Способ управления долгоресурсной космической ядерной энергетической установкой с термоэмиссионным реактором- преобразователем

 

Назначение: для правления термоэмиссионными реакторами-преобразователями (РП), используемыми в качестве источников электрической энергии в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) космических аппаратов. Сущность изобретения: для повышения ресурсоспособности ЯЭУ подстраивают в токовом канале регулирования задание на ток РП к минимально необходимому значению для характерных режимов потребления бортовой аппаратуры путем обеспечения заданного минимального тока в балластную нагрузку на этих режимах. Периодически определяют оптимальную температуру коллектора, регулируют величину термического сопротивления зазора между электрогенерирующим каналом и каналом охлаждения изменением давления газа в этом зазоре и подстраивают температуру коллектора к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре теплоносителя при постоянной тепловой мощности, периодически определяют оптимальную температуру генератора пара цезия (ГПЦ), подстраивают температуру ГПЦ к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре ГПЦ.

Изобретение относится к способам управления ядерными реакторами, в частности, к управлению термоэмиссионным реактором-преобразователем (РП), используемым в качестве источников электрической энергии в ядерных энергетических установках (ЯЭУ) космических аппаратов (КА).

Известен ряд способов управления ЯЭУ со встроенными в активную зону РП электрогенерирующими каналами (ЭГК) (Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками. /Под редакцией акад. Петрова Б.Н. М. Машиностроение, 1974; Системы управления ракетных двигателей и энергетических установок. М. Машиностроение, 1985).

Недостатком этих способов является то, что в них не предусматривается оптимизация режима работы по давлению пара цезия и температуре коллекторов ЗГК.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ управления термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз", включающий поддержание заданного уровня электрической мощности при постоянном напряжении, обеспечиваемым быстродействующим регулятором напряжения, перераспределяющим постоянный ток РП между аппаратурой КА и балластной нагрузкой, устанавливаемой в контуре теплоносителя ЯЭУ, путем поддержания заданного значения тока РП изменением тепловой мощности и давления пара цезия за счет изменения средней температуры генератора пара цезия (ГПЦ), тепловое состояние которого определяется двухпозиционным регулятором температуры, компенсацию ресурсных изменений параметров установки, в том числе связанных с отклонениями от оптимальных значений температуры коллекторов ЭГК и отклонениями от оптимальных значений средней температуры ГПЦ путем увеличения тепловой мощности, (Атомная энергия. т.71, вып.6, стр.575; т.71, стр.386).

Недостатками этого способа являются: 1) работа ЯЭУ на уровне тепловой мощности, превышающей необходимую, при управлении по току реактора; 2) дополнительная потеря электрической мощности РП при управлении по выходной температуре теплоносителя; 3) грубая подстройка (с шагом 12 К) м неизвестному ее оптимальному значению, которое может изменяться в течение ресурса, что может привести к росту тепловой мощности или снижению электрической; 4) отсутствие подстройки к оптимальному значению температуры коллекторов ЭГК, которое также изменяется в течение ресурса, что приводит к эффектам, аналогичным указанным в предыдущем пункте; 5) указанные обстоятельства в конечном итоге приводят к сокращению ресурса ЯЭУ.

Электрическая мощность РП при заданной тепловой мощности является экстремальной функцией давления пара цезия, определяемого температурой ГПЦ, и температуры коллекторов ЭГК, определяемой температурой теплоносителя и термическим сопротивлением коллекторного пакета ЭГК. Эта функция достигает максимума при определенных значениях температур генератора и коллекторов ЭГК (Tos)opt и (Tk)opt. Отклонения от этих значений могут привести к существенному уменьшению электрической мощности. Так, например, изменения Tk в пределах 100 К могут приводить к изменению электрической мощности в пределах 10-15% (Синявский В. В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М. Энергоатомиздат, 1990). Зависимость электрической мощности при заданной тепловой от Tos такова, что отклонения от (Tos)opt в пределах 10-15 К могут привести к уменьшению электрической мощности в пределах 5-10% ( Синявский В.В. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. М. Атомиздат, 1981). Величины (Tos)opt и (Tk)opt могут изменяться в течение ресурса.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение - повышение ресурсоспособности ЯЭУ за счет ее работы в течение кампании при минимальном токе РП, обеспечивающем потребности данного комплекта бортовой аппаратуры, и оптимальных значений температур ГПЦ и коллекторов ЭУК.

Технический результат обеспечение минимально возможной тепловой мощности РП в течение кампании, что приводит: к максимально возможному использованию закладываемых в конструкцию ЯЭУ резервов по температурному режиму (тепловой мощности) на ресурсную деградацию выходных параметров; к уменьшению необходимой мощности балластной нагрузки и, следовательно, массы системы регулирования напряжения. Все это приводит к увеличению ресурсоспособности ЯЭУ.

Этот результат достигается тем, что САУ с быстродействующим регулятором напряжения балластного типа оснащается программно-логическим устройством, с помощью которого предложенный способ реализуется следующим образом.

Подстраивают в токовом канале регулирования задание на ток РП к минимально необходимому значению для характерных режимов потребления бортовой аппаратуры путем обеспечения заданного минимального тока в балластную нагрузку на этих режимах.

Периодически определяют оптимальную температуру коллектора.

регулируют величину термического сопротивления зазора между ЭГК и каналом охлаждения изменением давления газа в этом зазоре и подстраивают температуру коллектора к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре теплоносителя при постоянной тепловой мощности, что исключает необходимость компенсации ресурсных изменений этого параметра тепловой мощностью.

