СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ЯЭУ) Российский патент 1997 года по МПК G21C7/00 G21D3/00 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и, в частности, к вопросам технологии подготовки к эксплуатации космических ядерных энергетических установок (ЯЭУ), преобразующих тепловую энергию в электрическую непосредственно.

К особенностям космических ЯЭУ следует отнести их высокую техническую сложность, большую стоимость разработки, невозможность проведения ремонтно-восстановительных работ в случае отказа какого-либо элемента или системы ЯЭУ. Такие отказы автоматически приводят к отказам всего космического объекта и большим материальным потерям. Поэтому, к таким объектам предъявляются высокие требования к качеству и надежности их функционирования. В связи с этим, актуальной становится проблема повышения контроля качества изготовления ЯЭУ. Решение проблемы повышения контроля качества осложняется тем, что сложные технические системы, также как ЯЭУ, всегда имеют скрытые дефекты, обнаружить которые очень трудно, поскольку по своей природе они носят случайный характер. Неприятность несвоевременного обнаружения заключается в том, что скрытые дефекты, как правило, проявляются в начальный период эксплуатации изделий, что для космических объектов просто не допустимо.

Качество космической ЯЭУ обеспечивается посредством проведения комплекса конструкторских, технологических и организационных мероприятий, включая систему контроля за их проведением на всех этапах создания установки, в том числе и на этапе наземной подготовки космической ЯЭУ к эксплуатации.

К технологическим средствам обеспечения контроля за качеством изготовления можно отнести проведение различных видов испытаний ЯЭУ перед запуском ее в эксплуатацию, например, натурные испытания с выводом реактора на номинальную мощность на специальном стенде или проведение специальных тепловых приемо-сдаточных испытаний на технологических стендах, позволяющих проводить нагрев ЯЭУ в вакууме до расчетных температур, соответствующих уровню температур при работе ЯЭУ в космосе, получение на этом уровне температур основных (теплофизических, энергетических, электрических и др.) режимов и параметров, характеризующих качество изготовления ЯЭУ, которые позволяют судить о состоянии систем и об их способности к нормальному функционированию в космосе.

Такой подход к проблеме обеспечения качества космических ЯЭУ изложен в [1] Здесь приводится последовательный ряд технологических операций (испытаний), который, по мнению авторов, является оптимальным для качественной подготовки ЯЭУ к эксплуатации в космосе, включая и проведение испытаний на специальных стендах. При этом авторы обращают внимание на то обстоятельство, что на характеристики ЯЭУ оказывают влияние внутренние и внешние факторы. К числу первых относится состояние отдельных элементов ЯЭУ и взаимовлияние параметров рабочих процессов в них. Внутренние факторы являются индивидуальными свойствами конкретной ЯЭУ, и их воздействие на работоспособность установки слабо зависит от различия в условиях проведения испытаний и функционирования ЯЭУ.

Поэтому, приведенный в вышеуказанной книге способ контроля качества космической ЯЭУ перед запуском ее в эксплуатацию, заключающийся в проведении натурных ядерных или приемо-сдаточных тепловых испытаний с разогревом ЯЭУ в вакууме до температур, соответствующих реальным температурам при работе ЯЭУ в космосе, определение при этих температурах основных параметров, характеризующих качество изготовления ЯЭУ, позволяющих судить о способности ее нормально функционировать в космосе, принимается за прототип изобретения.

Однако, приведенный в прототипе подход имеет существенный недостаток, вытекающий из принятого утверждения о невлиянии условий проведения испытаний на работоспособность изделия. Дело в том, что принятое положение справедливо лишь частично, а именно, при условии работы космических ЯЭУ в стационарном или медленно изменяющемся тепловом режиме, когда скорость изменения температуры ЯЭУ не превышает 100^oC/час. В действительности, специфика эксплуатации ЯЭУ в космосе диктует жесткие требования по минимизации времени вывода космической ЯЭУ на режим генерирования полезной электрической мощности. Это время не должно превышать 60 минут от начала старта ракеты-носителя до начала генерирования номинального значения полезной мощности [2]
Это обстоятельство обуславливает необходимость разработки особого режима работы космической ЯЭУ, так называемого пускового режима. Этот режим на практике реализуется в три этапа:
I этап. Вывод реактора на минимально контролируемый уровень нейтронной мощности (не более 10 кВт тепловой).

II этап. Вывод реактора на заданный уровень мощности прогрева
ЯЭУ до рабочих температур.

