ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
Принцип действия
Принцип действия термоэмиссионного преобразователя основан на использовании явления испускания электронов раскаленной металлической поверхностью. Это явление можно наблюдать в обычной двухэлектродной лампе (диоде) с косвенным подогревом катода. Так же, как и в диоде, если катод (эмиттер) термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) нагревать теплом, выделяющимся при делении ядерного горючего, то он начнет
Принцип действия термоэмиссионного преобразователя основан на использовании явления испускания электронов раскаленной металлической поверхностью. Это явление можно наблюдать в обычной двухэлектродной лампе (диоде) с косвенным подогревом катода. Так же, как и в диоде, если катод (эмиттер) термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) нагревать теплом, выделяющимся при делении ядерного горючего, то он начнет испускать электроны, которые можно будет собрать на аноде (коллекторе).
В отличие от обычного диода, здесь для получения значительной силы тока между электродами не подводится напряжение от постороннего источника, и поэтому электроны должны самостоятельно преодолеть расстояние между эмиттером и коллектором. Максимальный электронный ток эмиссии в А/см2 определяется уравнением Ричардсона — Дешмана:
Но часть электронов, вырвавшихся из эмиттера, под действием электростатического притяжения вновь возвращается на эмиттер, образуя вблизи него отрицательный пространственный заряд (облако). Этот заряд препятствует прохождению электронов через межэлектродный промежуток. Очевидно, если расположить. коллектор относительно эмиттера на расстоянии, меньшем, чем расстояние до электронного облака, определяемое силой электростатического притяжения к эмиттеру, то оно не будет препятствовать прохождению электронов от эмиттера до коллектора. Это и есть так называемый вакуумный режим работы термоэмиссионного преобразователя или, иначе, вакуумные варианты ТЭП. Но для получения токов, близких к току Ричардсона, расстояние между электродами в вакуумных ТЭП должно быть очень малым, исчисляемым микронами. Выдержать такой зазор на достаточно больших поверхностях электродов при очень высоких рабочих температурах (свыше 1770 К) чрезвычайно трудно. Поэтому для практических целей используются термоэмиссионные преобразователи, в которых пространственный заряд нейтрализуется введением в межэлектродный зазор положительных ионов.
Для этой цели пространство между электродами заполняется парами металла, обладающего малой ионизацией. Таким металлом, например, является цезий, обладающий наименьшим потенциалом ионизации. Соприкасаясь с раскаленным эмиттером, цезий ионизируется; образующиеся положительные ионы нейтрализуют пространственный заряд, который ограничивает плотность тока, протекающего между эмиттером и коллектором.
Поскольку подвижность ионов существенно меньше, чем электронов (примерно в 500 раз), сила ионного тока в ТЭП мала, ионы длительное время находятся в межэлектродном зазоре, обеспечивая прохождение значительного числа электронов от эмиттера до коллектора.
Возможны три режима работы термоэмиссионного преобразователя при заполнении межэлектродного зазора, равного 0, 10, 8 мм, цезием: квазивакуумный (прямопролетный) диффузионный и дуговой. Квазивакуумный режим реализуется при давлениях паров цезия 1,33(10-2—1) Па (10-4—10-2 мм рт. ст.). В этом случае средняя длина свободного пробега электрона, вырвавшегося из эмиттера, до соударения значительно больше расстояния между эмиттером и коллектором. Поэтому почти все электроны из эмиттера доходят до коллектора. Количество этих электронов будет зависеть от компенсации пространственного заряда ионами цезия. При полной компенсации они все достигнут коллектора, при недостаточной компенсации будет иметься вблизи эмиттера скачок потенциала, препятствующий прохождению электронов к коллектору. При перекомпенсации скачок потенциала будет иметь обратный знак и будет препятствовать прохождению ионов к эмиттеру. Вне приэмиттерной зоны заряд во всех случаях полностью скомпенсирован. Максимальная мощность ТЭП будет при токе, равном току насыщения и выходном напряжении, равном φκ—φа. Из этого выражения следует, что для ТЭП необходимо подбирать материалы: для эмиттера — с максимальной работой выхода и коллектора — с минимальной. Кроме того, известно, что высокая работа выхода эмиттера позволяет эффективно осуществлять ионизацию атомов цезия. Но при высоких φк, как видно из уравнения Ричардсона — Дешмана, уменьшается ток эмиссии. Следовательно, необходимо искать компромиссное решение. На практике работу выхода эмиттера снижают за счет адсорбции на поверхности эмиттера атомов цезия. Это возможно только при достаточно высоком давлении паров цезия в межэлектродном промежутке. Тогда на отдельных участках поверхности эмиттера «налипает» слой атомов цезия, что обеспечивает высокий ток эмиссии, а генерация положительных ионов происходит на остальных (непокрытых) участках поверхности эмиттера.
