RU2102813C1 - Multielement electric generating channel - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: electric generating channel has series-connected electric generating elements with internal position of fuel enclosed in airtight casing, commutation adapters which connect emitters with collectors of adjacent electric generating elements. Channels connecting the cavities of interelectrode gap and heat-liberating element are provided inside commutation adapter. Metal-ceramic assembly is positioned between adjacent collectors. One of cups of assembly is connected to collector and the other, to commutation adapter. The latter has auxiliary channel which interconnects collector channels. Electric generating channel has electric insulation on internal and external surfaces of airtight casing, end-face repellers of neutrons, and metal-ceramic assembly positioned at one end of electric generating channel. Insulator of metal-ceramic assembly located at the end of electric generating channel and end-face repeller are coupled to each other so that their conjugated surfaces are positioned inside end-face repeller and are coupled to each other tightly. Holes arranged coaxially form passage for cesium vapors. EFFECT: higher reliability and serviceability. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а более конкретно, к конструкции электрогенерирующего канала (ЭГК) термоэмиссионного реактора-преобразователя. The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, and more specifically, to the design of an electric generating channel (EGC) of a thermionic converter reactor.

Конструкция ЭГК отличается: геометрической конфигурацией, применением тех или иных материалов в качестве катода или анода, использованием конструктивных узлов, величинами межэлектродных зазоров, наличием или отсутствием эмиттерной изоляции, работой коллекторной изоляции в парах или вне паров цезия, способом подвода и отвода и т.д. Конструктивные схемы ЭГК, а также соответствующий выбор материалов для его изготовления во многом определяется тем типом реактора, в котором они будут использованы. В соответствии с этим в данном изобретении рассматривается многоэлементный ЭГК с цилиндрическими эмиттерами и с внутренним расположением ядерного топлива, электрогенерирующие элементы скоммутированы в последовательные цепи. EGC design differs in: geometric configuration, the use of certain materials as a cathode or anode, the use of structural units, the values of interelectrode gaps, the presence or absence of emitter insulation, the work of collector insulation in or outside cesium vapor, the method of supply and removal, etc. . The design schemes of EGCs, as well as the corresponding choice of materials for its manufacture, are largely determined by the type of reactor in which they will be used. In accordance with this, the present invention considers a multi-element EGC with cylindrical emitters and with an internal arrangement of nuclear fuel, the power generating elements are connected in series.

Известен электрогенерирующий канал, состоящий из последовательно соединенных цилиндрических электрогенерирующих элементов, в которых расположенные вдоль оси эмиттеры соединены с коллекторами соседних элементов, а эмиттеры изолированы друг от друга. Токосъем осуществляется с катода одного и анода другого, крайнего элемента сборки. Эмиттерные узлы включают в себя цилиндрические сердечники из высокотемпературного ядерного горючего, помещенные в оболочку из конструкционного материала, являющуюся одновременно и эмиттером. Коллекторный узел, работающий при 325-1025^oC представляет собой набор металлических трубок, отделенных друг от друга изоляторами и расположенных каоксиально с эмиттерами через зазор, заполненный парами цезия. Во избежание замыкания коллекторов через теплоноситель на их наружную поверхность наносится тонкий слой электроизоляции. Весь канал помещен в металлическую оболочку, непосредственно контактирующую с теплоносителем [1]
Такая конструкция, состоящая из нескольких элементарных анодов, катодов и изоляторов, недолговечна, хрупка и требует осторожного обращения, особенно при сборке.Known electricity generating channel, consisting of series-connected cylindrical electricity generating elements, in which emitters located along the axis are connected to collectors of adjacent elements, and the emitters are isolated from each other. Current collection is carried out from the cathode of one and the anode of the other, the extreme element of the assembly. Emitter assemblies include cylindrical cores of high-temperature nuclear fuel placed in a shell of structural material, which is also an emitter. The collector assembly, operating at 325-1025 ^o C, is a set of metal tubes separated from each other by insulators and located coaxially with emitters through a gap filled with cesium vapor. To avoid shorting the collectors through the coolant, a thin layer of electrical insulation is applied to their outer surface. The entire channel is placed in a metal shell directly in contact with the coolant [1]
This design, consisting of several elementary anodes, cathodes and insulators, is short-lived, fragile and requires careful handling, especially during assembly.

