Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка

 

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании космических энергетических и двигательных установок преимущественно для использования их при решении двух взаимосвязанных задач: для доставки космических аппаратов (КА), и прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную, и последующего длительного в течение 10-15 лет энергообеспечения аппаратуры КА. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка (ЯЭУ) содержит термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) с активной зоной (АЗ) в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую и систему охлаждения (СО) ТРП в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем (ХИ), перекачивающим устройством и трубопроводами с теплоносителем. Введен размещенный вне АЗ ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от ТРП до ХИ, отводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от ХИ до перекачивающего устройства, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРП к дополнительному преобразователю. В качестве дополнительного преобразователя может быть применен термоэлектрический преобразователь, термоэмиссионный преобразователь, электромашинный генератор, выполненный на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга, регенеративный электрохимический генератор. Изобретение обеспечивает возможность работы ЯЭУ в двух существенно различающихся по мощности и ресурсу режимах с повышенным ресурсом при малой мощности и повышение качества отработки ЯЭУ в неземных условиях. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической 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.

Известна космическая ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) "Топаз" - Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз", Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 6, с. 450 - 454. 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 (АЗ), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, 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 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. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса, научно-технический сб. Вып. 1 (134) РД и ЭУ. Изд. НИИТП, 1992, с. 25 - 33. 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.

Наиболее близким аналогом изобретения является космическая двухрежимная ЯЭУ, 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. I, с. 20 - 24. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ): для электропитания ЭРДУ и проведения транспортных операций и для электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки информационного КА на ГСО. 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 ЭГК, в качестве эмиттерных оболочек которого использован упрочненный 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 двухрежимного ЭГК на длительный ресурс. Обычно ЭГК создается лишь на один режим работы, когда его параметры, в том числе геометрические размеры и количество ЭГЭ в ЭГК, могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Работа ЭГК 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 ЭГК, который бы длительно мог работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики ЭГК 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 ЭГК при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности работы ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы при пониженном уровне мощности и повышением качества отработки ЯЭУ в наземных условиях.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в космической двухрежимной ЯЭУ, содержащей ТРП в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения ТРП в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем (ХИ), перекачивающим устройством и трубопроводами с теплоносителем, включающими участки от ТРП до ХИ, от ХИ до перекачивающего устройства и от перекачивающего устройства до ТРП, введен размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим трубопроводом, подсоединенным в участку трубопровода от ТРП до ХИ, отводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от ХИ до перекачивающего устройства, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРК к дополнительному преобразователю, причем узел подсоединения подводящего трубопровода может быть выполнен в виде двухпозиционного переключающего устройства.

Космическая ЯЭУ может быть выполнена модульной, т.е. в виде не менее 2-х подсистем, каждая из которых содержит часть активной зоны ТРП, заключенную в герметичный контур, секцию холодильника-излучателя, перекачивающее устройство и трубопроводы с теплоносителем, а также дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, подводящий трубопровод, подсоединенный к участку трубопровода от ТРП до ХИ, отводящий трубопровод, подсоединенный к участку трубопровода от ХИ до перекачивающего устройства, систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройство, переключающее поток теплоносителя от ТРП к дополнительному преобразователю с узлом подсоединения подводящего трубопровода.

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 и дополнительный холодильник-излучатель.

На фиг. 1 приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ, а на фиг. 2 - ее вариант.

Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП 1, состоящий из активной зоны (АЗ) 2 и отражателя 3, между которыми может быть размещен герметичный корпус 4. АЗ 3 набрана из ЭГК 5, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя в АЗ 2 осуществляется через патрубок 6, а отвод - через патрубок 7. Циркуляция теплоносителя в системе охлаждения осуществляется перекачивающим устройством 8, выполненным обычно в виде электромагнитного насоса. Сброс непреобразованного в ТРП тепла производится излучением в космос с поверхности ХИ 9, выполненным, например, на основе тепловых труб 10. В систему охлаждения ТРП 1 входят также трубопровод от ТРП 1 до ХИ 9 в виде двух участков 11 и 12, разделенных переключающим устройством 13, и трубопровод 14 от ХИ 9 до переключающего устройства 8, и трубопровод 15 от перекачивающего устройства 8 до ТРП 1.

Вне ТРП 1 размещен дополнительный преобразователь 16 тепловой энергии в электрическую. В качестве дополнительного преобразователя 16 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. Дополнительный преобразователь 16 имеет систему подвода тепла 17, снабженную подводящим трубопроводом 18, подсоединенным к участку трубопровода между ТРП 1 и ХИ 9 в месте установки устройства 13, переключающего поток теплоносителя (переключающего устройства), и отводящим трубопроводом 19, подсоединенным к участку трубопровода 14 от ХИ 9 до переключающего устройства 8. Переключение потока нагретого теплоносителя от ТРП 1 к системе подвода тепла 17 дополнительного преобразователя 16 производится через переключающее устройство 13, которое может быть выполнено в виде двухпозиционного переключающего устройства. Дополнительный преобразователь 16 имеет дополнительную систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя, выполненную, например, также в виде циркуляционного контура с устройством теплоотвода 20, с дополнительным перекачивающим устройством 21, например электромагнитным насосом, и участками 22 и 23 трубопровода от дополнительного преобразователя к ХИ и от ХИ к дополнительному преобразователю соответственно. В качестве ХИ системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя может быть использован как основной ХИ с ТТ 10 (фиг. 1), так и применен дополнительный ХИ 24, например, также выполненный на основе ТТ 10 (фиг. 2).