В этом случае осуществляется диффузионный режим работы ТЭП. В этом режиме электроны, прежде чем дойти до коллектора, испытывают ряд соударений с атомами и ионами цезия, что уменьшает ток электронов.
При давлениях паров цезия, несколько больших или сравнимых с давлениями в диффузионном режиме, но при несколько больших температурах эмиттера, в ТЭП реализуется дуговой режим. В этом режиме число столкновений электронов с атомами или ионами цезия настолько велико, что в зазоре возникают объемная ионизация и рекомбинация ионов и электронов. Это приводит к новому качественному изменению параметров ТЭП. Генерируемый ток может превышать ток Ричардсона в несколько раз, хотя и при сравнительно малом выходном напряжении (0,4-0,6 В).
Улучшить характеристики ТЭП путем уменьшения работы выхода коллектора не представляется возможным, так как обычно на нем налипает слой атомов цезия и работа выхода коллектора равна работе выхода цезия.
Рассмотрим к. п. д. термоэмиссионного преобразователя, который в самом общем случае равен отношению выходной электрической мощности к теплу, подводимому к эмиттеру:
Тепло от эмиттера к коллектору передается излучением qизл, уносом электронами qэл, теплопроводностью через цезиевый пар qcs и различных контактных утечек (потерь) тепла qпот. При этом
Потери qпот зависят от конструкции ТЭП и составляют 10— 12% от общего количества тепла.
В лабораторных условиях к. п. д. термоэмиссионных преобразователей достигало 25—27%. Можно ожидать, что в реальных энергоустановках этот к. п. д. будет составлять 10—15%.
Рис. 1.25. Схема термоэмиссионного реактора преобразователя «Топаз»: 1 — вход цезия; 2 — теплоноситель; 3 — замедлитель; 4 — отражатель; 5 — выход цезия; 6 — коммутационная камера; 7 — поворотный цилиндр; 8 — ЭГК; 9 — корпус реактора; 10 — токовый вод
Из изложенного видно, что материалы, из которых должны изготовляться эмиттеры ТЭП, работают при очень высоких температурах и должны обладать высокой термостойкостью, большой работой выхода, малыми электрическими сопротивлениями, малыми сечениями захвата нейтронов (если ТЭП встроен в реактор), малой испаряемостью, хорошими технологическими свойствами (свариваемостью, обрабатываемостью) и т. п. Для этой цели используют вольфрам, молибден, ниобий, титан, ванадий, рений, монокристаллы и поликристаллы этих металлов с выведением на поверхность граней с оптимальными характеристиками, боридные и карбидные соединения этих металлов и специальные присадки (барирование и лантанирование).
Коллекторы работают при температурах от 873 до 1173 К, поэтому требования к материалам этих коллекторов также достаточно высоки. Поскольку желательно получить минимальную работу выхода коллектора, то для этого необходимо использовать металлы с большой работой выхода, на поверхности которых адсорбируется пленка цезия. В качестве материалов коллекторов используются чаще всего молибден, ниобий, никель, нержавеющая сталь.
Ко всем материалам термоэмиссионного преобразователя предъявляются требования совместимости с цезием — очень активным металлом.
Увеличение температуры коллектора в принципе желательно для уменьшения площади излучателя, но это связано с некоторым ухудшением выходных характеристик ТЭП. Для термоэмиссионного преобразователя обязательно наличие высоких температур (1773—2273 К). При весьма большом количестве конструктивных элементов ячейки ТЭП, находящихся в активной зоне реактора, имеет место паразитный захват нейтронов материалами конструкции. Это требует весьма высокой концентрации обогащенного урана в ядерном топливе и эффективных высокотемпературных замедлителей (для получения меньших габаритов и массы реактора).
