КОСМИЧЕСКАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК G21D5/00 G21D7/00 H01J45/00 G21D5/04 

Предлагаемое изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам.

Известны конструкции космических ядерных энергоустановок мощностью 120-500 кВт [1, 2, 3] с вынесенной за пределы активной зоны ядерного реактора системой прямого преобразования тепла в электричество - термоэмиссионными преобразователями.

Эти энергоустановки имеют одинаковое компоновочное решение, состав блоков и единую принципиальную схему, где тепло, выделяемое в ядерном реакторе, транспортируется за его пределы высокотемпературными тепловыми трубами к эмиттерам трубчатых термоэмиссионных преобразователей, от которых непреобразованное тепло сбрасывается излучением холодильником-излучателем.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является конструкция [4] космической ядерной энергоустановки, принципиальная тепловая схема которой заключается в передаче тепла от ядерного реактора к вынесенному модульному термоэмиссионному генератору и от него к холодильнику-излучателю посредством тепловых труб. Компоновочное решение состоит в последовательном расположении вдоль оси энергоустановки ее основных компонентов - ядерного реактора, термоэмиссионного генератора, радиационной защиты, холодильника излучателя - в объеме усеченного конуса.

Недостатком этой конструкции является ограничение ресурса из-за использования в качестве межэлектродной изоляции паяных металлокерамических узлов, контакта в высокотемпературной зоне разнородных материалов и использование керамических дистанционаторов, снижение электрических параметров генератора в сравнении с возможностями термоэмиссионного способа преобразования с одновременным понижением массогабаритных характеристик энергоустановки из-за применения теплопроводящей корпусной электроизоляции, а также из-за недостаточной механической прочности.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения ресурса и рабочих параметров космической ядерной энергетической установки.

Поставленная техническая задача решается тем, что в космической ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор с активной зоной и теплоизоляцией, размещенные в металлическом корпусе, модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей с высокотемпературной тепловой трубой, зона испарения которой погружена в активную зону реактора, а в зоне конденсации установлен термоэмиссионный преобразователь с фасонной среднетемпературной тепловой трубой для передачи тепла к холодильнику-излучателю, модульный холодильник-излучатель из оребренных среднетемпературных тепловых труб, состоящий из секций по количеству равных количеству модулей в термоэмиссионном генераторе, при этом часть теплоизоляции активной зоны выполнена в виде набора вставленных друг в друга и скрепленных между собой углеродными штифтами тиглей из пирографита или углеродного композитного материала таким образом, чтобы ось малой теплопроводности материала (ось "C") была перпендикулярна наружной поверхности теплоизоляции, зона испарения высокотемпературных тепловых труб размещена в каналах активной зоны с гарантированным (2-5 мм) зазором, эмиттеры термоэмиссионных преобразователей совмещены с наружной стенкой высокотемпературной тепловой трубы в зоне конденсации, а их коллекторы совмещены с фасонной среднетемпературной тепловой трубой без корпусной теплопроводящей электроизоляции, межэлектродная электроизоляция термоэмиссионных преобразователей выполнена в виде шунта, состоящего из пакета вставленных соосно с электродами термоэмиссионных преобразователей тонкостенных металлических стаканов и сильфона, сваренных между собой, эмиттер и коллектор выполнены в виде притертых друг к другу конических втулок с зазором 0,1-0,5 мм, между эмиттерным токовыводом и коллектором установлены дистанционирующие втулки с подшипниками из материала эмиттерного токовывода, опирающиеся на электроизолированную (покрытие) поверхность токовывода, а подшипники скреплены с втулками с помощью штифтов.

Поскольку предполагается использование тугоплавкого ядерного топлива (дикарбид урана), то в настоящем изобретении принята концепция сохранения активной зоны в компактном состоянии (без разлета) в аварийных ситуациях вплоть до падения на Землю с орбиты искусственного спутника Земли.

Такое выполнение изобретения позволяет обеспечить неразрушаемость активной зоны ядерного реактора в различных критических ситуациях за счет вышеупомянутого выполнения теплоизоляции из пирографитовых тиглей, поскольку при этом обеспечивается теплозащита от аэродинамических тепловых потоков, при этом толщина теплоизоляции и длина внешнего тигля выбираются из расчета допустимых утечек тепла при работе установки и обеспечения допустимых перегревов тепловыделяющих элементов, уноса массы пирографита при аэродинамическом торможении, а также рассеяния остаточного тепла без расплавления топлива (толщина пирографита в пределах 12-20 мм). Размещение зоны испарения тепловой трубы в центральных каналах тепловыделяющих элементов с заданным зазором позволяет удалять осколки деления и продукты газоотделения из зазора за счет наличия космического вакуума и исключить термохимические реакции материалов высокотемпературной трубы и активной зоны.

