RU2046447C1

RU2046447C1 - Thermal emission reactor-converter

Info

Publication number: RU2046447C1
Authority: RU
Inventors: Г.М. Грязнов; Е.Е. Жаботинский; В.П. Залманов; В.В. Лапшов; Б.Д. Лелюшенко; В.А. Матвеев; В.И. Сербин; В.Г. Сидоров; М.Е. Федотов
Original assignee: Государственное предприятие "Красная звезда"
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: nuclear power plants. SUBSTANCE: decrease of mechanical efforts on shells of electricity generating channels in process of operation of thermal emission reactor-converter and provision for performance of technological tests of tightness of cavity of heat-transfer agent of thermal emission reactor-converter at working temperatures till final assembly and increased serviceability of electricity generating channels and reactor-converter on the whole are obtained by compensation of difference of thermal expansion of vessel of reactor-converter and shells of electricity generating channels which clears this difference as cause of mechanical efforts on shells of electricity generating channels, and by formation in reactor-converter of additional gas cavity as means of realization of technological tests of tightness of cavity of heat-transfer agent of reactor-converter up to its complete assembly and relief of shells of electricity generating channels from effort created by pressure of heat transfer agent. Thermal emission reactor- converter has cylindrical vessel of active zone and electricity generating channels located inside vessel in parallel to its axis which shells are coupled over both butts of active zone with tube panels made with holes for current leads-out of electricity generating channels and which form together with vessel cavity of heat-transfer agent. Elements of electric commutation of electricity generating channels are arranged between butt parts of vessel and tube panels. Shell of each electricity generating channel is fitted on one butt with cylindrical corrugated restoring member through which coupling of shell with tube panel is carried out. Tube panel is manufactured in the form of barrel which bottom is coupled to vessel through corrugated partition and edge of cylindrical shell of barrel is connected to collar made in butt of vessel, through flat ring membrane attached over outer diameter to cylindrical shell of barrel and over inner diameter to collar of vessel. Cavity formed by corrugated partition, flat ring membrane, cylindrical shell and butt of vessel is filled with gas. Apart from that rigidity of flat ring membrane is chosen from expression specified in description of invention. EFFECT: reduced mechanical efforts on shells of electricity generating channels. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерным реакторам и, в частности, к термоэмиссионным реакторам-преобразователям (ТРП), используемым в качестве источников электрической энергии в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) космических аппаратов. The invention relates to nuclear reactors and, in particular, to thermionic converter reactors (TRP) used as sources of electrical energy in nuclear power plants (NPPs) of spacecraft.

Известен ряд конструкций таких ТРП (например, конструкция ТРП термоэмиссионного варианта ЯЭУ SP-100, описанная в книге: Space Nuclear Power Systems 1986, v. 5 of the series "Space Nuclear Power Systems", Orbit Book Company Inc. USA, 1987, pp. 51-65; конструкции ТРП, описанные в [1]). A number of designs of such TRP are known (for example, the construction of the TRP of the thermionic version of the SP-100 nuclear power plant described in the book: Space Nuclear Power Systems 1986, v. 5 of the series "Space Nuclear Power Systems", Orbit Book Company Inc. USA, 1987, pp. 51-65; TRP constructions described in [1]).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является конструкция ТРП TRIKT-50, которая представляет собой термоэмиссионный реактор-преобразователь с цилиндрической активной зоной и расположенными параллельно ее оси электрогенерирующими каналами (ЭГК), оболочки которых соединены с трубными досками по обоим торцам активной зоны, имеющими отверстия для токовыводов ЭГК, и вместе с корпусом ТРП образуют полость теплоносителя, причем по торцам активной зоны расположены элементы коммутации ЭГК [2]
Недостатками этой конструкции являются относительно большие механические усилия на оболочки ЭГК как следствие разности термических расширений корпуса ТРП и оболочек ЭГК. Эта разность, в свою очередь, обусловлена, с одной стороны, различием коэффициентов линейного расширения материалов оболочек ЭГК и корпуса ТРП, а с другой стороны различием рабочих температур как между корпусом ТРП и оболочками ЭГК, так и между оболочками отдельных ЭГК, в последнем случае в силу разницы тепловыделений в ЭГК и условий омывания теплоносителем. Наличие механических усилий на оболочки ЭГК может быть причиной разгерметизации полости теплоносителя и нарушения работоспособности ЭГК из-за проникновения теплоносителя в его внутреннюю полость.The closest technical solution to the invention is the design of the TRIKT-50 TRP, which is a thermionic reactor with a cylindrical core and parallel to its axis electrically generating channels (EHCs), the shells of which are connected to tube boards at both ends of the core with openings for EHC current outputs, and together with the TRP case form a coolant cavity, and at the ends of the core there are EGC switching elements [2]
The disadvantages of this design are the relatively large mechanical forces on the EGC shells as a result of the difference in the thermal expansions of the TRP body and the EGC shells. This difference, in turn, is caused, on the one hand, by the difference in the linear expansion coefficients of the materials of the EGC shells and the TRP case, and on the other hand, by the difference in operating temperatures both between the TRP case and the EGC shells, and between the shells of individual EGCs, in the latter case the difference in heat dissipation in the EGC and the conditions of washing with the coolant. The presence of mechanical forces on the EGC shells can be the cause of the depressurization of the coolant cavity and the EGC operability impairment due to the penetration of the coolant into its internal cavity.

