МОДИФИЦИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО АТОМНОГО РЕАКТОРА ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Полезная модель относится к ядерной энергетике и может использоваться для получения электрической энергии от электромагнитного излучения радиоактивных элементов.
Известно устройство для получения электроэнергии из внутриатомной за счет радиоактивного альфа- или бета-распада RU 2113739 МПК G21H 1/00, G21H 1/02, состоящее из двух замкнутых металлических оболочек (эмиттера и коллектора). На эмиттере нанесен тонкий слой радиоактивного металла. Между эмиттером и коллектором в вакууме расположена металлическая сетка. Сетка присоединена к высоковольтной обмотке повышающего трансформатора, питаемого от промышленной электросети, а эмиттер и коллектор присоединены к первичной обмотке второго понижающего трансформатора, вторичная обмотка которого присоединена к потребителям электроэнергии. Радиоактивные альфа- или бета-частицы вылетают с поверхности эмиттера и летят к коллектору, и между эмиттером и коллектором возникает постоянный ток высокого напряжения, который переменное напряжение на сетке преобразует через трансформатор в переменный ток промышленного напряжения и частоты. Этот ток направляют автономным потребителям электроэнергии или в общую электросеть.
Известно устройство преобразования энергии WO 2012044879 МПК G21H 1/00; G21H 1/12, устройство преобразования энергии содержит ядерную батарею, источник света, присоединенный к ядерной батареи и выполненный с возможностью получать электрическую энергию от атомной батареи и излучают электромагнитную энергию, и фотоэлемент, выполненный с возможностью приема излучаемой электромагнитной энергии и преобразование получил электромагнитную энергию в электрическую энергию.
Также известен патент RU 2145129 МПК G21H 1/00, сущность изобретения: в центре герметичного вакуумированного кожуха расположена плита, выполненная из композитного материала, содержащего отработанное ядерное топливо. По обеим сторонам пластины параллельно ей установлены металлические экраны. Перед экранами под углом к их поверхности установлены жалюзи в виде конденсаторных пластин, находящихся под напряжением. Электроны, выходящие из плиты, проходят между пластинами жалюзи и создают электрический заряд на поверхности экранов. Электрический заряд с помощью токосъемников через переключатель фаз передается на первичную обмотку трансформатора, на вторичной обмотке которого индуцируется выходной ток.
Недостатками данных аналогов являются низкий уровень коэффициента полезного действия (КПД), короткий срок эксплуатации.
Известен метод и устройство для прямого преобразования радиационной энергии в электрическую WO 2012083392 МПК G21H 1/00, устройство представляет собой объемную систему из линейно упорядоченных плоских электрических емкостей, названой преобразователь. В междуэлектродном пространстве расположен сменяемый, наноразмерный, кластерный, с композитным строением порошкообразный материал, обладающий изоляционным и ферромагнитным свойствами и выполняющий функцию дискретного изолятора. Таким образом, преобразователь поставлен в защитный кожух, имеющий боковые, расположенные друг напротив друга отверстия, подвергается комбинированному, управляемому и проникающему в его объем воздействию радиационного излучения α-, β- и γ- лучей и магнитному полю.
Недостатком изобретения является низкий уровень КПД, узконаправленность применения и использование только как батарею - аккумулятор.
Ближайшим аналогом является устройство атомного реактора прямого преобразования радиационной энергии в электрическую RU 153422 МПК G21H 1/00, представляет собой атомный реактор состоящий из верхней и нижней части. Внутренняя зона верхней части реактора, является полой и активной, выполнена в виде емкости из легированной стали, в которой расположены стоящие вертикально: радиоактивные элементы и графитный регулирующий стержень. На радиоактивные элементы, нанизаны индукционные катушки, обмотанные по спирали изолированными алюминиевыми проводами. От каждой индукционной катушки, к стене реактора отходят по два изолированных алюминиевых провода (положительный и отрицательный), соединенные со специальными электрическими изоляторами, которые снаружи соединяются с проводником первичной обмотки. По торцам радиоактивных элементов на небольшом расстоянии находятся пластина «анод» и пластина «катод», которые и являются основным «преобразователем» заряженных частиц в электрический ток. Пластины «анод» и «катод» прикреплены к реактору через изолятор с наружными токосъемниками. Снаружи реактор выполнен из стальных пластин плотно прилегающих друг к другу. Верхняя наружная часть обмотана проводником первичной обмотки, а нижняя часть реактора обмотана проводником вторичной обмотки.
К недостаткам можно отнести то, что индукционная катушка обмотана изолированными алюминиевыми проводами, что не является достаточно надежным проводником (в нашем случае эта проблема устраняется благодаря использованию трубки из алюминиевого сплава), а радиоактивные элементы находятся в герметичных трубках, что препятствует в нужной степени, разлету «альфа» и «бэта» частиц, а также отсутствие «рубашки охлаждения» не позволяет использовать реактор при высоких температурах.
