Способ эксплуатации космической двухрежимной ядерно-энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем и дополнительным преобразователем тепловой энергии в электрическую

Изобретение относится к космической технике и атомной энергетике и может быть использовано при разработке и эксплуатации космических энергетических и двигательных установок. В способе эксплуатации космической двухрежимной ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) и дополнительным преобразователем (ДП), включающим работу ТРП на номинальном и пониженном уровнях тепловой мощности, подачу в межэлектродные зазоры (МЭЗ) ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности ТРП с номинального до пониженного уровня, отключение подачи пара цезия в ТРП, заполнение МЭЗ ТРП нейтральным газом, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения, после понижения тепловой мощности ТРП перед отключением подачи пара цезия ТРП переводят в режим короткого замыкания. Техническим результатом является повышение надежности эксплуатации ЯЭУ с ТРП и ДП в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы за счет исключения электрического пробоя изоляции при изменении режима эксплуатации. 2 ил.

 

Изобретение относится к космической технике и атомной энергетике и может быть использовано при разработке и эксплуатации 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: доставка космических аппаратов (КА), и прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную орбиту (ГСО), и последующее длительное, в течение 10-15 лет, энергообеспечение аппаратуры КА. Тем самым ЯЭУ обеспечит решение космических задач, достаточно подготовленных для технической реализации. Ресурс 10-15 лет существенен для обеспечения конкурентоспособности по отношению к солнечным фотоэлектрическим преобразователям.

Известен способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП), например, (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» имени С.П.Королева. Серия 12. Изд. РКК «Энергия». г. Калининград Московской обл. 1995. вып. 3-4. Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности, часть 1, с. 20-24). ЯЭУ предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ): для электропитания электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) при проведении транспортных операций и для последующего электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки информационного КА на ГСО. Электрическая мощность ЯЭУ в транспортном режиме 100-150 кВт при ресурсе до 1,5 лет; мощность ЯЭУ в режиме энергообеспечения аппаратуры КА - 10-40 кВт при заявляемом ресурсе до 10 лет. Оба режима работы ЯЭУ обеспечиваются за счет работы ТРП в двух режимах: на номинальном (транспортном) режиме с максимальным уровнем мощности и в режиме пониженной тепловой и, следовательно, электрической мощности. Соответственно способ эксплуатации двухрежимной ЯЭУ с ТРП включает вывод ЯЭУ с ТРП на орбиту запуска, пуск ТРП и расплавление литиевого теплоносителя с помощью специальной пусковой системы, организацию циркуляции теплоносителя со сбросом тепла излучением в космос в холодильнике-излучателе (ХИ), увеличение мощности ТРП до рабочего значения транспортного режима, подачу пара цезия в межэлектродные зазоры (МЭЗ) электрогенерирующих сборок (ЭГС), подключение к ТРП потребителя электроэнергии в виде ЭРДУ. После доставки КА с ЯЭУ на орбиту функционирования, например ГСО, ЭРДУ выключаются, тепловая мощность ТРП понижается до уровня генерации электроэнергии режима пониженной мощности (10-40 кВт), при необходимости изменяются давление пара цезия и расход теплоносителя, и электроэнергия на пониженном уровне мощности подается потребителям КА в течение длительного периода времени (до 10 лет).

Однако эксплуатация такой двухрежимной ЯЭУ с ТРП с длительным режимом работы связана с пониженной надежностью в связи с тем, что для ТРП такой ЯЭУ необходима двухрежимная ЭГС на длительный ресурс. Обычно ЭГС создается лишь на один режим работы, когда его параметры, в том числе геометрические размеры, и количество элементов в ЭГС могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Поэтому эксплуатация ЭГС в любом другом (по тепловой мощности) режиме будет неоптимальной, температурные поля на одном из режимов будут существенно наравномерны, что в принципе ставит под сомнение возможность создания ЭГС, которая бы длительно могла работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики ЭГС 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 эксплуатации ЯЭУ с ТРП потребует создания новой методологии отработки ЭГС при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе.

Известен способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и дополнительным преобразователем (ДП) тепловой энергии в электрическую [(патент RU 2140675, опубл. 27.10.1996)]. ЯЭУ предназначена для электропитания ЭРДУ при проведении транспортных операций и для последующего электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки КА. Двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП в качестве источника тепла и термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения ТРП в виде циркуляционного контура с ХИ, размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь (ДП) тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим и отводящим трубопроводами, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРП к ДП. Способ эксплуатации такой космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП включает соответственно пуск и работу ТРП на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в МЭЗ ЭГС ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение уровня тепловой мощности с номинального до пониженного уровня, переключение потока теплоносителя от ТРП к ДП, включение дополнительной системы отвода тепла от ДП, отключение подачи пара цезия в ТРП, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения.

