БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ КОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1996 года по МПК G21C7/14 

Изобретение относится к системам управления с механическим приводом, предназначенным для управления ядерными реакторами, используемыми в качестве источников энергии в космических энергетических установках (КЭУ), проходящими в процессе эксплуатации стендовые (наземные) испытания.

Известен ряд конструкций таких КЭУ, содержащих механические приводы поворотных органов регулирования (см. например конструкцию КЭУ на основе реактора TRIKT, журнал Raumfahrtforschung N4, 1968 s.169-179; конструкцию реактора SNAP-10A, И.Я.Емельянов, В.В.Воскобойников, Б.А.Масленок "Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов" Москва, 1978 г. стр. 83 85).

Недостатком этих конструкций является невозможность достижения требуемой надежности блока управления при больших ресурсах работы установки, трудность проведения стендового этапа эксплуатации, что обусловлено расположением приводов органов регулирования непосредственно около реактора и неразъемным соединением приводов с органами регулирования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является конструкция блока управления ядерным реактором КЭУ SP-100, состоящая из установленных на теневой радиационной защите приводов органов регулирования, содержащих электродвигатели, редукторы и тормозные муфты и связанные с органами регулирования посредством кинематических цепей, содержащих рессоры, проходящие сквозь теневую радиационную защиту, передаточные механизмы и фиксаторы (см. Proceedings of the Seventh Symposium on Space Nuclear System, Albuquergue Convention Center, Albuquerque, New Mexico, January 7 10, 1990 p 976 981).

Недостатком данной конструкции является недостаточно высокая надежность блока управления при прохождении стендового этапа эксплуатации КЭУ, а также напряженное тепловое и радиационное состояние элементов блока управления, что в свою очередь снижает надежность блока управления и при штатной эксплуатации КЭУ. В данной конструкции привода органов регулирования, обеспечивающие также и ядерную безопасность путем аварийного гашения реактора, размещены на дальнем от реактора торце теневой радиационной защиты и соединены с помощью рессор с органами регулирования. Таким образом, при наземных пусках реактора для стендовой отработки на приводы органов регулирования воздействуют повышенные тепловые и радиационные потоки, что не может не снижать их надежность. Для обеспечения требуемой надежности блока управления необходимо предпринимать дополнительные конструктивные и другие меры, что в свою очередь усложняет конструкцию. Расположение приводов органов регулирования на диаметре равном диаметру расположения самих органов регулирования ведет к ухудшению теплового и радиационного состояния приводов за счет ухудшения их теплосброса и размещения над зоной перфорации защиты рессорами. Имеющие место в конструкции реактора и всей КЭУ значительные температурные градиенты могут вызвать значительные нагрузки на конструктивные элементы реактора и блока управления. В связи с этим в примененной конструкции передаточного механизма, в котором корпус ведущего элемента закреплен на теневой радиационной защите, а ведомый элемент установлен непосредственно на органе регулирования, который в свою очередь закреплен на корпусе реактора, могут возникнуть деформации, ведущие к заеданию механизма управления. Имеющееся в конструкции тормозное устройство входит в состав привода, т.е. находится в наиболее удаленной от органа регулирования точке кинематической цепи. В то же время возможное разрушение элементов конструкции КЭУ в результате аварий на этапе подготовки к эксплуатации на орбите (аварии при транспортировании, аварии носителя и падения КЭУ) могут привести к нарушению связи между органами регулирования и тормозными устройствами. При такой ситуации возможно самопроизвольное движение органов регулирования и появление предпосылки к нарушению условий ядерной безопасности.