Совмещение эмиттера термоэмиссионного преобразователя с наружной стенкой тепловой трубы в зоне конденсации, а коллектора термоэмиссионного преобразователя с фасонной тепловой трубой-теплопроводом приводит к тому, что высокотемпературная тепловая труба имеет потенциал эмиттера, а фасонная тепловая труба и секция тепловой трубы излучателя имеют потенциал коллектора, при этом секция тепловой трубы излучателя является токопроводом для передачи энергии от секции генератора к блоку электрооборудования, крепление конструкции модуля к силовым элементам осуществляется с использованием стандартных электроизоляционных материалов без обеспечения вакуумной плотности. Отсутствие корпусной эмиттерной и коллекторной теплопроводящей электроизоляции снижает термическое сопротивление тепловому потоку через термоэмиссионные преобразователи. При фиксированной температуре высокотемпературной тепловой трубы, определяемой допустимой температурой активной зоны, это приводит по сравнению с прототипом к повышению температуры эмиттера и, как следствие, к повышению электрической мощности и КПД. Коллекторное термическое сопротивление при оптимальной температуре коллектора повышает температуру излучателя, повышая тем самым массогабаритные характеристики энергоустановки. Выполнение шунта вышеуказанным способом позволяет при приварке законцовок к эмиттерному токовыводу и коллектору получить герметичный объем, заполняемый парами цезия, и исключить металлокерамический узел межэлектродной электроизоляции. Выполнение эмиттера и коллектора в виде притертых друг к другу конических втулок обеспечивает автоматическое сохранение в процессе работы межэлектродного зазора необходимого размера за осевого перемещения коллектора относительно эмиттера с учетом деформации сильфонов с фиксацией их положения.

Все это позволяет повысить выходные характеристики, надежность и ресурс установки в целом за счет повышения надежности и ресурса теплоизоляции и улучшения параметров термоэмиссионных преобразователей.

Предлагаемое изобретение поясняется схемой, показанной на чертеже, где представлена конструктивная схема космической ядерной энергоустановки, состоящей из расположенных соосно в пределах усеченного конуса ядерного реактора 1, модульного термоэмиссионного электрогенератора 2, радиационной защиты 3 и модульного холодильника-излучателя на тепловых трубах 4, при этом количество модулей электрогенератора равно количеству модулей холодильника-излучателя. В состав ядерного реактора входит высокотемпературная активная зона 5 с отверстиями и теплоизоляцией в виде кожуха 6, состоящего из пакета вставленных друг в друга пирографитовых тиглей, скрепленных штифтами 7. В отверстиях активной зоны с зазором (2-5 мм) установлены тепловоспринимающие (зона испарения) концы высокотемпературных тепловых труб 8. В зоне теплоотвода (зона конденсации) эти тепловые трубы имеют конусные утолщения и их наружные поверхности являются эмиттерами термоэмиссионных преобразователей модулей 9. Количество модулей соответствует количеству тепловых труб. Модуль цельнометаллический, цельносварной включает в себя, кроме эмиттера, концевой коллектор 10, эмиттерные токовыводы 11, сваренные через металлический шунт в виде пакета соосно расположенных с электродами тонкостенных металлических стаканов и сильфона 12, с коллектором 10. Конические электроды имеют обоймы 13 с подшипниками 14, скрепленные между собой штифтами 15. Подшипники опираются на поверхность эмиттерных токовыводов, покрытую электроизоляцией 16. Межэлектродный зазор выставляется посредством осевого смещения коллектора 10 по отношению к эмиттеру 9 с фиксацией в заданном положении. При конусности 1:30 рабочий зазор образуется при осевом смещении коллектора на 4 мм.

Энергоустановка работает следующим образом.

Тепло, выделяемое в активной зоне 5, излучением передается к тепловоспринимающим поверхностям (зона испарения) высокотемпературных тепловых труб 8, и передается вдоль их оси к теплоотводящим (зона конденсации) поверхностям, являющимся эмиттерами 9 термоэмиссионных преобразователей электрогенератора 2. Это тепло разогревает конструкцию и при рабочих температурах электродов реализуется выработка электроэнергии. Непреобразованная часть тепла подводится к холодильнику-излучателю 4 и сбрасывается в Космос. Наличие теплоизолирующего кожуха 6 обеспечивает неразрушаемость активной зоны в различных аварийных ситуациях, в частности при несанкционированном спуске с орбиты искусственного спутника Земли.

В обоснование предложенной конструкции проведены испытания модели энергетического модуля, состоящего из высокотемпературной молибденовой тепловой трубы с литием и цилиндрического термоэмиссионного преобразователя, в котором тепло к эмиттеру подводилось при 1500^oC. Модель проработала 4000 часов до планового останова [5]. В настоящее время ведутся ресурсные испытания торцевого термоэмиссионного преобразователя с высокотемпературной литиевой тепловой трубой при температуре 1500^oC. Достигнут ресурс 2500 часов, испытания продолжаются.

Следует отметить, что предложенная схема энергоустановки и термоэмиссионных преобразователей дешевле и более технологична по сравнению с известными конструкциями, она позволяет осуществлять раздельную обработку ее элементов, состоящих из маломатериалоемких модулей, требует ограниченного объема стендовых устройств.

