[go: up one dir, main page]

RU2223571C2 - Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly - Google Patents

Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly Download PDF

Info

Publication number
RU2223571C2
RU2223571C2 RU2002108978/09A RU2002108978A RU2223571C2 RU 2223571 C2 RU2223571 C2 RU 2223571C2 RU 2002108978/09 A RU2002108978/09 A RU 2002108978/09A RU 2002108978 A RU2002108978 A RU 2002108978A RU 2223571 C2 RU2223571 C2 RU 2223571C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
collector
ehs
electrogenerating
insulation
thermionic
Prior art date
Application number
RU2002108978/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002108978A (en
Inventor
вский В.В. Син
В.В. Синявский
В.Д. Юдицкий
Original Assignee
Открытое акционерное общество "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 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU2002108978/09A priority Critical patent/RU2223571C2/en
Publication of RU2002108978A publication Critical patent/RU2002108978A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2223571C2 publication Critical patent/RU2223571C2/en

Links

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

FIELD: direct conversion of thermal energy to electric one, applicable in production of a thermionic reactor-converter, first of all of space designation. SUBSTANCE: the thermionic electrogenerating assembly has a carrying tube accommodating at least three series-connected electrogenerating elements with a fuel-emitter unit and a collector and a collector insulation common for all electrogenerating elements, made in the form of two layers insulated from the carrying tube by a protective electrode. The protective electrode is electrically connected to the collector of one of the central electrogenerating elements. The electrical connection of the collector to the protective electrode may be may be made of the same metal as the protective electrode. EFFECT: enhanced reliability and service life capacity of the thermionic electrogenerating assembly. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок термоэмиссионного реактора-преобразователя, прежде всего космического назначения. The invention relates to a thermionic method of converting thermal energy into electrical energy and can be used to create multi-element power generating assemblies of a thermionic converter reactor, primarily for space purposes.

Наиболее распространена конструкция электрогенерирующих сборок (ЭГС) с последовательно соединенными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) коаксиальной схемы с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором) [1]. Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), заполнена делящимся веществом, образуя топливно-эмиттерный узел (ТЭЦ). Эмиттер устанавливается с зазором 0,3-0,5 мм относительно цилиндрического коллектора. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек. Коллекторы отдельных ЭГЭ отделены от корпуса (несущей трубки, чехла) общей для всех ЭГЭ коллекторной электроизоляцией. Коллекторы, электроизоляция и несущая трубка изготовляются заедино и образуют так называемый коллекторный пакет (КП), в данном случае трехслойный. The most common design of power generating assemblies (EHS) with series-connected electrical generating elements (EGE) of a coaxial circuit with cylindrical electrodes (emitter and collector) [1]. The emitter shell, the cylindrical part of which is an emitter of a thermionic converter (TEC), is filled with fissile material, forming a fuel-emitter unit (CHP). The emitter is installed with a gap of 0.3-0.5 mm relative to the cylindrical collector. EGE are connected to each other in series using switching jumpers. The collectors of individual EHEs are separated from the body (carrier tube, cover) by common collector electrical insulation for all EHEs. Collectors, electrical insulation and carrier tube are made together and form the so-called collector package (KP), in this case three-layer.

Основной проблемой создания таких ЭГС является обеспечение длительного ресурса работы, что требует обеспечения геометрической стабильности эмиттера, т. е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки ТЭУ вследствие распухания топливного сердечника в процессе работы, и обеспечения электрической прочности электроизоляции. The main problem of creating such EHS is to ensure a long service life, which requires ensuring the geometrical stability of the emitter, i.e., preventing deformation of the emitter shell of the TEU due to swelling of the fuel core during operation, and ensuring the electrical strength of the electrical insulation.

Однако в трехслойной КП электроизоляция контактирует с парой и плазмой цезия - рабочего тела ТЭП - и не допускает высокого напряжения из-за возможности возникновения пробоя коллекторной изоляции. Поэтому рассматриваемая ЭГС может быть использована лишь в ТРП при невысоком рабочем напряжении. However, in a three-layer KP, the electrical insulation is in contact with a pair and cesium plasma - the TEC working fluid - and does not allow high voltage due to the possibility of breakdown of collector insulation. Therefore, the EHS under consideration can only be used in TRP with a low operating voltage.

Известна ЭГС на базе термоэмиссионных ЭГЭ с герметичной эмиттерной оболочкой [2] . ЭГЭ содержат топливно-эмиттерный узел с герметичной эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, обычно диоксид урана. Часть наружной поверхности эмиттерной оболочки служит эмиттером ТЭП. ЭГЭ содержит также коммутационную перемычку, с помощью которой ЭГЭ соединяются в ЭГС, которая содержит общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и наружный корпус. Known EHS based on thermionic EGE with a sealed emitter shell [2]. EGEs contain a fuel-emitter assembly with a sealed emitter shell inside which a fissile material is placed, usually uranium dioxide. Part of the outer surface of the emitter shell serves as the emitter of the TEC. EGE also contains a switching jumper, with the help of which EGE are connected in EHS, which contains collector insulation common to all EGE and the outer casing.