Цель изобретения уменьшение механических усилий на оболочки ЭГК в процессе эксплуатации ТРП и обеспечение проведения технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП при рабочих температурах до окончательной сборки и, как следствие, повышение работоспособности ЭГК и ТРП в целом. The purpose of the invention is the reduction of mechanical forces on the EGC shells during the operation of the TRP and the provision of technological checks of the tightness of the cavity of the heat transfer medium of the TRP at operating temperatures until the final assembly and, as a result, the increase in the performance of the EGC and TRP as a whole.

Технический результат компенсация разности термических расширений корпуса ТРП и оболочек ЭГК, что устраняет эту разность как причину механических усилий на оболочки ЭГК, и создание в ТРП дополнительной газовой полости как средства осуществления технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП до его окончательной сборки и разгрузки оболочек ЭГК от усилия, создаваемого давлением теплоносителя. EFFECT: compensation of the difference in thermal expansions of the TRP case and EGC shells, which eliminates this difference as a cause of mechanical forces on the EGC shells, and the creation of an additional gas cavity in the TRP as a means of carrying out technological checks of the tightness of the TRP coolant cavity before its final assembly and unloading of the EGC shells from the force created by the pressure of the coolant.

Цель достигается тем, что оболочка каждого ЭГК с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом, через который осуществлено соединение оболочки с трубной доской, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом через гофрированную перегородку, а край цилиндрической обечайки стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через плоскую кольцевую мембрану, причем полость, образованная гофрированной перегородкой, плоской кольцевой мембраной, цилиндрической обечайкой и торцом корпуса, заполнена газом. Кроме того, жесткость плоской кольцевой мембраны выбрана из выражения F_тн F_м, где F_тн усилие, вызываемое давлением теплоносителя на трубную доску, кгс; F_м усилие от воздействия на трубную доску мембраны в результате давления газа на мембрану, кгс.The goal is achieved in that the shell of each EGC from one end is provided with a cylindrical corrugated elastic element through which the shell is connected to a tube plate made in the form of a cup, the bottom of which is connected to the body through a corrugated partition, and the edge of the cylindrical shell of the cup is connected to a collar made at the end of the housing, through a flat annular membrane, and the cavity formed by the corrugated partition, a flat annular membrane, a cylindrical shell and the end of the housing is filled and gas. In addition, the rigidity of a flat annular membrane is selected from the expression F _t F _m , where F _t force, caused by the pressure of the coolant on the tube plate, kgf; F _m force from the impact on the tube plate of the membrane as a result of gas pressure on the membrane, kgf.

На чертеже приведена предлагаемая конструктивная схема ТРП. The drawing shows the proposed structural diagram of the TRP.