Для рассматриваемых энергоустановок возможно применение реакторов как на тепловых, так и на быстрых нейтронах [например, первый в мире реактор-преобразователь «Топаз» (рис. 1.25), созданный в СССР, — тепловой].
В связи с тем, что напряжение, вырабатываемое одной ячейкой ТЭП, довольно мало (от 1 до 1,5 В), для получения стандартного напряжения набирают последовательно ряд ячеек. Коммутационные шины должны иметь низкое электрическое (для уменьшения омических потерь тока) и высокое тепловое сопротивление (для уменьшения перетечек тепла эмиттера к коллектору). Кроме того, шины должны обеспечивать и термическую компенсацию конструкции. Наиболее подходящими материалами для коммутационных шин являются молибден, тантал, вольфрам
Некоторое количество последовательно соединенных ячеек ТЭП заключается в оболочку для исключения воздействия внешних условий и утечки паров цезия, образуя термоэмиссионный тепловыделяющий элемент (ТТЭ). Для исключения замыкания по оболочке между коллекторами и между соседними эмиттерами устанавливаются фиксаторы, которые должны обладать малой теплопроводностью для уменьшения перетечек тепла с эмиттера на коллектор, иметь хорошие изоляционные свойства и обладать высокой механической прочностью и стойкостью при высоких температурах и воздействиях активных веществ, например, цезия.
Для узлов, изолирующих электроды, дополнительно требуется еще вакуумная плотность. Наиболее подходящими изоляционными материалами являются окись алюминия, окись бериллия и окись иттрия.
1.5.2. Принципиальные схемы
Энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием могут быть построены по двум основным принципиальным схемам: без применения теплоносителя и с применением теплоносителя (одноконтурные и двухконтурные).
Первая возможная схема — без применения теплоносителя. В этом случае термоэмиссионные элементы размещаются на внешней поверхности активной зоны реактора. Эмиттеры ячеек нагреваются этой поверхностью, а коллекторы охлаждаются путем излучения тепла с их поверхности. Такая схема близка к приведенной на рис. 1. 13 схеме с термоэлектрическим преобразованием.
Эта схема энергоустановки привлекательна из-за отсутствия в ней движущихся частей (не считая органов управления), однако она ограничена по выходной мощности, так как сброс тепла лимитирован поверхностью реактора, увеличение которой связано с увеличением массы реактора. По-видимому, энергоустановки с выходной мощностью до 5 кВт и температурой коллектора 1173—1273 К целесообразно строить по этой схеме, хотя в каждом отдельном случае решение этого вопроса требует конкретных расчетов. Вторая возможная схема энергоустановки (с выходной мощностью более 5 кВт) основана на использовании теплоносителя, снимающего тепло с коллекторов и переносящего его в излучатель для последующего сброса в пространство (рис. 1. 26).
В реакторе-преобразователе 1 тепловая энергия преобразуется ТЭПом в электрическую. Для охлаждения коллектора используется жидкометаллический теплоноситель (NaK, Li и т. п. в зависимости от температуры коллектора), переносящий тепло в излучатель 4. Циркуляцию теплоносителя создает электромагнитный кондукционный насос постоянного тока 5, электропитание 6 которого обеспечивается ТЭП. Регулирование реактора и подачи цезия в ТЭП осуществляется системой регулирования 2. Для компенсации объемного расширения теплоносителя при нагреве до номинальной температуры предусмотрена компенсационная емкость 3, а для удаления газообразных продуктов деления из реактора имеется специальная система 8 (без такой системы удаления газов нельзя обеспечить необходимое давление в межэлектродном зазоре и предотвратить изменение геометрических размеров эмиттера).
В принципе возможны энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием энергии, построенные по двухконтурной схеме. На рис. 1.27 показана принципиальная схема такой энергоустановки с большой выходной мощностью.