Однако и в этой ЭГС с трехслойным КП электроизоляция контактирует с паром и плазмой цезия и не допускает высокого напряжения из-за возможности возникновения пробоя коллекторной изоляции. Поэтому рассматриваемая ЭГС может быть использована лишь в ТРП при невысоком рабочем напряжении. However, in this EHS with a three-layer KP, the electrical insulation contacts the vapor and cesium plasma and does not allow high voltage due to the possibility of breakdown of collector insulation. Therefore, the EHS under consideration can only be used in TRP with a low operating voltage.

Известна многоэлементная термоэмиссионная ЭГС, предложенная в [3]. Она состоит из последовательно соединенных ЭГЭ, каждый из которых содержит вентилируемый ТЭУ в виде цилиндра с топливным сердечником и эмиттерной оболочкой с двумя торцевыми крышками, в первую из которых выведено газоотводное устройство (ГОУ), а вторая торцевая крышка соединена с коммутационной перемычкой, электрически коммутирующей эмиттерную оболочку с коллектором соседнего ЭГЭ. Длительный ресурс такой ЭГС по процессам распухания топливного сердечника обеспечивается благодаря системе удаления газообразных продуктов деления (ГПД) из топливного сердечника в виде ГОУ. ГПД удаляются через эту трубку из сердечника в МЭЗ, в результате чего газового распухания топлива, и, соответственно, деформации эмиттерной оболочки, не происходит. Known multi-element thermionic EHS proposed in [3]. It consists of series-connected EGEs, each of which contains a ventilated TEU in the form of a cylinder with a fuel core and an emitter shell with two end caps, the first of which has a gas outlet device (GOU), and the second end cap is connected to a switching jumper that electrically commutates the emitter a shell with a collector of neighboring EGE. The long life of such an EHS in the process of swelling of the fuel core is ensured by the removal of gaseous fission products (GPA) from the fuel core in the form of GOU. GPA are removed through this tube from the core to the MEZ, as a result of which gas swelling of the fuel, and, accordingly, deformation of the emitter shell, does not occur.

Однако в рассматриваемой ЭГС также используется трехслойный КП, не допускающий высокого напряжения между несущей трубкой и коллекторами ЭГЭ. Поэтому такая ЭГС не может быть использована при создании высоковольтного ТРП. However, in the considered EHS, a three-layer KP is also used, which does not allow high voltage between the carrier tube and the EGE collectors. Therefore, such an EHS cannot be used to create a high-voltage TRP.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является многоэлементная термоэмиссионная ЭГС, описанная в [4]. Closest to the invention in technical essence is a multi-element thermionic emission EHS described in [4].

Термоэмиссионная ЭГС содержит несущую трубку (корпус, чехол), внутри которой размещены не менее чем три последовательно соединенных ЭГЭ с топливно-эмиттерным узлом и коллектором и общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию, выполненную в виде двух слоев, разделенных изолированным от несущей трубки охранным электродом. Thermionic EHS contains a carrier tube (case, cover), inside of which are placed no less than three in series EGEs with a fuel-emitter unit and a collector and collector insulation common for all EGEs, made in the form of two layers separated by a guard electrode isolated from the carrier tube.

В рассматриваемой ЭГС исключение электрического пробоя между коллекторами ЭГЭ и несущей трубкой решается введением промежуточной электропроводящей оболочки (охранного электрода) между коллекторами и несущей трубкой, делящей изоляцию на два слоя. Слой, примыкающий к несущей трубке, защищен от пара цезия (так называемый слой "сухой" изоляции) и может выдерживать при рабочей температуре значительные напряжения (не менее 100-150 В). Второй слой изоляции работает в паре и плазме цезия (так называемый слой "мокрой" изоляции) и аналогично трехслойному КП напряжение на ней не должно быть высоким для исключения электрического пробоя коллекторной изоляции. Однако суммарно два слоя изоляции могут выдержать существенно большее напряжение, чем трехслойный КП с "мокрой" изоляцией. На основе таких пятислойных КП могут быть созданы ЭГС для ТРП с относительно высоким рабочим напряжением (более 100 В). In the EHS under consideration, the exclusion of electrical breakdown between the EGE collectors and the carrier tube is solved by introducing an intermediate conductive shell (guard electrode) between the collectors and the carrier tube, dividing the insulation into two layers. The layer adjacent to the carrier tube is protected from cesium vapor (the so-called “dry” insulation layer) and can withstand significant voltages (at least 100-150 V) at the operating temperature. The second insulation layer works in pairs and cesium plasma (the so-called “wet” insulation layer) and, like a three-layer CP, the voltage on it should not be high to exclude electrical breakdown of collector insulation. However, in total, two layers of insulation can withstand significantly higher voltage than a three-layer KP with "wet" insulation. On the basis of such five-layer gearboxes, EHS for TRP with a relatively high operating voltage (more than 100 V) can be created.

