Тепловыделяющий элемент

Тепловыделяющий элемент

Реферат

 

Сущность изобретения: тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) состоит из оболочки и торцевых крышек, внутри которых размещены запальное устройство, запальная смесь и низкоэнергетическая топливная смесь, заряд высокоэнергетической топливной смеси с удельным тепловыделением в пределах 3,0 - 6,0 МДж/кг при соотношении масс низкоэнергетической и высокоэнергетической смесей в пределах от 0,1 до 9,0, а оболочка выполнена из жаростойкого материала. Дополнительно оболочка ТВЭЛа может быть выполнена в виде радиатора, а одна из торцевых крышек может быть выполнена в виде накидной гайки, с которой совмещено запальное устройств. Боковая поверхность и одна из торцевых крышек могут быть теплоизолированы, а заряды запальной и топливных смесей могут быть разделены на части (локальные заряды) слоем инертного материала. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к малой энергетике, конкретно к автономным источникам тепловой энергии тепловыделяющим элементам ТВЭЛам.

Известен ТВЭЛ, состоящий из оболочки и торцевых крышек, внутри которого размещено топливо в виде порошковых прессовок из двуокиси урана плотностью 9,5 г/см³ [1] Указанные ТВЭЛ водо-водяных энергетических реакторов представляет собой стержень диаметром 10,2 мм с сердечником из выдавленной и спеченной двуокиси урана. В качестве оболочки использованы трубы из сплава циркония с добавкой 1% ниобия, имеющего высокие механические свойства при повышенных температурах.

Однако использование в качестве топлива радиоактивных делящихся материалов связано с известными опасностями при изготовлении и использовании таких ТВЭЛов, а также с опасностью аварий, последствием которых могут быть большие экологические катастрофы. Кроме того, ядерный ТВЭЛ не может быть использован сам по себе вне группы ТВЭЛов, образующих активную зону ядерного реактора.

Наиболее близким по конструкции является ТВЭЛ, состоящий из стальной оболочки с торцевыми крышками, внутри которой размещены заряды запальной смеси (ЗС), среднетемпературной топливной смеси (ТС) и запальное устройство [2] В устройствах, описанных в патенте [2] используются ТС, горение которых характеризуется сравнительно невысоким тепловыделением (менее 2,5 МДж/кг) и температурами горения не выше 1300 К, например 81% Fe₃O₄+19%CaSi₂,70%Fe₂O₃+30% FeSi₃ и другие аналогичные составы, а конструкционным материалом оболочки является сталь.

Задача изобретения создание высокотемпературных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) с регулируемыми уровнями температур и тепловых потоков, а также с регулируемыми спектральными характеристиками излучения и временем действия, которые могут быть использованы для нагрева газа, жидкостей, консистентных и твердых объектов и т.д. В зависимости от области применения используют различные модификации ТВЭЛов.

Задача изобретения достигается тем, что ТВЭЛ, состоящий из оболочки и торцевых крышек, внутри которых размещены запальное устройство, запальная смесь и низкоэнергетическая топливная смесь, дополнительно содержит заряд высокоэнергетической топливной смеси с удельным тепловыделением в пределах 3,0 6,0 МДж/кг, при соотношении масс низкоэнергетической и высокоэнергетической смесей в пределах от 0,1 до 9,0, а оболочка выполнена из жаростойкого материала. Дополнительно оболочка ТВЭЛа может быть выполнена в виде радиатора, а одна из торцевых крышек может быть в виде накидной гайки, с которой совмещено запальное устройство. Боковая поверхность и одна из торцевых крышек могут быть теплоизолированы, а заряды запальной и топливных смесей могут быть разделены на части (локальные заряды) слоем инертного материала. Размер и форма заряда ЗС определяются назначением и условиями эксплуатации ТВЭЛов. Классификация ТС поясняется в табл.1.

В табл. 1 представлены высокотемпературные топливные смеси с удельным тепловыделением 3,0 -6,0 МДж/кг.

В табл.2 представлены характеристики жаростойких материалов, из которых может быть выполнена оболочка ТВЭЛов и к которым относятся нержавеющие стали, жаропрочные стали, металлы (W, Mo, Ta, Ti), бориды Mo, Ta, Zr, La, карбиды Hf, Mo, Ta, Ti, Zr, B, нитриды Ta, Ti, Zr, силициды Mo, Ti, Zr.

В качестве инертного материала для разделения ЗС и ТС используют различные огнеупорные и теплоизоляционные материалы и их комбинации, в том числе шамот, глину, спеченные, литые и порошковые оксиды Al, Si, Zr, нитрид Al и т. д. а также конечные продукты сгорания, получающиеся в результате эксплуатации ТВЭЛов.

