Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля

 

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании космических энергетических и двигательных установок. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка (ЯЭУ) транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) содержит термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем электрической мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем электрической мощности, при этом активная зона ТРП образована из сборок электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) с эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, а система коммутации сборок снабжена токовыводами. Активная зона ТРП набрана из двух групп сборок ЭГЭ с разными ресурсами работы, при этом первая группа набрана из сборок с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из сборок с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем каждая из групп сборок ЭГЭ снабжена собственной системой коммутации с независимыми токовыводами. Техническим результатом является обеспечение возможности работы ЯЭУ ТЭМ 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. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к космической и атомной 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), прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную (ГСО), и последующего длительного в течение 10-15 лет энергообеспечения аппаратуры КА. Тем самым ЯЭУ обеспечивает решение космических задач, достаточно подготовленных для технической реализации. Ресурс 10-15 лет существенен для обеспечения конкурентноспособности по отношению к солнечным фотоэлектрическим преобразователям.

Такой космический комплекс, предназначенный как для выведения КА на рабочую орбиту, так и для последующего длительного энергообеспечения его аппаратуры, называют транспортно-энергетическим модулем (ТЭМ).

Известна космическая ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) "Топаз" [1]. 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 (AЗ), состоящую из замедлителя и сборок электрогенерирующих элементов (ЭГЭ). Сборки ЭГЭ также называют электрогенерирующими сборками (ЭГС) или каналами (ЭГК).

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 и 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 [2]. 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 ч.

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.

Известна космическая двухрежимная ЯЭУ транспортно-энергетического модуля, предложенная в [3]. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ) или ТЭМ: для электропитания ЭРДУ, проведения транспортных операций (в основном для доставки КА на энергоемкие орбиты, например, ГСО) и для последующего длительного электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки КА, преимущественно информационного. Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП с активной зоной в качестве источника тепла и одновременно преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую (для обеспечения электроэнергией потребителей транспортного режима), размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую (для длительного обеспечения электроэнергией потребителей полезного груза КА), систему охлаждения ТРП и дополнительного преобразователя в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем, перекачивающим устройством, трубопроводами и устройством, переключающим поток теплоносителя к дополнительному преобразователю. В качестве дополнительного преобразователя могут быть применены термоэлектрический или термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, электромашинный генератор, регенеративный электрохимический генератор.

Такая ЯЭУ способна обеспечить питание ЭРДУ для доставки на орбиту функционирования КА и последующее длительное энергопитание аппаратуры КА. Однако применение указанных преобразователей в качестве источника энергии для режима длительного энергопитания требует повышенных значений верхней температуры термодинамического цикла, а следовательно, и высокой рабочей температуры конструкционных материалов контура. Высокие температуры конструкционного материала снижают надежность и ограничивают ресурс ЯЭУ. Кроме того, наличие второго каскада снижает нижнюю температуру термодинамического цикла, что приводит к увеличению поверхности холодильника-излучателя, а следовательно, и массы ЯЭУ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является космическая двухрежимная ЯЭУ, описанная в [4]. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ТЭМ, а именно для электропитания ЭРДУ при проведении транспортных операций (например, для доставки КА на ГСО) и для последующего длительного электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки КА.

Космическая ЯЭУ ТЭМ содержит ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем, радиационную защиту, систему регулирования реактора, циркуляционную систему охлаждения ТРП. Активная зона ТРП набрана из однотипных сборок ЭГЭ с эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, а система коммутации сборок снабжена токовыводами. В качестве эмиттерных оболочек ЭГЭ использован упроченный легированный монокристалл вольфрама. ЯЭУ используется в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем электрической мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем электрической мощности. Электрическая мощность ЯЭУ в транспортном режиме 100-150 кВт при ресурсе до 1,5 лет, а мощность ЯЭУ в режиме длительного энергоснабжения аппаратуры КА - 10-40 кВт при ресурсе до 10 лет. Оба режима работы ЯЭУ обеспечиваются за счет работы ТРП на двух различающихся уровнях тепловой мощности: на номинальном (транспортном) режиме с максимальным уровнем тепловой мощности и в режиме пониженной тепловой, а следовательно, и пониженной электрической мощности.