Периодически определяют оптимальную температуру ГПЦ и подстраивают температуру ГПЦ к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре ГПЦ, что исключает необходимость компенсации ресурсных изменений этого параметра тепловой мощностью.

Подстройку к (Tk)opt можно осуществлять изменением термического сопротивления между каналом теплоносителя и коллектором ЭГК (R_т) изменением давления газа в газовом зазоре между ЭГК и внутренней трубкой канала охлаждения. Именно этот зазор вносит основной вклад в термическое сопротивление R_т. Изменение давления газа в зазоре в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен торр при тепловых потоках через коллектор 20-40 Вт/см² может приводить к изменению перепада температур от теплоносителя в каналах охлаждения РП при постоянной тепловой мощности изменения сброса мощности в балластную нагрузку, устанавливаемую в контуре теплоносителя, приводящему к изменению средней температуры теплоносителя в каналах охлаждения. При включениях-отключениях бортовой нагрузки или включениях-отключениях специально предусмотренной нагрузки могут быть определены знак и величина производной электрической мощности по средней температуре теплоносителя. Путем изменения давления газа в зазоре между ЭГК и каналом охлаждения можно минимизировать абсолютное значение этой производной до требуемой величины, что и будет означать подстройку к оптимальному значению температуры коллектора.

Оптимизация режима по температуре ГПЦ при применении двухпозиционного регулятора температуры производится по анализу автоколебаний температуры генератора, тепловой мощности и тока РП, а при применении регулятора, поддерживающего заданную температуру ГПЦ, путем минимизации производной dN_эл/dT_cs.

Минимально возможное значение установки тока РП в регуляторе тока для характерных режимов потребления бортовой аппаратуры выбирается из условия обеспечения заданного минимального тока в балластное сопротивление для этих режимов. Определенное таким образом задание на ток РП изменяется при переходе с одного режима потребления на другой по команде из комплекса управления КА.

Последовательность управляющих действий в предлагаемом способе может быть представлена следующим образом: определение и задание в регуляторе тока установки на ток РП для обеспечения определенного режима потребления бортовой аппаратуры; при заданном токе РП определение и подстройка к оптимальному значению (Tos)opt; при заданном токе РП определение и подстройка к оптимальному значению (Tk)opt; повторение указанных действий по подстройке к оптимальным значениям (Tos)opt и (Tk)opt при изменениях задания на ток РП;
периодическое в течение ресурса определение оптимальных значений (Tos)opt и (Tk)opt и подстройка к ним при заданном токе РП.

Возможность получения указанного выше технического результата определяется следующими обстоятельствами.

1. Возможный запас по уровню тепловой мощности и температурному режиму ЯЭУ для компенсации ресурсной деградации выходных параметров в современных проектах ЯЭУ ограничен по массогабаритным требованиям величиной 20-25% от расчетного номинального режима.

При отсутствии точной подстройки к (Tos)opt и (Tk)opt только отклонения значений этих температур от оптимальных значений с учетом изменений последних в течении ресурса могут привести к использованию практически полного указанного запаса или его значительной доли для компенсации этих отклонений (см. приведенные выше данные по влиянию температур ГПЦ и коллекторов ЭГК на электрическую и тепловую мощности).

3. При подстройке к минимальному току РП, оптимальным значениям (Tos)opt и (Tk)opt имеющийся в ЯЭУ запас по тепловой мощности может быть израсходован на компенсацию деградации всех других параметров ЯЭУ.

4. Работа в ЯЭУ в режиме с минимально возможным током РП и оптимизированным значениям (Tos)opt и (Tk)opt не только позволяет в максимальной мере использовать имеющийся запас по тепловой мощности, но и снизить темп использования этого запаса, что в совокупности приводит к возрастанию ресурса ЯЭУ, определяемого по критерию обеспечения минимально допустимой электрической мощности.

Формула изобретения

Способ управления долгоресурсной космической ядерной энергетической установкой с термоэмиссионным реактором-преобразователем, имеющим экстремальную зависимость электрической мощности от давления пара цезия, определяемого температурой генератора пара цезия, и от температуры коллекторов электрогенерирующих каналов, включающий поддержание заданного уровня электрической мощности при постоянном напряжении, обеспечиваемом быстродействующим регулятором напряжения, перераспределяющим постоянный ток реактора-преобразователя между аппаратурой космического аппарата и балластной нагрузкой, устанавливаемой в контуре теплоносителя энергетической установки, путем поддержания заданного значения тока реактора-преобразователя изменением тепловой мощности и давления пара цезия за счет изменения средней температуры генератора пара цезия, тепловое состояние которого определяется двухпозиционным регулятором температуры, компенсацию ресурсных изменений параметров установки, в том числе связанных с отклонениями от оптимальных значений температуры коллекторов электрогенерирующих каналов и отклонениями от оптимальных значений средней температуры генератора пара цезия, путем увеличения тепловой мощности, отличающийся тем, что подстраивают в токовом канале регулирования задание на ток реактора-преобразователя к минимально необходимому значению для характерных режимов потребления бортовой аппаратуры путем обеспечения заданного минимального тока в балластную нагрузку на этих режимах, периодически определяют оптимальную температуру коллектора, регулируют величину термического сопротивления зазоров между электрогенерирующими каналами и каналами охлаждения изменением давления газа в этих зазорах и подстраивают температуру коллектора к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре теплоносителя при постоянной тепловой мощности, периодически определяют оптимальную температуру генератора пара цезия и подстраивают температуру генератора пара цезия к оптимальному значению путем минимизации производной электрической мощности по температуре генератора пара цезия.