Однако при прекращении подачи пара цезия в МЭЗ ЭГС за счет исключения из теплового баланса электронного охлаждения эмиттера произойдет повышение температуры топливно-эмиттерного узла (эмиттерной оболочки и топлива в сердечниках) ЭГС. Это может привести к потере надежности или сокращению ресурсоспособности ЭГС как источника тепла, например, за счет выхода топлива из топливно-эмиттерного узла в МЭЗ, локального короткого замыкания эмиттера на коллектор с возможным пережогом коллекторного пакета в месте повышенного локального теплового потока. Кроме того, каждая ЭГС может эксплуатироваться в неконтролируемых разных температурных режимах, а это затруднит экспериментальную отработку такой ЭГС в режиме источника тепла. Возможно также в процессе отключения пара цезия появления разрядов электрического тока с последующим снижением надежности и ресурсоспособности ТРП.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и дополнительным преобразователем (ДП) тепловой энергии в электрическую, предложенный в патенте RU 2173898, опубл. 20.09.2001. Двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения ТРП в виде циркуляционного контура с ХИ, размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим и отводящим трубопроводами, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРП к ДП. Способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП включает работу ТРП на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в МЭЗ ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности ТРП с номинального до пониженного уровня, отключение подачи пара цезия в ТРП, заполнение МЭЗ ТРП нейтральным газом, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения.

Однако такой способ эксплуатации в некоторых режимах обладает низкой надежностью в связи со следующим. Прекращение подачи пара цезия в МЭЗ ЭГС осуществляется за счет понижения его давления. При этом ЭГС является электрогенерирующей, т.е. во время понижения давления пара цезия между отдельными элементами ЭГС имеется напряжение. В соответствии с кривой Пашена при понижении давления пара цезия снижается напряжение пробоя промежутка с паром цезия. В результате возможно появление разряда внутри ЭГС или между токовыводами и корпусом ЭГС. Это может привести к снижению ресурсоспособности ЭГС или появлению отказов в отдельных элементах ЭГС или даже в ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности эксплуатации ЯЭУ с ТРП и ДП в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы за счет исключения электрического пробоя изоляции при изменении режима эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП, включающем работу ТРП на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в МЭЗ ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности ТРП с номинального до пониженного уровня, отключение подачи пара цезия в ТРП, заполнение МЭЗ ТРП нейтральным газом, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения, после понижения тепловой мощности ТРП перед отключением подачи пара цезия ТРП переводят в режим короткого замыкания.

На фиг.1 приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП, поясняющая суть предложенного способа эксплуатации такой ЯЭУ; на фиг.2 - элемент термоэмиссионной сборки.

Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП 1, состоящий из активной зоны (АЗ) 2 и отражателя 3, между которыми может быть размещен герметичный корпус 4. АЗ 2 набрана из ЭГС 5, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например, эвтектическим сплавом NaK или Li. АЗ 2 снабжена патрубком подвода 6 и патрубком отвода 7 теполоносителя. Циркуляция теплоносителя в системе охлаждения осуществляется перекачивающим устройством 8, выполненным обычно в виде электромагнитного насоса (ЭМН). Сброс не преобразованного в ТРП тепла производится излучением в космос с поверхности холодильника-излучателя (ХИ) 9, выполненного, например, на основе тепловых труб 10. В систему охлаждения ТРП 1 входят также трубопровод от ТРП 1 до ХИ 9, состоящий из участков 11 и 12, разделенных переключающим устройством 13; трубопровод 14 от ХИ 9 до перекачивающего устройства 8 и трубопровод 15 от перекачивающего устройства 8 до ТРП 1. Вне ТРП 1 размещен ДП 16 тепловой энергии в электрическую. В качестве ДП 16 могут быть применены термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую; термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую; электромашинный генератор на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга, регенеративный электрохимический генератор. ДП 16 имеет систему подвода тепла 17, снабженную подводящим трубопроводом 18, подсоединенным к трубопроводу от ТРП 1 к ХИ 9 между участками 11 и 12 в месте установки переключающего устройства 13, и отводящим трубопроводом 19, подсоединенным к трубопроводу 14 от ХИ 9 до перекачивающего устройства 8. Переключение потока нагретого теплоносителя от ТРП 1 к системе подвода тепла 17 дополнительного преобразователя 16 производится через переключающее устройство 13, которое может быть выполнено в виде двухпозиционного переключающего устройства. ДП 16 имеет дополнительную систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП, выполненную, например, также в виде циркуляционного контура с участком теплоотвода 20, с дополнительным перекачивающим устройством 21, например ЭМН, и участком трубопровода 22 от ДП к ХИ и участком трубопровода 23 от ХИ к ДП. В качестве ХИ системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП может быть использован как основной ХИ 9 с ТТ 10, так и применен дополнительный ХИ, также выполненный, например, на основе ТТ (на схеме не показан). В ЭГС 5 внутри коллекторного пакета 24 с межэлектродным зазором (МЭЗ) 25 размещены топливно-эмиттерные узлы 26 (см. фиг.2). МЭЗ 25 с помощью трубок 27 сообщается с камерой 28, к которой подсоединены патрубок 29 подачи пара цезия и патрубок 30 подачи газа. В отражателе 3 размещены органы управления ТРП 1 в виде поворотных цилиндров 31 с поглощающими нейтроны накладками 32. ТРП 1 и ДП 16 снабжены токовыводами 33 и 34 соответственно для отвода генерируемой электроэнергии потребителям или системе распределения электроэнергии (на схеме не показано). Токовыводы 33 ТРП снабжены короткозамыкателем 35.