Введение разделенных охранным электродом (электропроводной оболочкой) двух слоев изоляции понижает вероятность электрического пробоя "мокрой" изоляции. Однако для этого напряжение на ней не должно существенно превышать напряжения ЭГС. Однако введение охранного электрода с плавающий потенциалом не гарантирует, что основное падение напряжения между коллектором и несущей трубкой ЭГС будет на "сухой" изоляции. Возможны случаи, например, при наличии дефектов в слое "мокрой" изоляции, когда напряжение на "мокрой" изоляции превысит пробойное напряжение, произойдет пробой или возникнет так называемый тепловой пробой в "мокрой" изоляции, который затем может вызвать тепловой пробой и "сухой" изоляции, в результате чего произойдет отказ типа "короткого замыкания" или "обрыв цепи". The introduction of two layers of insulation separated by a guard electrode (electrically conductive sheath) reduces the likelihood of electrical breakdown of “wet” insulation. However, for this, the voltage on it should not significantly exceed the voltage of the EHS. However, the introduction of a guard electrode with a floating potential does not guarantee that the main voltage drop between the collector and the EHS carrier tube will be on "dry" insulation. Cases are possible, for example, in the presence of defects in the “wet” insulation layer, when the voltage on the “wet” insulation exceeds the breakdown voltage, a breakdown occurs or a so-called thermal breakdown in the “wet” insulation occurs, which can then cause thermal breakdown and “dry” isolation, resulting in a type of “short circuit” or “open circuit” failure.

Задачей изобретения является обеспечение возможности исключения электрического пробоя слоя изоляции, контактирующего с паром и плазмой цезия, в многоэлементной ЭГС с охранным электродом и, следовательно, повышение надежности и ресурсоспособности термоэмиссионной ЭГС для ТРП с высокий рабочим напряжением. The objective of the invention is to enable the exclusion of electrical breakdown of the insulation layer in contact with steam and cesium plasma in a multi-cell EHS with a guard electrode and, therefore, increasing the reliability and serviceability of a thermionic EHS for TRP with a high operating voltage.

Указанная задача реализуется в многоэлементной термоэмиссионной ЭГС, содержащей несущую трубку, внутри которой размещены не менее чем три последовательно соединенных ЭГЭ с топливно-эмиттерным узлом и коллектором, и общую для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию, выполненную в виде двух слоев, разделенных изолированным от несущей трубки охранным электродом, в которой охранный электрод электрически соединен с коллектором одного из центральных ЭГЭ. Электрическое соединение коллектора с охранным электродом выполнено из того же металла, что и охранный электрод. The indicated task is realized in a multi-element thermionic EHS containing a carrier tube, inside of which at least three series-connected EGEs with a fuel-emitter assembly and a collector are placed, and collector insulation common to all EGEs made in the form of two layers separated by a protective layer isolated from the carrier tube an electrode in which the guard electrode is electrically connected to the collector of one of the central EGE. The electrical connection of the collector to the guard electrode is made of the same metal as the guard electrode.

На чертеже изображена конструкционная схема многоэлементной термоэмиссионной ЭГС. The drawing shows a structural diagram of a multi-element thermionic EHS.

ЭГС набрана из последовательно электрически скоммутированных не менее чем трех ЭГЭ (на чертеже изображена пятиэлементная ЭГС). Каждый ЭГЭ содержит цилиндрический топливно-эмиттерный узел 1, установленный с межэлектродным зазором 2 в коллекторе 3, и коммутационную перемычку 4. Топливно-эмиттерный узел состоит из топливного сердечника 5 и эмиттерной оболочки, включающей боковую цилиндрическую часть 6, наружная поверхность которой служит эмиттером термоэмиссионного преобразователя, и две торцевые части: первую 7 и вторую 8, которая электрически соединена с коммутационной перемычкой 4, обеспечивающей электрическую коммутацию эмиттерной оболочки с коллектором 3 одного из соседних ЭГЭ при электрической коммутации ЭГЭ в ЭГС. Зазор 2 между эмиттером (наружной поверхностью боковой части 6 эмиттерной оболочки) и коллектором 3 является межэлектродным зазором (МЭЗ) термоэмиссионного преобразователя и в рабочих условиях заполнен паром и плазмой цезия. EHS is drawn from successively electrically commutated at least three EGEs (the drawing shows a five-element EHS). Each EGE contains a cylindrical fuel-emitter unit 1 installed with an interelectrode gap 2 in the collector 3, and a jumper 4. The fuel-emitter unit consists of a fuel core 5 and an emitter shell including a side cylindrical part 6, the outer surface of which serves as an emitter of a thermionic converter , and two end parts: the first 7 and second 8, which is electrically connected to the switching jumper 4, which provides electrical switching of the emitter shell with the collector 3 of one o from neighboring EGE during electrical switching of EGE to EHS. The gap 2 between the emitter (the outer surface of the side portion 6 of the emitter shell) and the collector 3 is the interelectrode gap (MEZ) of the thermionic converter and is filled with steam and cesium plasma under operating conditions.

