Космическая ядерная энергетическая установка
Владельцы патента RU 2562237:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Изобретение относится к космическим ядерным энергетическим установкам (КЯЭУ). КЯЭУ содержит ядерный реактор и контур его охлаждения. Активная зона в обечайке установлена с кольцевым зазором относительно корпуса реактора. В зазоре размещена разделительная обечайка, делящая кольцевой зазор между активной зоной и корпусом реактора на два кольцевых канала, которые сообщены со сборной камерой теплоносителя над активной зоной. Под активной зоной находится раздающая камера теплоносителя. В нижней части ядерного реактора расположены патрубки подвода и патрубки отвода теплоносителя, а также дополнительный вход для теплоносителя. Патрубки отвода сообщены с раздающей камерой теплоносителя, патрубки подвода - с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и обечайкой активной зоны, а дополнительный вход - с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и корпусом реактора. Контур охлаждения включает: турбомашинный преобразователь энергии, холодильник-излучатель, компрессор и циркуляционный трубопровод, соединяющий оборудование контура между собой и реактором через патрубки подвода и отвода. Технический результат: уменьшение градиента температур и повышение допускаемых напряжений на корпусе реактора. 3 ил.
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам, предназначенным для использования в качестве источников электрической энергии космических аппаратов.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с активной зоной, заключенной в обечайку и установленной с образованием кольцевого зазора относительно корпуса реактора, сборную камеру теплоносителя над активной зоной, раздающую камеру теплоносителя под активной зоной, патрубки подвода теплоносителя в нижней части ядерного реактора, патрубки отвода теплоносителя, соединенные с раздающей камерой, и контур охлаждения ядерного реактора с холодильником-излучателем, компрессором и трубопроводами циркуляции теплоносителя, соединяющими контур с реактором через патрубки подвода и отвода (патент РФ №139313, МПК G21D 1/00, опубл. 10.04.2014).
В известной космической ядерной энергетической установке теплоноситель поступает в реактор по трубопроводам циркуляции через патрубки подвода и поднимается по кольцевому зазору, образованному между корпусом реактора и обечайкой активной зоны в сборную камеру, после чего попадает в саму активную зону. Проходя через нее сверху вниз в раздающую камеру, теплоноситель нагревается и через патрубки отвода направляется в контур охлаждения по трубопроводам циркуляции, где происходит выработка электроэнергии и сброс остаточного тепла в космическое пространство при помощи холодильника-излучателя. Из холодильника-излучателя охлажденный теплоноситель направляется через компрессор обратно на вход в реактор. При такой циркуляции теплоносителя происходит непосредственный контакт внутренней поверхности стенки корпуса реактора с теплоносителем, который даже после охлаждения в холодильнике-излучателе имеет высокую температуру. В случае использования высокотемпературного теплоносителя для изготовления корпуса реактора требуется либо применение тугоплавких материалов, работоспособных длительное время при температуре порядка 1100К, технологии обработки и изготовления крупногабаритных деталей которых в настоящее время освоены в недостаточном объеме, либо выполнение стенки корпуса реактора большой толщины для исключения его разрушения вследствие резкого снижения прочностных характеристик материала при высоких температурах, что негативно сказывается на массогабаритных характеристиках установки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание космической ядерной энергетической установки с возможностью охлаждения корпуса реактора, что позволит повысить надежность и эффективность ядерной энергетической установки при сохранении массогабаритных характеристик.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение градиента температур и повышение допускаемых напряжений на корпусе реактора.
Указанный технический результат достигается тем, что космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с активной зоной, заключенной в обечайку и установленной с образованием кольцевого зазора относительно корпуса реактора, сборную камеру теплоносителя над активной зоной, раздающую камеру теплоносителя под активной зоной, патрубки подвода теплоносителя в нижней части ядерного реактора, патрубки отвода теплоносителя, сообщенные с раздающей камерой, и контур охлаждения ядерного реактора с холодильником-излучателем, компрессором и трубопроводами циркуляции, соединяющими контур с реактором через патрубки подвода и отвода согласно настоящему изобретению реактор снабжен, по крайней мере, одним дополнительным входом для теплоносителя и разделительной обечайкой, установленной в упомянутом зазоре с его делением на два кольцевых канала, соединенных со сборной камерой теплоносителя, при этом патрубки подвода сообщены с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и обечайкой активной зоны, дополнительный вход - с кольцевым каналом между корпусом реактора и разделительной обечайкой, а к контуру охлаждения после холодильника-излучателя подключена, по крайней мере, одна ветка циркуляции теплоносителя с дополнительными охлаждающим устройством и компрессором, на выходе соединенная с реактором через дополнительный вход.
Наличие ветки циркуляции теплоносителя, подключенной к контуру охлаждения после холодильника-излучателя и соединенной с реактором через дополнительно организованный вход, позволяет забрать часть холодного теплоносителя на охлаждение корпуса реактора, не вводя в установку независимую систему охлаждения корпуса, что потребовало бы дополнительного оборудования, необходимого для циркуляции теплоносителя по тракту и сброса тепла из него. Кольцевой канал, образованный пространством между дополнительно установленной разделительной обечайкой и корпусом реактора, служит трактом для отобранного теплоносителя вдоль внутренней поверхности корпуса реактора. Наличие на ветке дополнительного охлаждающего устройства после основного холодильника-излучателя позволяет доохладить теплоноситель до более низких температур, а смешение потоков теплоносителей с разной температурой охлаждения в сборной камере над активной зоной обеспечивает более высокую эффективность установки за счет большей разницы максимальной и минимальной температур термодинамического цикла и позволяет оптимизировать установку по количеству дополнительных систем.
