активная зона реактора энергодвигательной установки

Формула изобретения

1. Активная зона реактора энергодвигательной установки, содержащая твэлы, размещенные в полости для протока рабочего тела двигателя снаружи трубчатых каналов, образующих тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии, отличающаяся тем, что активная зона по высоте образована из двух гидравлически несвязанных, симметричных друг относительно друга частей, разделенных в серединной поперечной плоскости зоны общим коллектором для сбора рабочего тела из названных частей, соединенным с каналом подачи рабочего тела в выхлопное сопло двигателя, выполненным по оси зоны, твэлы в каждой части размещены в кольцевых полостях между концентрично установленными обечайками с образованием двух трехходовых трактов встречного протекания рабочего тела из наружной и внутренней кольцевых полостей в центральную кольцевую полость, выход которой соединен с общим сборным коллектором, трубчатые каналы размещены в промежуточных кольцевых полостях, а коллекторы для подвода рабочего тела и теплоносителя и отвода теплоносителя выполнены на наружных торцах названных частей.

2. Активная зона по п.1, отличающаяся тем, что снаружи общего сборного коллектора размещен кольцевой слой теплоизоляции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерным энергодвигательным установкам (ЯЭДУ) и может быть использовано, например, в двухрежимных ядерных установках, создаваемых на базе ядерного ракетного двигателя (ЯРД) с различными системами преобразования тепловой энергии в электрическую.

Известны ЯЭДУ, разрабатываемые на базе ЯРД, в которых электрическая мощность генерируется при стационарной работе установки по замкнутому циклу (отвод тепла в космос с помощью радиатора), а тяга при работе ЯРД по незамкнутому циклу с отводом тепла путем выброса теплоносителя рабочего тела ЯРД в космическое пространство. Источниками энергии в таких установках могут служить реакторы с вращающимся или неподвижным слоем микрошариковых твэлов, а также реакторы с твердой активной зоной типа NERVA.

Известна активная зона реактора ЯЭДУ, содержащая кольцевую засыпку, образованную из микрошариковых твэлов, и размещенную снаружи засыпку систему параллельных оси зоны теплообменных U-образных труб или тепловых труб, образующих тепловоспринимающую поверхность и связанных с вынесенной из активной зоны той или иной системой преобразования энергии преобразователями с циклами Брайтона или Ренкина, а также с термоэлектрической или термоэмиссионной системами (1).

Основные технические трудности в создании известной активной зоны связаны с обеспечением необходимых свойств материалов, вопросами теплопередачи и стабильности топливных частиц (опасность их агломерации, фрагментации и спекания).

Наиболее близкой к предлагаемой является активная зона реактора ЯЭДУ, набранная из топливных сборок, содержащих твэлы, выполненные в виде призматических блоков гексагональной формы с осевыми отверстиями для прохода водорода рабочего тела двигателя, установленных контактно по боковым поверхностям друг с другом так, что в центре каждой топливной сборки из шести блоков, по ее высоте образован канал, в котором размещена теплоизолированная снаружи трубка Фильда, каждая из которых содержит кольцевой слой замедлителя из гидрида циркония. В нижней части трубки Фильда скреплены с огневым днищем реактора, удерживающим активную зону и формирующим выхлопную камеру реактивного сопла, а в верхней части они скреплены с холодным днищем реактора и соединены с коллектором подачи теплоносителя энергетического контура - жидкометаллического или газообразного. Также рассматривается вариант размещения в осевых каналах активной зоны, вместо трубок Фильда, теплоизолированных снаружи жидкометаллических тепловых труб. Трубки Фильда или тепловые трубки образуют в активной зоне тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии. В зависимости от размерности активной зоны количество в ней сборок и, соответственно, каналов с трубками Фильда или тепловым трубками может быть различным. Например, в активной зоне реактора NERVA для высокомощной ЯЭДУ их количество составляет 241 шт. а в активной зоне реактора SNRE для маломощной ЯЭДУ 94 шт.

Для обеспечения энергетического режима высокомощной ЯЭДУ с реактором NERVA и сброса остаточного тепла, выделяющегося в реакторной зоне после работы на двигательном режиме ЯРД, блочные твэлы выполняются с дополнительно встроенными в них тепловыми трубами или каналами с жидкометаллическим теплоносителем вариант двухрежимных твэлов. Для обеспечения энергетического режима маломощной ЯЭДУ с реактором ANRE названное количество трубок Фильда или тепловых труб оказывается достаточным. Таким образом, известная активная зона имеет два гидравлических контура, один из которых энергетический работает непрерывно в течение нескольких лет, а другой двигательный работает импульсно в режиме ЯРД (до нескольких сотен секунд в одном импульсе).

Известна активная зона быть использована с газотурбинным (цикл Брайтона), паротурбинным (цикл Ренкина), термоэлектрическим и термоэмиссионным вынесенными за ее пределы преобразователями тепловой энергии в электрическую. При включении двигательного режима ЯРД и его совмещении с энергетическим режимом через осевые отверстия твэлов прокачивается водород, который на выходе активной зоны нагревается до 2600 К и выбрасывается через реактивное сопло, создавая тягу. При этом для предотвращения перегрева трубок Фильда расход через них теплоносителя предполагается увеличивать (2).

В качестве одной из наиболее трудных для решения проблем реакторов с твердой активной зоной энергоустановок двоякого назначения отмечается большое различие в градиентах температур твэлов при работе на режимах большой и малой мощности. Для решения этой проблемы необходимо исследовать влияние механических напряжений, обусловленных нагревом на импульсном режиме, на целостность и работоспособность конструкции твэлов, а также замедлителя и опорных элементов, тепловых труб и труб для теплоносителя.

Недостатки известной активной зоны, кроме того, заключаются в следующем. Из-за существенных неравномерностей энерговыделения по высоте и поперечному сечению активной зоны при работе ЯРД с одноходовым пропусканием рабочего тела водорода сверху вниз через зону возможен перегрев центральных и недогрев периферийных трубчатых каналов. При использовании жидкометаллического теплоносителя в перегретых каналах развиваются режимы пузырькового и пленочного кипения, приводящие к прожогу стенки канала и выходу энергетического контура из строя. Необходимость выполнения трубчатых каналов на всю высоту активной зоны приводит к существенному температурному градиенту по их длине до 1000 К, что исключает возможность установки в них, например, термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) и требует выноса ТЭП за пределы активной зоны. При совмещении энергетического режима с режимом ЯРД градиент температуры по топливу и рабочему телу в направлении от входа к выходу активной зоны может достигать 2000 К. Для обеспечения не превышения допустимых перепадов температуры и давления рабочего тела при одноходовой схеме течения необходимо увеличивать его расходонапряженность, что требуется увеличения пористости топлива по газу до 40% и выше. В результате существенно растут массогабаритные характеристики активной зоны. Кроме того, возникает проблема высокотемпературной теплоизоляции длинных трубчатых каналов со стороны выходного, горячего торца активной зоны.

Анализ уровня техники в области твердых активных зон, разрабатываемых для перспективных ЯЭДУ, показывает, что неэффективность их теплогидравлической схемы снижает их эксплуатационную надежность и увеличивает массогабаритные характеристики установок в целом.

Задача изобретения создание компактной активной зоны, обладающей высокой эксплуатационной надежностью и совместимой с различными системами преобразования энергии, в частности с ТЭП встроенного типа.

Для этого предлагается активная зона реактора энергодвигательной установки, содержащая твэлы, размещенные в полости для протока рабочего тела двигателя снаружи трубчатых каналов, образующих тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии, отличающаяся от ближайшего аналога тем, что она по высоте образована из двух гидравлически несвязанных, симметричных относительно друг друга частей, разделенных в серединной поперечной плоскости зоны общим коллектором для сбора рабочего тела из названных частей, соединенным с каналом подачи рабочего тела в выхлопное сопло двигателя, выполненным по оси зоны, твэлы в каждой части размещены в кольцевых полостях между концентрично установленными обечайками с образованием двух трехходовых трактов встречного протекания рабочего тела из наружной и внутренней кольцевых полостей в центральную кольцевую полость, выход которой соединен с общим сборным коллектором, трубчатые каналы размещены в промежуточных кольцевых полостях, а коллекторы для подвода рабочего тела и теплоносителя и отвода теплоносителя выполнены на наружных торцах названных частей.

Кроме того, общий сборный коллектор снаружи может быть снабжен кольцевым слоем теплоизоляции. Выполнение активной зоны по высоте из двух гидравлически несвязанных, симметричных относительно друг друга частей, разделенных в серединной плоскости зоны общим коллектором для сбора рабочего тела из названных частей, позволяет снизить расходонапряженность рабочего тела, повысить тепловую мощность активной зоны при допустимых потерях давления по гидравлическому тракту. При этом пористость топлива по газу может быть уменьшена на 15% (вместо 40% для прототипа). Вывод рабочего тела из обеих частей в общий сборный коллектор дает возможность организовать многоходовое течение двух встречных потоков рабочего тела в каждой части так, чтобы не только уменьшить температурный градиент по высоте каждой из них, но и обеспечить надежное конвективное охлаждение металлоконструкций всех коллекторных узлов зоны. Схема двух встречных трехходовых потоков рабочего тела в трактах, образованных при размещении твэлов в полостях между концентрично установленными металлическими обечайками, оказывается наиболее выгодной как для эффективного охлаждения металлоконструкций, так и для эффективного сбора горячего газа в центральном объеме активной зоны, а не на ее открытом и охлаждаемом торце, как это может иметь место в прототипе. Размещение трубчатых каналов в промежуточных кольцевых полостях позволяет вдвое уменьшить их длину и тем самым снизить потери давления на прокачку теплоносителя энергетического контура, а также уменьшить температурный градиент по высоте и поперечному сечению каждой части. Это снижает вероятность перегрева теплоносителя, обеспечивает минимальную неравномерность температур по длине трубчатых каналов и позволяет, например, размещать в них ТЭП. Небольшая пористость топлива по газу (~ 15%) обеспечивает существенное снижение массогабаритных характеристик активной зоны, позволяет осуществлять теплоперенос в активной зоне преимущественно за счет теплопроводности ее материалов, а также снижает положительные эффекты реактивности, например, при попадании воды в зону или ее уплотнений в случае аварийного удара, т.е. создает дополнительный барьер ядерной безопасности. Поскольку на внешнем радиальном слое активной зоны и на торцах каждой ее части обеспечивается уровень температуры не выше 1800-2100 К, это облегчает задачу ее надежного теплоизолирования. Между любыми поверхностями теплосъема, образуемыми в обоих трехходовых трактах рабочего тела, температурные перепади не превышают 1000 К, что существенно ниже перепада температур в прототипе (до 2500 К). Это позволяет обеспечить требуемую равномерную температуру по топливу и конструкционным элементам активной зоны при самых напряженных режимах совмещения работы ЯРД и энергетического контура.

Для уменьшения теплопотерь из общего сборного коллектора через боковую поверхность активной зоны он может быть снабжен кольцевым слоем теплоизоляции, который также несет функцию дистанционирования между частями активной зоны.

На фиг.1 изображена активная зона, разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1.

Активная зона по высоте образована из двух частей 1, 2, симметричных друг другу относительно общего сборного коллектора 3, выполненного в серединной поперечной плоскости зоны. Каждая часть образована из концентрично установленных обечаек 4 9, между которыми образовано пять кольцевых полостей, содержащих твэлы 10. Выходы наружной первой (между обечайками 4, 5) и внутренней пятой (между обечайками 8, 9) кольцевых полостей соединены с входом соответствующей соседней кольцевой полости (между обечайками 5, 6 и 7, 8), выход каждой из которых, в свою очередь, соединен с входом центральной кольцевой полости (между обечайками 6, 7), а выход последней соединен с общим сборным коллектором 3. Таким образом, в каждой из частей 1, 2 активной зоны образовано по два трехходовых тракта встречного протекания рабочего тела из наружной и внутренней кольцевых тепловыделяющих полостей в центральную тепловыделяющую полость. При этом трубчатые каналы 11, 12, образующие тепловоспринимающую поверхность контура теплоносителя преобразователя энергии, размещается между твэлами, содержащимися в кольцевых полостях между обечайками 5, 6 и 7, 8. В трубчатых каналах 11, 12 могут быть размещены дополнительные трубки 13, образующие совместно с каналами систему трубок Фильда. В этих каналах также могут быть размещены жидкометаллические тепловые трубы или электрогенерирующие каналы ТЭП (не показаны).

