Ядерная энергетическая установка
Владельцы патента RU 2748874:
Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (RU)
Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике и может быть использовано при создании ядерных энергетических, двигательных и энергодвигательных установок для решения задач, связанных с доставкой космических аппаратов (КА) на орбиту функционирования и последующим длительным энергообеспечением аппаратуры КА, а также обеспечением экспедиций к дальним планетам и в дальний космос. Ядерная энергетическая установка содержит замкнутый газовый контур, составленный последовательно из ядерного газоохлаждаемого реактора, турбины, горячего тракта рекуператора, холодильника, компрессора и холодного тракта рекуператора посредством трубопроводов, а также электрогенератор, соосный с турбиной и компрессором, соединенный через систему преобразования и распределения электроэнергии и коммутатор системы автоматического управления с полезной нагрузкой и балластной нагрузкой. Причем балластная нагрузка встроена внутрь замкнутого газового контура и размещена перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор или перед входом в горячий тракт рекуператора, а резистивные элементы балластной нагрузки выполнены на рабочее напряжение, соответствующее выходному напряжению электрогенератора. Техническим результатом является повышение КПД ядерной энергетической установки. 4 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано при создании ядерных энергетических, двигательных и энергодвигательных установок для решения задач, связанных с доставкой космических аппаратов (КА) на орбиту функционирования и последующим длительным энергообеспечением аппаратуры КА, а также обеспечением экспедиций к дальним планетам и в дальний космос. Ядерные энергетические установки представляют интерес и как автономные энергоустановки для наземных и лунных станций.
Известна ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ), разработанная для РКТ (патент RU 2276814, G21D 5/00, 20.05.2006, Бюл. 14), содержащая ядерный реактор, замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, систему управления, электрогенератор с приводом от турбины и компрессора, контур электрического ракетного двигателя со своей системой хранения и подачи двигательного рабочего тела. Замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии в электрическую, кроме нагревателя (ядерного газоохлаждаемого реактора), турбины, компрессора и электрогенератора еще содержит холодильник и рекуператор, чтобы использовать в своей работе турбогенераторный термодинамический цикл, называемый иногда циклом Брайтона (см., например, А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов - Энергетические системы космических аппаратов, М., Машиностроение, 1971, с. 282-286). Единичные мощные агрегаты понижают вероятность безотказной работы и снижают общую надежность ЯЭДУ в целом.
Известна ядерная энергоустановка (ЯЭУ) с замкнутым газовым контуром (патент RU 2447524, G21D 3/00, 10.04.2012, Бюл. 10), в которой применено непрерывно регулируемое резистивное устройство (балластная нагрузка), подключаемое к электрогенератору с возможностью отключения для регулирования нагрузки на роторе генератора. При разгоне/раскрутке турбокомпрессора-генератора замкнутого газового контура и достижении на балластной нагрузке заданного уровня мощности последняя отключается с подключением полезной нагрузки ЯЭУ.
Балластная резистивная нагрузка применяется не только при разгоне/раскрутке замкнутого газового контура и наборе мощности, но и при работе на стационарных режимах. Известна ядерная энергодвигательная установка (патент RU 2533672, G21/D 5/00, 20.11.2014, Бюл. 32 (прототип)) с замкнутым газовым контуром, в которой имеется система преобразования и распределения электрической энергии (СПРЭЭ), где каждый электрогенератор подключен к каждому электроракетному двигателю (ЭРД) своей группы и к равной ей по электрической мощности балластной нагрузке (БН), собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе. При наборе мощности ЯЭУ загружена одна секция БН. При достижении мощности, требуемой для работы одного ЭРД, секция БН отключается, а мощность подается на ЭРД. На стационарном режиме работы ЯЭУ под нагрузкой происходит постоянное отслеживание и регулирование выходных параметров ЯЭУ: напряжения, мощности, частоты, - за счет подключения/отключения секции балластной нагрузки. При этом БН работает под высоким напряжением ЭРД в несколько киловольт. В описываемом прототипе замкнутый газовый контур и СПРЭЭ функционально отделены друг от друга, тепловая энергия с БН сбрасывается тепловым излучением вовне и теряется, понижая эффективность работы ЯЭУ.
Стационарные режимы работы ЯЭУ длительные (в перспективе до 10 лет) и потери тепловой энергии с БН превращаются в перерасход топлива ЯЭУ - ядерного горючего.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности функционирования ЯЭУ, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение КПД ядерной энергетической установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в ядерной энергоустановке, содержащей замкнутый газовый контур, составленный последовательно из ядерного газоохлаждаемого реактора, турбины, горячего тракта рекуператора, холодильника, компрессора и холодного тракта рекуператора посредством трубопроводов, а также электрогенератор, соосный с турбиной и компрессором, соединенный через систему преобразования и распределения электроэнергии и коммутатор системы автоматического управления с полезной нагрузкой и балластной нагрузкой, причем балластная нагрузка встроена внутрь замкнутого газового контура и размещена перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор или перед входом в горячий тракт рекуператора, а резистивные элементы балластной нагрузки выполнены на рабочее напряжение, соответствующее выходному напряжению электрогенератора.