Общими для всех ЭГЭ являются несущая трубка (корпус или чехол) 9, которая в рабочих условиях снаружи охлаждается теплоносителем (не показан), и два слоя 10 и 11 коллекторной изоляции, разделенных охранным электродом 12. Первый слой 10 коллекторной изоляции контактирует с паром и плазмой цезия, находящихся в МЭЗ 2, т.е. является так называемой "мокрой" изоляцией. Второй слой 11 коллекторной изоляции благодаря охранному электроду 12 отделен от пара и плазмы цезия, т.е. является так называемой "сухой" изоляцией. Охранный электрод 12 с помощью соединителя 13 электрически замкнут на коллектор 3 центрального ЭГЭ. Если число ЭГЭ в ЭГС четное, то охранный электрод 12 может быть замкнут на любой из двух центральных ЭГЭ. Крайние ЭГЭ имеют токовыводы, один из которых 14 является эмиттерным токовыводом, а второй 15 - коллекторным токовыводом, выполненным в виде трубки, через которую в МЭЗ 2 подается пар цезия. Токовыводы 14 и 15 электроизолированы от корпуса гермовыводами 16. С помощью токовыводов 14 и 15 обеспечивается электрическая коммутация ЭГС в ТРП (не показано). Common to all EHEs are a carrier tube (case or cover) 9, which is cooled externally by a coolant (not shown), and two collector insulation layers 10 and 11 separated by a guard electrode 12. The first collector insulation layer 10 is in contact with steam and plasma cesium in the MEZ 2, i.e. is the so-called wet insulation. The second layer 11 of collector insulation due to the guard electrode 12 is separated from the vapor and cesium plasma, i.e. is the so-called "dry" insulation. The guard electrode 12 using the connector 13 is electrically closed to the collector 3 of the Central EGE. If the number of EGE in the EHS is even, then the guard electrode 12 can be closed on either of the two central EGE. The extreme EGEs have current outputs, one of which 14 is an emitter current output, and the other 15 is a collector current output made in the form of a tube through which cesium vapor is supplied to MEZ 2. The current leads 14 and 15 are electrically insulated from the housing by the hermetic leads 16. With the help of the current leads 14 and 15, electrical switching of the EHS in the TRP (not shown) is provided.

Коллекторы 3, слои 10 и 11 коллекторной изоляции, охранный электрод 12 и несущая трубка 9 изготавливаются как единое целое, как правило, методом газостатического прессования и образуют так называемый коллекторный пакет (КП). Основные требования к схеме, материалам и способу изготовления КП - это обеспечение низкого термического сопротивления и высокой электрической прочности. Первое достигается выбором материалов КП и методом изготовления. В качестве материалов КП выбраны высокотемпературные металл и керамика с практически одинаковыми коэффициентами линейного расширения, а именно коллектор 3, охранный электрод 12 и несущая трубка 9 изготовлены из ниобиевого сплава, например НбЦУ (ниобий-цирконий-углерод), а слои 10 и 11 злектроизоляции изготовлены из оксида алюминия. Соединитель 13 также изготовлен из того же материала, что и охранный электрод 12, например ниобиевого сплава, что обеспечивает совместимость соединителя 13 с слоем 10 коллекторной изоляции. Изготовление КП как единого целого производится методом газостатического прессования, который обеспечивает диффузионную сварку разнородных материалов без термических сопротивлений в контактах между слоями разнородных материалов. Высокое значение электрической прочности КП достигается введением охранного электрода 12, обычно в виде тонкой ниобиевой фольги, разделяющей коллекторную изоляции на два слоя: слой 10 "мокрой" изоляции, контактирующей с паром и плазмой цезия и вследствие этого имеющей низкое значение электрической прочности, и слой 11 "сухой" изоляции, который благодаря охранному электроду 12 защищен от контакта с паром и плазмой цезия и вследствие этого имеет высокое значение электрической прочности, как правило в рабочих условиях не менее 100...150 В. The collectors 3, layers 10 and 11 of the collector insulation, the guard electrode 12 and the carrier tube 9 are made as a whole, as a rule, by gas-static pressing and form the so-called collector package (KP). The main requirements for the scheme, materials and method of manufacturing KP is to ensure low thermal resistance and high electrical strength. The first is achieved by the choice of materials KP and the manufacturing method. High temperature metal and ceramics with almost the same linear expansion coefficients were selected as KP materials, namely, collector 3, guard electrode 12 and support tube 9 are made of a niobium alloy, for example, NbTsU (niobium-zirconium-carbon), and layers of electrical insulation 10 and 11 are made from aluminum oxide. The connector 13 is also made of the same material as the guard electrode 12, for example a niobium alloy, which ensures compatibility of the connector 13 with the collector insulation layer 10. The production of KP as a whole is carried out by the method of gas-static pressing, which provides diffusion welding of dissimilar materials without thermal resistance in the contacts between the layers of dissimilar materials. A high value of KP dielectric strength is achieved by introducing a guard electrode 12, usually in the form of a thin niobium foil, which separates collector insulation into two layers: a wet insulation layer 10 in contact with vapor and cesium plasma and, as a result, having a low electric strength value, and layer 11 “dry” insulation, which, thanks to the guard electrode 12, is protected from contact with steam and cesium plasma and, as a result, has a high value of electric strength, as a rule, in operating conditions of at least 100 ... 150 V.

