космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля

Формула изобретения

Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь с активной зоной и боковым отражателем с размещенными в нем рабочими органами системы управления и защиты в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем мощности, причем активная зона набрана из двух групп сборок электрогенерирующих элементов с разными ресурсами работы, при этом первая группа набрана из сборок электрогенерирующих элементов с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из сборок электрогенерирующих элементов с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем электрогенерирующие элементы сборок второй группы содержат пониженное относительно электрогенерирующих элементов сборок первой группы количество делящегося вещества, отличающаяся тем, что сборки электрогенерирующих элементов первой группы размещены в периферийной части активной зоны у бокового отражателя, а сборки электрогенерирующих элементов второй группы размещены в центральной части активной зоны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической и атомной технике и может быть использовано при создании космических энергетических и двигательных установок.

В настоящее время наиболее вероятной областью применения космических ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) является использование их для решения двух взаимосвязанных задач: для доставки космических аппаратов (КА), и прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную (ГСО), и последующего длительного в течение 10-15 лет энергообеспечения аппаратуры КА. Тем самым ЯЭУ обеспечит решение космических задач, достаточно подготовленных для технической реализации. Ресурс 10-15 лет существенен для обеспечения конкурентоспособности по отношению к солнечным фотоэлектрическим преобразователям.

Такой космический комплекс, предназначенный как для выведения КА на рабочую орбиту, так и для последующего длительного энергообеспечения его аппаратуры, называют транспортно-энергетическим модулем (ТЭМ).

Известна космическая ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) "Топаз" [1]. Она содержит ТРП на тепловых нейтронах, радиационную защиту, систему охлаждения с теплоносителем в виде эвтектического сплава NaK, систему управления и несущую конструкцию. ТРП содержит активную зону (A3), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС), обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), отражатель, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов.

Такая ЯЭУ с ТРП успешно отработала в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года для питания аппаратуры КА. Однако эта ЯЭУ не может быть использована в качестве двухцелевой (двухрежимной) установки для электропитания не только аппаратуры КА, но и электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) как из-за низкого уровня электрической мощности, так и из-за относительно низкого ресурса.

Известна космическая ЯЭУ с ТРП в качестве источника электроэнергии ЭРДУ для осуществления транспортных операций по доставке марсианского экспедиционного комплекса к Марсу и возвращения экспедиции к Земле [2]. Она содержит ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем, активная зона которого набрана из высокоэффективных ЭГК; радиационную защиту; комбинированную систему регулирования реактора; систему охлаждения ТРП циркуляционного контура с литиевым теплоносителем и холодильником-излучателем на основе тепловых труб, выполненную в виде гидравлически независимых модулей. Электрическая мощность такой ЯЭУ от 2,5 до 15 МВт (в зависимости от схемы экспедиции) и ресурс 12000 часов.

Такая ЯЭУ способна обеспечить питание ЭРДУ для доставки к Марсу экспедиционного комплекса массой примерно 150 т и возврата к Земле корабля возврата на Землю массой 10 т с суммарным временем экспедиции не более 1,5 года. Однако такая ЯЭУ, спроектированная на высокие удельные характеристики и относительно невысокий ресурс, не может быть использована для длительного энергопитания аппаратуры КА.

Известна космическая двухрежимная ЯЭУ, предложенная в [3]. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ) или ТЭМ: для электропитания ЭРДУ и проведения транспортных операций (в основном для доставки КА на энергоемкие орбиты, например, геостационарную) и для последующего длительного электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки КА, преимущественно информационного. Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП с активной зоной в качестве источника тепла и одновременно преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую (для обеспечения электроэнергией потребителей транспортного режима), размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую (для длительного обеспечения электроэнергией потребителей полезного груза КА), систему охлаждения ТРП и дополнительного преобразователя в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем, перекачивающим устройством, трубопроводами и устройством, переключающим поток теплоносителя к дополнительному преобразователю. В качестве дополнительного преобразователя могут быть применены термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую; термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую; электромашинный генератор на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга; регенеративный электрохимический генератор. В качестве системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя может быть использован как основной ХИ, так применен дополнительный холодильник-излучатель.