Газообразное рабочее тело с давлением порядка до 4 МПа с большим расходом внутри замкнутого контура обеспечивает интенсивное конвективное охлаждение балластной нагрузки до температуры рабочего тела.
Выбор места расположения балластной нагрузки в замкнутом газовом контуре зависит от конструкции ядерного газоохлаждаемого реактора, точнее от постоянной времени изменения мощности реактора посредством системы управления и защиты реактора (СУЗР) с подвижными элементами.
При малой инерционности управления реактором БН размещают перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор, и изменение его мощности отслеживается по поступлению дополнительного тепла с газом на входе. На стационарных режимах работы ЯЭУ диапазон регулирования составляет величину, не превышающую 10% от регулируемого уровня, что облегчает режим управления реактором.
При большой инерционности управления реактором БН размещают перед входом в горячий тракт рекуператора, чтобы дополнительное тепло от БН проходило по контуру с большей задержкой по времени до ядерного газоохлаждаемого реактора. При этом часть тепловой энергии БН будет проходить через рекуператор и теряться в холодильнике.
Низковольтный уровень рабочего напряжения на резистивных элементах балластной нагрузки, соответствующий выходному напряжению электрогенератора, снижает риск возникновения пробоев и при этом облегчает функционирование балластной нагрузки в области значительного радиационного излучения ядерного реактора.
Уменьшение потерь тепловой энергии, возврат ее в замкнутый газовый контур повышает кпд ЯЭУ, что в свою очередь позволяет увеличивать длительность функционирования ЯЭУ или уменьшать начальную загрузку реактора ядерным топливом при фиксированных сроках работы.
Возвращение в контур тепловой энергии, выделяемой на БН при регулировании стационарных режимов, - это своеобразная рекуперация, выливающаяся в конечном счете в повышение эффективности работы ЯЭУ.
На фиг. 1 представлена схема ЯЭУ с размещением балластной нагрузки перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор.
На фиг. 2 представлена схема ЯЭУ с размещением балластной нагрузки перед входом в горячий тракт рекуператора.
На фиг. 3 представлен график изменения кпд ЯЭУ в зависимости от доли вырабатываемой электроэнергии, сбрасываемой на балластную нагрузку: для известной из прототипа схемы - пунктирная линия, для заявляемой схемы - сплошная линия.
На фиг. 4 представлен график изменения превышения кпд ЯЭУ заявляемой схемы над кпд ЯЭУ известной из прототипа схемы в зависимости от доли вырабатываемой электроэнергии, сбрасываемой на балластную нагрузку.
На фигурах обозначено:
1 - турбина;
2 - компрессор;
3 - электрогенератор;
4 - ядерный газоохлаждаемый реактор;
5 - рекуператор;
6 - холодильник;
7 - балластная нагрузка;
8 - система преобразования и распределения электроэнергии;
9 - коммутатор системы автоматического управления;
10 - полезная нагрузка;
г-г - горячий тракт рекуператора 5;
х-х - холодный тракт рекуператора 5;
ηЯЭУ - коэффициент полезного действия ЯЭУ, %;
εБН - доля вырабатываемой электроэнергии ЯЭУ, сбрасываемой на балластную нагрузку, %;
ΔηЯЭУ - превышение кпд ЯЭУ заявляемой схемы над кпд ЯЭУ известной из прототипа схемы, %.
Замкнутый газовый контур ядерной энергетической установки составлен из последовательно соединенных ядерного газоохлаждаемого реактора 4, турбины 1, горячего тракта рекуператора 5 г-г, холодильника 6, компрессора 2 и холодного тракта рекуператора 5 х-х посредством трубопроводов, соединяющих названные элементы. Балластная нагрузка 7 встроена внутрь замкнутого газового контура и размещена перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор 4 (фиг. 1) или перед входом в горячий тракт рекуператора 5 г-г (фиг. 2).
Электрогенератор 3 соосно механически соединен с турбиной 1 и компрессором 2. Трехфазная электрическая цепь электрогенератора 3 уходит в систему преобразования и распределения электроэнергии 8 и через коммутатор системы автоматического управления подключена к балластной нагрузке 7 и полезной нагрузке 10. Резистивные элементы балластной нагрузки 7 омываются газовым потоком рабочего тела, циркулирующего по трубопроводам и элементам замкнутого контура с большой скоростью под воздействием компрессора 2.