Многоэлементная термоэмиссионная ЭГС работает следующим образом (в составе ТРП). Multi-element thermionic EHS works as follows (as part of TRP).

Изготовленные ЭГС собираются в активную зону, которая окружается отражателем с органами управления ТРП (не показаны). ЭГС с помощью изолированных гермовыводами 16 токовыводов 14 и 15 коммутируются последовательно - параллельно для получения в рабочих условиях требуемого напряжения ТРП, например 120 В. В исходном состоянии МЭЗ 2 всех ЭГС отвакуумирован. Производится пуск ТРП на некоторый промежуточный уровень нейтронной мощности. При работе вследствие деления ядер урана топливный сердечник 5 нагревается. The manufactured EHSs are assembled in the active zone, which is surrounded by a reflector with TRP controls (not shown). EHS with the help of insulated grommets 16 current leads 14 and 15 are switched in series - in parallel to obtain the required voltage of the TRP, for example 120 V. under operating conditions, in the initial state of the MEZ 2 all the EHS is evacuated. The TRP is launched at a certain intermediate level of neutron power. During operation, due to the fission of uranium nuclei, the fuel core 5 heats up.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 5, подается на цилиндрическую часть 6 (а также и на торцевые части 7 и 8) эмиттерной оболочки, и далее через МЭЗ 2, который в начальный момент отвакуумирован, излучением передается коллектору 3. С коллектора 3 тепло через первый слой 10 коллекторной изоляции, охранный электрод 12 и второй слой 11 коллекторной изоляции передается несущей трубке (корпусу) 9, с которой тепло снимается теплоносителем (не показано). The heat generated during the fission of the uranium nuclei of the core 5 is supplied to the cylindrical part 6 (as well as to the end parts 7 and 8) of the emitter shell, and then through the MEZ 2, which is initially evacuated, is transferred to collector 3 by radiation. From collector 3, heat through the first collector insulation layer 10, the guard electrode 12 and the second collector insulation layer 11 is transferred to the carrier tube (housing) 9, from which heat is removed by the heat carrier (not shown).

Для генерации электроэнергии необходимо МЭЗ 2 заполнить рабочим телом ТЭП - паром цезия. Заполнение МЭЗ паром цезия производится через трубку токовывода 15 с постепенным повышением давления пара цезия до рабочего, которое обычно равно от 1...2 до 6...8 мм рт.ст. в зависимости от величины МЭЗ 2 и плотности электрической мощности ТЭП, образованного электродами 6 и 3. После достижения рабочего значения давления пара цезия (или в процессе повышения) нейтронную мощность ТРП, а следовательно, и тепловую мощность ЭГС повышают до рабочего номинального значения. To generate electricity, it is necessary to fill the MEZ 2 with the working fluid of the TEC - cesium vapor. Filling the MEZ with cesium vapor is carried out through the current lead tube 15 with a gradual increase in the cesium vapor pressure to the working one, which is usually from 1 ... 2 to 6 ... 8 mm Hg. depending on the magnitude of the MEZ 2 and the density of the electric power of the TEC formed by the electrodes 6 and 3. After reaching the working value of the cesium vapor pressure (or in the process of increasing), the neutron power of the TRP, and therefore the thermal power of the EHS, is increased to the working nominal value.