Одним из определяющих требований к ядерным энергетическим установкам является требование обеспечения с высокой надежностью ядерной безопасности, т. е. предотвращение потери контроля и управления цепной реакцией деления в активной зоне реактора и исключение возможности ядерной реакции при всех технологических операциях: транспортировке, хранении, проведении монтажных и других работ, а для КЭУ и при выводе на заданную орбиту. В процесс эксплуатации КЭУ вводится для окончательного контроля всех систем установки и подтверждения эксплуатационных характеристик стендовый этап эксплуатации. Обеспечение с высокой надежностью ядерной безопасности на всех этапах эксплуатации КЭУ путем принятия конструктивных мер и снижением силовых, тепловых и радиационных нагрузок на элементы блока управления.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - обеспечение с высокой надежностью ядерной безопасности на всех этапах эксплуатации КЭУ путем принятия конструктивных мер и снижения силовых, тепловых и радиационных нагрузок на элементы блока управления.

Технический результат введена возможность проведения стендового этапа эксплуатации под контролем стендового блока управления, располагаемого в комфортных, доступных для обслуживания условиях, не имеющих ограничений по габаритам и поэтому, обеспечивающих ядерную безопасность с большей надежностью.

При этом со штатным блоком управления проводятся минимальные работы, которые требуют после перевода системы управления из стендового состояния в штатное минимальных проверок, проводимых с большой надежностью, ввиду легкодоступности мест их проведения, их однозначного контроля и малых объемов. Кроме того, повышена надежность фиксации органов регулирования с помощью независимых дополнительных механических фиксаторов в положении минимальной подкритичности ядерного реактора на всех этапах, предшествующих штатной эксплуатации, в том числе и при аварийных ситуациях, связанных с нарушением целостности конструкции КЭУ в целом. Приводы органов регулирования вынесены в зону КЭУ с уменьшенным тепловым и радиационным воздействием, а с элементов приводов органов регулирования, находящихся в наиболее теплонапряженном состоянии, обеспечен увеличенный теплосброс. На тормозной муфте привода и передаточном механизме снижены нагрузки от температурных и силовых деформаций. Снижение всех видов нагрузок на элементы блока управления в конечном итоге приводят к повышению надежности блока управления на всех этапах эксплуатации.

Этот результат достигается тем, что в конструкции блока управления органы регулирования, оснащенные цапфами на обоих торцах, размещены в чехлах, одна из цапф соединена с приводом посредством расположенной в чехле кинематической цепи и, по крайней мере, для части органов регулирования вторая цапфа снабжена элементом разъемного соединения, соосно ей на чехле органа регулирования размещена съемная герметичная заглушка, а в кинематические цепи этих органов регулирования введены управляемые сцепные муфты, при этом устройство наддува и окончательной герметизации чехлов установлено за теневой радиационной защитой, корпус управляемой сцепной муфты установлен на корпусе теневой радиационной защиты, а управляющий элемент муфты расположен перпендикулярно оси космической энергетической установки и соединен с корпусом муфты посредством гибкого герметичного элемента, а сама муфта установлена таким образом, что управляющий элемент своим рабочим хвостовиком направлен в сторону ближайшей боковой границы космической энергетической установки, управляемая сцепная муфта выполнена с двумя кулачками, оси симметрии которых расположены в одной плоскости и смещены относительно оси муфты на величину большую, чем ширина вершины кулачка, органы регулирования соединены кинематическими цепями в группы с помощью сегментных передаточных механизмов, корпуса которых закреплены на выступах корпуса ядерного реактора посредством осей и распорок, шарнирно соединяющих корпус передаточного механизма с корпусом ядерного реактора, причем оси, соединяющие корпус передаточного механизма и выступы корпуса реактора, и оси шарниров параллельны между собой и лежат в плоскостях, перпендикулярных продольной оси реактора, а валы передаточного механизма соединены с рессорой и органами регулирования посредством карданов, приводы органов регулирования установлены на периферии теневой радиационной защиты, а рессоры расположены в теневой радиационной защите под углом к ее оси, валы электродвигателя и редуктора соединены между собой валом тормозной муфты, а корпус тормозной муфты соединен с корпусом привода через элемент, допускающий ограниченное взаимное их перемещение, например через шлицевое соединение, приводы органов регулирования выполнены с противометеоритными экранами, которые имеют вырезы напротив участков корпуса привода примыкающих к наиболее теплонапряженным элементам конструкции, причем эти участки корпуса привода выполнены с увеличенной толщиной стенок, фиксатор соединен с корпусом чехла элемента кинематической цепи через гибкий герметичный элемент посредством сменного соединительного элемента, который выполнен с возможностью его дистанционного разрушения, кроме того, возможна установка дополнительного съемного соединительного элемента, который снимается после завершения этапа стендовой эксплуатации.