Для целей нагрева газа, жидкости, консистентных и твердых объектов используют ТВЭЛ (фиг. 1), состоящий из оболочки 1, выполненной из жаростойкого материала толщиной не более 3 мм, в качестве которого используют один из материалов, указанных в табл.1, и торцевых крышек 2 и 3. Внутри ТВЭЛа размещены заряд запальной смеси 4, низкоэнергетической топливной смеси 5, запальное устройство 6 и дополнительно заряд высокоэнергетической топливной смеси 7 с тепловыделением в пределах 3,0 6,0 МДж/кг, причем соотношение масс низкоэнергетической и высокоэнергетической смесей лежит в пределах от 0,1 до 9,0. Наружная оболочка может быть выполнена в виде радиатора. Одна из крышек (фиг. 2) может быть выполнена в виде накидной гайки 2, с которой совмещено запальное устройство 6, защищенное предохранительным колпачком 10. Крышки могут быть отделены от топливных смесей слоями инертного материала 8 или дистанцированы (отдалены) на требуемое расстояние. Возможен вариант, в котором боковую поверхность ТВЭЛа и одну из торцевых крышек 2 или 3 теплоизолируют, а вывод тепловой энергии в этом случае осуществляют в виде потока направленного излучения через торцевую поверхность, изготовленную из материала, максимум светопропускания которого приходится на требуемую спектральную область, причем эта торцевая поверхность может быть дистанцирована (отдалена) от горящего топливного заряда. Заряды запальной 4 и топливных смесей 5 и 7 (фиг.3) могут быть разделены на части (локальные заряды) слоем инертного материала 8. Выполнение оболочки в форме радиатора позволяет использовать ТВЭЛ для эффективного нагрева газовой среды. Использование хотя бы одной из крышек в виде накидной гайки допускает многократное использование ТВЭЛа после соответствующей перезарядки ТС и ЗС, чему может также способствовать наличие слоев инертного материала 8. Размер и форма заряда ЗС определяются назначением и условиями эксплуатации ТВЭЛов. Для вывода (отвода) тепловой энергии в виде потока направленного излучения боковую поверхность корпуса 1 и крышку 2 или 3 теплоизолируют, при этом другая крышка может быть удалена от горящего заряда ТС. Для увеличения продолжительности работы ТВЭЛ заряды ЗС и ТС могут быть разделены слоем инертного материала с заданной величиной теплового сопротивления. Величина последнего подбирается с таким расчетом, чтобы тепловая волна от сгоревшего предыдущего локального заряда ТС, проходя через слой инертного материала, могла поджечь следующий локальный заряд ЗС, а тот, в свою очередь, инициировать горение следующего за ним локального заряда ТС и т.д. В зависимости от числа локальных зарядов и соответственно длины ТВЭЛ время действия такого устройства может быть значительно увеличено. Расположение и форма заряда высокоэнергетической топливной смеси определяются назначением и условиями эксплуатации ТВЭЛов.

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом.

С помощью запального устройства 6 и ЗС 4 инициируют процесс горения низкоэнергетической ТС 5 и далее высокотемпературной ТС 7. Образовавшиеся фронт горения и соответствующая тепловая волна перемещаются с определенной скоростью (наиболее характерные величины скорости горения лежат в интервале 5,10^-4 5,10^-1 м/с) от одного торца ТВЭЛ к другому внутри оболочки 1. Оболочка 1 и торцевые крышки 2 и 3 ограничивают объем, в котором происходит тепловыделение, а соответствующая теплоизоляция ТВЭЛ 8, расположенная внутри или снаружи корпуса ТВЭЛ (фиг.2), позволяет осуществить отвод тепловой энергии либо со всей боковой поверхности в окружающее пространство, либо в виде потока направленного излучения через один из торцов ТВЭЛ.

Действие устройства, показанного на фиг.3, имеет следующую особенность. Образовавшаяся тепловая волна достигает слоя инертного вещества 8, имеющего специально подобранные характеристики (температуропроводность и теплоемкость). Проходя слой инертного вещества, тепловая волна уменьшается по амплитуде, повышая при этом температуру инертного слоя и обеспечивая тепловыделение на соответствующем участке боковой поверхности ТВЭЛ. "Ослабленная" тепловая волна достигает границы следующего локального заряда ЗС 4. Степень "ослабления" тепловой волны не должна быть слишком большой, чтобы сохранялась возможность поджига ЗС и инициировалось горение следующего локального заряда низкоэнергетической и высокоэнергетической ТС 5 и 7. Этот цикл повторяется столько раз, сколько локальных зарядов размещено в ТВЭЛ. Тем самым достигается желаемое увеличение продолжительности действия ТВЭЛ до необходимого значения.

В зависимости от области применения используют различные модификации ТВЭЛ, в том числе симметричной и несимметричной формы, варьируя по назначению потребителя массу, форму и расположение зарядов ЗС и ТС.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющий элемент, состоящий из оболочки и торцевых крышек, внутри которых размещены заряды запальной смеси, низкоэнергетической топливной смеси и запальное устройство, отличающийся тем, что он дополнительно содержит заряд высокоэнергетической топливной смеси с тепловыделением в пределах 3 6 МДж/кг, при соотношении масс среднетемпературной и высокотемпературной смесей в пределах 0,1 9,0, а оболочка выполнена из жаростойкого материала.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность оболочки выполнена в виде радиатора.

3. Элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что одна из крышек выполнена в виде накидной гайки, с которой совмещено запальное устройство.

4. Элемент по любому из пп. 1 3, отличающийся тем, что боковую поверхность элемента и/или одну из торцевых крышек теплоизолируют.

5. Элемент по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что заряды запальной и топливной смесей разделены на части (локальные заряды) слоем инертного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5