Турбогенераторный термодинамический цикл предполагает нагрев рабочего тела при высоком давлении в ядерном газоохлаждаемом реакторе 4, срабатывание тепловой энергии рабочего тела при расширении в турбине 1 с понижением давления и температуры, дальнейшим охлаждением рабочего тела низкого давления в холодильнике 6 и повышением давления холодного рабочего тела в компрессоре 2. После этого с целью рекуперации тепла рабочее тело проходит через холодный тракт рекуператора 5 х-х, где воспринимает часть тепла от рабочего тела в горячем тракте рекуператора 5 г-г. Рекуперация тепла повышает кпд термодинамического цикла работы ЯЭУ. Разница мощности, вырабатываемой горячим рабочим телом высокого давления при расширении в турбине 1 и затрачиваемой компрессором 2 на сжатие холодного рабочего тела низкого давления, через посредство электрогенератора 3 превращается в электрическую энергию и используется в полезной нагрузке 10. При этом на стационарных режимах работы происходит постоянное регулирование выходных электрических параметров электрогенератора 3 посредством подключения/отключения балластной нагрузки 7.
Тепло, выделяемое на балластной нагрузке 7, возвращается в замкнутый газовый контур, повышая кпд и эффективность работы ЯЭУ. Дополнительным положительным эффектом размещения резистивных элементов балластной нагрузки 7 внутри замкнутого газового контура является значительное упрощение алгоритма управления постоянством выходных параметров электрогенератора 3. Данный алгоритм является одним из основных в системе автоматического управления ЯЭУ. Положительный эффект достигается за счет того, что резистивные элементы балластной нагрузки 7 находятся уже в разогретом состоянии (до уровня температур рабочего тела замкнутого газового контура в месте установки БН 7) и поэтому работают в более узком диапазоне температур и, соответственно, мощность, выделяемая на них, более прогнозируема для алгоритма управления. Это в свою очередь позволяет исключить значительное перерегулирование и увеличить точность поддержания выходных параметров электрогенератора 3.
Выбор места расположения балластной нагрузки в замкнутом контуре зависит от конструкции ядерного газоохлаждаемого реактора, точнее от постоянной времени изменения мощности реактора посредством системы управления и защиты реактора (СУЗР) с подвижными элементами.
При малой инерционности управления реактором БН размещают перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор, и изменение его мощности отслеживается по поступлению дополнительного тепла с газом на входе. На стационарных режимах работы ЯЭУ диапазон регулирования составляет величину, не превышающую 10% от регулируемого уровня, что облегчает режим управления реактором.
При большой инерционности управления реактором БН размещают перед входом в горячий тракт рекуператора, чтобы дополнительное тепло от БН проходило по контуру с большей задержкой по времени до ядерного газоохлаждаемого реактора. При этом часть тепловой энергии БН будет проходить через рекуператор и теряться в холодильнике.
Низковольтный уровень рабочего напряжения резистивных элементов балластной нагрузки 7, соответствующий выходному напряжению электрогенератора 3, снижает риск возникновения пробоев и облегчает функционирование балластной нагрузки в области значительного радиационного излучения ядерного реактора.
Уменьшение потерь тепловой энергии, возврат ее в замкнутый газовый контур повышает кпд ЯЭУ, что в свою очередь позволяет увеличивать длительность функционирования ЯЭУ или уменьшать начальную загрузку реактора ядерным топливом при фиксированных сроках работы.
Пример. Эффективность заявляемой схемы ЯЭУ иллюстрируется сравнением расчетов кпд турбогенераторного термодинамического цикла для известной и заявляемой схем. Параметры ЯЭУ одинаковые: отношение максимальной и минимальной температур рабочего тела в цикле, соответственно, на выходе ядерного газоохлаждаемого реактора 4 и на выходе холодильника 6 равно 3,5; эффективность рекуператора 5 равна 92%; кпд турбины 1 равен 85%; кпд компрессора 2 равен 80%; кпд электрогенератора 3 равен 92%; суммарный коэффициент восстановления полного давления равен 0,9.
На фиг. 3 видно, что если начальное значение кпд ЯЭУ без сброса доли вырабатываемой электроэнергии на балластную нагрузку (т.е. εБН=0%) обеих схем составляет 30%, то при εБН=10% кпд ЯЭУ известной схемы составляет 27%, тогда как кпд ЯЭУ заявляемой схемы составляет 27,84%.
Эффективность заявляемой схемы ЯЭУ проявляется на фиг. 4 в увеличении превышения кпд ЯЭУ заявляемой схемы над кпд ЯЭУ известной схемы почти до 0,9% при εБН=10%. С увеличением εБН эффективность заявляемой схемы над известной увеличивается.
Ядерная энергетическая установка, содержащая замкнутый газовый контур, составленный последовательно из ядерного газоохлаждаемого реактора, турбины, горячего тракта рекуператора, холодильника, компрессора и холодного тракта рекуператора посредством трубопроводов, а также электрогенератор, соосный с турбиной и компрессором, соединенный через систему преобразования и распределения электроэнергии и коммутатор системы автоматического управления с полезной нагрузкой и балластной нагрузкой, отличающаяся тем, что балластная нагрузка встроена внутрь замкнутого газового контура и размещена перед входом в ядерный газоохлаждаемый реактор или перед входом в горячий тракт рекуператора, а резистивные элементы балластной нагрузки выполнены на рабочее напряжение, соответствующее выходному напряжению электрогенератора.