На фиг.1 приведен общий вид предлагаемого блока управления КЭУ; на фиг.2 сечение по передаточным механизмам; на фиг.3 сечение по сцепной муфте; на фиг. 4 сечение по приводу органов регулирования; на фиг.5 сечение по фиксатору.

Блок управления ядерным (см. фиг.1) реактором 1 космической энергетической установки состоит из установленных на теневой радиационной защите 2 приводов 3 поворотных органов регулирования 4. Приводы 3 содержат электродвигатели 5, редуктора 6 и тормозные муфты 7 и связанные с органами регулирования 4 посредством кинематических цепей, содержащих рессоры 8, проходящие сквозь теневую радиационную защиту 2, передаточные механизмы 9 и фиксаторы 10. Органы регулирования 4, оснащенные цапфами 12 на обоих торцах, размещены в чехлах 11, одна из цапф 12 соединена с приводом 3 посредством расположенной в чехле 13 кинематической цепи и по крайней мере для части органов регулирования вторая цапфа 12 снабжена элементом разъемного соединения 15, соосно ей на чехле 11 органа регулирования размещена съемная герметичная заглушка 16, а в кинематические цепи этих органов регулирования введены управляемые сцепные муфты 14, при этом устройство наддува и окончательной герметизации 17 чехлов установлено за теневой радиационной защитой 2, корпус 18 управляемой сцепной муфты 14 установлен на корпусе теневой радиационной защиты 2, а управляющий элемент 19 муфты 14 расположен перпендикулярно оси космической энергетической установки и соединен с корпусом муфты посредством гибкого герметичного элемента 20, а сама муфта установлена таким образом, что управляющий элемент 19 своим рабочим хвостовиком направлен в сторону ближайшей боковой границы космической энергетической установки, управляемая сцепная муфта 14 выполнена с двумя кулачками 21, оси симметрии которых расположены в одной плоскости, и смещены относительно оси муфты на величину большую, чем ширина вершины кулачка, органы регулирования 4 соединены кинематическими цепями в группы с помощью сегментных передаточных механизмов 9, корпуса 22 которых закреплены на выступах корпуса 23 ядерного реактора 1 посредством осей 24 и распорок 25, шарнирно соединяющих корпус передаточного механизма 22 с корпусом ядерного реактора 23, причем оси 24, соединяющие корпус передаточного механизма 22 и выступы корпуса реактора 1, и оси 26 шарниров параллельны между собой и лежат в плоскостях, перпендикулярных продольной оси реактора 1, а валы передаточного механизма 9 соединены с рессорой 8 и органами регулирования 4 посредством карданов 27, приводы 3 органов регулирования установлены на периферии теневой радиационной защиты 2, а рессоры 8 расположены в теневой радиационной защите под углом к ее оси, валы электродвигателя 5 и редуктора 6 соединены между собой валом 28 тормозной муфты 7, а корпус тормозной муфты 29 соединен с корпусом привода 30 через элемент, допускающий ограниченное взаимное их перемещение, например через шлицевое соединение 31, приводы органов регулирования 3 выполнены с противометеоритными экранами 32, которые имеют вырезы напротив участков корпуса привода 30, примыкающих к наиболее теплонапряженным элементам конструкции, причем эти участки корпуса привода выполнены с увеличенной толщиной стенок, фиксатор 10 соединен с корпусом чехла 13 элемента кинематической цепи через гибкий герметичный элемент 33 посредством сменного соединительного элемента 34, который выполнен с возможностью его дистанционного разрушения, кроме того, возможна установка дополнительного съемного соединительного элемента 35, который снимается после завершения этапа стендовой эксплуатации.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед началом стендового этапа эксплуатации заглушка 16 с чехла 11 органов регулирования 4 снята, полумуфты управляемой сцепной муфты 14 cоединены, фиксаторы 10 введены в сцепление с элементом кинематической цепи (например, с самим органом регулирования 4). Таким образом весь блок управления блокирован от перемещения в положении наибольшей подкритичности.