Известен многоэлементный электрогенерирующий канал, в котором электрогенерирующие элементы соединены последовательно, состоят из трубчатых концентрично расположенных эмиттеров и коллекторов, разделенных между собой цезиевым межэлектродным зазором. Электрогенерирующие элементы отделены друг от друга герметичными уплотнениями, которые обеспечивают их механическое и электрическое разделение. Внутри эмиттера помещено ядерное топливо, которое имеет внутреннюю полость для выхода газообразных продуктов деления (ГПД). Межэлектродный зазор, заполненный парами цезия, определяет расстояние между эмиттером и коллектором. Этот зазор снабжен вакуумплотным металлокерамическим узлом. Эмиттер зафиксирован как в осевом, так и в радиальном направлениях. Для поддержания в межэлектродном зазоре всех электрогенерирующих элементов постоянного и одинакового давления паров цезия выполнены сообщающиеся между собой каналы [2]
К недостаткам данной конструкции можно отнести: распухание топлива, приводящее к закорачиванию ЭГК, вероятность пробоя межэлементной изоляции в парах цезия.A multi-element power generating channel is known, in which the power generating elements are connected in series, consist of tubular concentrically arranged emitters and collectors separated by a cesium interelectrode gap. The power generating elements are separated from each other by hermetic seals, which ensure their mechanical and electrical separation. Nuclear fuel is placed inside the emitter, which has an internal cavity for the release of gaseous fission products (GPA). The interelectrode gap filled with cesium vapor determines the distance between the emitter and the collector. This gap is equipped with a vacuum tight ceramic-metal assembly. The emitter is fixed both axially and radially. In order to maintain a constant and equal pressure of cesium vapor in the interelectrode gap of all the power generating elements, channels interconnected with each other are made [2]
The disadvantages of this design include: swelling of the fuel, leading to the shortening of the EGC, the probability of breakdown of interelement insulation in cesium vapor.

Известен также многоэлементный электрогенерирующий канал, содержащий последовательно соединенные электрогенерирующие элементы с внутренним расположением тепловыделяющих элементов, заключенные в герметичную оболочку. Also known is a multi-element power generating channel containing serially connected power generating elements with an internal arrangement of fuel elements enclosed in a sealed enclosure.

Конструкция электрогенерирующего элемента типична и состоит из цилиндрического эмиттера с ядерным топливом внутри и цилиндрического коллектора. В зазоре под низким давлением находятся пары цезия. В качестве материала эмиттера применяют W, Re, Ni. Коллектор изготавливают из молибдена, тантала, циркония. Каждый элемент электрически изолирован от смежного элемента с помощью коммутационного переходника, выполненного из Al₂O₃ или высокочистых BeO, ThO, Y₂O₃. На концах канала установлены торцевые отражатели и металлокерамический узел ввода паров цезия и выхода газообразных продуктов деления [3]
Недостатком данного ЭГК является его пониженная надежность с точки зрения стабильности выходных энергетических характеристик, за счет того, что выходящие из тепловыделяющего элемента топливо или отдельные компоненты сложных топливных композиций, а также некоторые продукты деления, попадая в МЭЗ, могут оказывать существенное влияние на поверхностные свойства электродов, например, работу выхода, степень черноты, а также образовывать на коллекторе слой с повышенным электрическим сопротивлением.The design of the power generating element is typical and consists of a cylindrical emitter with nuclear fuel inside and a cylindrical collector. In the gap under low pressure there are cesium vapors. As the material of the emitter used W, Re, Ni. The collector is made of molybdenum, tantalum, zirconium. Each element is electrically isolated from the adjacent element using a switching adapter made of Al ₂ O ₃ or high-purity BeO, ThO, Y ₂ O ₃ . At the ends of the channel, end reflectors and a cermet unit for the introduction of cesium vapor and the exit of gaseous fission products are installed [3]
The disadvantage of this EGC is its reduced reliability from the point of view of stability of the output energy characteristics, due to the fact that the fuel leaving the fuel element or individual components of complex fuel compositions, as well as some fission products entering the MEZ, can significantly affect the surface properties of the electrodes for example, the work function, the degree of blackness, and also form a layer with high electrical resistance on the collector.