В отражателе 3 размещены органы управления ТРП 1 в виде поворотных цилиндров 25 с поглощающими нейтроны накладками 26.

ТРП 1 и дополнительный преобразователь 16 снабжены клеммами 27 и 28 соответственно 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 25 ТРП 1 находятся в положении поглощающими накладками 26 к АЗ 2. Поэтому ТРП 1 не критичен, и в таком состоянии космическая ЯЭУ выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 25 таким образом, что накладки 26 отходят от АЗ 2. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГК 5. Выделяющееся в ЭГК 5 тепло отводится от АЗ 2 теплоносителем основного контура, который через патрубок 7 и участок трубопровода 11, переключающее устройство 13 и участок трубопровода 12 попадает в теплообменное устройство зон испарения ТТ 10 ХИ 9. В ХИ 9 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 9 теплоноситель через участок 14 трубопровода попадает в перекачивающее устройство 8, которое, создав напор, перекачивает теплоноситель через участок 15 и патрубок 6 в активную зону 2 ТРП 1.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГК 5 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 27. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 9. При этом переключающее устройство 13, выполненное, например, в виде двухпозиционного клапана, занимает положение, направляющее теплоноситель в ХИ 9. Поверхность ХИ 9, а также расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности первого режима работы, например транспортного, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание электроракетной двигательной установки (ЭРДУ). При этом дополнительный генератор 16 не работает, так как к нему не подводится тепло от ТРП 1.

После окончания работы ЯЭУ в первом режиме, например транспортном (доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования КА, например геостационарную), ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы, например для энергообеспечения аппаратуры КА с более низким уровнем мощности, но существенно большим ресурсом. Для этого уровень тепловой мощности ТРП 1 понижается, переключающее устройство 13 переводится в положение, когда поток теплоносителя от активной зоны 2 ТРП 1 направляется через участок 18 трубопровода к дополнительному преобразователю 16. В преобразователе 16 происходит преобразование этого тепла в электричество, которое с помощью клемм 28 отводится потребителю электроэнергии, например аппаратуре КА. Охлажденный в дополнительном генераторе 16 теплоноситель через участок 19 трубопровода попадает в участок трубопровода 14, затем в перекачивающее устройство 8 и через участок трубопровода 15 и патрубок 6 в активную зону 2 ТРП 1. Непреобразованное в дополнительном преобразователе 16 тепло с помощью дополнительной системы охлаждения, например, в виде дополнительного циркуляционного контура с участками теплоотвода 20, с участками 22 и 23 трубопроводов и дополнительным перекачивающим устройством 21 переносится в ХИ 9 или в дополнительный ХИ 24, где сбрасывается излучением в космос.

Так как тепловая мощность ЭГК 5 второго режима стала меньше, чем была в первом режиме, ЭГК 5 перестают генерировать электроэнергию и во втором режиме работы используются лишь как источники тепла для дополнительного генератора 16. Возможно обеспечение санкционированного прекращения работы ЭГК как источников электроэнергии, например, за счет удаления рабочего тела (пары цезия) из МЭЗ ЭГК 5.

Ресурс работы ЭГК как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГК, как распухание топливной композиции сердечника с деформацией эмиттерной оболочки до короткого замыкания электродов и электрический пробой коллекторного пакета, никак не скажутся на возможности работы ЭГК как обычного тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора.

Таким образом, изобретение обеспечивает возможность работы космической ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы при пониженном уровне мощности. Одновременно достигается повышение качества отработки двухрежимной ЯЭУ в наземных условиях, так как дополнительный преобразователь с длительным ресурсом работы может быть отработан в стендовых условиях с электронагревом, а термоэмиссионные ЭГК как источники электроэнергии могут быть отработаны в петлевых реакторных испытаниях на относительно короткий ресурс.

Формула изобретения

1. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь с активной зоной в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения реактора-преобразователя в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем, перекачивающим устройством и трубопроводами с теплоносителем с участками от реактора-преобразователя до холодильника-излучателя, от холодильника-излучателя до перекачивающего устройства и от перекачивающего устройства до реактора-преобразователя, отличающаяся тем, что введен размещенный вне реактора-преобразователя дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от реактора-преобразователя до холодильника-излучателя, отводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от холодильника-излучателя до перекачивающего устройства, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройством, переключающим поток теплоносителя от реактора-преобразователя к дополнительному преобразователю.

2. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую.

3. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую.

4. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен электромашинный генератор, выполненный на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга.

5. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен регенеративный электрохимический генератор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2