В номинальном режиме (также как и в пусковом) тепло, выделяющееся при делении ядер урана сердечника 5, подается на цилиндрическую часть 6 эмиттерной оболочки, которая нагрета до 1600...2100 К, и далее через МЭЗ 2, который заполнен паром цезия при рабочем давлении, излучением и с электронным таком передается коллектору 3 с рабочей температурой порядка 1000 К. В МЭЗ 2 часть тепла (с КПД примерно 15% преобразуется в электроэнергию при напряжении одного ЭГЭ 0,5. ..1,0 В (чаще всего 0,5...0,7 В). Непреобразованная часть тепла с коллектора 3 через первый слой 10 коллекторной изоляции, охранный электрод 12 и второй слой 11 коллекторной изоляции передается несущей трубке 9, с которой тепло снимается теплоносителем (не показано). Возможен съем тепла с несущей трубки 9 через специальную систему теплосброса, например, при тепловых реакторных испытаниях таких ЭГС (не показанную). In the nominal mode (as well as in the starting mode), the heat released during fission of the uranium nuclei of core 5 is supplied to the cylindrical part 6 of the emitter shell, which is heated to 1600 ... 2100 K, and then through the MEZ 2, which is filled with cesium vapor during operation pressure, radiation, and with such an electron is transferred to collector 3 with an operating temperature of the order of 1000 K. In the MEZ 2, part of the heat (with an efficiency of about 15% is converted into electricity at a voltage of one EGE of 0.5 ... 1.0 V (most often 0, 5 ... 0.7 V). Unconverted part of the heat from the collector 3 through the first collector layer 10 insulation, the guard electrode 12 and the second collector insulation layer 11 is transferred to the carrier tube 9, with which heat is removed by the heat carrier (not shown). It is possible to remove heat from the carrier tube 9 through a special heat transfer system, for example, during thermal reactor tests of such EHS (not shown )

Последовательное соединение с помощью коммутационных перемычек 4 отдельных ЭГЭ приводит к сложению напряжений всех ЭГЭ в ЭГС, в результате чего суммарное напряжение ЭГС между токовыводами 14 и 15 примерно равно произведению напряжения одного ЭГЭ на число ЭГЭ в ЭГС. The series connection of 4 separate EEGs using the jumper wires leads to the addition of the voltages of all EGEs in the EHS, as a result of which the total voltage of the EHS between current outputs 14 and 15 is approximately equal to the product of the voltage of one EGE by the number of EGEs in the EHS.

Благодаря изготовлению КП методом газостатического прессования, который обеспечивает диффузионную сварку разнородных материалов без термических сопротивлений в контактах между слоями разнородных материалов, в рабочих условиях перепад температур на КП минимально возможный и обычно не превышает 50. . . 100К. Тем самым сброс непреобразованного тепла в космос производится излучением при высоких температурах. Due to the fabrication of KP by the method of gas-static pressing, which provides diffusion welding of dissimilar materials without thermal resistance in the contacts between layers of dissimilar materials, under operating conditions, the temperature drop across the KP is the minimum possible and usually does not exceed 50. . 100K. Thus, the discharge of untransformed heat into space is made by radiation at high temperatures.

