ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 G21C15/247 

Изобретение относится к космической технике и энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок, преимущественно космических ядерно-энергетических.

Вследствие возможности отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла в космосе лишь излучением, в космических ядерно-энергетических установках (ЯЭУ), используются жидкометаллические системы охлаждения.

Известна жидкометаллическая система охлаждения (СО) космической ЯЭУ "Топаз" в виде циркуляционного контура с теплоносителем в виде жидкого металла - эвтектического сплава NaK с температурой плавления минус 11^oC [1].

Однако запуск ЯЭУ с такой жидкометаллической СО возможен лишь в случае, если в процессе вывода и до пуска ЯЭУ теплоноситель будет в жидком состоянии. Поэтому для обеспечения надежного запуска ЯЭУ теплоноситель СО на стартовом комплексе разогревается от наземного источника электроэнергии, а запуск ЯЭУ в космосе должен быть проведен в течение ограниченного времени, пока теплоноситель в СО не затвердел. Такая СО не допускает также многократный останов и пуск ЯЭУ в космосе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является жидкометаллическая СО космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем [2]. Она содержит замкнутый циркуляционный жидкометаллический контур с трубопроводами (или межтвэльными промежутками) внутри активной зоны реактора, магистральными трубопроводами, теплообменным устройством холодильника-излучателя, насосом и арматурой с находящимся внутри них теплоносителем в жидкой или твердой фазе и пусковую систему для расплавления теплоносителя. Так как температура плавления лития 181^oC, то в такой ЯЭУ запуск на орбиту функционирования производится с замороженным теплоносителем (литием), а на орбите запуска производится сначала расплавление лития, а потом пуск ЯЭУ. Для расплавления лития СО снабжена специальной пусковой системой, выполненной на основе незамерзающего теплоносителя - газа гелия или незамерзающего в околоземных космических условиях эвтектического сплава NaKCs. Для расплавления лития в СО должен быть встроен пусковой контур с NaKCs, например, в виде трубы с незамерзающим теплоносителем внутри трубопроводов с Li. Подняв мощность реактора на относительно небольшой уровень, тепло из реактора с помощью пускового контура разносится по жидкометаллической СО, постепенно расплавляя литий. После расплавления лития пусковая система отключается, включается насос СО и тепло уже переносится литиевым теплоносителем, а пусковой контур отключается.

Однако СО с такой пусковой системой, которая является циркуляционной, достаточно сложна, так как требует прохождения элементов пускового контура во всех элементах жидкометаллической СО, включая насос СО, компенсаторы объема и т.п. и сама должна содержать насос и другие агрегаты контура с незамерзающим теплоносителем.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является упрощение жидкометаллической СО за счет исключения в пусковой системе циркуляционного контура с незамерзающим теплоносителем.

Указанный технический результат достигается в жидкометаллической СО, содержащей замкнутый циркуляционный жидкометаллический контур с трубопроводами внутри активной зоны реактора, магистральными трубопроводами, теплообменным устройством холодильника-излучателя, насосом и арматурой с находящимся внутри них теплоносителем в жидкой или твердой фазе, и пусковую систему для расплавления теплоносителя, в которой пусковая система для расплавления теплоносителя выполнена в виде газонаполненной пусковой тепловой трубы (ТТ), зона испарения которой размещена в активной зоне реактора, а зона конденсации проложена вдоль магистральных трубопроводов, теплообменных устройств холодильника-излучателя, насоса и арматуры, причем по крайней мере магистральные трубопроводы и зона конденсации пусковой тепловой трубы окружены общей теплоизоляцией и хотя бы часть магистральных трубопроводов и теплообменных устройств холодильника-излучателя соединены с зоной конденсации пусковой тепловой трубы тепловыми мостами. В качестве рабочего тела ТТ может быть использован щелочной металл натрий, калий, литий, а в качестве газа - нейтральный газ аргон, гелий или их смеси с другими газами.

На фиг. 1 в качестве примера приведена схема жидкометаллической СО космической ЯЭУ с термоэмиссионным реактором преобразователем (ТРП) и холодильником-излучателем (ХИ) на основе тепловых труб (ТТ); на фиг. 2 - сечение А-А.

