Результат интеллектуальной деятельности: АКТИВНАЯ ЗОНА ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к атомной энергетике с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую и может быть применено при создании активной зоны термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки, содержащая электрогенерирующие каналы, объединенные в шестигранные пучки (Космическая техника и технологии, №3/2013, В.В. Синявский. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес», с. 33).

В известной активной зоне шестигранные пучки электрогенерирующих каналов установлены в шестигранные чехлы, при этом соседние чехлы примыкают друг к другу смежными гранями.

Недостатком известной активной зоны является ухудшенный теплосъем, связанный с локальной неравномерностью расхода теплоносителя из-за неравенства площадей каналов для прохода теплоносителя по всему сечению активной зоны. Кроме этого, недостатком является увеличенное паразитное поглощение нейтронов, связанное со значительным количеством конструкционного материала шестигранных чехлов, приводящее к увеличению массы загружаемого топлива.

Задачей настоящего изобретения является создание активной зоны термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки, обеспечивающей надежное охлаждение электрогенерирующих каналов и уменьшение массы загружаемого топлива.

Техническим результатом настоящего изобретения является исключение локальной неравномерности расхода теплоносителя, проходящего через активную зону, и выравнивание ее гидравлического профиля путем обеспечения постоянства площадей каналов для прохода теплоносителя по всему сечению активной зоны, а также повышение эффективного коэффициента размножения нейтронов за счет уменьшения паразитного поглощения нейтронов путем снижения количества конструкционного материала в активной зоне.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной активной зоне термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки, содержащей электрогенерирующие каналы, объединенные в шестигранные пучки, согласно заявленному изобретению шестигранные пучки электрогенерирующих каналов установлены с относительным смещением, при этом величина относительного смещения определена по формуле:

где L - величина относительного смещения, мм;

S₁ - шаг установки пучка электрогенерирующих каналов по правильной треугольной решетке, мм;

S₂ - шаг установки электрогенерирующего канала в пучке, мм;

n - количество рядов электрогенерирующих каналов в пучке, включая центральный,

а угол направления относительного смещения определен по формуле:

,

где α - угол направления относительного смещения, град;

S₁ - шаг установки пучка по правильной треугольной решетке, мм;

S₂ - шаг установки электрогенерирующих каналов в пучке, мм;

n - количество рядов электрогенерирующих каналов в пучке, включая центральный.

Исключение чехлов, в которых установлены шестигранные пучки электрогенерирующих каналов, а также размещение шестигранных пучков электрогенерирующих каналов в активной зоне согласно рассчитанным по приведенным формулам смещениям позволяет получить зеркально-симметричную активную зону. При этом смещение одного шестигранного пучка относительно другого на определенные угол и шаг обеспечивает постоянство площадей каналов для прохода теплоносителя по всему сечению активной зоны. В результате такой компоновки создается активная зона, в которой межпучковой зазор для прохода теплоносителя между соседними пучками соответствует межканальному зазору между электрогенерирующими каналами. Таким образом, по всему сечению активной зоны образуются одинаковые ячейки для прохода теплоносителя, что позволяет снизить локальную неравномерность расхода и выровнять ее гидравлический профиль.

Кроме этого, из-за отсутствия металлических перегородок между пучками (за счет исключения чехлов) и при размещении со смещением происходит сближение крайних электрогенерирующих каналов одного пучка с крайними электрогенерирующими каналами другого пучка, а также из-за уменьшения количества металла в этих пограничных ячейках и в активной зоне в целом уменьшается паразитное поглощение нейтронов и повышается эффективный коэффициента размножения нейтронов, уменьшается масса загружаемого топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки (общий вид).

Активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки содержит электрогенерирующие каналы 1, которые собраны в шестигранные пучки 2, число которых выбрано из условия обеспечения запаса реактивности на весь срок службы реактора без перезагрузки. Пучки 2 установлены по правильной треугольной решетке со смещением относительно друг друга. Величина смещения в миллиметрах определена по формуле:

где L - величина относительного смещения, мм;

S₁ - шаг установки пучка электрогенерирующих каналов по правильной треугольной решетке, мм;

S₂ - шаг установки электрогенерирующего канала в пучке, мм;

n - количество рядов электрогенерирующих каналов в пучке, включая центральный. Угол направления относительного смещения определен по формуле:

где α - угол направления относительного смещения, град;

S₁ - шаг установки пучка по правильной треугольной решетке, мм;

S₂ - шаг установки электрогенерирующих каналов в пучке, мм;

n - количество рядов электрогенерирующих каналов в пучке, включая центральный.

Активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки работает следующим образом.

Электрогенерирующие каналы активной зоны термоэмиссионного реактора-преобразователя состоят из набора термоэмиссионных преобразователей. Термоэмиссионный преобразователь содержит два электрода - катод (эмиттер) и анод (коллектор), разделенных межэлектродным зазором. К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. В качестве источника тепла в электрогенерирующих каналах термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки используется контролируемая цепная ядерная реакция деления в топливной композиции на основе урана, обогащенного по изотопу U²³⁵. Термоэмиссионные электроны, преодолевая межэлектродный зазор, попадают на поверхность коллектора, создавая в нем избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. При условии обеспечения непрерывного подвода тепла к эмиттеру и отвода тепла от коллектора во внешней цепи будет поддерживаться постоянный электрический ток. Отвод тепла от коллектора осуществляется за счет циркуляции теплоносителя в межканальном пространстве. Бесчехловое исполнение пучков каналов, а также размещение шестигранных пучков электрогенерирующих каналов в активной зоне со смещением, рассчитанным по приведенным формулам, позволяет обеспечить равные условия теплосъема для всех каналов за счет выравнивания гидравлических характеристик трактов течения теплоносителя и снизить требуемую массу загружаемого топлива за счет уменьшения паразитного поглощения нейтронов в активной зоне.