Такая ЯЭУ способна обеспечить питание ЭРДУ для доставки на орбиту функционирования и последующее длительное энергопитание аппаратуры КА. Однако применение указанных преобразователей в качестве источника энергии для режима длительного энергопитания требует повышенных значений верхней температуры термодинамического цикла, а следовательно, и высокой рабочей температуры конструкционных материалов контура. Высокие температуры конструкционного материала снижают надежность и ограничивают ресурс ЯЭУ. Кроме того, наличие второго каскада снижает нижнюю температуру термодинамического цикла, что приводит к увеличению поверхности холодильника-излучателя, а следовательно, и массы ЯЭУ.

Известна космическая двухрежимная ЯЭУ, описанная в [4]. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ЯЭДБ (ТЭМ), а именно: для электропитания ЭРДУ и проведения транспортных операций (например, для доставки КА на ГСО) и для последующего длительного электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки КА, преимущественно информационного.

Космическая ЯЭУ содержит ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем; радиационную защиту; комбинированную систему регулирования реактора; циркуляционную систему охлаждения ТРП, состоящую из трубопроводов с литиевым теплоносителем, электромагнитного насоса с холодильником-излучателем на основе тепловых труб, выполненную в виде гидравлически независимых модулей. Активная зона ТРП набрана из ЭГС, в качестве эмиттерных оболочек которого использован упроченный легированный монокристалл вольфрама. Электрическая мощность ЯЭУ в транспортном режиме 100-150 кВт при ресурсе до 1,5 лет; мощность ЯЭУ в режиме энергообеспечения аппаратуры КА - 10-40 кВт при заявляемом ресурсе до 10 лет. Оба режима работы ЯЭУ обеспечиваются за счет работы ТРП в двух режимах: на номинальном (транспортном) режиме с максимальным уровнем мощности и в режиме пониженной тепловой и, следовательно, электрической мощности.

Однако создание такой двухрежимной ЯЭУ с длительным режимом работы связано со значительными трудностями и прежде всего с необходимостью создания двухрежимной ЭГС на длительный ресурс. Обычно ЭГС создается лишь на один режим работы, когда его параметры, в том числе геометрические размеры и количество ЭГЭ в ЭГС, могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Работа ЭГС в любом другом по тепловой мощности режиме будет неоптимальной, температурные поля на одном из режимов будут существенно неравномерны, что в принципе ставит под сомнение возможность создания ЭГС, которая бы длительно могла работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики ЭГС как автономного источника энергии "мягкие", т.е. рабочие ток и напряжение зависят от тепловой мощности, поэтому для каждого режима будет свое рабочее напряжение, что затруднит эксплуатацию такой ЯЭУ. Длительный ресурс ТРП потребует создания новой методологии отработки ЭГС при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является космическая двухрежимная ЯЭУ транспортно-энергетического модуля, предложенная в [5]. Она содержит ТРП в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем мощности. ТРП состоит из активной зоны, образованной из ЭГС, и отражателя, в котором размещены рабочие органы системы управления и защиты (СУЗ) в виде поворотных барабанов (цилиндров) из материала, замедляющего нейтроны, например, бериллия, и накладками из материала, поглощающего нейтроны, например, бора. Активная зона образована из сборок ЭГЭ с эмиттерной оболочкой, внутри которой помещено делящееся вещество, а система коммутации ЭГС снабжена токовыводами. Активная зона ТРП набрана из двух групп сборок ЭГЭ с разными ресурсами работы. При этом первая группа набрана из ЭГС с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из ЭГС с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем каждая из групп ЭГС снабжена собственной системой коммутации ЭГС с независимыми токовыводами. ЭГЭ сборок второй группы содержат пониженное относительно ЭГЭ первой группы количество делящегося вещества, например, объемная доля делящегося вещества внутри эмиттерной оболочки ЭГЭ сборок первой группы может быть равна 70-85%, а в ЭГЭ сборок второй группы - не превышать 50%.

При этом, как следует из описания изобретения [5] на стр.9, сборки первой группы, т.е. с повышенным содержанием делящегося вещества, размещены в центральной части активной зоны, а сборки второй группы с пониженным количеством делящегося вещества - на периферии активной зоны.