III этап. Процесс прогрева установки и выведение ее на стационарный режим генерирования полезной электрической мощности.

Пусковой режим в космосе осуществляется системой автоматического управления (САУ) ЯЭУ по заранее разработанному алгоритму пуска по результатам наземных и летных испытаний в процессе разработки ЯЭУ. Первый и третий этапы пускового режима мало влияют на состояние систем ЯЭУ. Совершенно иная картина представляется при реализации второго этапа пуска, когда производится вывод реактора на заданный (установленный) уровень мощности прогрева ЯЭУ для обеспечения генерирования ЯЭУ полезной мощности.

Очевидно, что для уменьшения времени выхода ЯЭУ на режим генерирования полезной мощности необходимо повысить скорость подвода тепловой мощности от реактора. Увеличение скорости подвода тепловой мощности приводит к увеличению температуры конструктивных элементов, воспринимающих это тепло (стенок тепловыделяющих элементов, катодов электрогенерирующих элементов и др.), в то время как элементы, отводящие это тепло (из-за наличия теплоемкости, ограниченной теплопроводности и др.), остаются холодными. Различие в их температурах увеличивается с увеличением скорости подъема тепловой мощности. В этом режиме возникают большие температурные градиенты (перепады температур в объеме конструкции ЯЭУ во всех направлениях), которые приводят к возникновению механических напряжений в элементах конструкции ЯЭУ, деформации от которых могут превысить допустимые значения. В этих условиях нарушается принцип независимости состояния элементов от условий проведения испытаний. Становится очевидным, что тепловые процессы при больших скоростях их протекания сильно сказываются на работоспособности систем ЯЭУ, вплоть до их механического или теплового разрушения. Так, например, проведенный расчет механических напряжений, возникающих в элементах жидкометаллического контура теплоносителя ЯЭУ "Топаз II" [3] показал, что их значения, для условий принятого алгоритма запуска, в 5 6 раз превышают их значения при работе ЯЭУ в стационарном режиме.

Несмотря на то, что при создании изделий закладывается коэффициент запаса прочности, эти напряжения могут превысить допустимые значения. Принимая во внимание наличие скрытых дефектов, носящих случайный характер, в материалах, особенно в тонких сварных соединениях, которых в конструкции ЯЭУ большое количество, вероятность их проявления в наиболее напряженном тепловом режиме при пуске ЯЭУ на режим генерирования электрической мощности, сильно возрастает.

Это неизбежно приведет к увеличению вероятности нарушения работоспособности ЯЭУ в начальный период эксплуатации. Таким образом, сталкиваются два противоречивых обстоятельства: с одной стороны, для избежания больших механических напряжений необходимо иметь малую скорость разогрева ЯЭУ, с другой стороны, для сокращения времени вывода требуется увеличить скорость ее разогрева.

Эти два обстоятельства разрешаются в процессе экспериментальной отработки ЯЭУ путем определения необходимого уровня мощности прогрева ЯЭУ и необходимого времени его достижения, поскольку они зависят от конструкции ЯЭУ и принятого алгоритма запуска ее на заданный тепловой режим.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности контроля качества и надежности ЯЭУ.

В основу настоящего изобретения была поставлена задача разработать способ контроля качества космической ЯЭУ при выведении ее реактора на заданный уровень мощности прогрева ЯЭУ до рабочих температур.

Эта задача решается тем, что в способе контроля качества космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ), преобразующей тепловую энергию в электрическую непосредственно, включающем проведение перед эксплуатацией ее в космосе тепловых приемо-сдаточных испытаний, включающих нагрев ЯЭУ в вакууме от стендовых источников тепла до температуры равной температуре ЯЭУ при работе ее в космосе на номинальной тепловой мощности реактора посредством увеличения тепловой мощности, подводимой от стендовых источников со скоростью, не превышающей скорость роста температуры ЯЭУ равной 100^oC/час, определение при этой температуре потребленной тепловой мощности, основных характеристик и параметров, и сравнение их значений с расчетными, по совпадению которых судят о способности ЯЭУ функционировать в космосе, и расхолаживание ЯЭУ до температуры окружающей среды, согласно изобретению, после расхолаживания ЯЭУ производят ее повторный нагрев путем подвода той же тепловой мощности, что и при начальном испытании, при этом увеличение тепловой мощности, подводимой от стендовых источников, осуществляют по линейному закону за время равное частотному от деления тепловой мощности, определенной на предыдущем этапе разогрева, на среднюю скорость увеличения тепловой мощности реактора на участке ее изменения от минимально контролируемого уровня нейтронной мощности до принятого уровня прогрева при пуске ЯЭУ на режим генерирования электрической мощности в космосе, затем производят выдержку на этом уровне подводимой тепловой мощности в течение 50 100 ч. снова определяют основные режимы и параметры, характеризующие качество ЯЭУ, сравнивают их значения с ранее полученными, и по их совпадению судят о способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе, после чего ЯЭУ вновь расхолаживают.