Способ реализуется и космическая двухрежимная ЯЭУ с ТРП и ДП эксплуатируется следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 31 ТРП 1 находятся в положении поглощающими нейтроны накладками 32 к A3 2. 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 31 таким образом, что поглощающие нейтроны накладки 32 отходят от A3 2. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках топливно-эмиттерных узлов 26 ЭГС 5. Выделяющееся в них тепло передается через МЭЗ 25 на наружную поверхность коллекторного пакета 24, с которой тепло отводится теплоносителем через патрубок отвода 7 и участок трубопровода 11, переключающее устройство 13 и участок трубопровода 12 в теплообменное устройство зон испарения ТТ 10 ХИ 9. В ХИ 9 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 9 теплоноситель через трубопровод 14 попадает в перекачивающее устройство 8, которое, создав напор, перекачивает теплоноситель через трубопровод 15 и патрубок подвода 6 в активную зону 2 ТРП 1. После достижения рабочего уровня тепловой мощности в камеру 28 через патрубок подачи цезия 29 подается пар цезия, который из камеры 28 через трубки 27 попадает в МЭЗ 25 каждой ЭГС 5. После этого ЭГС 5 начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью электроизолированных токовыводов 33. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 9. При этом переключающее устройство 13 занимает положение, направляющее теплоноситель в ХИ 9. Поверхность ХИ 9, а также расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности первого режима работы, например, транспортного, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание ЭРДУ. При этом ДП 16 не работает, так как к нему не подводится тепло от ТРП 1. После окончания работы ЯЭУ в первом режиме, например, транспортном (доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования, например, ГСО), ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы, например, для энергообеспечения аппаратуры КА с более низким уровнем мощности, но существенно большим ресурсом. Для этого уровень тепловой мощности ТРП 1 понижается, переключающее устройство 13 переводится в положение, когда поток теплоносителя от активной зоны 2 ТРП 1 направляется через подводящий трубопровод 18 к ДП 16. В ДП 16 происходит преобразование этого тепла в электричество, которое с помощью токовыводов 34 отводится потребителю электроэнергии, например, аппаратуре КА. Охлажденный в ДП 16 теплоноситель через отводящий трубопровод 19 попадает в трубопровод 14, затем в перекачивающее устройство 8 и через трубопровод 15 и патрубок подвода 6 в A3 2 ТРП 1. Непреобразованное в ДП 16 тепло с помощью дополнительной системы охлаждения, например, в виде дополнительного циркуляционного контура с участком теплоотвода 20, с участком трубопровода 22 от ДП к ХИ и участком трубопровода 23 от ХИ к ДП и дополнительным перекачивающим устройством 21 переносится в ХИ 9 или в дополнительный ХИ (на схеме не показан), где сбрасывается излучением в космос. Так как тепловая мощность ЭГС 5 второго режима стала меньше, чем была в первом режиме, генерируемый ЭГС 5 ток, а следовательно, и электрическая мощность существенно снижаются. Практически можно считать, что ЭГС 5 перестали генерировать электроэнергию (за счет снижения тока, но не ЭДС). Практически во втором режиме работы ТРП 1 используется лишь как источник тепла для ДП 16. Поэтому желательно санкционированное прекращение работы ЭГС 5, как источников электроэнергии. Это может быть сделано за счет удаления рабочего тела (пара цезия) из МЭЗ 25 ЭГС 5 и заполнения его нейтральным теплопроводящим газом, например гелием. Однако процесс удаления пара цезия из МЭЗ 25 будет происходить при постепенном понижении давления пара цезия. Так как ТРП 1 работает, хотя и на пониженной тепловой мощности, ЭГС 5 генерируют напряжение. В результате при некотором пониженном значении давления пара цезия возможно зажигание дуги в паре цезия между отдельными элементами ЭГС 5, что может вызвать ряд нежелательных или даже опасных последствий, например, пробой изоляции коллекторного пакета 24 ЭГС 5. Это может привести к разгерметизации ЭГС, попадании активных продуктов деления в теплоноситель, что может сделать эксплуатацию ЯЭУ во втором режиме невозможной. Поэтому для исключения пробоя изоляции после понижения тепловой мощности ТРП с помощью короткозамыкателя 35 ТРП, а следовательно, и все ЭГС 5 переводят в режим короткого замыкания. Это исключает возможность появления электрического разряда в паре цезия, так как напряжение на ЭГС будет близко к нулю. После удаления пара цезия из МЭЗ 25 ЭГС за счет исключения электронного охлаждения эмиттера температура топливно-эмиттерного узла 26 возрастет и может превысить рабочую температуру номинального режима. Поэтому после удаления пара цезия (или в процессе удаления пара цезия) в МЭЗ 25 каждой ЭГС 5 подают теплопроводящий газ. Подача газа осуществляется через патрубок 30 в камеру 28 и затем через трубки 27 газ попадает в МЭЗ 25. В качестве газа лучше всего использовать гелий, который среди нейтральных газов обладает наивысшим коэффициентом теплопроводности. Могут быть использованы и смесь гелия с другими газами, например, с целью получения заданной температуры топливно-эмиттерного узла. Подача газа в МЭЗ 25 за счет передачи тепла теплопроводностью через газ от топливно-эмиттерного узла 26 к коллекторному пакету 24 приведет к существенному снижению температуры топливно-эмиттерного узла 26 (на несколько сот градусов) без заметного повышения температуры коллекторного пакета 24.

