Концепция термоэмиссионного реактора-преобразователя с испарительным переносом тепла

20.03.2022 2022 - №01 Методы прямого преобразования ядерной энергии

П.А. Алексеев Г.Э. Лазаренко В.А. Линник А.П. Пышко

https://doi.org/10.26583/npe.2022.1.10

В результате проведенного аналитического исследования конструкций термоэмиссионных реакторов-преобразователей выделено четыре группы технических решений, различающихся по способу передачи тепла от топлива к эмиттерам термоэмиссионного преобразователя: с прямой внутризонной передачей (совмещение оболочки твэлов с эмиттером) и три с вынесенными из активной зоны термоэмиссионными преобразователями, в которых вынос тепла осуществляется либо тепловыми трубами (общими или индивидуальными для каждого твэла), или же организован по принципу паровой камеры.

Рассмотрены достоинства и недостатки каждого из перечисленных способов. Показано, что на сегодня наиболее проработанным вариантом исполнения остается вариант с внутризонным преобразованием энергии, а в перспективе – на основе паровой камеры, поскольку в нем исключены попадание газообразных продуктов деления в межэлектродный зазор и влияние распухания топлива на величину межэлектродного зазора. В этом варианте обеспечивается постоянство температуры и плотности теплового потока на поверхности всех эмиттеров термоэмиссионных преобразователей, что позволяет выбрать для них оптимальную рабочую точку.

Разработана модель термоэмиссионного реактора-преобразователя с паровой камерой, содержащей активную зону и зону термоэмиссионных преобразователей, в которой твэл активной зоны и электрогенерирующие каналы термоэмиссионного преобразователя пространственно разделены, покрыты капиллярно-пористой структурой и соединены между собой сотовой капиллярно-пористой проставкой для возврата жидкометаллического теплоносителя и пропуска его пара.

Нейтронно-физический расчет показал возможность осуществления кампании реактора продолжительностью свыше десяти лет с соблюдением правил ядерной безопасности при нанесении покрытия из оксида гадолиния на поверхность твэлов и корпус реактора в районе активной зоны.

Оценка теплоэлектрофизических характеристик показывает, что благодаря постоянству температуры и плотности теплового потока на поверхности всех эмиттеров и оптимизации процесса преобразования энергии для всех термоэмиссионных преобразователей можно рассчитывать на предельную величину КПД в 20%.

Ссылки

1. Грязнов Г.М., Пупко В.Я. ТОПАЗ-1 – советская космическая ядерно-энергетическая установка. // Природа. – 1991. – № 10. – С. 29-36.
2. Кухаркин Н.Е., Нечаев Ю.А., Самоделов В.Н., Хазанович И.М. Энергоресурсные характеристики одноэлементных ЭГК, прошедшие ядерно-энергетические испытания в составе реакторных блоков установки Топаз-2. / Сб. докладов V Международной конференции «Ядерная энергетика в космосе». – Подольск, 1999.
3. Забудько А.Н., Ярыгин В.И., Овчаренко М.К. Концептуальная разработка космической ядерной энергетической установки с реактором типа SAFE-300 и термоэлектрическими преобразователями энергии. / Труды Международного конгресса по усовершенствованным ядерным энергетическим установкам (ICAPP’03). – Кордова, Испания, 2003. – C. 314.
4. Зродников А.В., Ярыгин В.И., Лазаренко Г.Э., Забудько А.Н., Овчаренко М.К., Пышко А.П., Миронов В.С., Кузнецов Р.В. Низкотемпературная термоэмиссия в космических ядерных энергетических установках с быстрым реактором типа SAFE. / Труды Международного конгресса по усовершенствованным ядерным энергетическим установкам (ICAPP’07). – Сан-Диего, Калифорния, США. – 89 c.
5. Овчаренко М.К., Забудько А.Н., Ионкин В.И., Лазаренко Г.Э., Михеев А.С., Пышко А.П., Ярыгин В.И. Концепция долгоресурсной ЯЭУ «Эльбрус-400/200» с эффективными низкотемпературными термоэмиссионными преобразователями, вынесенными из активной зоны. / Труды Международной конференции «Ядерная энергетика в космосе-2005». – Москва-Подольск, 1-3 марта 2005 г. – Т. 1. – С. 144-149.
6. Овчаренко М.К., Альмамбетов А.К., Виноградов Е.Г., Забудько А.Н., Ионкин В.И., Лазаренко Г.Э., Михеев А.С., Пышко А.П., Ярыгин В.И. Концепция космической ЯЭУ с внешним расположением топлива. / Труды Международной конференции «Ядерная энергетика в космосе-2005». – Москва-Подольск, 1-3 марта 2005 г. – Т. 1. – С. 240-146.
7. Fiebelmann Peter. Nuclear Reactor, Патент Великобритании. – No. 1149946, 1966.
8. Алексеев П.А., Лазаренко Г.Э., Линник В.А., Пышко А.П. Реактор-преобразователь. Патент РФ. – № 2724919, 2021.
9. Алексеев П.А., Кротов А.Д., Овчаренко М.К., Линник В.А. Выравнивание радиального энерговыделения в водо-водяном термоэмиссионном реакторе-преобразователе. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2017. – № 4. – С. 27-34. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2017.4.03 .
10. Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. – М.: Атомиздат, 1974. – 288 с.
11. Жеребцов В.А., Касиков И.И. Предельные характеристики термоэмиссионного преобразователя энергии. // Атомная энергия. – 2011. – Т. 110. – Вып. 1. – С. 12-17.
12. MCNP – General Monte Carlo N-Particle Transport code. LA-12625-M, Vers. 4B, 1997.
13. Chadwick M.B. et al. ENDF/B-VII.0: Next Generation Evaluated Nuclear Data Library for Nuclear Science and Technology. // Nuclear Data Sheets. – 2006. – Vol. 107. – No. 12. – UCRL-JRNL-225066.

термоэмиссионный реактор-преобразователь паровая камера продолжительность кампании конструктивные схемы

Ссылка для цитирования статьи: Алексеев П.А., Лазаренко Г.Э., Линник В.А., Пышко А.П. Концепция термоэмиссионного реактора-преобразователя с испарительным переносом тепла. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2022. – № 1. – С. 118-129. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2022.1.10 .