СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ К ЗАПУСКУ НА НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ Российский патент 1996 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологических процессах производства и подготовки к эксплуатации термоэмиссионных ядерных энергетических установок (ЯЭУ). Особенно актуально это для космической энергетики, где одной из важных технических проблем является проблема сокращения времени запуска ЯЭУ на номинальный рабочий режим. Особенность запуска термоэмиссионной ЯЭУ состоит в том, что она начинает генерировать полезную электрическую мощность по достижении сравнительно высокого уровня температур (выше 300^oC по температуре теплоносителя на входе в реактор) и установлении достаточного давления паров щелочного металла (обычно цезия) в межэлектродном пространстве (МЭП) электрогенерирующих каналов (ЭГК) ЯЭУ и системе генерации и подачи в него паров щелочного металла (ЩМ). Иными словами, время вывода реактора на режим генерирования полезной электрической мощности зависит от времени разогрева ЯЭУ до требуемого уровня температур и времени получения и установления оптимального давления паров ЩМ.

Известно, что для сокращения времени разогрева запуск ЯЭУ на режим генерирования мощности проводят посредством быстрого увеличения тепловой мощности реактора от минимально контролируемого уровня до температуры прогрева (см. Афанасьев И.В. и др. Оптимальные алгоритмы управления термоэмиссионными космическими ЯЭУ с тепловым реактором //Атомная энергия, т. 71, вып. 5, 1991, с. 386-391).

Однако скорость подъема мощности реактора при пуске ограничена величинами возникающих при этом температурных градиентов, вызывающих возникновение недопустимых деформаций, перегрев отдельных элементов конструкции ЯЭУ и другие отрицательные явления. Частично этих явлений можно избежать, если перед запуском ЯЭУ на мощность в полость МЭП в наземных условиях подать инертный газ с высокой теплопроводностью, например гелий, который автоматически стравливают в космосе в процессе вывода ЯЭУ на мощность (см. Вольберг М. С. и др. Основные принципы управления термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз" на различных режимах работы //Атомная энергия, т. 71, вып. 6, 1991, с. 576). Наличие инертного газа позволяет снизить температурные градиенты (а значит, и связанные с ними деформации), избежать перегрева отдельных элементов ЭГК и пробоя изоляции при росте давления паров ЩМ в МЭП в процессе запуска.

Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что момент установления давления паров ЩМ, достаточного для генерирования необходимого количества электроэнергии, значительно отстает по времени от момента установления требуемого для этого давления уровня температур и общее время запуска по-прежнему остается большим. Медленное нарастание давления паров ЩМ, вероятнее всего, связано с их потерями. Дело в том, что полоски МЭП в ЭГК имеют сильно развитые поверхности, на которых неизбежно содержатся примеси химически активных газов (кислород, вода, углеводороды и др.), которые в начальный момент подачи ЩМ взаимодействуют с ним. Кроме того, в МЭП и полости генерирования и подачи паров ЩМ имеются остаточные газы, которые также взаимодействуют с парами ЩМ. Явление поверхностной сорбции и химического взаимодействия приводит к заметному отстаиванию установления оптимального давления в момент запуска ЯЭУ на мощность. Особенно это актуально для ЯЭУ повышенной мощности (10 и более кВт), где сорбционные поверхности больше, а уровень газосодержания в конструкционных материалах и величина остаточного давления газов в полостях могут быть значительными. Вследствие этого разница по времени установления оптимального давления паров ЩМ и соответствующей ему температуры прогрева ЯЭУ еще более увеличится.

Цель изобретения сокращение времени запуска термоэмиссионной ядерной энергетической установки на режим генерирования полезной электрической мощности и повышение надежности пуска установки.

Это достигается тем, что в способе подготовки термоэмиссионной ядерной энергетической установки к запуску на номинальный режим, включающем вакуумирование межэлектродного пространства ЯЭУ при температуре от 400 до 600^oС, последующее заполнение его инертным газом, герметизацию и охлаждение, перед заполнением инертным газом в межэлектродное пространство подают пары щелочного металла до давления, равного оптимальному давлению его паров при рабочих температурах, и конденсируют пары в МЭП при охлаждении ЯЭУ.