Здесь впереди находится термоэмиссионный реактор 1 со своей основной теневой защитой 4. Непосредственно за реактором находится резервуар 3 и система подачи цезия и удаления газообразных продуктов деления. Управляется реактор изменением величины утечки нейтронов из активной зоны реактора путем перемещения барабанов бокового отражателя 2 относительно корпуса реактора. Приводы секторов расположены за основной теневой защитой. Там же находятся насос 17 реакторного контура и теплообменник 6, в котором происходит передача тепловой энергии от теплоносителя реакторного контура к теплоносителю излучательного контура. Далее располагается вспомогательная защита 5. Такое разделение защит целесообразно для уменьшения влияния наведенной радиации теплоносителя реакторного контура. За вспомогательной защитой находятся система управления реактором 16 и преобразователь 15 первичного низкого напряжения, получаемого от ТЭП, в напряжение, используемое в космическом аппарате. Эти системы охлаждаются теплоносителем вспомогательного контура 9, имеющего свой насос 8 и отдельную секцию излучателя 10. Теплоноситель в излучательном контуре 12 циркулирует от насоса 13 и переносит тепло от теплообменника 6 к излучателю 11.
Рис. 1.27. Схема двухконтурной энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием:
1 — активная зона реактора; 2 — отражатель; 3 — резервуар с цезием; 4 — защита; 5 — вспомогательная защита; 6 — теплообменник; 7 — приводы органов регулирования; 8 — насос вспомогательного контура; 9 — вспомогательный контур; 10 — излучатель вспомогательного контура; 11 — излучатель; 12 — излучательный контур; 13 — насос излучательного контура; 14 — электровыводы; 15 — система преобразования и регулирования напряжений; 16 — система управления реактором; 17 — насос реакторного контура
В табл. 1.5 приведены основные данные космической энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием [26], построенной по схеме, близкой к рассмотренной выше, с выходной мощностью 25 кВт.
Таблица 1.5
Проект этой энергоустановки разработан в США (рис. 1.28).
Ее реактор регулируется при помощи поворотных барабанов из окиси бериллия с поглощающими секторами из В, С; приводы управления барабанами расположены над реактором (в отличие от схемы, показанной на рис. 1. 27).
В задней части энергоустановки находится отсек, в котором располагается система преобразования низкого первичного напряжения в выходное напряжение 9 В при помощи кремниевых транзисторов. Система преобразования имеет свой излучатель площадью 4,1 м2. Температура излучателя 371 К. Масса системы преобразования 93 кг, масса подводящих шин 122 кг. Потери мощности в подводящих шинах — 3,5 кВт, потери мощности на преобразование — 4 кВт.
Остановимся еще на одной возможной схеме энергоустановки также с термоэмиссионным преобразователем, предложенной Лос-Аламосской лабораторией в США (рис. 1.29).
Рис. 1.28. Двухконтурная термоэмиссионная энергоустановка:
1 — привод барабанов; 2 — тяги; 3 — реактор; 4 — компенсационный бак; 5 — защита; 6 — трубопроводы; 7 — излучатель; 8 — отсек преобразователей; 9 — насос реакторного и излучательного контура; 10 — теплообменник
Рис. 1.29. Схема энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием и тепловыми трубами: 1 — реактор; 2 — реакторные тепловые трубы; 3 — тепловая труба эмиттера; 4 — эмиттер; 5 — коллектор; 6 — излучающая поверхность 7 — тепловая труба коллектора; 8 — изоляция; 9 — защита
В этой схеме для передачи тепла от ТВЭЛа реактора 1 к ТЭП и для передачи тепла от коллекторов к излучателю в ТЭП используются так называемые тепловые трубы 2, 3, 7. В них тепло передается от горячего участка к холодному теплоносителем, движущимся под действием капиллярных сил от холодного участка к горячему в специальных каналах малых размеров, идущих вдоль внешней поверхности тепловой трубы. Теплоноситель реактора, испаряясь на горячем участке, поступает по внутреннему каналу трубы (в силу разности давлений между горячим и холодным участками трубы на холодный участок и там конденсируется, отдавая тепло тепловым трубам 3 эмиттеров ТЭП 4. Особенностью ячеек ТЭП является то, что эмиттеры 4 и коллекторы 5 — плоские. В этом случае можно обеспечить существенно меньшие межэлектродные зазоры, чем в кольцевых системах. От коллектора тепло передается излучателям 6 также тепловыми трубами (плоскими) 7.