Задачей авторов является создание ЭГК повышенной надежности и работоспособности без увеличения его габаритных размеров. Для этого авторами предложена конструкция многоэлементного электрогенерирующего канала. The authors' task is to create an EGC of increased reliability and performance without increasing its overall dimensions. For this, the authors proposed the construction of a multi-element power generating channel.

Канал содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы (ЭГЕ) с внутренним расположением топлива, заключенные в герметичную оболочку, коммутационные переходники, соединяющие эмиттеры с коллекторами соседних электрогенерирующих элементов, электрическую изоляцию на внутренней и внешней поверхности герметичной оболочки, торцевые отражатели нейтронов, и расположенный, по крайней мере, с одного конца ЭГК металлокерамический узел (МКУ) ввода паров цезия. Отличием в конструкции является то, что внутри коммутационных переходников и связанных с ним коллекторов электрогенерирующих элементов выполнены каналы, соединяющие полости межэлектродного зазора и тепловыделяющего элемента, а между соседними коллекторами установлен металлокерамический узел, одна из манжет которого соединена с коллектором, а другая с коммутационным переходником, в последнем выполнен дополнительный канал, соединяющий каналы в коллекторах, при этом изолятор металлокерамического узла, расположенный в конце ЭГК, и торцевой отражатель сопряжены друг с другом так, что их сопрягаемые поверхности расположены внутри торцевого отражателя и плотно соединены между собой, а расположенные соосно отверстия образуют проход для паров цезия. Металлокерамические узлы, расположенные между соседними коллекторами, выполнены в виде каксиальных гермовводов. Изолятор металлокерамического узла и отражатели нейтронов выполнены из Al₂O₃ и/или BeO.The channel contains a series-connected power generating elements (EGE) with an internal fuel arrangement, enclosed in a sealed enclosure, switching adapters connecting emitters to collectors of adjacent power generating elements, electrical insulation on the inner and outer surfaces of the sealed enclosure, end neutron reflectors, and located at least , from one end of the EGC a ceramic-metal assembly (MCU) of cesium vapor input. The difference in the design is that inside the switching adapters and collectors of electric generating elements associated with it, channels are made connecting the cavities of the interelectrode gap and the fuel element, and a ceramic-metal assembly is installed between neighboring collectors, one of the cuffs of which is connected to the collector, and the other to the switching adapter, in the latter, an additional channel is made connecting the channels in the collectors, while the insulator of the ceramic-metal assembly located at the end of the EGC and Eve reflector conjugate with each other so that their mating surfaces are arranged inside the reflector and the socket are tightly interconnected, and arranged coaxially to the holes form a passage for the cesium vapor. Ceramic-metal assemblies located between adjacent collectors are made in the form of axial pressure glands. The insulator of the ceramic-metal assembly and neutron reflectors are made of Al ₂ O ₃ and / or BeO.