На этапе стендовой эксплуатации цапфы 12 органов регулирования 4, снабженные элементами разъемного соединения 15 (например, карданными пазами), соединяются с валами специальных стендовых аварийных приводов, размещенных на некотором удалении от КЭУ. Кинематическая цепь, ведущая к приводу 3, разъединяется.

Для этого посредством управляемого элемента 19, который через гибкий герметичный элемент 20 (сильфон) выведен на периферию КЭУ в легко доступное для обслуживания место, разводятся полумуфты управляемой сцепной муфты 14. При этом вал привода 3 остается в зафиксированном с помощью тормозной муфты 7 положении. Затем фиксаторы 10 выводятся из сцепления с органом регулирования.

При таком положении элементов блока управления под контролем стендовых приводов, имеющих повышенную по сравнению со штатными приводами 3 надежность, проводится стендовый этап эксплуатации КЭУ.

В это время возможна независимая проверка функционирования штатных приводов 3 органов регулирования.

После проведения всех проверок, связанных с перемещением органов регулирования, следует перевод КЭУ из положения стендовой эксплуатации в положение штатной эксплуатации. Фиксаторы 10 вводятся в сцепление с органами регулирования. Полумуфты управляемой сцепной муфты 14 замыкаются, причем, т.к. муфта снабжена элементами сцепления (кулачками 21), несимметрично расположенными относительно оси, то соединение привода 3 с органами регулирования 4 возможно только в одном положении положении наибольшей подкритичности реактора. Затем стендовые приводы отсоединяются от цапф 12 органов регулирования, а заглушки 16 устанавливаются на чехлы 11 и завариваются. Через расположенное в легкодоступном месте устройство наддува 17 в полость органов регулирования и приводов подается заданная смесь газов и полость герметизируется и контролируется.

На этапах, не связанных с запуском реактора, в фиксаторах 10 вместо дистанционноразрушаемого соединительного элемента 34 (пироболта), или дополнительно к нему устанавливается соединительный элемент 35 (винт), который обеспечивает сцепление органа регулирования 4 с фиксатором 10. При таком состоянии блока управления КЭУ проходит этапы хранения, транспортирования, установки на старт. Перед стартом соединительный элемент 35 снимается и устанавливается дистанционноразрушаемый элемент 34, который и срабатывает по сигналу, непосредственно перед пуском реактора на орбите, освобождая органы регулирования. Пуск реактора 1 производится путем включения приводов 3 и разворота органов регулирования по заданной программе.

При работе ядерного реактора на все элементы конструкции КЭУ воздействуют радиационные нагрузки, тепловые нагрузки от самого реактора, от внутреннего тепловыделения, возникающего как под действием радиационных потоков, так и под омическим воздействием (для электроэлементов приводов). Для снижения этих нагрузок, отрицательно сказывающихся на надежности блока управления, приводы 3 вынесены на периферию теневой радиационной защиты 2, тем самым им обеспечен максимально возможный теплосброс в окружающее пространство, кроме того, при этом они выводятся за счет наклона рессор 8 из зоны прямого воздействия радиационных потоков, увеличенных в этой зоне за счет перфорирования теневой радиационной защиты в месте прохода рессор 8.