Способ реализуется на специальном технологическом стенде. Стенд имеет вакуумную камеру, в которую устанавливают ЯЭУ и через герметичные вводы соединяют ее системы со стендовыми системами: откачки, газовыми системами, системой электропитания, системой технологического контроля и управления и другими системами, необходимыми для проведения испытаний. В камере обеспечивается вакуум не хуже 1,33•10^-3 Па. Источники тепла, обычно электронагреватели, устанавливают или в вакуумной камере вокруг холодильника-излучателя ЯЭУ, служащего в данном случае как приемник тепла от нагревателей и передачи его через жидкометаллический контур к реактору ЯЭУ, или, если позволяет конструкция ЯЭУ, нагреватели монтируются в тепловыделяющие сердечники вместо ядерного топлива. Разогрев ЯЭУ может быть также осуществлен прокачкой нагреваемого в стендовом контуре теплоносителя через контур ЯЭУ.

Проверку качества осуществляют в два этапа. На первом этапе осуществляют нагрев ЯЭУ в вакууме от стендовых источников тепла до температуры равной температуре ЯЭУ при работе ее в космосе на номинальной тепловой мощности, реактора посредством увеличения тепловой мощности подводимой от стендовых источников со скоростью, не превышающей скорость роста температуры ЯЭУ равной 100^oC/час. На достигнутом уровне температур определяют тепловую мощность, обеспечивающую этот уровень, проводят измерение электрических параметров, энергетических, измеряют давления в полостях, проверяют герметичность полостей, проводят проверку функционирования механических систем и другие необходимые проверки. На основании проведенных измерений проводят сверку полученных значений параметров с требуемыми по конструкторской документации. По совпадению полученных значений с требуемыми судят о качестве изготовления и способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе. После этого проводят плавное расхолаживание ЯЭУ до температуры окружающей среды и определяют параметры при нормальных условиях.

Затем присутствуют к проведению второго этапа проверки качества. На этом этапе осуществляют быстрый подвод тепловой мощности. При таком подводе тепловой мощности, существовавшая на первом этапе адекватная зависимость между скоростью роста тепловой мощности ЯЭУ и скоростью роста температур ЯЭУ нарушается (рост температур отстает от роста тепловой мощности во времени). В этом случае скорость увеличения тепловой мощности ЯЭУ целесообразнее выразить через время ее подвода. Поэтому, посредством увеличения мощности нагревательных устройств по заранее составленному алгоритму, например, по линейному закону, доводят их мощность до значения, которое было зафиксировано на первом этапе испытания. Время достижения этого уровня определяется как частное от деления тепловой мощности, определенной на предыдущем этапе разогрева, на среднюю скорость увеличения тепловой мощности реактора на участке ее изменения от минимально контролируемого уровня нейтронной мощности до принятого уровня прогрева при пуске ЯЭУ на режим генерирования электрической мощности в космосе. Затем проводят выдержку на этом уровне подводимой тепловой мощности в течение 50 100 часов, снова определяют основные режимы и параметры, характеризующие качество ЯЭУ, сравнивают их значения с ранее полученными и по их совпадению судят о способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе, после чего ЯЭУ вновь расхолаживают.

Для ясности покажем это на примере. В ЯЭУ "Топаз II" уровень мощности прогрева выбран примерно на 30% выше уровня, обеспечивающего номинальный режим генерирования электрической мощности, а система автоматического управления доводит его до требуемого значения в третьем этапе пускового режима посредством снижения. Уровень прогрева ЯЭУ составляет 110 кВт. Минимально контролируемый уровень нейтронной мощности соответствует 10 кВт тепловых. Разность составляет 100 кВт.

В процессе экспериментальной отработки ЯЭУ на опытных образцах при ядерных стендовых или летных испытаниях, исходя из принятой логики пуска с учетом конструктивных особенностей ЯЭУ, установлено, что для вывода установки на уровень прогрева, обеспечивающий генерирование полезной электрической мощности, должно быть затрачено не более 40 минут. Так как для ЯЭУ "Топаз I " уровень прогрева принят на 30% больше номинального, то в нашем примере он составит около 130 кВт.