Задачей стоящей перед автором является увеличение КПД атомного реактора.
Задача решается благодаря:
- использованию катушки индукции в виде трубок из алюминиевого сплава с керамическими изоляторами, в качестве преобразователя радиоактивного излучения и потока заряженных частиц в электрический ток;
- воздействию магнитного поля с первичного контура обмотки наружной стороны реактора, на радиоактивный элемент и катушки индукции внутри реактора, в результате чего мы получаем магнитное поле направленного действия;
- установке и использованию анодной и катодной пластины для получения электрического тока из направленного потока заряженных частиц;
- использованию вторичного контура обмотки в качестве основного преобразователя электрического тока;
Сущностью полезной модели является возможность преобразования энергии, от излучения радиоактивных элементов, в электрический ток, благодаря воздействию радиоактивного излучения на катушку индукции внутри реактора преобразовании энергии в первичном контуре и трансформации ее на вторичном контуре обмотки. А также использованию анодной и катодной пластины, находящихся внутри атомного реактора, в качестве дополнительного преобразователя получаемых заряженных частиц от магнитного поля, в электрический ток.
На Фиг. 1 показан внешнее строение атомного реактора.
На Фиг. 2 показано внутреннее строение атомного реактора.
Реактор делится на две части:
1. Верхняя часть атомного реактора снаружи выполнена в виде вертикальных стальных пластин 10 плотно прилегающих друг к другу, а внутренняя зона является полой и активной, выполнена в виде емкости из легированной стали. Между стальными пластинами 10 и емкостью из легированной стали также находиться «рубашка охлаждения» (на фиг. не показана). Внутри емкости расположены стоящие вертикально: радиоактивные элементы 1 и графитный регулирующий стержень 2. Радиоактивный элемент 1 выполнен в виде вертикальной трубки запаянной по торцам. По всей высоте трубки имеются «окна» для беспрепятственного разлета альфа и бэта частиц. Радиоактивные элементы опоясаны, по всей высоте, трубками 3 из сплава алюминия, изолированных друг от друга керамическими изоляторами 4, расположенными на трубке 3 в шахматном порядке. Эти трубки 3 из сплава алюминия с изоляторами 4, обвивают по спирали радиоактивный элемент 1 и фактически выполняет функцию индукционной катушки. Концы трубок 3, выходят наружу реактора через его стенку и отделены от корпуса диэлектрическим изолятором 11 (показаны пунктирной линией). Снаружи трубки 3 соединяются с охлаждающей установкой 12, через диэлектрическую трубку 15. Также трубки 3 соединены снаружи с первичной обмоткой 5 при помощи металлической шины 13. По торцам радиоактивных элементов 1 на небольшом расстоянии находятся пластина «анод» 6 и пластина «катод» 7, анод на юг, катод на север. Которые и являются дополнительным «преобразователем» заряженных частиц в электрический ток. Пластины «анод» 6 и «катод» 7, прикреплены к реактору через изолятор с наружными токосъемниками 8. Наружная сторона верхней части реактора по спирали, вокруг всей поверхности обмотана проводником первичной обмотки 5. От охлаждающей установки 12 под давлением по алюминиевым трубкам прокачивается охлаждающий материал (например азот). «Рубашка охлаждения» соединена патрубками с холодильником 14.
2. Нижняя часть реактора состоит только из вертикальных стальных пластин 10 плотно прилегающих друг к другу. Наружная сторона нижней части реактора по спирали, вокруг всей поверхности обмотана проводником вторичной обмотки 9.
В нашем случае под радиоактивным элементом 1 рассматривались тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), аналогичные находящимся на атомных подводных лодках. Как правило, в них загружают обогащенную двуокись урана 235, 233 или плутония 239. Когда «ТВЭЛы» отрабатывают свой срок службы в активной зоне реактора, их убирают в «расхолаживающий» бассейн, но и после отработки своего срока службы радиоактивность «ТВЭЛов» достаточно велика и есть примеры их использования в малых энергетических установках, в отдаленных поселках, городах, в виде получения горячей воды для отопления и электроэнергии. Можно сделать вывод, что есть потенциал получения радиоизлучения от отработанных «ТВЭЛов», в течении нескольких лет, что применимо в нашей полезной модели.
Зная формулу распада 235U92 →231Th90+d(4He2) - это реакция альфа-распада. В результате распада ядра урана образуется ядро тория и альфа частицы (ядра гелия). При β- -распаде из ядра вылетает электрон и антинейтрон, при этом протон превращается в нейтрон. Гамма излучение - представляет собой электромагнитное излучение с большой частотой, обладающей большой энергией. Излишняя энергия может быть сброшена путем испускания одного или нескольких гамма квантов, это и называется гамма излучение.