В качестве ядерного горючего в этой схеме используется карбид урана с температурой 2273 К. Температура эмиттера 1903 К, температура коллектора 1003 К. Тепло от тепловых труб реактора к тепловым трубам эмиттеров передается излучением. Всего преобразователь ТЭП имеет 225 ячеек, каждая из которых дает 45,6 Вт (удельная мощность 12 Вт/см2); межэлектродный зазор равен 0,05 мм.
Масса такой энергоустановки с выходной мощностью 10 кВт должна составить около 435 кг.
4.5. 3. Некоторые особенности конструкции реактора-преобразователя
Ниже приводятся некоторые особенности конструкций для двух схем термоэмиссионных реакторов-преобразователей (теплового и быстрого), основные характеристики которых даны в табл. 1.6.
На рис. 1.30 показана конструкция реактора-преобразователя ITR, разработанного в ФРГ [15].
Рис. 1.30. Конструктивная схема реактора-преобразователя ITR:
1 — электровыводы термоэмиссионных элементов; 2 — передняя крышка реактора, 3 — верхняя решетка; 4 — отражатель (торцовый и боковой); 5 — термоэмиссионный тепловыделяющий элемент (ТТЭ); 6 — тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ); 7 — ячейка замедлителя; 8 — центральный корпус; 9 — регулирующие барабаны; 10 — нижняя решетка; 11 — патрубок подвода теплоносителя; 12 — задняя крышка реактора; 13 — патрубок отвода теплоносителя
Таблица 1.6
Реактор состоит из термоэмиссионных тепловыделяющих элементов, корпуса реактора, отражателя, органов регулирования, аварийной защиты реактора и резервуаров с цезием.
Тепловыделяющие элементы в данном реакторе разбиты на две группы, одна из которых вырабатывает электроэнергию для космического аппарата (ТТЭ), а другая служит для получения запаса надкритичности реактора (ТВЭЛ); в ТТЭ ядерным горючим служит двуокись урана, в ТВЭЛ U—ZrH1,6.
Активная зона реактора собрана из термоэмиссионных и тепловыделяющих элементов по гексагональной решетке и имеет диаметр 229 мм и длину 450 мм.
Корпус реактора сделан цилиндрической формы из нержавеющей стали и имеет переднюю 2 и заднюю 12 крышки с патрубками подвода 11 и отвода 13 теплоносителя. На корпусе реактора крепится боковой и торцовый отражатели 4, изготовленные из бериллия, толщиной —100 мм.
Регулирование реактора осуществляется путем изменения величины утечки нейтронов из активной зоны при помощи регулирующих барабанов 9, являющихся частью бокового отражателя. Для обеспечения аварийной защиты при наземных проверках и работах используются эти же барабаны; тепловыделяющие элементы 6 и термоэмиссионные тепловыделяющие элементы 5 крепятся в верхней и нижней решетках 3 и 10. ТТТ расположены в центральном корпусе 8 и имеет шестигранные ячейки замедлителя 7.
Подача цезия в каждый ТТЭ осуществляется от отдельного резервуара, температура которого обеспечивает нужное давление в межэлектродном зазоре.
Второй представленный в табл. 1.6 реактор является исследовательским, разработанным в США.
Основные отличия его от реактора ITR заключаются в том, что в нем отсутствуют дополнительные тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). Ядерного горючего, заключенного в ТТЭ, достаточно для обеспечения запаса надкритичности реактора.
Регулируется реактор с помощью откидных барабанов из ВеО.
Для получения требуемого напряжения два ТТЭ соединяются последовательно, а 81 пара таких ТТЭ — параллельно для выработки требуемой мощности. Термоэмиссионные тепловыделяющие элементы у обоих реакторов примерно одинаковы. В реакторе ITR каждый ТТЭ содержит 7, а в реакторе Electric Propul sion — 6 ячеек. Давление паров цезия в зазоре составляет 400-700 Па.
На рис. 1.31 показаны схема ТВЭЛ, поперечное сечение и продольный разрез ТТЭ, и коммутирующий узел, обеспечивающий последовательное соединение ячеек ТЭП реактора ITR.
На схеме ТВЭЛ показано изменение содержания водорода в композиции U-ZH в зависимости от расположения композиции от центра ТВЭЛ.
Ячейка ТЭП представляет собой концентричные цилиндры. Эмиттер 1 изготовлен из молибдена; внутри него находится ядерное горючее 2 (двуокись урана); коллектор 4 изготовлен из ниобия, изолирующий слой 5 — из окиси алюминия.
Термоэмиссионные тепловыделяющие элементы являются основным звеном термоэмиссионного реактора-преобразователя. Чаще всего они построены по схеме, показанной на рис. 1.31, б—г, но могут быть и другие конструктивные схемы, например, схема, показанная на рис. 1.32.
Безоболочные эмиттеры практически не применяются из-за высокой скорости испарения ядерного горючего и его распухания при делении.
Конструктивная схема ТТЭ с внешним расположением эмиттеров показана на рис. 1.32. В подобной схеме можно иметь очень длинные эмиттеры и коллекторы без больших омических потерь, т. е. делать одну ячейку преобразователя на всю длину реактора. Это возможно вследствие того, что условия охлаждения коллектора в этой схеме лучше, так что его можно сделать толще.
Рис. 1.31. Конструктивные элементы ITR:
а — схема ТВЭЛ; б — изолирующий узел ТТЭ; в — поперечный разрез ТТЭ; г — продольный разрез ТТЭ:
1 — молибденовый эмиттер; 2 — топливные блочки из двуокиси урана (93% U23S); 3 — зазор с цезием; 4 — коллектор; 5 — зазор между коллектором и корпусом ТТЭ; 6 — изолятор (AljOs); 7 — ниобиевые детали изолирующего узла; 8 — торцовые отражатели ТВЭЛ; 9 — топливная композиция ТВЭЛ (UZrHx) с указанием относительного содержания водорода по высоте ТВЭЛ; 10 — каналы цезия; 11 — каналы газообразных осколков деления
В такой схеме проще удалять газообразные продукты деления ядерного горючего, легче обеспечить выравнивание температуры эмиттера и меньший температурный градиент на горючем; она имеет высокую объемную долю горючего.
Правда, в этой схеме теплоноситель является частью коллектора, поэтому необходимы конструктивные меры по изоляции коллекторов ТТЭ друг от друга (что наиболее просто решается при использовании тепловых труб).
В табл. 1.6 даны основные характеристики реакторов-преобразователей семейства «Топаз», разработанных в СССР (см. рис. 1. 25).
Реактор — тепловой, диаметр зоны 300 мм, эмиттер изготовлен из молибдена, коллектор — из ниобия. В качестве изоляционного материала используется окись бериллия; оболочка ТТЭ сделана из нержавеющей стали.
Реактор «Топаз-1» отработал на рабочем режиме 1300 ч, при этом наблюдалось увеличение диаметра эмиттера на 1,5%.
Реактор «Топаз-2» отработал 1600 ч, выдавая мощность около 10 кВт, затем еще 6000 ч при меньшей мощности [79].
В заключение отметим общую особенность термоэмиссионных энергоустановок различных схем, а именно: их реакторы имеют, как правило, положительный температурный коэффициент реактивности, что обусловлено наличием большого числа разнородных неделящихся материалов в активной зоне реактора.
Рис. 1.32. Схема термоэмиссионного элемента с внешним эмиттером:
1 — оболочка; 2 — топливо; 3 — эмиттер; 4 — коллектор; 5 — теплоноситель; 6 — межэлектродный зазор; 7 — зазор между соседними элементами
Это обстоятельство усложняет эксплуатацию энергоустановки, предъявляя особо строгие требования к системе управления процессами запуска, вывода на режим и поддержания заданного режима работы. Отметим также, что энергоустановки с термоэмиссионным преобразованием могут иметь весьма большие удельные мощности. Так, уже сейчас имеются данные о возможности получения в ТЭП плотности мощности до 20 Вт/см2, а в экспериментах получена плотность до 75 Вт/см2 [46, 51]. Высокие удельные мощности обусловлены высокими рабочими температурами.
