источник паров цезия

Формула изобретения

1. ИСТОЧНИК ПАРОВ ЦЕЗИЯ преимущественно для термоэмиссионных преобразователей энергии, содержащий резервуар с жидким цезием, заполненный сетками или пористым материалом, выполненный в виде стержня фитиль для разделения паровой и жидкой фаз цезия и подачи цезия с малым расходом в рабочий канал, снабженный патрубком выброса цезия, нагреватель цезия, экранно-вакуумную теплоизоляцию и дроссель, отличающийся тем, что фитиль снабжен навитой на стержень проволокой и запрессован в основание рабочего канала, размещенного внутри резервуара с цезием, который расположен в корпусе из материала с высокой теплопроводностью, например меди, а дроссель для установки величины давления паров цезия размещен между зоной испарения цезия из фитиля и патрубком выброса цезия.

2. Источник паров по п. 1, отличающийся тем, что нагреватель цезия выполнен в виде кольцевой камеры для прокачки теплоносителя, охватывающей резервуар с жидким цезием.

3. Источник паров по п. 1, отличающийся тем, что участок подвода жидкого цезия из резервуара на вход капиллярных каналов фитиля снабжен излучающей поверхностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной энергетике с термоэмиссионным преобразованием энергии в ядерных энергетических установках наземного и космического назначения и может быть предназначено для создания и поддержания в межэлектродных зазорах (МЭЗ) термоэмисионных преобразователей (ТЭП) определенной величины давления паров цезия, а также удаления из МЭЗ неконденсирующихся газов, выделяющихся при работе установки.

Существует много способов подачи и регулирования давления паров цезия в МЭЗ ТЭП. Регулирование температуры в однокомпонентной двухфазной системе жидкость пар однозначно определяет давление паровой фазы. Именно поэтому самое широкое распространение получили жидкостные источники пара цезия, которые представляют собой термостатированный резервуар с жидкометаллическим цезием [1] имеющим свободную поверхность. Регулирование давления пара цезия в МЭЗ ТЭР осуществляется за счет изменения температуры резервуара с жидким цезием, которая определяется тепловой мощностью, подводимой к резервуару.

Жидкометаллический источник паров цезия с термостатируемым резервуаром имеет следующие недостатки. Сильная зависимость давления пара цезия от температуры резервуара с жидкометаллическим цезием вызывает необходимость поддержания температуры резервуара с высокой точностью. В рабочем объеме ТЭП резервуар с жидкометаллическим цезием имеет относительно низкую температуру, не превышающую 380^оС, что в ряде случаев затруднительно реализовать в ТЭП. Жидкометаллический источник пара цезия с термостатируемым резервуаром имеет узкий диапазон оптимальных рабочих температур резервуара, что ограничивает его использование в ТЭП. При разгерметизации ТЭП в результате поступления воздуха в резервуар на поверхности жидкой фазы цезия происходит образование пленки из высокотемпературных окислов, которую трудно разрушить термическим способом. В результате требуется замена цезия либо самого резервуара с цезием.

Перечисленные недостатки жидкометаллического источника паров цезия с термостатируемым резервуаром вызвали потребность в разработке более современных способов подачи и регулирования давления цезия и других рабочих тел в ТЭП.

Наиболее близким конструктивным техническим решением к изобретению является система подачи цезия [2] не имеющая подвижных частей и пригодная для работы в условиях невесомости. В этой системе пористый фитиль помещен в центральной части сферического резервуара с цезием. Резервуар имеет сходящиеся к центру радиальные перегородки. Сужающиеся к центральной части резервуара щели между перегородками обеспечивают подвод жидкого цезия к фитилю за счет капиллярных сил. Конец фитиля, выходящий из резервуара, обогревается специальным электронагревателем, благодаря чему цезий на выходе из фитиля испаряется, причем величина расхода имеет резкую зависимость от температуры фитиля.

Недостатком этой системы является резкая температурная зависимость величины расхода, так как для поддержания постоянного расхода требуется система регулирования температуры фитиля.

Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильного расхода и давления паров цезия в широком диапазоне рабочих температур резервуара с цезием.

Достигается это тем, что в источнике паров цезия преимущественно для ТЭП энергии, содержащем резервуар с жидким цезием, заполненный сетками или пористым материалом, выполненный в виде стержня фитиль для разделения паровой и жидкой фаз и подачи цезия с малым расходом в рабочий канал, снабженный патрубком выброса цезия нагреватель цезия экранно-вакуумную теплоизоляцию и дроссель. Фитиль снабжен навитой на стержень проволокой и запрессован в основание рабочего канала, размещенного внутри резервуара с цезием, который расположен в корпусе из материала с высокой теплопроводностью, например меди, а дроссель для установки величины давления паров цезия размещен между зоной испарения цезия из фитиля и патрубком выброса цезия.

Нагреватель цезия выполнен в виде кольцевой камеры для прокачки теплоносителя, охватывающей резервуар с жидким цезием.

Участок подвода жидкого цезия из резервуара на вход капиллярных каналов фитиля снабжен получающей поверхностью.

На фиг. 1 показан источник паров цезия, продольный разрез; на фиг. 2 показана схема источника паров цезия, поясняющая принцип его работы (фитиль представлен в виде одного капиллярного канала).