Однако в ТРП, как и в любом другом реакторе, существует радиальная неравномерность плотности нейтронного потока и, соответственно, плотности тепловыделения, причем плотность потока максимальна в центральной части активной зоны и минимальна у ее периферии у бокового отражателя (где у ТРП расположены рабочие органы СУЗ). Это приводит к двум нежелательным последствиям, а именно: неравномерности подогрева теплоносителя вдоль ЭГС и снижению эффективности рабочих органов СУЗ, расположенных в боковом замедляющем отражателе. Особенно важно второе обстоятельство. Это связано с тем, что влияние изменения положения поглощающих накладок рабочих органов СУЗ распространяется в основном на распределение нейтронного потока у отражателя, т.е. в периферийной части активной зоны ТРП. В случае расположения основной массы делящегося вещества в центральной части активной зоны возможна потеря управляемости ТРП или необходимость введения дополнительно рабочих органов СУЗ в центральную часть активной зоны, что может привести к существенному усложнению конструкции ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности работы ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах за счет повышения эффективности рабочих органов СУЗ, расположенных в боковом отражателе.

Указанный технический результат достигается в космической двухрежимной ЯЭУ транспортно-энергетического модуля, содержащей ТРП с активной зоной и боковым отражателем с размещенными в нем рабочими органами СУЗ в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем мощности, причем активная зона набрана из двух групп сборок ЭГЭ с разными ресурсами работы, при этом первая группа набрана из сборок ЭГЭ с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из сборок ЭГЭ с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем ЭГЭ сборок второй группы содержат пониженное относительно ЭГЭ первой группы количество делящегося вещества, в которой сборки ЭГЭ первой группы размещены в периферийной части активной зоны у бокового отражателя, а сборки второй группы с пониженным количеством делящегося вещества - в центральной части активной зоны.

На фиг.1 приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ транспортно-энергетического модуля; на фиг.2 - поперечное сечение ТРП; на фиг.3 и 4 - конструкционные схемы ЭГЭ первой и второй групп сборок соответственно; на фиг.5 - распределение нейтронного потока по радиусу активной зоны, демонстрирующее эффективность предложенного технического решения.

Космическая двухрежимная ЯЭУ ТЭМ содержит ТРП 1, циркуляционную систему охлаждения 2 с электромагнитным насосом 3 и холодильником-излучателем 4. ТРП содержит корпус 5 и активную зону (A3), набранную из сборок ЭГЭ двух групп, причем первую группу образуют сборки 6, которые размещены на периферии A3 (фиг.1 и фиг.2), а вторую группу - сборки 7 (на фиг.1 и фиг.2 они размещены в центре A3 внутри условной пунктирной линии). Каждая из групп сборок ЭГЭ снабжена собственной системой коммутации 8 и 9 соответственно сборок 6 первой группы и сборок 7 второй группы с независимыми токовыводами 11 и 10.

В состав ТРП входит отражатель 12, в котором размещены исполнительные органы управления (СУЗ) ТРП в виде поворотных цилиндров 13 с поглощающими нейтроны накладками 14.

Первая и вторая группы сборок снабжены каналами 15 и 16 соответственно для подачи пара цезия и удаления газообразных продуктов деления (ГПД) урана.

Таким образом, активная зона набрана из 2-х групп сборок ЭГЭ, причем первая группа набрана из ЭГС 6 с ЭГЭ с высокими удельными характеристиками, но с относительно невысоким ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима (ЭРДУ), обычно это 0,5...1,5 года. Вторая группа набрана из ЭГС 7 с ЭГЭ с пониженными удельными характеристиками, но с ресурсом, равным полному ресурсу работы ЯЭУ, т.е. равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима (ЭРДУ) и потребителей режима длительного энергоснабжения (аппаратуры КА).