Однако создание такой двухрежимной ЯЭУ ТЭМ с длительным режимом работы связано со значительными трудностями и прежде всего с необходимостью создания сборок ЭГЭ, работающих в двух различающихся по мощности и температурам режимах в течение длительного времени. Обычно сборки ЭГЭ создаются лишь на один режим работы, когда их параметры, в том числе геометрические размеры и количество ЭГЭ в сборке, могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Работа сборок ЭГЭ 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 сборок ЭГЭ, которые бы длительно могли бы работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики сборок ЭГЭ 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 сборок ЭГЭ при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности работы ЯЭУ ТЭМ 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 в космической двухрежимной ЯЭУ транспортно-энергетического модуля, содержащей ТРП в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем электрической мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем электрической мощности, при этом активная зона ТРП образована из сборок ЭГЭ с эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, а система коммутации сборок снабжена токовыводами, в которой активная зона ТРП набрана из двух групп сборок ЭГЭ с разными ресурсами работы, при этом первая группа набрана из сборок ЭГЭ с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из сборок ЭГЭ с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем каждая из групп сборок ЭГЭ снабжена собственной системой коммутации с независимыми токовыводами.

ЭГЭ сборок второй группы могут содержать пониженное относительно ЭГЭ сборок первой группы количество делящегося вещества, например, объемная доля делящегося вещества внутри эмиттерной оболочки ЭГЭ сборок первой группы может быть равна 70-85%, а объемная доля делящегося вещества внутри эмиттерной оболочки ЭГЭ сборок второй группы может не превышать 50%. ЭГЭ сборок по крайней мере второй группы могут быть снабжены газоотводным устройством. Толщина эмиттерной оболочки ЭГЭ сборок второй группы в 1,2-2 раза может быть больше чем в ЭГЭ сборок первой группы.

На фиг. 1 приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ ТЭМ, на фиг.2 - сборка ЭГЭ первой группы, а на фиг.3 и 4 - варианты сборок ЭГЭ второй группы.

Космическая двухрежимная ЯЭУ ТЭМ содержит ТРП 1, циркуляционную систему охлаждения 2 с электромагнитным насосом 3 и холодильником-излучателем 4. ТРП содержит корпус 5 и активную зону (AЗ), набранную из сборок ЭГЭ двух групп, причем первую группу образуют сборки 6 (на фиг.1 они размещены в центре AЗ - внутри условной пунктирной линии), а вторую группу - сборки 7 (на фиг.2 они размещены на периферии AЗ). Каждая из групп сборок ЭГЭ снабжена собственной системой коммутации 8 и 9 соответственно сборок 6 первой группы и сборок 7 второй группы с независимыми токовыводами 10 и 11. В состав ТРП входит отражатель 12, в котором размещены исполнительные органы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 13 с поглощающими нейтроны накладками 14. Первая и вторая группы сборок снабжены каналами 15 и 16 соответственно для подачи пара цезия и удаления газообразных продуктов деления (ГПД) урана.

Таким образом, AЗ набрана из двух групп сборок ЭГЭ, причем первая группа набрана из сборок 6 ЭГЭ с высокими удельными характеристиками, но с относительно невысоким ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима (ЭРДУ), обычно это 0,5-1,5 года. Вторая группа набрана из сборок 7 ЭГЭ с пониженными удельными характеристиками, но с ресурсом, равным полному ресурсу работы ЯЭУ, т.е. равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима (ЭРДУ) и потребителей режима длительного энергоснабжения (аппаратуры КА).