Следовательно, средняя скорость составит
130 40 3,25 кВт/мин.

В стендовых условиях на первом этапе разогрева установлено, что для достижения той же температуры, что и в космосе, требуется 80 кВт. Следовательно, время достижения этой мощности от стендовых источников питания составит
80 3,25 24,6 мин.

В течение этого времени по линейному закону устанавливают необходимую мощность (у нас 80 кВт). На этом уровне тепловой мощности проводят выдержку ЯЭУ в течение 50 100 часов с целью проведения операции приработки систем ЯЭУ и выявления последствий теплового воздействия пускового режима. В процессе роста температур появляется возможность проверить функционирование механических систем, определить время роста давления паров цезия, проследить за динамикой изменения электрических параметров и давления в полостях в зависимости от изменения температуры теплоносителя. Это позволяет надежнее прогнозировать состояние системы при запуске ЯЭУ в космосе. В конце этапа приработки снова проверяют все необходимые параметры и сравнивают их значения с полученными на первом этапе. По характеру совпадения или отклонения параметров, по сохранению герметичности судят о качестве ЯЭУ и делают заключение о способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе.

В случае обнаружения неисправностей или отклонений от требуемых значений принимают решение об исправлении дефекта и повторном проведении испытаний. В случае обнаружения серьезных отклонений изделие бракуется. Таким образом, данный способ контроля качества позволяет существенно снизить вероятность вывода на орбиту дефектных изделий, что было подтверждено стендовыми испытаниями.

Использование: в ядерной энергетике и, в частности, в технологии подготовки к эксплуатации косметических ядерных установок /ЯЭУ/, преобразующих тепловую энергию в электрическую непосредственно. Сущность: способ контроля качества ЯЭУ, включает проведение перед запуском ее в эксплуатацию тепловых приемно-сдаточных испытаний с нагревом ЯЭУ в вакууме от стендовых источников тепла до температур, соответствующих реальным температурам при работе ЯЭУ в космосе. Затем определяют на этом уровне температур основные режимы и параметры, характеризующие качество ЯЭУ и позволяющие судить о способности ее нормально функционировать в космосе. После чего расхолаживают ЯЭУ до температуры окружающей среды, проводят повторный нагрев ЯЭУ посредством более быстрого увеличения подводимой тепловой мощности, изменяя ее по линейному законы. Проводят выдержку на этом уровне тепловой мощности в течение 50 - 100 часов. Затем снова определяют основные режимы и параметры, характеризующие качество ЯЭУ, сравнивают их значения с полученными ранее и по их совпадению судят о способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе, после чего ЯЭУ вновь расхолаживают.

Способ контроля качества космической ядерной энергетической установки (ЯЭУ), преобразующей тепловую энергию в электрическую непосредственно, включающий проведение перед эксплуатацией ее в космосе тепловых приемно-сдаточных испытаний, включающих нагрев ЯЭУ в вакууме от стендовых источников тепла до температуры, равной температуре ЯЭУ при работе ее в космосе на номинальной тепловой мощности реактора посредством увеличения тепловой мощности, подводимой от стендовых источников со скоростью, не превышающей скорость роста температуры ЯЭУ, равной 100^oС/ч, определение при этой температуре потребленной тепловой мощности, основных характеристик и параметров и сравнение их значений с расчетными, по совпадению которых судят о способности ЯЭУ функционировать в космосе, и расхолаживание ЯЭУ до температуры окружающей среды, отличающийся тем, что после расхолаживания ЯЭУ проводят ее повторный нагрев путем подвода той же тепловой мощности, что и при начальном испытании, при этом увеличение тепловой мощности, подводимой от стендовых источников, осуществляют по линейному закону за время, равное частному от деления тепловой мощности, определенной на предыдущем этапе разогрева, на среднюю скорость увеличения тепловой мощности реактора на участке ее изменения от минимально контролируемого уровня нейтронной мощности до принятого уровня прогрева при пуске ЯЭУ на режим генерирования электрической мощности в космосе, затем проводят выдержку на этом уровне подводимой тепловой мощности в течение 50 100 ч, снова определяют основные режимы и параметры, характеризующие качество ЯЭУ, сравнивают их значение с ранее полученными и по их совпадению судят о способности ЯЭУ нормально функционировать в космосе, после чего ЯЭУ вновь расхолаживают.