Сборки 6 (фиг.3) и 7 (фиг.4) содержат ЭГЭ с эмиттерной оболочкой 17, внутри которой помещено делящееся вещество 18, и коллектор 19. Общими для всех ЭГЭ сборок будут коллекторная изоляция 20 и корпус 21, снаружи охлаждаемый теплоносителем (на чертежах не показано), например, эвтектическим сплавом NaK или Li. Зазор между цилиндрической частью эмиттерной оболочки 17 и коллектором 19 является межэлектродным зазором 22 термоэмиссионного преобразователя, который в рабочих условиях заполнен паром цезия. ЭГЭ сборок, по крайней мере, второй группы, снабжены газоотводным устройством, выполненным, например, в виде трубки 23 с жиклером 24. Делящееся вещество 18 занимает неполный объем внутри эмиттерной оболочки 17, часть этого объема образует центральную газовую полость (ЦГП), которая из-за разного содержания делящегося вещества различна для ЭГЭ сборок первой и второй групп (фиг.3 и фиг.4 соответственно).

Циркуляция теплоносителя в системе охлаждения 2 осуществляется перекачивающим устройством 3, выполненным обычно в виде электромагнитного насоса. Сброс непреобразованного в ТРП тепла производится излучением в космос с поверхности холодильника-излучателя 4, выполненным, например, на основе тепловых труб.

Снабжен клеммами 10 и 11 для отвода генерируемой электроэнергии потребителям или системе распределения электроэнергии (на фиг.1 и 2 не показано).

Космическая двухрежимная ЯЭУ работает следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 13 ТРП находятся в положении поглощающими накладками 14 к A3. Поэтому ТРП 1 не критичен и в таком состоянии космическая ЯЭУ выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 800 км, производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 13 таким образом, что накладки 14 отходят от A3. Начинается реакция деления топливного материала (делящегося вещества 18) внутри эмиттерных оболочек 17 ЭГЭ сборок 6 и 7. Выделяющееся в сборках 6 и 7 тепло отводится из A3 перекачиваемым насосом 3 теплоносителем 25 системы охлаждения 2, который попадает в ХИ 4. В ХИ 4 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в 4 теплоноситель попадает в насос 3, который, создав напор, перекачивает теплоноситель 25 через активную зону ТРП 1, охлаждая сборки 6 и 7.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности номинального режима в межэлектродные зазоры 22 ЭГЭ сборок 6 и 7 через каналы 15 и 16 соответственно подается рабочее тело (пар цезия) и сборки 6 и 7 начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия, вырабатываемая обеими группами сборок 6 и 7, с помощью изолированных токовыводов 10 и 11 отводится потребителю транспортного режима. Непреобразованная теплота термодинамического цикла сборок 6 и 7 отводится теплоносителем 25 аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 4. Расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности транспортного режима работы, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание ЭРДУ. При этом в генераторном режиме работают сборки ЭГЭ обеих групп.

После окончания работы ЯЭУ в транспортном режиме, например, после доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования КА, например, геостационарную, ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы с обеспечением потребителей режима длительного энергоснабжения аппаратуры КА на пониженном уровне мощности, но существенно большим ресурсом (10...15 лет). Для этого первая группа из сборок 6, которые израсходовали свой плановый ресурс, равный времени работы ЯЭУ в транспортном режиме, отключаются, например, удалением через канал 15 пара цезия из МЭЗ 22 ЭГЭ сборок 6 (сборок первой группы) или с помощью токовыводов 10. После этого сборки 6 первой группы работают не как электрогенерирующие устройства, а как обычные твэл, т.е. источники тепла, которое снимается теплоносителем 25.

ЭГЭ сборок 7 второй группы во время работы в транспортном режиме израсходовали лишь часть своего проектного ресурса (0,5...1,5 лет при ресурсе 15 лет и более) и могут дальше работать в качестве электрогенерирующих устройств. Через токовыводы 11 электроэнергия, генерируемая лишь сборками 7, т.е. меньшей мощности, чем в транспортном режиме, подается потребителям режима длительного энергоснабжения аппаратуры КА. Выделяющееся в ЭГЭ сборок 6, работающих как твэл, тепло и непреобразованное тепло термодинамического цикла в ЭГЭ сборок 7 отводится теплоносителем 25 системы охлаждения 2, который затем попадает в ХИ 4, где тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 4 теплоноситель попадает в насос 3, который, создав напор, перекачивает теплоноситель 25 в активную зону ТРП 1.