Так как многоэлементная ЭГС предназначена для работы в составе ТРП с рабочим напряжением порядка 100...150 В, то в ТРП в рабочих режимах могут быть ЭГС, в которых разность потенциалов между коллектором 3 и несущей трубкой 9 будет равна по крайней мере половине рабочего напряжения ТРП, а при некоторых схемах коммутации ЭГС в ТРП и в аварийных ситуациях - того же порядка. Поэтому КП ЭГС должен иметь электрическую прочность не менее рабочего напряжения ТРП, т.е. не менее 100...150 В. В предложенной ЭГС это обеспечивается двухслойной коллекторной изоляцией с охранным электродом, электрически замкнутым на коллектор одного из центральных ЭГЭ. Благодаря тому, что охранный электрод 12 с помощью соединителя 13 электрически замкнут на коллектор 3 одного из центральных ЭГЭ, охранный электрод 12 будет не с плавающим потенциалом, который в принципе может быть любым, а иметь потенциал коллектора среднего ЭГЭ. В результате максимальная разность потенциалов между коллекторами 3 крайних ЭГЭ и охранным электродом 12 будет, во-первых, прогнозируема, и, во-вторых, равна примерна половине рабочего напряжения ЭГС (половине разности потенциалов между токовыводами 14 и 15). Прогнозируемое и относительно низкое значение разности потенциалов на слое 10 "мокрой" изоляции позволяет спроектировать ЭГС таким образом, что при любых режимах работы ЭГС максимальная разность потенциалов на слое 10 коллекторной изоляции будет меньше пробойного напряжения изоляции в паре и плазме цезия. Особенно опасным является режим заполнения паром цезия МЭЗ ЭГС, когда давление пара цезия постепенно повышается от нуля до рабочего значения. В этом режиме возможны любые значения произведения pd, где р - давление пара цезия, a d - расстояние, в том числе соответствующие минимуму кривой Пашена, когда возможен электрический пробой при относительно низких разностях потенциалов. Since a multi-element EHS is designed to operate as part of a TRP with an operating voltage of the order of 100 ... 150 V, in the TRP in operating modes there can be an EHS in which the potential difference between the collector 3 and the carrier tube 9 will be at least half of the operating voltage TRP, and with some EGS switching schemes in TRP and in emergency situations - the same order. Therefore, KP EHS must have an electric strength of not less than the operating voltage of the TRP, i.e. not less than 100 ... 150 V. In the proposed EHS, this is ensured by two-layer collector insulation with a guard electrode electrically closed to the collector of one of the central EGE. Due to the fact that the guard electrode 12 is electrically closed via the connector 13 to the collector 3 of one of the central EGEs, the guard electrode 12 will not have a floating potential, which in principle can be any, but have the potential of a secondary EGE collector. As a result, the maximum potential difference between the collectors 3 of the extreme EGE and the guard electrode 12 will be, firstly, predictable, and, secondly, equal to approximately half the operating voltage of the EHS (half the potential difference between the current leads 14 and 15). The predicted and relatively low value of the potential difference on the wet insulation layer 10 allows us to design the EHS in such a way that, in any EHS operation modes, the maximum potential difference on the collector insulation layer 10 will be less than the breakdown voltage of the insulation in the cesium vapor and plasma. Especially dangerous is the cesium vapor filling mode of the MEZ EHS, when the cesium vapor pressure gradually rises from zero to the operating value. In this mode, any values of the product pd are possible, where p is the cesium vapor pressure and d is the distance, including those corresponding to the minimum of the Paschen curve, when electrical breakdown is possible at relatively low potential differences.

Однако благодаря тому, что в рассматриваемой ЭГС разность потенциалов на "мокрой" изоляции мала и известна, пробой ее будет исключен. А требуемое высокое пробивное напряжение обеспечивается слоем 11 "сухой" коллекторной изоляции, не контактирующей с паром и плазмой цезия в следствие наличия охранного электрода 12 и электрическая прочность которой может быть в несколько сот вольт, т.е. существенно выше рабочего напряжения ТРП. However, due to the fact that in the EHS under consideration, the potential difference on the "wet" insulation is small and known, its breakdown will be excluded. And the required high breakdown voltage is provided by a layer of 11 “dry” collector insulation that is not in contact with steam and cesium plasma due to the presence of a guard electrode 12 and whose electric strength can be several hundred volts, i.e. significantly higher operating voltage TRP.

Таким образом, электрическое соединение охранного электрода с коллектором одного из центральных ЭГЭ позволяет исключить электрический пробой слоя изоляции, контактирующего с паром, как в номинальных, так и пусковом режимах работы, и, следовательно, повысить надежность и ресурсоспособность многоэлементной термоэмиссионной электрогенерирующей сборки и создать термоэмиссионный реактор с повышенным рабочим напряжением. Thus, the electrical connection of the guard electrode to the collector of one of the central EGE allows eliminating the electrical breakdown of the insulation layer in contact with steam, both in the nominal and starting modes of operation, and, therefore, to increase the reliability and serviceability of the multi-element thermionic power generation assembly and create a thermionic reactor with increased operating voltage.

1. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов / В.В. Синявский и др. // M.: Атомиздат, 1981, с. 15-20. 1. Design and testing of thermionic fuel elements / V.V. Sinyavsky and others // M .: Atomizdat, 1981, p. 15-20.

2. Патент RU 2095881 C1, H 01 J 45/50. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. 2. Patent RU 2095881 C1, H 01 J 45/50. Thermionic power generation assembly.

3. Патент RU 2151440 C1, Н 01 J 45/50. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка. 20.06.2000. Бюл. 17. 3. Patent RU 2151440 C1, H 01 J 45/50. Thermionic power generation assembly. 06/20/2000. Bull. 17.

4. Синявский В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. M.: Энергоатомиздат, 2000, с. 35-39, рис. 1.13. 4. Sinyavsky V.V. Methods and means of experimental research and reactor testing of thermionic assemblies. M .: Energoatomizdat, 2000, p. 35-39, fig. 1.13.