Источник паров цезия содержит резервуар 1 с жидким цезием, в котором для удержания цезия в условиях невесомости установлена сетка или пористый заполнитель 2. Полость резервуара 1 сообщается с кольцевой щелью 3, которая сужается в направлении входа в фитиль 4, состоящий из цилиндрического стержня 5, проволоки 6, навитой на стержень 5. Стержень 5 с проволокой 6 запрессованы во втулку 7, расположенную в основании рабочего канала 10. Гидравлическое сопротивление капиллярных каналов фитиля 4 должно быть достаточно велико для получения требуемого малого расхода цезия через фитиль (1 г в сутки и менее). Фитиль 4 имеет излучающую поверхность 8, служащую для снижения температуры цезия на несколько градусов. Резервуар 1 с жидким цезием заключен в корпус 9 из материала с высокой теплопроводностью, например меди. Цезиевый пар, выходящий из фитиля 4, поступает по рабочему каналу 10 в МЭЗ реактора-преобразователя. Штенгель 11 предназначен для вакуумирования полости резервуара 1 и заправки его цезием. На корпус 9 установлен нагреватель 12, выполненный в виде кольцевой камеры, по которой прокачивается теплоноситель, отводящий тепло от реактора и определяющий температуру резервуара с цезием. Корпус 9 из материала с высокой теплопроводностью и экранно-вакуумная теплоизоляция 13 служат для выравнивания температурного поля резервуара с цезием.

На фиг. 2 фитиль представлен в виде одного капиллярного канала 14, сообщающегося через сужающуюся капиллярную щель 3 с внутренней полостью резервуара 1. Поперечное сечение щели 3 во много раз превышает сечение капилляра 14. Канал 10 соединен с трубопроводом, по которому подается пар цезия в МЭЗ, а также сообщается с дросселем 15, сопротивление которого определяет величину давления в канале 10 и МЭЗ. Дроссель 15 предназначен для регулирования величины давления паров цезия и выброса паров цезия и газов через патрубок 16 либо в окружающее пространство либо в специальный накопитель. Зона 17 испарения капилляров 14 расположена внутри резервуара 1 с цезием.

Источник паров цезия работает следующим образом.

При запуске и работе реактора теплоноситель нагревается и, прокачиваясь через кольцевую камеру нагревателя 12, нагревает резервуар 1 с жидким цезием. Разогретые пары цезия поступают из резервуара в щель 3 и далее на вход фитиля 4. На входе капиллярных каналов фитиля 4 цезий конденсируется благодаря отводу тепла излучающей поверхностью 8 в окружающую среду. Сконденсировавшийся цезий из щели 3 поступает в капилляры 14 фитиля. На выходе из фитиля 4 жидкий цезий испаряется, и пары цезия поступают в канал 10, откуда подаются в МЭЗ и к дросселю 15. Величина давления паров цезия в канале 10, сообщающемся с МЭЗ, устанавливается настройкой дросселя 15 (изменением сечения и длины дросселирующей канавки), через который пары цезия выбрасываются вместе с неконденсирующимися газами. Через патрубок 16 пары цезия могут выбрасываться либо в окружающее пространство, либо в специальный накопитель, улавливающий пары цезия, но пропускающий неконденсирующиеся газы.

Стабилизация величины расхода цезия через фитиль 4 (фиг. 1) и соответственно давления его паров в МЭЗ достигается за счет того, что зона 17 испарения капилляров 14 фитиля (фиг. 2) расположена внутри резервуара 1 с цезием, т. е. имеет ту же температуру, что и резервуар. Равенство температур зоны 17 испарения фитиля 4 и резервуара 1 с цезием исключает влияние на величину расхода цезия давления его насыщенного пара, величина которого резко зависит от температуры.

При любой температуре резервуара 1 давление насыщенного пара действует на жидкий цезий в капилляре 14 (фиг. 2) как со стороны зоны 17 испарения (выход из фитиля), так и со стороны входа в фитиль из резервуара 1 с цезием, взаимно уравновешивая друг друга, что устраняет зависимость расхода цезия через фитиль от температуры. Тем самым фитиль 4 осуществляет саморегулирование работы источника, поддерживая постоянство расхода цезия (и соответственно давления его паров) в широком температурном диапазоне.

Технико-экономические преимущества предлагаемого источника паров цезия для ТЭП энергии по сравнению с известными заключаются в следующем. Источник паров цезия функционирует без каких-либо дополнительных систем регулирования. Функции такой системы в нем выполняет малогабаритный фитиль. Любой из известных типов источников имеет систему регулирования со значительно большими габаритами. Источник паров цезия не требует термостатирования, он работоспособен в широком температурном диапазоне, что упрощает его обогрев. В то же время многие известные источники (с температурным регулированием жидкой фазы или твердых соединений цезия, источники на основе тепловых труб) основаны на точном поддержании температуры цезия. Источник паров цезия не потребляет при работе электроэнергию, что снижает потери электроэнергии на собственные нужды, так как он обогревается теплоносителем установки. Расход цезия, а следовательно и давление его паров автоматически поддерживается на постоянном уровне вне зависимости от возможных колебаний температуры источника. Саморегулирование может осуществляться в диапазоне температур источника от 350 до 600^оС. При этом в диапазоне температур 400 500^оС изменение величины давления паров цезия не превышал 10% от установленной величины (в диапазоне 0,4 4 мм рт. ст.). Источник с капиллярным саморегулированием обладает более высокой надежностью, чем любой из известных типов источников. Это достигается за счет сведения к минимуму количества элементов, обеспечивающих регулирование, и в первую очередь за счет исключения таких элементов, определяющих надежность и ресурс работы, как электронагреватели, датчики температуры, системы регулирования электронного или ионного типа. Источник имеет меньшие габариты и массу, чем источники других типов, так как вся его система регулирования укладывается в габариты фитиля, а габариты и вес остальных элементов источника зависит от количества находящегося в его резервуаре цезия, зависящего, в свою очередь, от требуемого ресурса работы.