭГС и конструкционных элементов, содержащих резонансные поглотители тепловых нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок. Термоэмиссионные ЭГК обеспечивают требуемое значение электрической мощности. ЭГК могут быть размещены внутри корпуса ЭГП. ЭГК состоят из топливно-эмиттерных узлов (ТЭУ) и коллекторного пакета, содержащего коллектор, коллекторную изоляцию из оксида алюминия и корпус из ниобиевого сплава. В боковом отражателе ТРП размещены органы управления в виде поворотных барабанов. Для компенсации эффектов реактивности при попадании ТРП в воду в АЗ быстрого реактора введены так называемые резонансные поглотители, имеющие наибольшие значения сечений поглощения нейтронов в тепловой области. В качестве резонансных поглотителей наиболее целесообразно использовать редкоземельные элементы и прежде всего такие, как европий, гафний, гадолиний.
Такой ТРП с компактной активной зоной может иметь относительно невысокую массу и проектироваться на электрическую мощность от 100 - 150 кВт до нескольких мегаватт. С оптимальным размещением резонансных поглотителей в элементах конструкции АЗ ТРП можно обеспечить исключение неконтактируемой самоподдерживающейся цепной реакции деления в аварийных ситуациях, связанных с падением ТРП в воду с затоплением или попаданием водородосодержащей среды во внутренние полости реактора (например, водородное топливо ракеты-носителя).
Наиболее рационально размещение резонансных поглотителей в элементах конструкции ЭГС.
Однако введение резонансного поглотителя в топливный материал ТЭУ приведет к уменьшению плотности по U235. Для восстановления необходимой критмассы потребуется введение в АЗ дополнительно топливного материала, что может привести:
1) к увеличению объема АЗ, а следовательно, и массогабаритных характеристик ТРП и всей ЯЭУ;
2) к уменьшению свободной газовой полости внутри топливного сердечника, что отрицательно скажется на ресурсных характеристиках ТРП.
Введение резонансного поглотителя (например, оксида гафния) в состав изоляционного слоя (например, оксида алюминия) коллекторного пакета требует перестройки двух существующих достаточно сложных технологий изготовления коллекторного пакета (на основе монокристаллической и газостатической технологий), что следует считать проблематичным.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является сохранение прочностных характеристик несущего корпуса ЭГС, минимальных размеров АЗ, ядерно-физических характеристик ТРП, заданных ресурсных характеристик ТРП, массогабаритных характеристик ТРП и ЯЭУ в целом при обеспечении ядерной безопасности ЯЭУ.
Указанный технический результат достигается в термоэмиссионном реакторе-преобразователе на быстрых нейтронах, содержащем активную зону, состоящую из электрогенерирующих сборок с несущими корпусами, резонансные поглотители нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок, в котором резонансные поглотители нейтронов расположены в виде покрытия на несущих корпусах электрогенерирующих сборок или несущий корпус и резонансные поглотители выполнены в виде сплавов на основе материалов корпуса и резонансных поглотителей.
На фиг. 1 и 2 приведена схема ТРП на быстрых нейтронах.
ТРП содержит АЗ 1 и отражатель 2, между которыми может быть размещен герметичный корпус 3. АЗ 1 набрана из ЭГС 4, на наружные корпуса 5 которых нанесено покрытие 6 резонансного поглотителя нейтронов, например гафния, европия, гадолиния. Снаружи корпуса 5 ЭГС охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя осуществляется через патрубок 7, а отвод - через патрубок 8. В отражателе размещены органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 9 с поглощающими нейтроны накладками 10. Корпус 5 может быть выполнен из сплава ниобия или в виде сплава на основе ниобия с материалом резонансного поглотителя.
ТРП на быстрых нейтронах работает следующим образом.
