Высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор космической энергетической установки
Владельцы патента RU 2776419:
Акционерное общество "Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля" (RU)
Изобретение относится к высокотемпературному газоохлаждаемому ядерному реактору космической энергетической установки. Реактор содержит обечайку, расположенную с кольцевым зазором относительно корпуса ядерного реактора, внутри которой размещена активная зона с тепловыделяющими элементами. Обечайка выполнена из углерод-углеродного композиционного материала и снабжена электрическим нагревателем, который выполнен из углеродного материала в виде кольца с продольными прорезями. Кольцо закреплено на наружной поверхности обечайки и электрически изолировано от обечайки. На поверхности кольца выполнены электрические контакты для подключения к внешнему источнику питания. Техническим результатом является исключение повреждений элементов активной зоны, наиболее вероятных при механических воздействиях на них при транспортировке ядерного реактора в составе космической энергетической установки до места его сборки с космическим аппаратом, а также при выведении космического аппарата на рабочую орбиту, путем нагрева элементов активной зоны до температуры, превышающей температуру образования хладноломкости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к атомной и космической отраслям техники и может быть применено в высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторах космических энергетических установок.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор космической энергетической установки, который содержит обечайку, расположенную с кольцевым зазором относительно корпуса ядерного реактора, внутри которой размещена активная зона с тепловыделяющими элементами (патент РФ №2562234, МПК G21D 5/00, опубл. 10.09.2015).
В высокотемпературном газоохлаждаемом ядерном реакторе тепловыделяющие элементы активной зоны работают в условиях высоких температур, достигающих 1200-1500 К (927-1227°С), поэтому в качестве конструкционных материалов тепловыделяющих элементов и других элементов активной зоны используют жаропрочные сплавы, например сплавы на основе молибдена. Указанные сплавы обладают повышенной хрупкостью при низких (комнатных) температурах, т.е. хладноломкостью. Транспортировка от места сборки ядерного реактора в составе ядерной энергетической установки до места сборки космического аппарата занимает большой промежуток времени, за который температура конструкционных материалов элементов активной зоны практически сравнивается с температурой окружающей среды, и в материале начинает проявляться свойство хладноломкости. Поэтому при механических воздействиях, которые наиболее вероятны на этапе транспортировки и выведения на рабочую орбиту, элементы активной зоны могут быть повреждены или разрушены из-за хладноломкости, что приведет к невозможности использования ядерного реактора по назначению.
Недостатком известного высокотемпературного ядерного реактора космической энергетической установки является нарушение целостности элементов активной зоны, наиболее вероятное во время транспортировки ядерного реактора в составе ядерной энергетической установки от места его сборки до места сборки космического аппарата, а также на этапе выведения на рабочую орбиту, и приводящее к невозможности использования ядерного реактора по назначению в составе космической ядерной энергетической установки.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора космической энергетической установки, в котором активная зона сохраняет свою целостность во время транспортировки ядерного реактора в составе ядерной энергетической установки от места его сборки до места сборки космического аппарата, а также на этапе выведения на рабочую орбиту.
Техническим результатом настоящего изобретения является исключение повреждений элементов активной зоны, наиболее вероятных при механических воздействиях на них при транспортировке ядерного реактора в составе космической энергетической установки до места его сборки с космическим аппаратом, а также при выведении космического аппарата на рабочую орбиту, путем нагрева элементов активной зоны до температуры, превышающей температуру образования хладноломкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном высокотемпературном газоохлаждаемом ядерном реакторе космической энергетической установки, содержащем обечайку, расположенную с кольцевым зазором относительно корпуса ядерного реактора, внутри которой размещена активная зона с тепловыделяющими элементами, согласно настоящему изобретению обечайка выполнена из углерод-углеродного композиционного материала и снабжена электрическим нагревателем, который выполнен из углеродного материала в виде кольца с продольными прорезями, при этом кольцо закреплено на наружной поверхности обечайки и электрически изолировано от обечайки, причем на поверхности кольца выполнены электрические контакты для подключения к внешнему источнику питания.
Кроме этого, продольные прорези кольца выполнены от его верхнего и нижнего краев по образующей в шахматном порядке.
Выполнение обечайки из углерод-углеродного композиционного материала, обладающего высокой теплопроводностью, позволит быстро нагреть обечайку кольцевым электрическим нагревателем и обеспечить теплопередачу от нагретой обечайки элементам активной зоны.
Размещение кольцевого электрического нагревателя на наружной цилиндрической поверхности обечайки с обеспечением электрической изоляции между ними позволит передать тепло от электрического нагревателя обечайке без тепловых потерь.
Выполнение кольцевого электрического нагревателя их углеродного материала, обладающего жаропрочностью, теплостойкостью, стойкостью в условиях газового потока (отсутствие эрозионного выноса материала с поверхности), отсутствием радиационного распухания и газовыделения, позволит после его отключения от сети питания при выводе космического аппарата на рабочую орбиту не нарушить эксплуатационный режим высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора.
Выполнение электрического нагревателя в виде кольца позволит обеспечить его плотный контакт через электрическую изоляцию с цилиндрической поверхностью обечайки и, следовательно, теплопередачу без потерь, а также позволит разместить электрический нагреватель в кольцевом пространстве между корпусом ядерного реактора и обечайкой без дополнительного увеличения габаритов ядерного реактора.
Выполнение кольца с прорезями позволит увеличить длину пути прохождения электрического тока и, следовательно, полезную площадь кольцевого электрического нагревателя.
Выполнение на поверхности кольца электрических контактов для подключения к внешнему источнику питания обеспечит подачу электрического тока к электрическому нагревателю.
Выполнение продольных прорезей кольца от его верхнего и нижнего краев по образующей в шахматном порядке обеспечит прохождение электрического тока по всему сечению кольца и, соответственно, равномерный нагрев всей поверхности обечайки, контактирующей с кольцом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан газоохлаждаемый ядерный реактор космической энергетической установки (продольное сечение), а на фиг. 2 представлен углеродный кольцевой электрический нагреватель (общий вид, изометрия),
Газоохлаждаемый ядерный реактор космической энергетической установки содержит корпус 1, в котором расположена с кольцевым зазором относительно корпуса 1 обечайка 2, выполненная из углерод-углеродного композиционного материала. Внутри обечайки 2 расположена активная зона с тепловыделяющими элементами 3, закрепленными в опорных плитах 4. На наружной поверхности обечайки 2 закреплен электрический нагреватель 5, который выполнен из углеродного материала в виде кольца с продольными прорезями 6. Обечайка 2 и кольцо 5 электрически изолированы между собой, например слоем 7 из керамики. На поверхности кольца 5 выполнены электрические контакты 8 для подключения к внешнему источнику питания. Продольные прорези 6 кольца 5 выполнены от его верхнего и нижнего краев по образующей в шахматном порядке для обеспечения прохождения электрического тока по всему сечению кольца 5.
Работу по транспортировке ядерного реактора осуществляют следующим образом.
В период транспортировки ядерного реактора и выведении космической энергетической установки на рабочую орбиту на тепловыделяющие элементы 3 и на другие конструктивные элементы активной зоны воздействуют значительные механические и вибрационные нагрузки. Все конструктивные элементы активной зоны высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора во время его эксплуатации работают в условиях высоких температур, поэтому они выполнены из жаропрочного сплава, например из сплава на основе молибдена, для которого характерна хладноломкость при температурах до 300°С. При транспортировке неработающего ядерного реактора к месту сборки космической установки температура конструкций в активной зоне близка к температуре окружающей среды, поэтому материал элементов активной зоны при данной температуре подвержен хладноломкости. При низких температурах, не превышающих порог хладноломкости, прочность материала элементов активной зоны значительно снижается, что при воздействии вибрационных нагрузок на конструкцию активной зоны может привести к разрушению тепловыделяющих элементов 3, особенно хвостовиков. Для исключения таких ситуаций во время транспортировки ядерного реактора осуществляют нагрев элементов активной зоны до температуры, превышающей порог хладноломкости, а именно до 350°С. Электрический нагреватель 5 включают после сборки ядерного реактора и обеспечивают нагрев обечайки 2 и тепловыделяющих элементов 3 вплоть до запуска на орбиту в составе космического аппарата. Непосредственно перед запуском установки в составе космического аппарата электрический нагреватель 5 отключают от внешнего источника питания, а дальнейшее поддержание требуемого температурного режима до момента пуска ядерного реактора на рабочей орбите обеспечивают тепловой инерцией.
1. Высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор космической энергетической установки, содержащий обечайку, расположенную с кольцевым зазором относительно корпуса ядерного реактора, внутри которой размещена активная зона с тепловыделяющими элементами, отличающийся тем, что обечайка выполнена из углерод-углеродного композиционного материала и снабжена электрическим нагревателем, который выполнен из углеродного материала в виде кольца с продольными прорезями, при этом кольцо закреплено на наружной поверхности обечайки и электрически изолировано от обечайки, причем на поверхности кольца выполнены электрические контакты для подключения к внешнему источнику питания.
2. Ядерный реактор по п. 1, отличающийся тем, что продольные прорези кольца выполнены от его верхнего и нижнего краев по образующей в шахматном порядке.