Внутренняя обечайка 9 в частях 1, 2 образует осевой канал 14, который в серединной своей части сообщается с выходом общего сборного коллектора 3, а на своем выходе сообщается с выхлопным соплом (не показано). В осевом канале 14 размещено запорное устройство 15 (типа поршня), предназначенное для перекрытия выхлопного сопла на энергетическом режиме. На периферии общего сборного коллектора 3 размещен кольцевой слой теплоизоляции 16, с помощью которого осуществляется дистанционирование между частями 1, 2 активной зоны, обеспечивая разделение входной "холодной" части коллектора 3 от его выходной "горячей" части, а также формируются соответствующие тракты в коллекторе. На наружных торцах частей 1, 2 выполнены коллекторы для подвода рабочего тела двигателя (водород, аммиак и др. низкомолекулярные вещества), а также подвода и отвода жидкометаллического теплоносителя энергетического контура. В полостях коллекторов размещены блоки торцовых отражателей 17.

Активная зона имеет общую наружную теплоизолированную охлаждаемую обечайку, которая вместе с торцовыми коллекторными крышками образует тепловыделяющий модуль активной зоны в виде единого узла.

Для обеспечения низкой пористости (~ 15%) по газу в предлагаемой активной зоне могут использоваться твэлы пластинчатого, цилиндрического, призматического и стержневого (пруткового) типа. Они обеспечивают возможность профилирования энерговыделения в обеих частях активной зоны концентрацией делящегося вещества, позволяют получить регулярную сетку каналов охлаждения между твэлами и упростить сборочные операции при монтаже активной зоны. Характерные геометрические размеры твэлов: толщина 3-5 мм, длина 50-100 мм. Гидравлический диаметр каналов охлаждения 1 мм. В качестве материалов твэлов оптимальным сочетанием температуростойкости, теплопроводности и плотности урана обладают карбонитридные уран-циркониевые топливные композиции, например, типа (U_xZr_1-x)C_yN_y, обеспечивающие достижение минимальных массогабаритных характеристик предлагаемой активной зоны.

Кольцевые обечайки 4 9 выполняются из вольфрама и/или молибдена или их сплавов с рением. В составе реактора тепловыделяющий модуль окружен кольцевым слоем бокового отражателя, имеющим двенадцать регулирующих барабанов и размещенным в силовом корпуса реактора.

Активная зона работает следующим образом.

Энергетический режим.

На фиг. 1 показан вариант активной зоны с прокачкой через трубки Фильда жидкометаллического теплоносителя лития, который на выходе из активной зоны может использоваться, например, для нагрева термоэлектрического преобразователя энергии (ТЭЛП) или для нагрева газообразного теплоносителя в газотурбинной установке (ГТУ) (цикл Брайтона-Эрикссона).

Предварительно запорное устройство 15 перемещается вверх по осевому каналу 14 и перекрывает выхлопное сопло так, что в полости активной зоны создается некоторое избыточное давление (до 0,02 МПа) газообразного рабочего тела (смесь водорода с азотом) с целью обеспечения термодинамической стабильности карбонитридного топлива и увеличения теплопроводности всех газовых трактов. Литий поступает с обоих торцов активной зоны в части 1, 2, проходит внутри трубок 13, затем противотоком проходит через кольцевые зазоры каналов 12, 13, охлаждая окружающие твэлы и при температуре13000 К выходит за пределы активной зоны, поступая в контур преобразователя энергии.

