СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 1996 года по МПК G21D7/00 G21D7/02 H01J45/00 

Изобретение относится к области непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и атомной энергетике и может быть использовано при создании источников электроэнергии с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП), преимущественно космического назначения.

Атомные электростанции, размещаемые на Земле, на подводных и надводных кораблях, на космических аппаратах, включают источник тепловой энергии - ядерный реактор, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода непреобразованной части тепловой мощности для рассеивания ее в окружающее пространство.

Определенными преимуществами, особенно для использования в космосе, обладают ядерно-энергетические установки (ЯЗУ) с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую в термоэмиссионном реакторе-преобразователе.

Одним из главных режимов ЯЗУ с ТРП при работе на номинальной мощности является переключение электрической нагрузки с исходного на новое значение. При этом резко меняется ток нагрузки и зависящая от него температура эмиттера Т, которая в свою очередь определяет ресурс РТП. Чем меньше будут динамические отклонения Т от первоначального значения, тем больше будет ресурс ТРП.

Известны способы управления ЯЗУ с ТРП на номинальном режиме путем поддержания заданных значений температуры теплоносителя, нейтронной мощности, генерируемого тока или более сложные модификации этих способов со взаимными корректирующими добавками /1/. Однако рассматриваемые способы не обеспечивают достаточной стабильности Т при переключениях нагрузки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления работой ЯЗУ с ТРП путем поддержания на заданном уровне потока нейтронов в ТРП /2/.

Однако этот способ не обеспечивает стабильности Т при переключении нагрузки, так как органы управления ТРП реагируют на переключение нагрузки только после изменения нейтронной мощности из-за температурных обратных связей, т.е. с задержкой, вызванной тепловой инерционностью материалов активной зоны ТРП. За это время Т успевает заметно измениться, появляются соответствующие напряжения в конструкции со снижением ресурса ТРП.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение ресурсоспособности ТРП за счет снижения амплитуды термокачек конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления ЯЗУ с ТРП, включающем поддержание заданной нейтронной мощности ядерного реактора и переключение электрической нагрузки, одновременно с переключением нагрузки на новое значение изменяют уровень поддерживаемой нейтронной мощности до значения, определяемого соотношением
N_H N₀[1 + k(1-R_H/R_O] при
N_H N₀ [1 k) при
где N_O заданное номинальное значение нейтронной мощности реактора,
N новое поддерживаемое значение нейтронной мощности реактора,
R₀ и R_H заданное номинальное и новое значения сопротивления электрической нагрузки,
k 0,2-0,3 численный коэффициент.

Фиг. 1, 2, 3 поясняют суть предложенного способа, причем на фиг.1 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) и характеристика мощность-напряжение при постоянной, например, заданной мощности ТРП; на фиг.2 изменение температуры эмиттера Т при переключении нагрузки с R₀ на R_H при постоянной мощности ТРП; на фиг.3 изменение тепловой (нейтронной) мощности ТРП для сохранения постоянной Т при переключении нагрузки. На фиг.1-3 обозначено: I ток (I_кз ток короткого замыкания), V напряжение (V_хх напряжение холостого хода), W электрическая мощность W, Т температура эмиттера, индексы "0" и "Н" относятся соответственно к заданным номинальным и новым значениям.

Суть способ заключается в следующем.

На температуру эмиттера Т наибольшее воздействие оказывают два фактора: тепловая мощность, выделяющаяся в ядерном горючем, пропорциональная нейтронной мощности, и электронное охлаждение эмиттера, которое зависит от проходящего тока, а следовательно, от сопротивления нагрузки. В то же время ЯЗУ с ТРП автономный источник электроэнергии с падающей ВАХ. Поэтому если при N₀ const в рабочей точке с R R₀ генерируется максимальная электрическая мощность W₀, то как при уменьшении R, так и при увеличении R электрическая мощность W будет ниже W₀, что поясняет фиг.1. При N₀ const переход с R₀ на R_H (больше R₀) приводит не только к снижению генерируемой мощности W_Н относительно W₀, но и повышению Т. Этот процесс демонстрирует фиг.2, где приведены BAX N₀ const и изотермические ВАХ T const. Если ЯЗУ многорежимная, то такие переключения нагрузки приводят к заметным колебаниям температуры Т и соответственно снижению ресурса. Поэтому если ТРП спроектирован на условия работы при Т₀, то ее колебания должны быть минимальны. Фактически это означает, что управление установкой должно производиться таким образом, чтобы обеспечивалось условие Т const. На фиг.3 схематически показан упрощенный вариант такого управления, когда при переключении нагрузки с R₀ на R_H одновременно снижается тепловая (нейтронная) мощность с N₀ на N_H. При этом Т практически не изменяется.

Таким образом, задача обеспечения стабильности Т состоит в поддержании равновесия между теплоподводом к эмиттеру (связанным с тепловой мощностью) и теплоотводом с эмиттера (связанным с током и следовательно сопротивлением нагрузки). Поэтому при переключении нагрузки должен соответственно одновременно измениться и поддерживаемый уровень тепловой (нейтронной) мощности с первоначального заданного номинального значения N₀ до нового значения N_H, связанного с сопротивлением нагрузки вышеприведенными соотношениями, где коэффициент k 0,2-0,3 зависит от конкретной конструкции ТРП и его значения получены из расчетных исследований серии ТРП различной конструкции.

Пример конкретного исполнения. Преимущества предложенного способа управления относительно прототипа иллюстрируется данными, приведенными в таблице и полученными путем многовариантных расчетов на ЭЦВМ с использованием математических моделей динамики конкретных конструкций ЯЗУ с ТРП. Из таблицы следует, что во всем реальном возможном диапазоне изменения нагрузки (от короткого замыкания до холостого хода) отклонения температуры эмиттера dT от номинального значения при управлению по предложенному способу существенно меньше, чем при управлении по прототипу (в два и более раз).

Таким образом, предложенный способ управления ЯЗУ с ТРП позволяет уменьшить динамические отклонения температуры эмиттера при переключении нагрузки, тем самым обеспечить поддержание генерации электроэнергии в условиях, близких к оптимальным, и увеличить ресурсоспособность ЯЗУ при динамических режимах ее нагружения. В связи с изменением генерируемой мощности на борту ЯЗУ должны быть согласующие устройства параметров тока потребителей тока и ее источника.

Назначение: изобретение относится к области непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и атомной технике и может быть использовано при создании источников электроэнергии с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП), преимущественно космического назначения. Сущность: одновременно с переключением сопротивления нагрузки на новое значение изменяют уровень поддерживаемой нейтронной мощности реактора до значения, определяемого соотношением между заданным номинальным значением нейтронной мощности реактора, новым значением нейтронной мощности реактора и заданным и новым значениями сопротивления электрической нагрузки. 3 ил.

Способ управления работой термоэмиссионной ядерно-энергетической установки, включающий поддержание заданной нейтронной мощности ядерного реактора и переключение сопротивления электрической нагрузки, отличающийся тем, что одновременно с переключением сопротивления нагрузки на новое значение изменяют уровень поддерживаемой нейтронной мощности реактора до значения, определяемого соотношением
N_н N₀[1 + k(1 R_н/R₀) при
N_н N₀(1 k) при
где N₀ заданное номинальное значение нейтронной мощности реактора;
N_н новое поддерживаемое значение нейтронной мощности реактора;
R₀ и R_н заданное номинальное и новое значения сопротивления электрической нагрузки;
k 0,2 0,3 численный коэффициент.