Атомный реактор преобразования ядерной 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.
Известно 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.
Ближайшим аналогом является модифицированное устройство атомного реактора прямого преобразования радиационной энергии в электрическую RU 161260 МПК G21H 1/00, реактор снаружи выполнен 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. Внутри емкости расположены стоящие вертикально: радиоактивные элементы и графитный регулирующий стержень. Радиоактивный элемент 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 из сплава алюминия, изолированных друг от друга керамическими изоляторами, и фактически выполняют функцию индукционной катушки. Концы трубок, выходят наружу реактора через его стенку и отделены от корпуса диэлектрическим изолятором. Снаружи трубки соединяются с охлаждающей установкой, через диэлектрическую трубку. Также трубки соединены снаружи с первичной обмоткой при помощи металлической шины. По торцам радиоактивных элементов на небольшом расстоянии находятся пластина «анод» и пластина «катод», которые и являются дополнительным «преобразователем» заряженных частиц в электрический ток, пластины прикреплены к реактору через изолятор с наружными токосъемниками.
20
Недостатком ближайшего аналога является неспособность получения электрической энергии от высокочастотного электрического магнитного излучения с индукционной катушки внутри реактора, из-за существования в виде некогерентного потока гамма-квантов и частоты порядка 10 Гц. КПД устройства от заряженных частиц не превышает 1,5%, а при преобразовании энергии частиц КПД и вовсе составит менее 1%.
Задача стоящая перед автором состоит в упрощении конструкции и уменьшении габаритных размеров при увеличении КПД в работе атомного реактора прямого преобразования ядерной энергии в электрическую.
Задача решается благодаря упразднению парогенирирующего оборудования, а также трубопровода и циркуляционных насосов, кроме этого благодаря воздействию радиоактивного излучения на газообразное вещество и получение электрической энергии напрямую от ионизирующего газа (плазмы).
Сущностью полезной модели является возможность получения электрической энергии напрямую, благодаря емкости с газом под давлением, присоединенной к реактору при помощи трубки с регулирующим клапаном, кроме того благодаря использованию в качестве радиоактивных элементов слабообогащенных изотопов, между которыми расположен регулирующий стержень, при этом снаружи по всей высоте, трубки окружены отражателем нейтронов, а по торцам трубок, в горизонтальном положении расположены пластины «анод» и «катод», с выведенными наружу токосъемниками.
На Фиг. показано внутреннее строение атомного реактора.
Реактор состоит из:
1 - стержни со слабообогащенными изотопом, 2 - отражатель нейтронов, 3 - регулирующий стержень, 4 - входная трубка, 5 - индукционная катушка, 6 - пластина «анод», 7 - пластина «катод», 8 - наружными токосъемники, 9 - емкость с газообразным веществом под давлением, 10 - стальные пластины, 11 - регулирующий клапан, 12 - компрессор с охлаждающей жидкостью, 13 - диэлектрический материал стенки реактора, 14 - патрубки подачи охлаждающей жидкости.
Наружная часть реактора выполнена из плотно подогнанных вертикальных металлических пластин 10, поверх обмотанных индукционной катушкой 5 вдоль всего реактора. Вверху и внизу имеются наружные токосъемники 8. Также снаружи находятся емкость 9 с газообразным веществом под давлением, присоединенная к реактору с помощью трубки 4 с регулирующим клапаном 11 и компрессор 12 с охлаждающей жидкостью, соединенный с реактором патрубками 14.
Внутренняя часть реактора выполнена в виде полой металлической емкости окруженной вокруг «рубашкой охлаждения» (на фиг. не показана), а внутри выполнена из диэлектрического материала 13. По центру реактора вертикально расположены радиоактивные элементы, в качестве которых используются стержни 1 со слабообогащенными изотопами, между которыми расположен регулирующий стержень 3. Стержни с изотопами 1 окружены по всей высоте отражателем нейтронов 2. По торцам радиоактивных элементов в горизонтальном положении, вверху и внизу, расположены пластины выполняющие роль «анода» 6 и «катода» 7, соединенные с наружными токосъемниками 8.
Атомный реактор работает следующим образом:
Газообразное вещество поступает из емкости 9 в реактор под давлением. Заполняя внутреннее пространство реактора, газ подвергается электромагнитному излучению от стержней 1 с изотопами. В результате газ ионизируется до состояния плазмы. Электрический ток в индукционной катушке 5 создает магнитное поле, которое воздействует на плазменное состояние газа внутри реактора, в процессе чего создается направленный поток заряженных частиц, которые направлены к пластинам «катод» 7 и «анод» 6 они в свою очередь связаны через стенку реактора с токосъемниками 8 и изоляторами. Излучение от стержней 1 с изотопами сопровождается выделением большого количества тепла, для охлаждения реактора используется «рубашка охлаждения» соединенная снаружи патрубками 14 с компрессором 12 с охлаждающей жидкостью.
2
В качестве газообразного вещества возможно использовать пары натрия (Na) газообразный гелий (Не), также двуокись углерода (СО). Эти вещества менее подвержены распаду в активной зоне, не активируются, а двуокись углерода прекрасно диссоциируется на ионы.
Реакция взаимодействия нестабильных изотопов - реакция деления ядер. Как правило деление ядра сопровождается альфа или бета излучением и в основном гамма излучением. Гамма излучение проходит сквозь вещество не встречает «препятствий», но при этом ионизирует это вещество. Проходя сквозь газ гамма - лучи ионизируют его до состояния плазмы.
Внутри реактора между радиоактивными стержнями 1 с изотопами, происходит ядерная реакция, при помощи отражателя нейтронов 2 и регулирующего стержня 3. Газообразное вещество поступающее под давлением из емкости 9 в полость реактора ионизируется до свойства плазмы от радиоактивных лучей. Магнитное поле от индукционной катушки 5 усилено металлическими пластинами 10, воздействуя на ионизирующий газ создает направленный поток заряженных частиц (ионов). Согласно векторам магнитной индукции поток будет направленным (положительно заряженные к пластине «катод» 7, а отрицательные к пластине «анод» 6). Так как ядерная реакция сопровождается выделением тепловой энергии, то охлаждение реактора происходит от компрессора 12 с охлаждающей жидкостью по «рубашке охлаждения» внутри реактора. Пластины «анод» 6 и «катод» 7 соединены с токосъемниками 8 для получения электрической энергии.
Эффект от использования ПМ заключается в:
- уменьшении габаритных размеров атомного реактора, за счет упразднения парогенирирующего оборудования, а также трубопровода и циркуляционных насосов;
- увеличение КПД реактора благодаря воздействию радиоактивного излучения на газообразное вещество и получение электрической энергии напрямую от ионизирующего газа (плазмы).
Таким образом, поставленная перед автором задача по увеличению КПД, упрощению и уменьшению габаритных размеров "атомного реактора" в сравнении с подобными аналогами, выполнена.