На приводы органов регулирования 3, помимо выше названных нагрузок, действуют также и микрометеорные потоки, воздействие которых может быть компенсировано установкой дополнительных экранов 32, на которых рассеивается основная часть энергии частиц. Но эти экраны затрудняют теплосброс с поверхности привода. Поэтому в месте расположения наиболее теплонапряженных элементов привода (например, обмоток электродвигателя) корпус привода 30 для обеспечения теплового контакта расположен вплотную к ним, а стенка корпуса выполнена с увеличенной по сравнению со стенкой расположенной под экранами толщиной, что увеличивает ее стойкость к воздействию микрочастиц и минимальным образом снижает теплосброс.

Для надежной работы блока управления элементы ее кинематической цепи должны обладать минимальным сопротивлением при движении органов регулирования и должны быть надежно зафиксированы в заданном положении при отсутствии команды на движение. Задачу фиксации органов регулирования 4 выполняет тормозная муфта 7, установленная между электродвигателем 5 и редуктором 6 привода 3. Вал 28 этой муфты соединяет непосредственно вал электродвигателя 5 и входной вал редуктора 6 и служит одновременно для компенсации их несоосности, возникающей во время монтажа и в результате деформаций от неравномерного поля температур и других причин. На валу 28 муфты 7 расположены тормозные элементы (например, постоянные магниты, в случае применения гистерезисной муфты), а ответные тормозные элементы (вставка из материала с большой энергией перемагничивания) расположены в корпусе муфты 29, который для отслеживания перемещения вала при компенсации несоосности соединяемых валов соединяется с корпусом привода 30 через шлицевое соединение 31 или любое другое, допускающее взаимное ограниченное перемещение корпусов 30 и 31, но фиксирующее их от проворота. Тем самым обеспечивается минимальное сопротивление (отсутствие заеданий) при работе блока управления и надежность фиксации органов регулирования при обеспечении минимальных габаритов привода.

Передаточные механизмы 9 объединяют несколько органов регулирования в единую кинематическую цепь и служат для передачи вращения от приводов 3 к органам регулирования 4. Для снижения числа отверстий для прохода рессор 8 в теневой радиационной защите 2 передаточные механизмы расположены в непосредственной близи к реактору 1 и находится под значительной тепловой нагрузкой. Температурные поля в этой зоне особенно неравномерны при пуске реактора.

Поэтому для обеспечения минимального сопротивления вращению элементов кинематической цепи передаточного механизма их корпуса 22 выполнены в виде сегментов и закреплены на выступах корпуса реактора 23 посредством осей 24, причем выступы корпуса реактора охватывают корпуса передаточных механизмов. При пуске реактора корпус реактора 23 разогревается быстрее других элементов. В месте соединения корпуса реактора 23 и корпусов передаточных механизмов 22 появляется зазор. Этот зазор и оси 24 позволяют снять силовые нагрузки на корпус передаточного механизма и его кинематические цепи. Распорка 25 фиксирует корпус передаточного механизма 22 в заданном положении, в то же время она позволяет компенсировать изменение линейных размеров вдоль оси КЭУ корпусов и кинематических цепей. При этом, т.к. оси шарниров 26 параллельны осям 24, происходит незначительное колебание корпуса передаточного механизма вокруг осей 24 без силового воздействия на корпуса, а т.к. передаточный механизм 9 соединяется с рессорой 8 и органами регулирования 4 с помощью карданов 27, то во всей кинематической цепи не возникает дополнительного сопротивления вращению, и надежность функционирования блока управления не ухудшается. После выхода ядерного реактора 1 на стационарный режим работы происходит стабилизация тепловых полей и их некоторое выравнивание.

При этом зазор между корпусом передаточного механизма 22 и корпусом реактора 23 уменьшается до оптимального значения и передаточные механизмы 9 занимают фиксированное положение. Помимо прочего, такое сочленение корпусов 22 и 23 позволяет иметь на период максимальных нагрузок (транспортирование, вывод на орбиту) конструкцию, имеющую максимальную жесткость.