Ресурс работы ЭГС 5 как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГС, как распухание топливной композиции топливно-эмиттерного узла 26 с деформацией эмиттерной оболочки до короткого замыкания топливно-эмиттерного узла 26 с коллекторным пакетом 24, никак не скажутся на возможности работы ЭГС 5 как обычного тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора. Обеспечение отсутствия электрических разрядов в процессе понижения давления пара цезия и снижение температуры топливно-эмиттерного узла 26 в режиме длительного энергопитания позволяют повысить ресурс и надежность ЭГС 5 как источника тепла. Плановое санкционированное "выключение" ЭГС 5 как источника электроэнергии без появления электрических разрядов внутри ЭГС и, следовательно, различного рода опасных последствий, например, пробоя изоляции, в том числе коллекторного пакета, и без повышения температуры топливно-эмиттерного узла, обеспечит повышенную надежность и длительный ресурс ЯЭУ при предложенном режиме эксплуатации. Одновременно достигается повышение качества отработки двухрежимной ЯЭУ в наземных условиях, так как дополнительный преобразователь с длительным ресурсом работы может быть отработан в стендовых условиях с электронагревом, а термоэмиссионные ЭГС как источники электроэнергии могут быть отработаны в петлевых реакторных испытаниях на относительно короткий ресурс.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность эксплуатации космической ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением надежности и ресурса работы при пониженном уровне мощности.

Способ эксплуатации космической двухрежимной ядерно-энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем и дополнительным преобразователем тепловой энергии в электрическую, включающий работу термоэмиссионного реактора-преобразователя на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в межэлектродные зазоры термоэмиссионного реактора-преобразователя пара цезия, подачу генерируемой термоэмиссионным реактором-преобразователем при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности термоэмиссионного реактора-преобразователя с номинального до пониженного уровня, удаление пара цезия из межэлектродных зазоров, заполнение межэлектродных зазоров газом, подачу генерируемой дополнительным преобразователем электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения, отличающийся тем, что после понижения тепловой мощности термоэмиссионного реактора-преобразователя перед удалением пара цезия из межэлектродных зазоров термоэмиссионный реактор-преобразователь переводят в режим короткого замыкания.