Термоэмиссионный реактор-преобразователь содержит цилиндрический корпус активной зоны и расположенные внутри корпуса параллельно его оси электрогенерирующие каналы 1, оболочки которых соединены по обоим торцам активной зоны с трубными досками 2, 3, выполненными с отверстиями для токовыводов 4 электрогенерирующих каналов, и вместе с корпусом 5 образующими полость теплоносителя 6, а между торцовыми частями корпуса 5 и трубными досками 2, 3 расположены элементы 7 электрической коммутации электрогенерирующих каналов; оболочка каждого электрогенерирующего канала 1 с одного торца снабжена цилиндрическим гофрированным упругим элементом 8, через который осуществлено соединение оболочки электрогенерирующего канала 1 с трубной доской 2, выполненной в виде стакана, дно которого соединено с корпусом 5 через гофрированную перегородку 9, а край цилиндрической обечайки 11 стакана соединен с буртом, выполненным на торце корпуса, через плоскую кольцевую мембрану 10, по внешнему диаметру прикрепленную к цилиндрической обечайке 11, а по внутреннему диаметру к бурту на торце корпуса 5, причем полость 12, образованная гофрированной перегородкой 9, плоской кольцевой мембраной 10, цилиндрической обечайкой 11 и торцом корпуса 5, заполнена газом. The thermionic emission reactor-converter comprises a cylindrical core body and power generating channels 1 located inside the body parallel to its axis, the shells of which are connected at both ends of the core with pipe boards 2, 3, made with holes for current leads 4 of the power generating channels, and together with the body 5 forming the coolant cavity 6, and between the end parts of the housing 5 and the tube boards 2, 3 there are elements 7 of electrical switching of the electricity generating channels; the shell of each power generating channel 1 from one end is provided with a cylindrical corrugated elastic element 8, through which the shell of the power generating channel 1 is connected with a tube plate 2, made in the form of a cup, the bottom of which is connected to the housing 5 through the corrugated partition 9, and the edge of the cylindrical shell 11 of the cup connected to the shoulder, made at the end of the housing, through a flat annular membrane 10, the outer diameter attached to the cylindrical shell 11, and the inner diameter to the shoulder on the end of the housing 5, and the cavity 12, formed by the corrugated partition 9, a flat annular membrane 10, a cylindrical shell 11 and the end of the housing 5, is filled with gas.

Предложенное устройство работает следующим образом. При термических расширениях трубная доска 2 может перемещаться за счет прогиба плоской кольцевой мембраны 10, являющейся элементом, компенсирующим разность термических расширений оболочек ЭГК и корпуса. Разность термических расширений отдельных ЭГК, возникающая в результате неравномерности их температур по активной зоне, выбирается цилиндрическими гофрированными упругими элементами. Расположение плоской кольцевой мембраны 10, по внешнему диаметру прикрепленной к цилиндрической обечайке 11, а по внутреннему к бурту на торце корпуса 5, и расположение гофрированной перегородки 9 между корпусом 5 и трубной доской 2 обеспечивают то, что давление газа в полости 12 действует противоположно давлению теплоносителя на трубную доску 2, соединенную с плоской кольцевой мембраной через цилиндрическую обечайку 11. Величина и направление усилий плоской кольцевой мембраны 10 на трубную доску 2 определяются жесткостью мембраны, давлением газа в полости 12 и соотношением коэффициентов линейного термического расширения и температур корпуса 5 и оболочек ЭГК. Жесткость мембраны 10, ее начальное положение при сборке и давление газа в полости 12 выбраны таким образом, что в рабочих условиях при длительной работе мембрана 10 обеспечивает усилие на трубную доску 2 и, следовательно, на оболочки ЭГК, равное по абсолютной величине и противоположно направленное суммарному усилию, вызываемому давлением теплоносителя. При этом усилие мембраны 10 на трубную доску меньше усилия, вызывающего деформацию цилиндрических упругих элементов всех ЭГК одновременно. The proposed device operates as follows. During thermal expansions, the tube plate 2 can move due to the deflection of a flat annular membrane 10, which is an element that compensates for the difference in thermal expansions of the EGC shells and the casing. The difference in thermal expansions of individual EGCs resulting from the non-uniformity of their temperatures in the core is selected by cylindrical corrugated elastic elements. The location of the flat annular membrane 10, the outer diameter attached to the cylindrical shell 11, and the inner shoulder at the end of the housing 5, and the location of the corrugated septum 9 between the housing 5 and the tube board 2 ensure that the gas pressure in the cavity 12 acts opposite to the pressure of the coolant on a tube plate 2 connected to a flat annular membrane through a cylindrical shell 11. The magnitude and direction of the efforts of a flat annular membrane 10 on a tube plate 2 are determined by the rigidity of the membrane, pressure g aza in the cavity 12 and the ratio of the coefficients of linear thermal expansion and temperature of the housing 5 and the shells of the EGC. The rigidity of the membrane 10, its initial position during assembly and the gas pressure in the cavity 12 are selected in such a way that under working conditions during prolonged operation, the membrane 10 provides force on the tube plate 2 and, therefore, on the EGC shells, equal in absolute value and opposite to the total the force caused by the pressure of the coolant. In this case, the force of the membrane 10 on the tube plate is less than the force that causes the deformation of the cylindrical elastic elements of all EGCs at the same time.