Использование: в качестве механических приводов для управления ядерными реакторами как источниками энергии в космических энергетических установках (КЭУ), проходящими в процессе эксплуатации стендовые (наземные) испытания. Сущность изобретения: блок управления снабжен чехлами, цапфами, управляемыми сцепными муфтами, съемными герметичными заглушками и устройством наддува и окончательной герметизации. Органы регулирования, оснащенные цапфами на обоих торцах, размещены в чехлах. Одна из цапф соединена с приводом посредством расположенной в чехле кинематической цепи и по крайней мере для части органов регулирования вторая цапфа снабжена элементом разъемного соединения. Соосно ей на чехле органа регулирования размещена съемная герметичная заглушка, а в кинематические цепи этих органов регулирования введены управляемые сцепные муфты. При этом устройство наддува и окончательной герметизации чехлов установлено за теневой радиационной защитой. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Блок управления ядерным реактором космической энергетической установки, включающий установленные на теневой радиационной защите приводы поворотных органов регулирования, содержащие электродвигатели, редукторы и тормозные муфты и связанные с органами регулирования посредством кинематических цепей, содержащих рессоры, расположенные в теневой радиационной защите, передаточные механизмы и фиксаторы, отличающийся тем, что он снабжен чехлами, цапфами, управляемыми сцепными муфтами, съемными герметичными заглушками и устройством наддува и окончательной герметизации, причем органы регулирования, оснащенные цапфами на обоих торцах, размещены в чехлах, одна из цапф соединена с приводом посредством расположенной в чехле кинематической цепи и по крайней мере для части органов регулирования вторая цапфа снабжена элементом разъемного соединения, соосно ей на чехле органа регулирования размещена съемная герметичная заглушка, а в кинематические цепи этих органов регулирования введены управляемые сцепные муфты, при этом устройство наддува и окончательной герметизации чехлов установлено за теневой радиационной защитой. 2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что корпус управляемой сцепной муфты установлен на корпусе теневой радиационной защиты, а управляющий элемент муфты расположен перпендикулярно оси космической энергетической установки и соединен с корпусом муфты посредством гибкого герметичного элемента, а сама муфта установлена таким образом, что управляющий элемент своим рабочим хвостовиком направлен в сторону ближайшей боковой границы космической энергетической установки. 3. Блок по п. 1, отличающийся тем, что управляемая сцепная муфта выполнена с двумя кулачками, оси симметрии которых расположены в одной плоскости и смещены относительно оси муфты на величину большую, чем ширина вершины кулачка. 4. Блок по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен распоркой с шарнирами, а на корпусе ядерного реактора выполнены выступы, охватывающие по заданной посадке корпуса передаточных механизмов, причем органы регулирования соединены кинематическими цепями в группы с помощью сегментных передаточных механизмов, корпуса которых закреплены на выступах корпуса ядерного реактора посредством осей и распорок, шарнирно соединяющих корпус передаточного механизма с корпусом ядерного реактора, причем оси, соединяющие корпус передаточного механизма и выступы корпуса реактора, и оси шарниров параллельны между собой и лежат в плоскостях, перпендикулярных продольной оси реактора, а валы передаточного механизма соединены с рессорой и органами регулирования посредством карданов. 5. Блок по п. 1, отличающийся тем, что приводы органов регулирования установлены на периферии теневой радиационной защиты, а рессоры расположены в теневой радиационной защите под углом к ее оси. 6. Блок по п. 1 отличающийся тем, что валы электродвигателя и редуктора соединены между собой валом тормозной муфты, а корпус тормозной муфты соединен с корпусом привода через элемент, допускающий ограниченное взаимное их перемещение, например, через шлицевое соединение. 7. Блок по п. 1, отличающийся тем, что приводы органов регулирования выполнены с противометеоритными экранами, которые имеют вырезы напротив участков корпуса привода, примыкающих к наиболее теплонапряженным элементам конструкции, причем эти участки корпуса привода выполнены с увеличенной толщиной стенок. 8. Блок по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор соединен с корпусом чехла элемента кинематической цепи через гибкий герметичный элемент посредством сменного соединительного элемента, который выполнен с возможностью его дистанционного разрушения. 9. Блок по п. 8, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным съемным соединительным элементом.