Источники информации
1. AIAA Paper 76-1041. E.V. Pawlik, W.M. Phillips. A Nuclear Electric Propulsion Vehicle for Planetary Exploration. T.M. Hsieh and W.M. Phillips. An Imporved Thermionic Power Conversion Systems for Space Propulsion - Proc. 13th IECEC, 1978, 1917-1922.

2. W. M. Phillips, M. C. Ectabrook, T.M. Hsieh. Proc. 11th Intersoc. Energy Conversion Engineering Conf,1976, 1487-1493. Пер. - Ядерная термоэмиссионная энергоустановка (НТБ - Я сг - 34).

3. D. R. Koenig, W.A. Renken, E.M. Salmi. Heat Pipe Reactor for Space Applications. AIAA Paper 77-491, 7 pp. W.M. Phillips, M.C. Estabrook, T.M. Hsieh. Proc. 11th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, pp. 1483-1493 (769256).

4. J.E. Mondt, C. Stapfer, T.M. Hsieh. Nuclear Power Source for Electric Propulsion. AIAA Paper 79-2088. (прототип).

5. Евтихин В.А., Лям А.Л. и др. Создание и испытание демонстрационного модуля. НТО мк/1192 НПО "Красная звезда", 1986.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам. Космическая ядерная энергетическая установка содержит ядерный реактор с активной зоной, включающей трубчатые тепловыделяющие элементы и теплоизоляцию, размещенные в металлическом корпусе, модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей с высокотемпературной тепловой трубой, зона испарения которой находится в активной зоне ядерного реактора. В зоне конденсации этой тепловой трубы установлены термоэмиссионные преобразователи с фасонными среднетемпературными тепловыми трубами для передачи тепла к холодильнику-излучателю, состоящему из оребренных среднетемпературных тепловых труб. Часть теплоизоляции активной зоны выполнена в виде набора вставленных друг в друга и скрепленных между собой углеродными штифтами тиглей из пирографита так, чтобы ось малой теплопроводности была перпендикулярна наружной поверхности теплоизоляции. Зона испарения высокотемпературных тепловых труб размещена в каналах тепловыделяющих элементов с гарантированным зазором в 2-5 мм, эмиттеры термоэмиссионных преобразователей совмещены с наружной стенкой высокотемпературной тепловой трубы в зоне конденсации, а коллекторы совмещены с фасонной среднетемпературной тепловой трубой без электроизоляции. Межэлектродная электроизоляция в термоэмиссионных преобразователях выполнена в виде шунта, состоящего из пакета соосных с электродами термоэмиссионных преобразователей металлических стаканов и сильфона, сваренных между собой, эмиттер и коллектор преобразователей выполнены в виде притертых друг к другу конических втулок, между эмиттерным токовыводом и коллектором установлены дистанционирующие втулки с подшипниками из материала эмиттерного токовывода, подшипники скреплены со втулками штифта. Изобретение обеспечивает повышение ресурса и рабочих параметров космической ядерной энергетической установки. 1 ил.

Космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с высокотемпературной активной зоной и теплоизоляцией, размещенными в металлическом корпусе, модульный термоэмиссионный генератор в виде пакета модулей термоэмиссионных преобразователей с высокотемпературной тепловой трубой, зона испарения которой погружена в активную зону реактора, а в зоне конденсации установлен термоэмиссионный преобразователь с фасонной среднетемпературной тепловой трубой для передачи тепла к холодильнику-излучателю, холодильник-излучатель из оребренных среднетемпературных тепловых труб, при этом их количество равно количеству модулей, отличающаяся тем, что теплоизоляция активной зоны выполнена в виде набора вставленных друг в друга и скрепленных между собой углеродными штифтами тиглей из пирографита или углеродного композиционного материала так, чтобы ось малой теплопроводности была перпендикулярна наружной поверхности теплоизоляции, зона испарения высокотемпературных тепловых труб размещена в каналах активной зоны с гарантированным 2 - 5 мм зазором, эмиттеры термоэмиссионных преобразователей совмещены с наружной стенкой высокотемпературной тепловой трубы в зоне конденсации, а коллекторы совмещены с фасонной среднетемпературной тепловой трубой без корпусной теплопроводящей электроизоляции, межэлектродная электроизоляция термоэмиссионных преобразователей выполнена в виде шунта, состоящего из пакета вставленных соосно с электродами термоэмиссионных преобразователей тонкостенных металлических стаканов и сильфона, сваренных между собой, эмиттер и коллектор термоэмиссионных преобразователей выполнены в виде притертых друг к другу конических втулок с зазором 0,1 - 0,2 мм, между эмиттерным токовыводом и коллектором установлены дистанционирующие втулки с подшипниками из материала эмиттерного токовывода, опирающиеся на электроизолированную поверхность токовывода, подшипники скреплены с втулками с помощью штифтов.