При таком выполнении конструкции суммарное усилие на цилиндрические гофрированные упругие элементы ЭГК, являющееся следствием разности термических расширений корпуса и оболочек ЭГК, равно нулю, и эти упругие элементы компенсируют только разность термических расширений отдельных ЭГК, возникающую в результате неравномерности температур по активной зоне. Допустимые растягивающие и сжимающие нагрузки на оболочки ЭГК определяют продольную жесткость цилиндрических гофрированных упругих элементов. В поперечном направлении эти упругие элементы являются достаточно жесткими, чтобы обеспечить центровку ЭГК относительно отверстий в трубных досках. With this design, the total force on the cylindrical corrugated elastic elements of the EGC, which is a consequence of the difference in thermal expansions of the body and shells of the EGCs, is zero, and these elastic elements compensate only for the difference in thermal expansions of individual EGCs resulting from temperature non-uniformity over the core. Permissible tensile and compressive loads on the EGC shells determine the longitudinal stiffness of the cylindrical corrugated elastic elements. In the transverse direction, these elastic elements are rigid enough to ensure the alignment of the EGC relative to the holes in the tube boards.

Описанное функционирование предложенного устройства обеспечивает решение задачи уменьшения механических усилий на оболочки ЭГК в процессе эксплуатации. Обеспечение технологических проверок герметичности полости теплоносителя ТРП при рабочих температурах до окончательной сборки и, как следствие, повышение работоспособности ЭГК и ТРП в целом достигается следующим. Гофрированная перегородка 9 герметично присоединяется (приваривается) по краю, обращенному к активной зоне, к трубной доске 2, а противоположным краем к корпусу 5 в процессе сборки ТРП до присоединения плоской кольцевой мембраны 10 к цилиндрической обечайке 11 и к корпусу 5, образуя при этом совместно с трубными досками 2 и 3, оболочками ЭГК 1, цилиндрическими гофрированными упругими элементами 8 и корпусом 5 полость 6 теплоносителя. Герметичность образованной таким образом полости 6, включая герметичность швов вварки каждого ЭГК в трубные доски, может быть проверена при заполнении этой полости теплоносителем и рабочих температурах до монтажа элементов 7 электрической коммутации и присоединения мембраны 10. The described operation of the proposed device provides a solution to the problem of reducing mechanical stress on the EGC shell during operation. Ensuring technological checks of the tightness of the cavity of the heat transfer medium of the TRP at operating temperatures until the final assembly and, as a result, increasing the performance of the EGC and TRP as a whole is achieved as follows. The corrugated partition 9 is hermetically connected (welded) along the edge facing the core to the tube plate 2, and the opposite edge to the body 5 during the assembly of the TRP until the flat annular membrane 10 is attached to the cylindrical shell 11 and to the body 5, forming together with tube plates 2 and 3, EGC shells 1, cylindrical corrugated elastic elements 8 and body 5, cavity 6 of the coolant. The tightness of the cavity 6 thus formed, including the tightness of the welds of each EGC welded into the tube boards, can be checked by filling the cavity with coolant and operating temperatures before installing the electrical switching elements 7 and attaching the membrane 10.

Claims

1. THERMOEMISSION REACTOR-CONVERTER, containing a cylindrical core of the core and located in the housing parallel to its axis of the power generating channels, the shells of which are connected at both ends of the core with pipe boards made with holes for the current outputs of the power generating channels and together with the body forming a coolant cavity, and between the end parts of the housing and the tube boards are elements of electrical switching of the electricity generating channels, characterized in that the shell of each the electric generating channel from one end is provided with a cylindrical corrugated elastic element through which the shell is connected to a tube plate made in the form of a cup, the bottom of which is connected to the body through the inserted corrugated partition, and the edge of the cylindrical shell of the glass is connected to a collar made at the end of the body through introduced a flat annular membrane, and the cavity formed by the corrugated septum, a flat annular membrane, a cylindrical shell and the end of the housing, flax gas.

2. The reactor-converter according to claim 1, characterized in that the stiffness of the flat annular membrane is selected from the expression F _t _n F _m , where F _t _n is the force caused by the pressure of the coolant on the tube plate, kgf; F _m - force from the impact on the tube plate of the membrane as a result of gas pressure on the membrane, kgf.