В исходном состоянии поворотные цилиндры 9 находятся в положении поглощающими накладками 10 к АЗ 1. Поэтому ТРП не критичен и в таком состоянии в составе ЯЭУ он выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 9 таким образом, что накладки 10 отходят от АЗ 1. При достижении критичности АЗ 1 ТРП начинается реакция деления топливного материала 11, в сердечниках ЭГС 4 выделяется тепло. Резонансные поглотители, размещенные в корпусе ЭГС, практически прозрачны для быстрых нейтронов и не влияют на критические параметры ТРП при штатном запуске. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры 12 ЭГС 4 подается рабочее тело (пар цезия). Тепло из топливного материала 11 передается на эмиттер 13, часть которого в межэлектродном зазоре 12 преобразуется в электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 14. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла попадает на коллектор 15 и далее через коллекторную изоляцию 16 и корпус 5 ЭГС 4 отводится из ТРП системой теплоотвода и затем сбрасывается в космос излучением в холодильнике-излучателе (не показано).
В случае аварии ракеты-носителя или разгонного блока возможны попадание ТРП в воду или водородное топливо и проникновение являющимися замедлителями веществ в активную зону 1 и заполнение всех пустот водородосодержащим веществом. В этом случае имеет место проявление так называемого "водородного" эффекта реактивности. Этот эффект по своей сути есть увеличение эффективного коэффициента размножения Кэф вследствие смягчения спектра нейтронов в реакторе. Однако, благодаря размещению резонансных поглотителей в корпусе ЭГС, обеспечивается исключение неконтролируемой самоподдерживающейся цепной реакции деления.
Таким образом размещение резонансных поглотителей тепловых нейтронов в корпусе ЭГС позволяет использовать "принцип самозащищенности" ЯЭУ, т.е. обеспечить ядерную безопасность установки на основе естественных обратных связей и процессов, при этом сохраняя массогабаритные и ресурсные характеристики ТРП и ЯЭУ в целом. Тем самым обеспечивается ядерная безопасность во всех ситуациях, включая гипотетические аварии при подготовке к пуску и при выведении космического аппарата с ЯЭУ на орбиту, связанных как с падением ТРП в воду с затоплением или попаданием водородосодержащей среды во внутренние полости реактора.
Замена материала корпуса ЭГС на сплав резонансным поглотителем или осуществление нанесения соответствующего покрытия на корпус несложно и не потребует перестройки существующих технологий изготовления ЭГС. Так, сплавы гафния с ниобием освоены промышленностью и являются перспективными конструкционными материалами для использования при высоких температурах [5].
Источники информации
1. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса /Агеев В. П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. - В сб.: РКТ//Под ред. И.Г. Пульхровой/ ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С.25-33.
2. Gietzen A. J. et all. 25 kWe Thermionic Power System for Space Base Application. "IEEE Conf. Rec./Thermionic Conversion Specialist 9th Annuai Conf., Miami Beach, Fla, 1970" N.Y. 1970, 145 - 150.
3. Концепция обеспечения ядерной безопасности при использовании энергодвигательной установки с ЯЭУ для пилотируемой экспедиции на Марс/Волнистов В. В. , Демин В.П., Липовый Н.М. и др. - В сб: Ракетно-космические двигатели и энергетические установки //Под ред. А.А. Гафарова/ НИИТП. 1993. Вып. 3(141). С.153-161.
4. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи на быстрых нейтронах мощных космических ЯЭУ с литий-ниобиевой системой охлаждения для марсианского экспедиционного комплекса/Альмамбетов А.К., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. - В сб.: РКТ//Под ред. И.Г.Пульхровой/ЦНТИ "Поиск" - НИИТП. 1992. Вып. 1(134). С.34-38.
5. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник под ред. А.Т.Туманова и К.И.Портного. -М.: Машиностроение. 1967. С.354.