Claims (2)

1. Многоэлементная термоэмиссионная электрогенерирующая сборка, содержащая несущую трубку, внутри которой размещены не менее чем три последовательно соединенных электрогенерирующих элемента с топливно-эмиттерным узлом и коллектором, и общую для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию, выполненную в виде двух слоев, разделенных изолированным от несущей трубки охранным электродом, отличающаяся тем, что охранный электрод электрически соединен с коллектором одного из центральных электрогенерирующих элементов.1. A multi-element thermionic power generation assembly containing a carrier tube, inside of which at least three series-connected power-generating elements with a fuel-emitter assembly and a collector are placed, and common to all power-generating elements collector insulation made in the form of two layers separated from the carrier tube a guard electrode, characterized in that the guard electrode is electrically connected to the collector of one of the central power generating elements. 2. Многоэлементная термоэмиссионная электрогенерирующая сборка по п.1, отличающаяся тем, что электрическое соединение коллектора с охранным электродом выполнено из того же металла, что и охранный электрод.2. The multi-element thermionic power generation assembly according to claim 1, characterized in that the electrical connection of the collector with the guard electrode is made of the same metal as the guard electrode.
RU2002108978/09A 2002-04-08 2002-04-08 Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly RU2223571C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002108978/09A RU2223571C2 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002108978/09A RU2223571C2 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002108978A RU2002108978A (en) 2003-10-20
RU2223571C2 true RU2223571C2 (en) 2004-02-10

Family

ID=32172531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002108978/09A RU2223571C2 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2223571C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2240628C2 (en) * 2000-07-03 2004-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Thermophysical simulator of loop-channel multielement thermionic assembly and method for testing thermophysical simulator of loop-channel multielement thermionic assembly
RU2647486C1 (en) * 2017-03-22 2018-03-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method of testing high-temperature heat extinguishing elements

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2089008C1 (en) * 1995-06-02 1997-08-27 Отделение Научно-технический центр "Источники тока" Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения "Луч" Electricity-generating assembly of thermal emission reactor-converter
RU2095881C1 (en) * 1994-06-16 1997-11-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Thermionic power generating assembly
US5994638A (en) * 1996-12-19 1999-11-30 Borealis Technical Limited Method and apparatus for thermionic generator
RU2151440C1 (en) * 1998-03-26 2000-06-20 Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Thermionic power generating assembly

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2095881C1 (en) * 1994-06-16 1997-11-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Thermionic power generating assembly
RU2089008C1 (en) * 1995-06-02 1997-08-27 Отделение Научно-технический центр "Источники тока" Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения "Луч" Electricity-generating assembly of thermal emission reactor-converter
US5994638A (en) * 1996-12-19 1999-11-30 Borealis Technical Limited Method and apparatus for thermionic generator
RU2151440C1 (en) * 1998-03-26 2000-06-20 Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Thermionic power generating assembly

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СИНЯВСКИЙ В.В. Методы и средства экспериментальных исследований и реакторных испытаний термоэмиссионных сборок. - М.: Энергоатомиздат, 2000, с. 35-39. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2240628C2 (en) * 2000-07-03 2004-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Thermophysical simulator of loop-channel multielement thermionic assembly and method for testing thermophysical simulator of loop-channel multielement thermionic assembly
RU2647486C1 (en) * 2017-03-22 2018-03-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Method of testing high-temperature heat extinguishing elements

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4373142A (en) Thermionic energy converters
EP1695409B1 (en) Fuel cell and fuel cell stack
US6146786A (en) Electrochemical storage cell having a central core providing mechanical, thermal, and electrical functions
EP3595067A1 (en) Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies
US3211930A (en) Thermionic energy converter
RU2223571C2 (en) Multiple-element thermoionic electrogenerating assembly
CN110892524B (en) Bypass thyristor device with gas expansion cavity in contact plate
EP2856534A1 (en) Ceramic enclosed thermal battery
RU2347291C1 (en) Thermoemission electrogenerating module of nuclear reactor core with direct energy conversion
US3201619A (en) Nuclear thermionic converter
US3176165A (en) Series connection and spacing techniques for thermionic converters
US3330974A (en) Power generation apparatus
US3155849A (en) Thermionic converter
RU2061984C1 (en) Thermoelectric generator
RU2187156C2 (en) Thermionic power-generating module for nuclear reactor core and external thermionic heat-to-power conversion system (alternatives)
RU2000116664A (en) THERMOEMISSION ELECTRIC GENERATING MODULE FOR THE ACTIVE ZONE OF A NUCLEAR REACTOR WITH AN EXTENDED THERMOEMISSION SYSTEM OF TRANSFER OF HEAT ENERGY IN ELECTRIC
US3673440A (en) Uninsulated in-core thermionic diode
RU2102813C1 (en) Multielement electric generating channel
RU2095881C1 (en) Thermionic power generating assembly
US3329839A (en) Thermoelectronic energy containers for nuclear reactors
US3179822A (en) Thermionic energy converters
US3623947A (en) Nuclear reactor and thermionic converter cells therefor
RU2089008C1 (en) Electricity-generating assembly of thermal emission reactor-converter
US3218487A (en) High temperature thermionic generator
RU2063089C1 (en) Electricity-generating channel of thermionic converter reactor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040409