Охлаждение корпуса реактора позволяет уменьшить градиент температуры и повысить допускаемые напряжения на корпусе реактора, вследствие чего становится возможным отказаться от нетехнологичных тугоплавких материалов, таких как молибден и др., и применять в качестве конструкционного материала при изготовлении корпуса реактора технологически отработанные материалы, значительно уменьшить толщину его стенки и в конечном итоге оптимизировать массогабаритные характеристики.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема установки, на фиг. 2 показан ядерный реактор установки (продольный разрез), на фиг. 3 показан пример выполнения дополнительного входа теплоносителя (выносной элемент 1). Космическая ядерная энергетическая установка содержит ядерный реактор 1 и контур охлаждения ядерного реактора. В корпусе реактора 1 закреплена активная зона 2, которая помещена в обечайку 3 и установлена с кольцевым зазором относительно корпуса реактора 1. Обечайка 3 может быть выполнена с днищем или без него. В упомянутом зазоре размещена разделительная обечайка 4, делящая кольцевой зазор между активной зоной 2 и корпусом реактора 1 на два кольцевых канала 5 и 6. Канал 5 образован пространством между корпусом реактора 1 и разделительной обечайкой 4, а канал 6 - пространством между обечайками 3 и 4. Над активной зоной 2 пространством под крышкой реактора образована сборная камера 7 теплоносителя, которая сообщена с кольцевыми каналами 5 и 6. Под активной зоной 2 находится раздающая камера 8 теплоносителя, образованная полостью между активной зоной 2 и либо днищем корпуса реактора 1, либо днищем обечайки 3. В нижней части ядерного реактора 1 расположены патрубки подвода 9 и патрубки отвода 10 теплоносителя, а также, по крайней мере, один дополнительный вход 11 теплоносителя, которые могут быть выполнены в виде труб, ввариваемых в корпус реактора коаксиально внешней поверхности патрубков подвода 9 с образованием зазора между ними для движения теплоносителя, или в виде отдельных патрубков или отверстий. Патрубки отвода 10 сообщены с раздающей камерой 8 теплоносителя, патрубки подвода 9 - с кольцевым каналом 6 между разделительной обечайкой 4 и обечайкой 3 активной зоны, а дополнительные элементы входа 11 - с кольцевым каналом 5 между разделительной обечайкой 4 и корпусом реактора 1.
В состав контура охлаждения ядерного реактора входят: турбомашинный преобразователь энергии 12, холодильник-излучатель 13, компрессор 14 и циркуляционный трубопровод, соединяющий оборудование контура между собой и реактором 1 через патрубки подвода 9 и отвода 10. Поле холодильника-излучателя 13 к контуру охлаждения подключена, по крайней мере, одна ветка циркуляции теплоносителя, содержащая охлаждающее устройство 15, компрессор 16 и соединенная с реактором 1 через вход 11 с образованием дополнительного тракта течения теплоносителя, параллельного основному контуру охлаждения. В качестве охлаждающего устройства 15 может быть использован холодильник-излучатель, капельный холодильник, холодильник на основе тепловых труб и др.
Ядерная энергетическая установка работает следующим образом.
Нагретый в активной зоне 2 газовый теплоноситель поступает в раздающую камеру 8, откуда через патрубки отвода 10 по циркуляционным трубопроводам попадает в турбомашинный преобразователь энергии 12, где происходит выработка электроэнергии, и в холодильник-излучатель 13, где сбрасывается остаточное тепло в космическое пространство. После холодильника-излучателя поток теплоносителя разделяется на два, один их которых направляется в компрессор 14 и далее в кольцевой зазор 6 через патрубки подвода 9, а второй по подключенной ветке проходит через дополнительное охлаждающее устройство 15, сбрасывает там еще больше тепла и с помощью дополнительного компрессора 16 поступает в кольцевой канал 6 между корпусом реактора 1 и разделительной обечайкой 4. Омывая поверхность корпуса реактора 1, более охлажденный поток теплоносителя снижает градиент температуры на стенках реактора и увеличивает допускаемые напряжения в материале. После выхода из кольцевых каналов 5 и 6 оба потока смешиваются в сборной камере 7, откуда теплоноситель попадает в активную зону 2 и контур замыкается.
Космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с активной зоной, заключенной в обечайку и установленной с образованием кольцевого зазора относительно корпуса реактора, сборную камеру теплоносителя над активной зоной, раздающую камеру теплоносителя под активной зоной, патрубки подвода теплоносителя в нижней части ядерного реактора, патрубки отвода теплоносителя, сообщенные с раздающей камерой, и контур охлаждения ядерного реактора с холодильником-излучателем, компрессором и трубопроводами циркуляции, соединяющими контур с реактором через патрубки подвода и отвода, отличающаяся тем, что реактор снабжен, по крайней мере, одним дополнительным входом теплоносителя и разделительной обечайкой, установленной в упомянутом зазоре и делящей его на два кольцевых канала, соединенных со сборной камерой теплоносителя, при этом патрубки подвода сообщены с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и обечайкой активной зоны, дополнительный вход - с кольцевым каналом между корпусом реактора и разделительной обечайкой, а к контуру охлаждения после холодильника-излучателя подключена, по крайней мере, одна ветка циркуляции теплоносителя с дополнительными охлаждающим устройством и компрессором, на выходе соединенная с реактором через дополнительный вход.