Жидкометаллическая СО представляет собой циркуляционный жидкометаллический контур (ЖМК), часть которого размещена в активной зоне 1 реактора, например ТРП, 2, охлаждая наружные корпуса (чехлы) твэл, например, термоэмиссионных ЭГС 3. Вход и выход теплоносителя, например лития, в активную зону 1 реактора 2 осуществляется через входной 4 и выходной 5 коллекторы соответственно. В состав СО входят магистральные трубопроводы 6 и 7 и теплообменные устройства (коллекторы) 8 тепловых труб 9 холодильника-излучателя. На магистральном трубопроводе 7 размещена арматура, например, компенсатор объема 10 теплоносителя, и насос 11, обычно выполняемый электромагнитным. В состав СО входит пусковая система, выполненная в виде пусковой тепловой трубы, состоящей из зоны испарения 12, адиабатической зоны 13 и зоны конденсации 14. В активной зоне 1 реактора 2 вместо части твэл (ЭГС) 3 установлены зоны испарения 12 пусковых труб. Зона конденсации 14 пусковых тепловых труб проложена вдоль наружной поверхности магистральных трубопроводов 6 и 7 и теплообменных устройств 8 части тепловых труб 9 холодильника-излучателя. Возможна установка части зоны конденсации пусковых тепловых труб и вдоль компенсатора объема 10 и насоса 11. Для улучшения теплопередачи от зоны конденсации 14 к трубопроводам 6 и 7 и другим агрегатам СО прокладка пусковой трубы может быть осуществлена через слой теплопроводного материала 15, например, сварного шва или другого типа теплового моста. Кроме того, с этой же целью зона конденсации 14 пусковой трубы и по крайней мере магистральные трубопроводы 6 и 7 окружены общей для теплоизоляцией 16, выполненной, например, в виде экранновакуумной.

Жидкометаллическая СО работает следующим образом.

В процессе вывода космического аппарата с ЯЭУ на рабочую орбиту теплоноситель СО может находиться как в жидком (если NaK), так и в твердом (если LI) состоянии. На рабочей орбите после соответствующих проверок подается команда на пуск ЯЭУ. Производится подъем мощности реактора, например ТРП 2, до некоторого промежуточного уровня. За счет выделения тепла в твэлах, например ЭГС 3, тепло передается находящемуся в активной зоне 1 замороженному теплоносителю, в результате чего он плавится внутри активной зоны 1 ТРП 2. Тепло теплопроводностью через теплоноситель передается размещенной в активной зоне 1 зоне испарения 12 пусковой трубы, которая заполнена нейтральным газом, например, аргоном или гелием. Рабочее тело пусковой тепловой трубы, например, натрий или литий, испаряется, давление рабочего тела повышается, в результате чего газ вытесняется из зоны испарения 12 пусковой тепловой трубы сначала в адиабатическую зону 13, а затем и в начальный участок зоны конденсации 14. При этом в результате процессов тепломассопереноса в газонаполненной пусковой ТТ образуется граница раздела пар - газ. С увеличением тепловой мощности, передаваемой зоне испарения 12, граница раздела пар-газ перемещается и наконец доходит до начального участка зоны конденсации 14. За счет хорошего теплового контакта зоны конденсации 14 с трубопроводами 6 и 7, обеспечиваемого как за счет теплопроводящего слоя 15, так и размещенной снаружи трубопроводов и пусковой трубы экранной изоляции 16, происходит нагрев трубопроводов 6 и 7 и находящегося в них твердого теплоносителя, например лития, сначала до температуры плавления (для лития 181^oC), а затем и плавление теплоносителя в трубопроводах 6 и 7. Постепенно граница пар-газ перемещается вдоль трубопроводов 6 и 7, расплавляя теплоноситель СО. Затем аналогичным образом происходит расплавление теплоносителя в теплообменных устройствах (коллекторах) 8 тепловых труб 9 холодильника-излучателя, а также компенсаторе объема 10 и насосе 11. В процессе пуска возможно постепенное повышение мощности реактора 2 для компенсации тепловых потерь излучением с наружной поверхности экрана 16. После расплавления теплоносителя во всех магистралях и агрегатах СО производят дальнейшее повышение мощности реактора с некоторым перегревом расплавленного теплоносителя (обычно на 100-150^oC). После полного расплавления теплоносителя во всем жидкометаллическом контуре СО, включается насос 11 и начинается циркуляция теплоносителя в контуре СО. Мощность реактора 2 поднимается до рабочего значения, часть которой превращается в электроэнергию, а непреобразованная часть тепловой мощности теплоносителем доставляется к коллекторам 8 тепловых труб 9 холодильника-излучателя, с которого тепло сбрасывается излучением в космос. Охлажденный в коллекторах 8 теплоноситель по магистральному трубопроводу 7 поступает во входной коллектор 4 ТРП 2, где он подогревается и процесс повторяется снова.

Аналогичным образом обеспечивается повторный запуск ЯЭУ с замороженным состоянием теплоносителя.