Сборки 6 и 7 содержат ЭГЭ с эмиттерной оболочкой 17, внутри которой размещено делящееся вещество 18, и коллектор 19. Общими для всех ЭГЭ в сборке будут коллекторная изоляция 20 и корпус 21, снаружи охлаждаемый теплоносителем (на чертежах не показано), например, эвтектическим сплавом NaK или Li. Зазор между цилиндрической частью эмиттерной оболочки 17 и коллектором 19 является межэлектродным зазором 22 термоэмиссионного преобразователя и в рабочих условиях заполнен паром цезия. ЭГЭ сборок, по крайней мере второй группы, снабжены газоотводными устройствами, выполненными, например, в виде трубки 23 с жиклером 24. Делящееся вещество 18 занимает неполный объем внутри эмиттерной оболочки 17, часть этого объема образует центральную газовую полость (ЦГП) 25, которая может быть различной для ЭГЭ сборок первой и второй групп (фиг.2 и 3 соответственно).

Космическая двухрежимная ЯЭУ ТЭМ работает следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 13 ТРП 1 находятся в положении поглощающими накладками 14 к AЗ. 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 13 таким образом, что накладки 14 отходят от AЗ. Начинается реакция деления делящегося вещества 18 внутри эмиттерных оболочек 17 ЭГЭ сборок 6 и 7. Выделяющееся в сборках 6 и 7 тепло отводится из AЗ перекачиваемым насосом 3 теплоносителем системы охлаждения 2, который попадает в ХИ 4. В ХИ 4 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 4 теплоноситель попадает в насос 3, который, создав напор, перекачивает теплоноситель через AЗ ТРП 1, охлаждая сборки 6 и 7.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности номинального режима в МЭЗ 22 ЭГЭ сборок 6 и 7 через каналы 15 и 16 соответственно подается рабочее тело (пар цезия) и сборки 6 и 7 начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия, вырабатываемая обеими группами сборок 6 и 7, с помощью изолированных токовыводов 10 и 11 отводится потребителю транспортного режима. Непреобразованная теплота термодинамического цикла сборок 6 и 7 отводится теплоносителем аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 4. Расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности транспортного режима работы, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание ЭРДУ. При этом в генераторном режиме работают сборки ЭГЭ обеих групп.

После окончания работы ЯЭУ в транспортном режиме, например после доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования КА, например ГСО, ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы с обеспечением потребителей режима длительного энергоснабжения аппаратуры КА на пониженным уровне мощности, но с существенно большим ресурсом (10-15 лет). Для этого первая группа из сборок 6, которые израсходовали свой плановый ресурс, равный времени работы ЯЭУ в транспортном режиме, отключаются, например, удалением через канал 15 пара цезия из МЭЗ 22 ЭГЭ сборок 6 (сборок первой группы) или с помощью токовыводов 10. После этого сборки 6 первой группы работают не как электрогенерирующие устройства, а как обычные твэл, т.е. источники тепла, которое снимается теплоносителем.

ЭГЭ сборок 7 второй группы во время работы в транспортном режиме израсходовали лишь часть своего проектного ресурса (0,5-1,5 лет при ресурсе 15 лет и более) и могут дальше работать в качестве электрогенерирующих устройств. Через токовыводы 11 электроэнергия, генерируемая лишь сборками 7, т.е. меньшей мощности, чем в транспортном режиме, подается потребителям режима длительного энергоснабжения аппаратуры КА. Выделяющееся в ЭГЭ сборок 6 (работающих как твэл) тепло и непреобразованное тепло термодинамического цикла в ЭГЭ сборок 7 отводится теплоносителем системы охлаждения 2, который затем попадает в ХИ 4, где тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 4 теплоноситель попадает в насос 3, который, создав напор, перекачивает теплоноситель в активную зону ТРП 1.

Ресурс работы сборок 6 ЭГЭ первой группы (фиг.2) как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГЭ, как распухание делящегося вещества 18 с деформацией эмиттерной оболочки 17 до короткого замыкания электродов и электрический пробой коллекторной изоляции 20, никак не скажутся на возможности работы ЭГЭ сборок 6 как обычного тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора.