Применительно к ЯЭДУ с встроенным в активную зону ТЭП в каналах 12, 13 размещаются электрогенерирующие каналы (ЭГК) с внешним расположением эмиттера из монокристаллического сплава вольфрама, что обеспечивает его нагрев до температуры19000-2000 К тепловым потоком от твэлов, окружающих каналы.

Охлаждение коллектора ЭГК, выполненного из молибденового или ниобиевого сплава, до темпеpатуры1100 К осуществляется прокачкой через встроенную в ЭГК трубку Фильда жидкометаллического рабочего тела лития, с его входом и выходом через торцовые коллекторы на частях 1, 2, те же самые, что и в схемах с ТЭЛП и ГТУ. ЭГК подключаются к внешней нагрузке через электроизолирующие токовыводы эмиттера и коллектора, расположенные на торцах частей 1, 2 и не подвергающиеся интенсивному радиационному облучению. При использовании встроенных ЭГК запорное устройство 15 также перекрывает выхлопное сопло.

Применительно к ЯЭДУ с ТЭЛП в каналах 12, 13 размещаются испарительные части жидкометаллических тепловых труб, а их конденсаторные части выведены в блок ТЭЛП, размещенный за пределами активной зоны. Теплоносителем тепловых труб могут быть натрий (рабочая температура1000 К) или литий (рабочая температура 1200 К). Тепловые трубы изготавливаются из сплава на основе ниобия и титана с размерами: диаметр 18-28 мм, длина до 3000 мм. При работе на энергетическом режиме жидкометаллический теплоноситель испаряется на длине каналов 12, 13, транспортируется внутри тепловой трубы в блок ТЭЛП, где конденсируется и по капиллярно-пористому фитилю возвращается обратно в испарительную часть. Тепловая мощность, передаваемая с помощью единичной тепловой трубы, может составлять 5-60 кВт, что обеспечивает надежную работу активной зоны при включении ЯРД.

Совмещенный (энерго-двигательный режим).

Перед включением ЯРД запорное устройство 15 перемещается вниз по осевому каналу 14 и открывает выхлопное сопло. При это циркуляция жидкометаллического теплоносителя через активную зону осуществляется в вышеописанной последовательности. Рабочее тело ЯРД водород (аммиак и т.п.) подается через торцевые коллекторы частей 1, 2 в наружную (между обечайками 4, 5) и внутреннюю (между обечайками 8, 9) кольцевые полости. Затем каждый из двух потоков, в каждой части, проходит один в кольцевую полость между обечайками 5, 6, другой в кольцевую полость между обечайками 7, 8 и далее оба потока поступают в кольцевую полость между обечайками 6, 7, на выходе из которой температура рабочего тела составляет 2800 К. Суммарный расход водорода из частей 1, 2 поступает в сборный коллектор 3 и из него в осевой канал 14, соединенный с выхлопным соплом.

Подача холодного водорода (~ 300 К) двумя встречными потоками на вход каждой части 1 и 2 активной зоны обеспечивает надежное охлаждение металлоконструкций коллекторов и торцовых отражателей.

В таблице приведены параметры предлагаемой активной зоны для различных систем преобразования энергии. Запасы реактивности в активной зоне составят: максимальный запас реактивности в холодном состоянии K = 1-1,5% ,, эффективность регулирующих барабанов на номинальных режимах работы K/K = 7% ,, суммарный температурный эффект 0,5% выгорание урана 0,4% заполнение водородом на двигательном режиме 0,4%

При работе активной зоны допускается отказ более половины регулирующих барабанов. Наличие пассивных систем безопасности в виде резонансных поглотителей (вольфрам, рений, литий), размещенных непосредственно в объеме активной зоны, также повышает ее эксплуатационную надежность. В сравнении с прототипом обеспечивается использование активной зоны с термоэлектрической, термоэмиссионной и турбомашинной системами преобразования энергии без существенных конструктивных изменений зоны и ее теплогидравлической схемы. Это позволяет проводить экспериментально-стендовую отработку основных узлов активной зоны с учетом особенностей той или иной системы преобразования и с достижением высокой эксплуатационной надежности зоны в целом.