Claims (1)

  1. Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах, содержащий активную зону, состоящую из электрогенерирующих сборок с несущими корпусами, резонансные поглотители нейтронов, отражатель с органами управления реактором и систему охлаждения наружных корпусов электрогенерирующих сборок, отличающийся тем, что резонансные поглотители нейтронов расположены в виде покрытия на несущих корпусах электрогенерирующих сборок, или резонансные поглотители размещены в несущих корпусах, выполненных в виде сплава на основе материалов корпуса и резонансных поглотителей.
RU98107010A 1998-04-13 1998-04-13 Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах RU2151441C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98107010A RU2151441C1 (ru) 1998-04-13 1998-04-13 Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98107010A RU2151441C1 (ru) 1998-04-13 1998-04-13 Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98107010A RU98107010A (ru) 2000-02-20
RU2151441C1 true RU2151441C1 (ru) 2000-06-20

Family

ID=20204758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98107010A RU2151441C1 (ru) 1998-04-13 1998-04-13 Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2151441C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2583891C1 (ru) * 2014-12-30 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Способ определения внутренних параметров и выходных характеристик цилиндрического термоэмиссионного преобразователя
RU2595261C2 (ru) * 2014-11-27 2016-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя (варианты)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3863081A (en) * 1964-07-21 1975-01-28 Teledyne Inc Series-connected thermionic energy converters
WO1993003494A1 (en) * 1991-07-31 1993-02-18 Leif Holmlid Collector for thermionic energy converter
RU2074452C1 (ru) * 1994-08-09 1997-02-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2076385C1 (ru) * 1994-10-11 1997-03-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2084043C1 (ru) * 1995-02-09 1997-07-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2084044C1 (ru) * 1995-02-09 1997-07-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3863081A (en) * 1964-07-21 1975-01-28 Teledyne Inc Series-connected thermionic energy converters
WO1993003494A1 (en) * 1991-07-31 1993-02-18 Leif Holmlid Collector for thermionic energy converter
RU2074452C1 (ru) * 1994-08-09 1997-02-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2076385C1 (ru) * 1994-10-11 1997-03-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2084043C1 (ru) * 1995-02-09 1997-07-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2084044C1 (ru) * 1995-02-09 1997-07-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Термоэмиссионный реактор-преобразователь

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АЛЬМАМБЕТОВ А.К. и др. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи на быстрых нейтронах мощных космических ЯЗУ с литий-ниобиевой системой охлаждения для марсианского экспедиционного комплекса. Ракетно-космическая техника. /Под ред. И.Г.Пульхровой. ЦНТИ "Поиск" - НИИТП, выпуск 1 (134), 1992, с. 34 - 38. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2595261C2 (ru) * 2014-11-27 2016-08-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Электрогенерирующая сборка термоэмиссионного реактора-преобразователя (варианты)
RU2583891C1 (ru) * 2014-12-30 2016-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Способ определения внутренних параметров и выходных характеристик цилиндрического термоэмиссионного преобразователя

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun et al. Conceptual design and analysis of a multipurpose micro nuclear reactor power source
CN106683720A (zh) 一种管壳式铅基合金冷却反应堆
Lee et al. A neutronic feasibility study on a small LEU fueled reactor for space applications
CN109859861A (zh) 一种基于碳纳米管的无冷却剂超小紧凑型空间反应堆堆芯
Mei et al. Conceptual design for a 5 kWe space nuclear reactor power system
Booth et al. Prospects of generating power with laser-driven fusion
Johnson et al. Design, ground test and flight test of SNAP 10A, first reactor in space
Poston et al. Design of a heatpipe-cooled Mars-surface fission reactor
RU2151441C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах
El‐Genk et al. Start‐up simulation of a thermionic space nuclear reactor system
RU2165656C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
King et al. A methodology for the neutronics design of space nuclear reactors
CN117153433B (zh) 一种基于控制环与反射层双重保护的空间反应堆控制方法
Fan et al. Design of a prismatic CERMET megawatt gas-cooled reactor (PC-MGCR) for deep space exploration
RU2076385C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2074452C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2173488C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах
Borowski Nuclear propulsion: A vital technology for the exploration of Mars and the planets beyond
RU2173492C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
Rhee et al. Space‐R thermionic space nuclear power system with single cell incore thermionic fuel elements
RU2086036C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2084043C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
RU2138096C1 (ru) Термоэмиссионный реактор-преобразователь
Şahin et al. Hybrid thermionic space reactors for power and propulsion
Carre et al. Status of the CNES-CEA joint program on space nuclear Brayton systems