Ресурс работы сборок 7 ЭГЭ второй группы как источника электроэнергии существенно выше, чем у сборок 6 ЭГЭ первой группы, так как могут быть предприняты специальные меры по повышению ресурса ЭГЭ и сборок 7 в целом в генераторном режиме. Так, например, за счет уменьшения объемной доли делящегося вещества 18 в эмиттерной оболочке 17 (фиг.3), например, до менее чем 50%, т.е. пониженного относительно ЭГЭ сборок 6 первой группы, в которых объемная доля делящегося вещества может составлять 70-85%, достигаются уменьшение удельных тепловых нагрузок и снижение скорости распухания делящегося вещества 18. Повышение ресурса может быть достигнуто за счет удаления ГПД из ЦГП 25 через специальное ГОУ в виде трубки 23 с жиклером 24 (фиг. 3). В ЭГЭ сборок 7 толщина эмиттерной оболочки может быть больше (фиг. 4) чем в ЭГЭ сборок 6 в 1,2-2 раза, в результате чего увеличивается ее прочность и распухание делящегося вещества 18 происходит внутрь ЦГП 25, т.е. в свободный объем, что также обеспечивает длительную работоспособность ЭГЭ сборок 7 до короткого замыкания электродов.

Комплексное применение рассмотренных средств по оценкам позволяет создать долгоресурсную сборку 7 ЭГЭ второй группы для двухрежимной ЯЭУ ТЭМ. Необходимое для этого уменьшение объемной доли делящегося вещества в активной зоне ТРП 1 может быть скомпенсировано соответствующим увеличением объема активной зоны.

После отработки полного ресурса на обеих режимах работы ТРП глушится и ЯЭУ ТЭМ прекращает свою работу.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность работы космической ЯЭУ ТЭМ 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 термоэмиссионные сборки ЭГЭ как источники электроэнергии могут быть отработаны в петлевых реакторных испытаниях в одном режиме.

Литература 1. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионноя ЯЭУ "Топаз". - Атомная энергия, 1974. Т. 36. Вып. 6. С. 450-454.

2. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. - Научн. -техн. сб. Вып.1 (134) РД и ЭУ. Изд. НИИТП. 1992. С. 25-33.

3. Патент RU 2140675. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка.

4. 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. Сер. 12: Изд. РКК "Энергия". г. Калининград, Моск. обл. 1995. Вып. 3-4: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности. Ч. 1. С. 20-24.

Формула изобретения

1. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь в качестве источника электроэнергии потребителей транспортного режима с номинальным уровнем электрической мощности и потребителей режима длительного энергоснабжения с пониженным уровнем электрической мощности, при этом активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя образована из сборок электрогенерирующих элементов с эмиттерной оболочкой, внутри которой размещено делящееся вещество, а система коммутации сборок снабжена токовыводами, отличающаяся тем, что активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя набрана из двух групп сборок электрогенерирующих элементов с разными ресурсами работы, при этом первая группа набрана из сборок электрогенерирующих элементов с ресурсом работы, равным или более времени работы потребителей транспортного режима, а вторая группа набрана из сборок электрогенерирующих элементов с ресурсом, равным или более суммы времени работы потребителей транспортного режима и потребителей режима длительного энергоснабжения, причем каждая из групп сборок электрогенерирующих элементов снабжена собственной системой коммутации с независимыми токовыводами.

2. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля по п.1, отличающаяся тем, что электрогенерирующие элементы сборок второй группы содержат пониженное относительно электрогенерирующих элементов сборок первой группы количество делящегося вещества.

3. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля по п.2, отличающаяся тем, что объемная доля делящегося вещества внутри эмиттерной оболочки электрогенерирующих элементов сборок первой группы равна 70-85%, а объемная доля делящегося вещества внутри эмиттерной оболочки электрогенерирующих элементов сборок второй группы не превышает 50%.

4. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля по п.3, отличающаяся тем, что электрогенерирующие элементы сборок по крайней мере второй группы снабжены газоотводным устройством.

5. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля по п. 3, отличающаяся тем, что толщина эмиттерной оболочки электрогенерирующих элементов сборок второй группы в 1,2-2 раза больше, чем в электрогенерирующих элементах сборок первой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4