Выполнение каналов, соединяющих полости МЭЗ и твэла, внутри коммутационных переходников и коллекторов способствует повышению надежности ЭГК по параметру стабильности выходных энергетических характеристик за счет ограничения выноса в МЭЗ из полости твэл топлива и других компонентов, существенно влияющих на поверхностные свойства электродов. Введение МКУ, установленного между соседними коллекторами, одна из манжет которого соединена с коллектором, а другая с коммутационным переходником, в котором выполнен дополнительный канал, соединяющий тракты в коллекторах, также способствует ограничению выноса в МЭЗ из полости твэл топливных компонентов и продуктов давления, имеющих значительное давление насыщенных паров при температуре коллектора 700^oC до уровня, не оказывающего существенного влияния на стабильность характеристик ЭГК. Единый тракт вывода продуктов деления, образованный в трактах коллектора, сообщается с полостью МЭЗ через концевые участки ЭГК, имеющие температуру значительно ниже, чем характерная температура коллектора (700^oC), что позволяет эффективно осаждать летучие топливные компоненты и продукты деления. Выполнение концевых частей изолятора МКУ и ближайшего отражателя сопряженными друг с другом таким образом, что их сопрягаемые поверхности плотно соединены между собой, а отверстия расположены соосно с образованием единого прохода для паров цезия повышает эксплуатационную надежность и работоспособность ЭГК за счет существенного увеличения цезиевого разрядного промежутка в изоляции МКУ ввода паров цезия без изменения габаритных размеров ЭГК.The implementation of the channels connecting the cavities of the MEZ and the fuel element inside the switching adapters and collectors increases the reliability of the EGC in terms of the stability parameter of the output energy characteristics by limiting the removal of fuel and other components from the cavity of the fuel rod to the MEZ that significantly affect the surface properties of the electrodes. The introduction of MCU installed between adjacent collectors, one of the cuffs of which is connected to the collector, and the other with a switching adapter, in which an additional channel is made connecting the paths in the collectors, also helps to limit the removal of fuel components and pressure products from the fuel cavity cavity that have significant saturated vapor pressure at a collector temperature of 700 ^o C to a level that does not significantly affect the stability of the characteristics of EGCs. A single output path of fission products formed in the collector paths communicates with the MEZ cavity through the end sections of the EHC, which have a temperature significantly lower than the characteristic collector temperature (700 ^o C), which allows the efficient deposition of volatile fuel components and fission products. The execution of the end parts of the insulator MCU and the nearest reflector mated with each other so that their mating surfaces are tightly interconnected, and the holes are aligned coaxially with the formation of a single passage for cesium vapor increases the operational reliability and efficiency of the EGC due to a significant increase in the cesium discharge gap in the insulation MCU input cesium vapor without changing the overall dimensions of the EGC.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и 2 начало и продолжение общего вида, на фиг.3 в более крупном масштабе разрез по концевой части ЭГК с показом металлокерамического уплотнения между соседними коллекторами с образованием единого тракта вывода ГПД, на фиг. 4 вариант выполнения изолятора МКУ и отражателя из одного керамического материала, на фиг.5 вариант выполнения изолятора и отражателя из разных керамических материалов. The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings, where in FIGS. 1 and 2 the beginning and continuation of the general view, in FIG. 3, on a larger scale, is a section along the end part of the EGC with a ceramic-metal seal between adjacent collectors with the formation of a single GPD output path, in FIG. 4 embodiment of the insulator MKU and the reflector of one ceramic material, figure 5 embodiment of the insulator and reflector of different ceramic materials.

Данный ЭГК представляет собой сборку с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами. Он состоит из трехслойного коллекторного пакета 1, два металлокерамических слоя которого (слой из коллекторов ЭГК 2 и охранный 3 электроизолированы друг от друга двумя керамическими слоями) слой изоляции 4 и слой изоляции 5 и нескольких, размещенных внутри коллекторного пакета с межэлектродным зазором эмиттеров 6 с заключенными внутри них тепловыделяющими элементами 7. Коммутационные переходники 8 соединяют эмиттеры с коллекторами соседних ЭГЭ. This EGC is an assembly with serially connected power generating elements. It consists of a three-layer collector package 1, two metal-ceramic layers of which (a layer of collectors EGK 2 and security 3 are insulated from each other by two ceramic layers) insulation layer 4 and insulation layer 5 and several, located inside the collector package with an interelectrode gap of emitters 6 with prisoners inside them are fuel elements 7. Switching adapters 8 connect the emitters to the collectors of neighboring EGEs.