Ресурс работы сборок 6 ЭГЭ первой группы (фиг.З) как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГС, как распухание делящегося вещества 18 с деформацией эмиттерной оболочки 17 до короткого замыкания электродов и электрический пробой коллекторной изоляции 20 никак не скажутся на возможности работы ЭГЭ сборок 6 как обычного тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора.

Ресурс работы сборок 7 ЭГЭ второй группы как источника электроэнергии существенно выше, чем у ЭГЭ первой группы, так как предприняты специальные меры по повышению ресурса ЭГЭ и сборок 7 в целом в генераторном режиме за счет уменьшения объемной доли делящегося вещества 18 внутри эмиттерной оболочки 17 (фиг.4), например, до менее чем 50%, т.е. пониженного относительно ЭГЭ сборок 6 первой группы, в которых объемная доля делящегося вещества может составлять 70...85%, достигается уменьшение удельных тепловых нагрузок и снижение скорости распухания делящегося вещества 18.

Размещение сборок ЭГЭ первой группы (с повышенным содержанием делящегося вещества) в периферийной части активной зоны у бокового отражателя, где размещены рабочие органы (поворотные барабаны) СУЗ, приводит к перераспределению плотности потока нейтронов по сечению активной зоны, а именно: относительному повышению плотности потока в периферийной части A3 и относительному снижению плотности потока в центральной части, где размещены сборки ЭГЭ второй группы с пониженным содержанием делящегося вещества. На фиг.5 приведена качественная картина распределения плотности потока нейтронов f(r) по сечению A3 ТРП для трех случаев: 1) когда A3 набрана из сборок ЭГЭ лишь одной группы, например первой (кривая "а"), 2) когда A3 набрана из двух групп сборок, причем сборки ЭГЭ первой группы (с повышенным содержанием делящегося вещества) размещены в центральной части A3, а сборки второй группы (с пониженным содержанием делящегося вещества) - в периферийной части A3, т.е. как в прототипе (кривая "б"), 3) когда A3 также набрана из тех же двух групп сборок, однако сборки ЭГЭ первой группы (с повышенным содержанием делящегося вещества) размещены в периферийной части A3, а сборки второй группы (с пониженным содержанием делящегося вещества) - в центральной части A3, т.е. как это предложено в настоящем техническом решении (кривая "в"). Сравнение кривых "б" и "в" показывает, что предложенное техническое решение за счет перераспределения относительного потока нейтронов по сечению A3 позволяет повысить эффективность органов СУЗ, рабочие органы которой размещены в боковом отражателе ТРП, и тем самым повысить управляемость и безопасность эксплуатации ТРП космической двухрежимной ЯЭУ.

Применение рассмотренных средств по оценкам позволяет создать долгоресурсную сборку 7 ЭГЭ второй группы для двухрежимной ЯЭУ ТЭМ. Необходимое для этого уменьшение объемной доли делящегося изотопа в активной зоне ТРП 1 может быть скомпенсировано соответствующим увеличением объема активной зоны.

После отработки полного ресурса на обоих режимах работы ТРП глушится и ЯЭУ ТЭМ прекращает свою работу.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность работы космической ЯЭУ ТЭМ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы при пониженном уровне мощности с повышением надежности работы за счет увеличения эффективности органов СУЗ. Одновременно достигается более равномерный подогрев теплоносителя в активной зоне ТРП, а следовательно, и менее напряженная работа корпуса и других нагруженных элементов ТРП и ЯЭУ в целом, что также повышает надежность ЯЭУ.

Источники информации

1. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз". Атомная энергия. 1974. Т. 6, вып.6. С. 450-454.

2. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. Научн. техн. сб. Вып.1 (134) РД и ЭУ. Изд. НИИТП. 1992. С. 25-33.

3. Патент RU 2140675. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка.

4. Сухов Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК "Энергия" имени С.П.Королева по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения. Научн. техн. сб. РКТ. Труды РКК "Энергия" им.С.П.Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия", г. Калининград Моск. обл., 1995. Вып.3-4: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности. Ч. 1. С. 20-24.

5. Патент RU 2187854. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля.