Способ заправки космической ядерной энергетической установки

 

Использование: в области ядерной энергетики, в частности в наземной подготовке космических ядерных энергетических установок к эксплуатации. Сущность изобретения: способ включает вакуумирование контура теплоносителя и компенсатора (объема). Заполнение контура теплоносителем и подачу давления газа в газовую полость компенсатора. Затем производят дозаправку контура теплоносителем. При этом дозаправку контура проводят при давлении в газовой полости компенсатора, определяемом по формуле где Р_зап - давление в газовой полости компенсатора в момент дозаправки; Р_окр - давление окружающей среды в момент дозаправки на стенде; Р_min - минимально допустимое давление в контуре ЯЭУ перед запуском ее на режим генерирования мощности в космосе; Т_зап - температура теплоносителя при заправке на стенде; V_o - максимальный конструктивный объем газовой камеры компенсатора; Т_min - минимально-допустимая температура теплоносителя в контуре ЯЭУ перед запуском ЯЭУ на режим генерирования мощности в космосе; γ_min, γ_зап - удельный вес теплоносителя при Т_min и Т_зап соответственно; V_к - полный объем теплоносителя, заправляемого в контур ЯЭУ, ΔP - составляющая давления, обусловленная погрешностью измеряемых величин Р_окр, Т_зап, V_o и V_к. Данный способ обеспечивает более точную заправку теплоносителем по сравнению с существующими способами.

Изобретение относится к области космической ядерной энергетики, в частности технологии наземной подготовки космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) к эксплуатации.

Одной из важных технических проблем является проблема обеспечения надежной работоспособности жидкометаллических контуров КЯЭУ в условиях изменения температур и давлений в широких диапазонах. Для компенсации объемных и температурных изменений в контур ЯЭУ вводят компенсатор объема (КО). Для ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем это, обычно, компенсатор сильфонного типа (см. например, 1). Компенсатор имеет две полости, разделенные между собой подвижной, обычно сильфонного типа, диафрагмой. Одна полость соединена с объемом контура с теплоносителем ЯЭУ, а в другую полость подают газ, обычно аргон. При запуске и эксплуатации ЯЭУ в космосе температуры контура изменяются от минус 10^oC до плюс 600^oC. За счет температурного расширения теплоносителя в контуре ЯЭУ он вытесняется в полость компенсатора, давит на подвижную диафрагму, которая, перемещаясь, сжимает газ, создавая необходимое рабочее давление теплоносителя в контуре ЯЭУ.

Работоспособность контура с компенсатором зависит от правильного заполнения контура теплоносителем и правильной установки начального давления газа в газовой полости КО. Недозаправка контура теплоносителем приводит к образованию отрыва контакта теплоносителя от диафрагмы сильфона, образованию пустот и срыву циркуляции теплоносителя по контуру. Это ведет к закипанию теплоносителя и выходу ЯЭУ из строя. Перезаправка контура приводит к образованию большого давления в контуре, что может привести к потере герметичности контура и утечке из него теплоносителя. К аналогичным последствиям приводят неправильная установка начального давления газа в компенсаторе. Таким образом, точность заправки контура непосредственно влияет на работоспособность и надежность функционирования КЯЭУ.

Известно, что с целью компенсации как можно больших расширений теплоносителя заправку контура проводят в положении сильфона полностью сжатого (или растянутого, в зависимости от конструктивного исполнения) когда объем полости компенсатора с теплоносителем минимально возможный, а газовая полость компенсатора, наоборот, имеет максимально возможный объем, т.е. весь теплоноситель выдавлен из КО в контур ЯЭУ, связанный с системой заправки (см. 2).

Недостаток такого способа заправки заключается в том, что он не обеспечивает правильную заправку контура для условий эксплуатации его в космосе. Это обусловлено тем, что заправку проводят на Земле при нормальных климатических условиях и атмосферном давлении, а запуск КЯЭУ проводят в космосе, в условиях, когда температуры контура понижаются вплоть до минимально допустимых значений (минус 5^oC минус 10^oC). Следовательно, возникает разница в температурах при заправке и запуске порядка 40^oС. Это приводит к последствиям, изложенным ранее, т.е. при понижении температуры ЯЭУ в космосе до запуска ее на номинальный тепловой режим весь теплоноситель уйдет из компенсатора в контур ЯЭУ, диафрагма компенсатора встанет на упоры, давление в контуре упадет, что приведет к закипанию его в момент запуска и срыву циркуляции теплоносителя по контуру, т.е. ЯЭУ в космосе не запустится и выйдет из строя в начальный момент эксплуатации.

Это устраняется следующим образом. ЯЭУ устанавливают на стенд заправки. Вакуумируют контур и полости компенсатора объема до давления менее 1 Па. Затем заполняют контур теплоносителя при давлении в газовой полости КО, обеспечивающем положение диафрагмы, когда объем камеры теплоносителя в КО минимально возможный, т.е. теплоноситель выдавлен из КО. (Этот объем обозначен через V_к). Устанавливают в газовой полости КО начальное рабочее давление газа. Дозатором из стендового контура в контур ЯЭУ подают порцию теплоносителя, количество которого определяется началом движения диафрагмы компенсатора. Это положение сильфона является исходным перед началом разогрева ЯЭК в космосе. С этого исходного положения в контур ЯЭУ тем же дозатором вводят дополнительное количество теплоносителя в объеме V_t, равном уменьшению объема теплоносителя в контуре ЯЭУ из-за разницы между его температурой при заправке и минимально допустимой температурой в космосе. Величина расчетная и определяется по формуле где V_t объем дозаправляемого теплоносителя на температурную его компенсацию; γ_min, γ_зап удельный вес теплоносителя при минимальной температуре и температуре в момент заправки, соответственно; V_к объем контура теплоносителя КЯЭУ, когда объем теплоносителя в компенсаторе объема минимальный.

Данный способ заправки УЯЭУ имеет тот недостаток, что он не учитывает изменение объема контура КЯЭУ из-за изменения давления окружающей среды при выводе ее с Земли в космос. Известно, что конструкция КЯЭУ содержит в контурах ЯЭУ сильфоны и элементы из тонких стенок. Поэтому система контура имеет сравнительно невысокую жесткость, вследствие чего изменяет свой объем при изменении давления окружающей среды. Так при вакуумировании контура при заправке за счет атмосферного давления система контура будет приведена в сжатое состояние и образует меньший объем контура, чем в космосе, когда внешнее давление отсутствует и система контура в космосе разожмется, увеличивая свой объем в пределах жесткости. Часть теплоносителя, соответствующая увеличению объема контура, уйдет из компенсатора, давление в нем снизится до критического значения, а в случае установки сильфона на упор давление в контуре исчезнет, что равносильно выходу ЯЭУ из строя.

Техническим результатом изобретения является повышение точности заправки контура, теплоносителем и повышение надежности работы ядерной установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем вакуумирование теплоносителя и компенсатора объема до давления менее 1 Па, заполнение контура ядерной энергетической установки теплоносителем в объеме V_к при давлении в газовой полости компенсатора объема, обеспечивающем в момент заполнения минимальной объем полости теплоносителя в компенсаторе объема, установку в газовой полости компенсатора объема давления газа равного начальному рабочему давлению и дозаправку контура ядерной энергетической установки теплоносителем в объеме, определяемом началом движения диафрагмы компенсатора объема, с последующей добавкой теплоносителя в объеме V_t, определяемом по формуле (1), дозаправку контура теплоносителя проводят при давлении газа в компенсаторе объема, определяемом по формуле Р_зап давление в газовой полости компенсатора объема в момент дозаправки; Р_окр давление окружающей среды в момент дозаправки на стенде;
P_min минимально допустимое давление в контуре ядерной энергетической установки перед запуском ее на режим генерирования мощности в космосе;
V_o максимальный конструктивный объем газовой камеры компенсатора объема;
Т_зап температура теплоносителя при заправке на стенде;
T_min минимально-допустимая температура теплоносителя в контуре ЯЭУ перед запуском ЯЭУ на режим генерирования мощности в космосе;
γ_min, γ_зап дельный вес теплоносителя при T_min и Т_зап соответственно;
V_к объем контура теплоносителя ЯЭУ, когда объем полости теплоносителя в компенсаторе объема минимальный;
ΔP составляющая давления, обусловленная погрешностью измеряемых величин Р_окр, Т_зап, V_o и V_к.

Как видно из формулы, давление опорного газа в КО выше давления окружающей среды при заправке на стенде.

Диафрагма находится в положении минимального объема полости теплоносителя в компенсаторе. Условием начала движения диафрагмы сильфона с упора является момент выравнивания давления в контуре теплоносителя с давлением Р_зап. Под действием избыточного давления, создаваемого в контуре дозатором при дозаправке, элементы контура разожмутся и увеличат свой объем в пределах жесткости контура. Иными словами, сильфон тронется с упора, когда в контур поступит количество теплоносителя, необходимое для компенсации объемного расширения контура под действием окружающего давления. После этого вводят порцию теплоносителя для компенсации температурного уменьшения объема теплоносителя. Таким образом, заправка контура будет проведена с учетом температурного эффекта уменьшения объема теплоносителя и эффекта увеличения объема контура при снижении давления.

Предложенный способ реализуется следующим образом. На стенде заправки вакуумируют полость контура и газовую полость КО ниже 1 Па. В газовой полости КО создают давление газа (например, аргона) с таким расчетом, чтобы он гарантированно образовал минимальный объем полости теплоносителя (например, 2-2,5 кгс/см₂). В таком положении сильфона контур полностью заполняют теплоносителем. После этого в газовой полости КО устанавливают давление газа, равное Р_зап, определяемому по формуле (2).

Так, например, для КЯЭК "Топаз-2" при V_к 20 л, V_o 8,9 л, Т_min -5^oC, P_min 0,26 кгс/см₂, Т_зап 30^oC, при заправке в вакууме (Р_окр 0) и суммарной погрешности измерения +10% давление заправки составит

При суммарной погрешности измерения ΔP= +10%
P_зап 0,33 кгс/см₂
В случае заправки на воздухе к данному значению необходимо добавить значение атмосферного давления на момент заправки.

После установки в компенсаторе давления заправки дозатором из стендового контура в контур ЯЭУ вводят порцию теплоносителя, соответствующую началу движения сильфона. (Контроль по давлению в контуре и компенсаторе. Давление в контуре не возрастает, а в газовой камере КО начинает расти диафрагма стронулась в места). С этого момента вводят дополнительное количество теплоносителя, соответствующее температурному изменению, которое определяют по формуле (1)

Заправка заканчивается установкой начального рабочего давления газа в КО и герметизацией полостей.

По сравнению с существующими способами, предложенный способ обеспечивает более точную заправку теплоносителем, что способствует повышению эксплуатационной надежности ЯЭУ в космосе. Для своей реализации не требует создания дополнительных сложных технических устройств и может проводится на стендах подготовки ЯЭУ к эксплуатации.

Формула изобретения

Способ заправки космической ядерной энергетической установки, включающий вакуумирование контура теплоносителя и компенсатора объема до давления менее 1 Па, заполнение контура ядерной энергетической установки теплоносителем в объеме V_k при давлении в газовой полости компенсатора объема, обеспечивающем в момент заполнения минимальный объем полости теплоносителя в компенсаторе объема, установку в газовой полости компенсатора объема давления газа, равного начальному рабочему давлению и дозаправку контура ядерной энергетической установки теплоносителем в объеме, определяемом началом движения диафрагмы компенсатора объема с последующей добавкой теплоносителя в объеме ΔV_t, отличающийся тем, что дозаправку контура теплоносителем приводят при давлении газа в компенсаторе объема, определяемом по формуле

где Р_зап давление в газовой полости компенсатора объема в момент дозаправки;
Р_окр давление окружающей среды в момент дозаправки на стенде;
Р_min минимально допустимое давление в контуре ядерной энергетической установки перед запуском ее на режим генерирования мощности в космосе;
V_о максимальный конструктивный объем газовой камеры компенсатора объема;
уменьшение объема теплоносителя из-за разницы между его температурой при заправке и минимально допустимой в контуре;
Т_зап температура теплоносителя при заправке на стенде;
Т_min минимально допустимая температура теплоносителя в контуре ядерной энергетической установки перед запуском ядерной энергетической установки на режим генерирования мощности в космосе;
γ_min, γ_зап- удельный вес теплоносителя при Т_min и Т_зап, соответственно;
V_k объем контура теплоносителя, когда объем полости теплоносителя в компенсаторе объема минимальный;
ΔP - составляющая давления, обусловленная погрешностью измеряемых величин Р_окр, Т_зап, V_о, и V_k, после чего в газовой полости устанавливают давление газа, равное начальному рабочему давлению.