Дистанционирование свободного конца эмиттеров 6 осуществляется дистанционаторами 9. По концам ЭГК расположены токовыводы 10, 11 с размещенными внутри них торцевыми отражателями и металлокерамические узлы 12, 13, 14, формирующие полость рабочего тела ЭГК. Через металлокерамический узел 13, соединяемый с общим или индивидуальным источником рабочего тела происходит напуск паров рабочего тела (цезия) в ЭГК. Внутри коммутационных переходников и коллекторов выполнены каналы А, Б вывода ГПД из полости тепловыделяющего элемента. Между соседними коллекторами установлены металлокерамические узлы 15, выполненные, например, в виде коаксиальных гермовводов. Одна из манжет МКУ 16 соединена с коллектором, а другая 17 с коммутационным переходником 8. В последнем выполнен дополнительный канал В, соединяющий тракты в коллекторах. С помощью металлокерамических узлов и каналов в коммутационных переходниках каналы Б в коллекторах образуют единый тракт, сообщающийся с полостью межэлектродного зазора на концевых участках ЭГК. Торцевой отражатель 18 в предлагаемом варианте сопряжен с металлокерамическим узлом 12, состоящим из изолятора в виде керамического стержня 19 со сквозным осевым отверстием и двух герметично соединенных с ним металлических манжет 20, 21 и выполнены, например, из одного керамического материала. Металлокерамические слои 2, 3 коллекторного пакета выполнены из ниобиевого сплава, керамические слои 4, 5 из окиси алюминия или окиси иттрия, эмиттеры 6 из вольфрама или его сплавов, твэл 7 из топливных композиций на основе урана. Коммутационые переходники 8 и токовыводы 10, 11 выполнены из ниобия или молибдена, дистанционаторы 9 из окиси скандия, изоляторы металлокерамических узлов из окиси алюминия, их манжеты из ниобия. Соединения в ЭГК выполнены электронно-лучевой сваркой или высокотемпературной пайкой. The free end of the emitters 6 is remote-controlled by remote controllers 9. At the ends of the EGC there are current leads 10, 11 with end reflectors placed inside them and ceramic-metal assemblies 12, 13, 14 forming the cavity of the working body of the EGC. Through the cermet unit 13, connected to a common or individual source of the working fluid, the vapor of the working fluid (cesium) is poured into the EGC. Inside the switching adapters and collectors, channels A, B of the GPA output from the cavity of the fuel element are made. Between adjacent collectors installed metal-ceramic nodes 15, made, for example, in the form of coaxial pressure glands. One of the cuffs of the MKU 16 is connected to the collector, and the other 17 to the switching adapter 8. The latter has an additional channel B connecting the paths in the collectors. Using metal-ceramic nodes and channels in the switching adapters, channels B in the collectors form a single path communicating with the interelectrode gap cavity at the end sections of the EGC. The end reflector 18 in the proposed embodiment is coupled to a ceramic-metal assembly 12, consisting of an insulator in the form of a ceramic rod 19 with a through axial hole and two metal cuffs 20, 21 hermetically connected to it and made, for example, of one ceramic material. Ceramic-metal layers 2, 3 of the collector bag are made of niobium alloy, ceramic layers 4, 5 of aluminum oxide or yttrium oxide, emitters 6 of tungsten or its alloys, fuel rods 7 of uranium-based fuel compositions. Switching adapters 8 and current leads 10, 11 are made of niobium or molybdenum, spacers 9 of scandium oxide, insulators of cermet assemblies of aluminum oxide, their cuffs of niobium. Connections in EGCs are made by electron beam welding or high-temperature soldering.