Воздействие электромагнитного излучения от радиоактивных элементов 1 на индукционную катушку внутри реактора, которая представляет собой трубки 3 из алюминиевого сплава, возбуждает в катушках поток заряженных частиц направленного действия, еще называемым ЭДС (электродвижущей силой). В нашем случае мы внутри реактора используем индукционные катушки для получения электрического тока от воздействия электромагнитного излучения радиоактивного элемента 1.
Внутриреакторная индукционная катушка, в реакторе, соединена с наружной, проводником первичной обмотки 5, через изоляторы при помощи металлической шины 13. Электрический ток, индуцированный с внутриреакторной индукционной катушки, «течет» по проводнику первичной обмотки 5 наружной стороны реактора. Согласно законам физики электрический ток проходящий по проводнику создает магнитное поле. Электрический ток в первичной обмотке 5 индуцирует магнитное поле в ней, которое усиливается за счет металлических пластин встроенных в наружную часть реактора. В свою очередь вторичный контур обмотки 9 находящийся в нижней части реактора, под мощным воздействием магнитного поля индуцирует электрический ток, который можно использовать как основной преобразователь тока. Магнитное поле созданное первичным контуром 5 наводит вихревые потоки и внутри реактора. Вектора индукции пронизывают реактор изнутри вертикально на их пути находятся пластины «анод» 6 и «катод» 7, вверху и внизу. В результате атомного деления реактора образуются заряженные частицы электроны, ионы, протоны и нейтроны, но для нашего случая важно, что электроны и ионы могут иметь направление согласно магнитным вихревым потокам, т.е. вертикально, где и находятся наши пластины «анод» 6 и «катод» 7. Это заряженные частицы движутся на пластины «анод» 6 и «катод» 7, а не электрический ток. Катодно-анодные пластины соединены с токосъемниками 8 через изоляторы в стенке реактора, которые подают ток для дальнейшего использования в производстве.
Атомный реактор работает следующим образом:
Радиационное излучение от радиоактивного элемента 1, воздействует на индукционную катушку, которая представляет собой контур из трубок 3, обмотанных по спирали вокруг радиоактивного элемента 1, в результате чего создается поток заряженных частиц, являющийся электрическим током. Электрический ток, через трубки 3, передается на проводник первичной обмотки контура 5 с внешней стороны реактора через металлическую шину 13. Проходя по первичной обмотке контура 5, ток создает магнитное поле, которое усиливается наружными стальными пластинами 10. Магнитное поле с внешней стороны реактора воздействует на его внутреннюю часть, также усиливается за счет заряженных частиц, ударяющихся о внутренние стенки атомного реактора. В следствии этого, хаотичный поток радиоактивных заряженных частиц становится направленным «векторам» магнитного поля, под его же воздействием. По торцам радиоактивного элемента 1 находится пластина «анод» 6 и пластина «катод» 7, на которые и направлены полюса магнитного поля, позволяющие получать положительный заряд на пластину «анод» 6 и отрицательный на пластину «катод» 7. И после этого, через выведенный наружу токосъемник 8, получаемый электрический ток идет потребителю. Вторичная обмотка контура 9, является основным преобразователем электрического тока, в следствии мощного электромагнитного излучения от радиоактивного элемента 1. Так как радиоактивное излучение своей высокой частотой не только наводит электромагнитные токи, но и разогревает значительно материал. Поэтому в виде индукционной катушки 3 используется трубка из алюминиевого сплава, соединенная снаружи реактора, с охлаждающей установкой 12, по которой перемещается охладитель. Охлаждающим материалом может быть азот, он является хорошим диэлектриком, который менее подвержен воздействию радиации и хорошо охлаждает. Рубашка охлаждения, которая находиться вокруг внутренней активной зоны позволяет дополнительно охладить активную зону. Это позволит активно использовать реактор и при высоких температурах.
Под возрастающим радиационным излучением от радиоактивного элемента 1, мы имеем ввиду тот момент когда атомный реактор начинает свою работу, т.е. цепную атомную реакцию. Это происходит после введения радиоактивного элемента 1 в активную зону реактора.
При повышении температуры внутри реактора, температуру можно уменьшить путем созданием вакуума.
При необходимости электрический ток можно сделать постоянным или переменным до определенной частоты, при помощи установки диодного моста, конденсатора и т.д. Индукционных катушек может быть одна или несколько, в зависимости от размера атомного реактора.
Эффект от использования полезной модели заключается в:
- уменьшении габаритных размеров атомного реактора, за счет упразднения парогенерирующего оборудования;
- увеличении коэффициента полезного действия реактора, благодаря воздействию радиоактивного элемента на трубки 3 из алюминиевого сплава (индукционную катушку), индуцированию магнитного поля в первичной обмотке 5. Преобразовании электрического тока во вторичной обмотке 9. И наружному воздействию магнитного поля на радиоактивный элемент 1, в результате чего получаем движение направленного действия радиационных частиц, что в конечном итоге увеличивает количество получаемой электрической энергии;
Таким образом, поставленная перед автором задача по увеличению КПД, уменьшению габаритных размеров атомных реакторов выполнена.