Рабочее тело пусковой тепловой трубы пусковой системы выбирается из следующих соображений. Учитывая близость рабочих температур пусковой трубы и магистральных трубопроводов с расплавленным теплоносителем, в качестве рабочего тела пусковой тепловой трубы может быть выбрано то же рабочее тело, что и в тепловых трубах 9 холодильника-излучателя, например натрий. В то же время в качестве рабочего тела пусковой трубы может быть выбрано и рабочее тело как с более низкими, так и с более высокими рабочими температурами. В первом случае это целесообразно для интенсификации процесса запуска, например для запуска при температурах ниже рабочих. Так, например, при натрии в качестве рабочего тела тепловых труб 9 холодильника-излучателя, в качестве рабочего тела пусковой трубы может быть выбран калий. Во втором случае можно понизить давление рабочего тела в пусковой трубе и тем самым уменьшить ее толщины. Так, например, при натрии в качестве рабочего тела тепловых труб 9 холодильника-излучателя, в качестве рабочего тела пусковой трубы может быть выбран литий.

Пусковая труба должна быть газонаполненной. Это обеспечивает постепенное расплавление теплоносителя, например, лития в коммуникациях за счет передвижения границы раздела пар-газ с постепенным увеличением тепловой мощности. В качестве газа целесообразно использовать нейтральный газ, например, аргон или гелий или их смесь с другими газами.

Размеры пусковой трубы могут быть выбраны из следующих соображений. Так как зона испарения располагается в активной зоне реактора, то наружный диаметр целесообразно выбрать равным наружному диаметру твэл, например ЭГС, реактора, а размеры адиабатической зоны и зоны конденсации могут быть выбраны оптимальными с точки зрения эффективности работы пусковой тепловой трубы или из конструкционных соображений.

Таким образом, предложенная жидкометаллическая система охлаждения относительно проста и обеспечивает относительно простой и надежный запуск ЯЭУ, в том числе из замороженного состояния теплоносителя. Эта система обеспечивает многократный запуск ЯЭУ из замороженного состояния.

Источники информации
1. Богуш И.П., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режимы работы. Атомная энергия, т. 70, вып. 4, 1991 г., с. 211-214.

2. Агеев В.П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. Ракетно-космическая техника. Научн-техн. сб., вып.1 (134), ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП 1992, с.25-31.

Изобретение относится к космической технике и энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок, преимущественно космических ядерно-энергетических. Сущность изобретения: жидкометаллическая система охлаждения (СО) содержит замкнутый циркуляционный жидкометаллический контур (ЖМК) и пусковую систему для расплавления теплоносителя. Пусковая система выполнена в виде не менее чем одной газонаполненной пусковой тепловой трубы (ТТ), зона испарения которой размещена в активной зоне реактора, а зона конденсации проложена вдоль магистральных трубопроводов, теплообменных устройств холодильника-излучателя, насоса и арматуры. Причем по крайней мере магистральные трубопроводы и зона конденсации пусковой тепловой трубы окружены общей теплоизоляцией. В качестве рабочего тела ТТ может быть использован щелочной металл: натрий, калий, литий; а в качестве газа - нейтральный газ: аргон, гелий или их смеси с другими газами. Технический результат заключается в упрощении жидкометаллической СО за счет исключения в пусковой системе циркуляционного контура с незамерзающим теплоносителем. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Жидкометаллическая система охлаждения, содержащая замкнутый циркуляционный жидкометаллический контур с трубопроводами внутри активной зоны реактора, магистральными трубопроводами, теплообменным устройством холодильника-излучателя, насосом и арматурой с находящимся внутри них теплоносителем в жидкой или твердой фазе и пусковую систему для расплавления теплоносителя, отличающаяся тем, что пусковая система для расплавления теплоносителя выполнена в виде не менее чем одной газонаполненной пусковой тепловой трубы с рабочим телом, зона испарения которой размещена в активной зоне реактора, а зона конденсации проложена вдоль магистральных трубопроводов, теплообменных устройств холодильника-излучателя, насоса и арматуры, причем по крайней мере магистральные трубопроводы и зона конденсации пусковой тепловой трубы окружены общей теплоизоляцией и хотя бы часть магистральных трубопроводов и теплообменных устройств холодильника-излучателя соединена с зоной конденсации пусковой тепловой трубы тепловыми мостами. 2. Жидкометаллическая система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела газонаполненной пусковой тепловой трубы используется щелочной металл: натрий, калий, литий. 3. Жидкометаллическая система охлаждения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве газа газонаполненной пусковой тепловой трубы использован нейтральный газ: аргон, гелий или их смеси с другими газами.