Работа ЭГК происходит следующим образом. В процессе ядерных реакций в тепловыделяющих элементах выделяется тепловая энергия, часть которой преобразуется в электрическую по известным законам термоэмиссии, а другая часть снимается с коллекторного пакета теплоносителем. Межэлектродный зазор ЭГК заполнен парами рабочего тела (цезия), поступающим через металлокерамический узел. В процессе работы летучие топливные компоненты и продукты деления выводятся из тепловыделяющих элементов через каналы А в коммутационных переходниках в единый тракт, образованный каналами в коллекторах Б, металлокерамическими узлами 15 и дополнительными каналами В в коммутационных переходниках. Единый тракт сообщается с полостью МЭЗ на концевых участках ЭГК. Так как названные участки имеют температуру более низкую, чем температура коллектора, они эффективно улавливают летучие компоненты топлива и продукты деления, которые не были осаждены в тракте при более высокой температуре. Ввод паров цезия во внутреннюю полость ЭГК из общего цезиевого коллектора реактора через сквозные осевые отверстия в изоляторе гермоввода и отражателе позволило существенно увеличить цезиевый разрядный промежуток в изоляции гермоввода ввода паров цезия и, как следствие, повысить его электрическую прочность без изменения габаритных размеров ЭГК. В результате этого существенно снижается вероятность возникновения в гермовводе электрических разрядов и повышается эксплуатационная надежность и работоспособность ЭГК. Были изготовлены и прошли испытания ЭГК подобной конструкции. Испытания продемонстрировали стабильность выходных характеристик ЭГК. The work of the EGC is as follows. During nuclear reactions, heat energy is released in the fuel elements, part of which is converted into electrical energy according to well-known laws of thermionic emission, and the other part is removed from the collector package by the heat carrier. The interelectrode gap of the EGC is filled with vapors of the working fluid (cesium) entering through the ceramic-metal assembly. In the process, volatile fuel components and fission products are removed from the fuel elements through channels A in the switching adapters into a single path formed by channels in the collectors B, ceramic-metal nodes 15 and additional channels B in the switching adapters. The single tract communicates with the cavity of the MEZ at the end sections of the EGC. Since these sites have a temperature lower than the temperature of the collector, they effectively capture volatile fuel components and fission products that were not deposited in the tract at a higher temperature. The introduction of cesium vapors into the internal cavity of the EGC from the common cesium collector of the reactor through axial holes in the pressure seal insulator and the reflector made it possible to significantly increase the cesium discharge gap in the insulation of the gas inlet of the cesium vapor input and, as a result, increase its electric strength without changing the overall dimensions of the EGC. As a result of this, the probability of occurrence of electric discharges in the pressure lead is significantly reduced and the operational reliability and performance of the EGC are increased. EGCs of a similar design were manufactured and tested. Tests have demonstrated the stability of the output characteristics of EGCs.

Claims (3)

1. Многоэлементный электрогенерирующий канал, содержащий последовательно соединенные электрогенерирующие элементы с внутренним расположением тепловыделяющих элементов, заключенные в герметическую оболочку, коммутационные переходники, соединяющие эмиттеры с коллекторами соседних электрогенерирующих элементов, электрическую изоляцию на внутренней и внешней поверхности герметичной оболочки, торцевые отражатели нейтронов, и расположенный по крайней мере с одного конца электрогенерирующего канала металлокерамический узел ввода паров цезия, отличающийся тем, что внутри коммутационных переходников и связанных с ними коллекторов электрогенерирующих элементов выполнены каналы, соединяющие полости межэлектродного зазора и тепловыделяющего элемента, а между соседними коллекторами установлен металлокерамический узел, одна из манжет которого соединена с коллектором, а другая с коммутационным переходником, в последнем выполнен дополнительный канал, соединяющий каналы в коллекторах, при этом изолятор металлокерамического узла, расположенный в конце электрогенерирующего канала, и торцевой отражатель сопряжены друг с другом так, что их сопрягаемые поверхности расположены внутри торцевого отражателя и плотно соединены между собой, а расположенные соосно отверстия образуют проход для паров цезия. 1. A multi-element power generating channel containing serially connected power generating elements with an internal arrangement of fuel elements enclosed in a hermetic shell, switching adapters connecting emitters to collectors of adjacent power generating elements, electrical insulation on the inner and outer surfaces of the hermetic shell, end neutron reflectors, and located along from at least one end of the electricity generating channel, the ceramic-metal input unit cesium, characterized in that inside the switching adapters and collectors of electric generating elements associated with them, channels are made connecting the cavities of the interelectrode gap and the fuel element, and a ceramic-metal assembly is installed between adjacent collectors, one of the cuffs of which is connected to the collector, and the other to the switching adapter, in the latter, an additional channel is made connecting the channels in the collectors, while the insulator of the ceramic-metal assembly located at the end of the electric power generation inbound channel, and an end reflector are conjugate with each other so that their mating surfaces are arranged inside the reflector and the socket are tightly interconnected, and arranged coaxially to the holes form a passage for the cesium vapor. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что металлокерамические узлы, расположенные между соседними коллекторами, выполнены в виде коаксиальных гермовводов. 2. The channel according to claim 1, characterized in that the ceramic-metal nodes located between adjacent collectors are made in the form of coaxial pressure glands. 3. Канал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что изолятор металлокерамического узла и отражатели нейтронов выполнены из Al₂O₃ и/или BeO.3. The channel according to claims 1 and 2, characterized in that the insulator of the ceramic-metal assembly and neutron reflectors are made of Al ₂ O ₃ and / or BeO.

Images