Способ реализуется следующим образом. ЯЭУ устанавливают на испытательный стенд в вакуумную камеру. Вакуумную камеру подсоединяют к вакуумной системе, а жидкометаллический контур подсоединяют к соответствующему стендовому контуру (см. Кузнецов В. А. Грязнов Г. М. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ядерно-энергетической установки "Топаз" //Атомная энергия, т. 36, вып. 6, 1974, с. 453). ЯЭУ разогревают до температуры от 400 до 600^oС, вакуумируя при этом МЭП до давления порядка (1. Е-З 1.Е-4) Па. Затем в МЭП подают дозированное количество ЩМ. Дозировку ЩМ проводят посредством установления в МЭП давления паров ЩМ, равного по величине оптимальному значению при работе реактора в космосе. (Оптимальное значение в данном случае это давление паров ЩМ, которое обеспечивает получение от ЯЭУ максимальной электрической мощности при заданной тепловой мощности. Оптимальное давление зависит от конструкции ЭГК и ЯЭУ в сборе. Определяется в процессе экспериментальной отработки на ЭГК и прототипах ЯЭУ при энергетических испытаниях. Величина его паспортизуется и является одной из характеристик КЯЭУ). После установления оптимального давления ЩМ запорными клапанами перекрывают систему откачки и систему подачи ЩМ в МЭП, ЯЭУ расхолаживают до температуры окружающей среды, полость заполняют инертным газом (например, гелием) и запаивают. В процессе расхолаживания ЩМ конденсируется в ограниченном замкнутом объеме реактора в количестве, которое обеспечивает оптимальное давление паров ЩМ при рабочих температурах. При запуске ЯЭУ в космосе рост давления паров ЩМ практически будет определяться ростом температуры элементов системы ЩМ реактора, т.к. явления, приводящие к отставанию времени установления давления паров от роста температуры, устраняются, и, следовательно, общее время вывода КЯЭУ на мощность уменьшается.

Практически это позволит повысить надежность запуска ЯЭУ на орбите, увеличит коэффициент готовности космического объекта выполнять поставленные задачи и позволит снизить энергоемкость (и вес) запасных источников электроэнергии, доставляемых с Земли в космос для обеспечения жизнеспособности объекта в начальный период его эксплуатации.

Способ был разработан применительно к КЯЭУ "Топаз-2", прошел экспериментальную проверку на отдельных образцах ЯЭУ и показал свою эффективность. Время запуска ЯЭУ на режим генерирования полезной электрической мощности в среднем сокращается в 4-7 раз.

Способ подготовки термоэмиссионной ядерной энергетической установки к запуску на номинальный режим. Технический результат - сокращение времени запуска реактора на режим генерирования полезной электрической мощности. Сущность изобретения: при вакуумировании межэлектродного пространства реактора при температуре от 400 до 600^oC перед заполнением инертным газом и охлаждением в межэлектродное пространство подают пары щелочного металла до установления их рабочего давления, после чего его герметизируют и реактор расхолаживают. В замкнутом межэлектродном пространстве конденсируется щелочной металл в количестве, обеспечивающем установление оптимального давления его паров при рабочих температурах.

Способ подготовки термоэмиссионной ядерной энергетической установки к запуску на номинальный режим, включающий вакуумирование межэлектродного пространства реактора при температурах от 400 до 600^oС, охлаждение ядерной энергетической установки, заполнение межэлектродного пространства инертным газом и его герметизацию, отличающийся тем, что при температурах ядерной энергетической установки от 400 до 600^oС межэлектродное пространство заполняют парами щелочного металла до давления, равного оптимальному его значению при рабочих температурах ядерной энергетической установки в космосе, и конденсируют пары щелочного металла в межэлектродном пространстве при охлаждении ядерной энергетической установки.