СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ДВУХРЕЖИМНОЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМ РЕАКТОРОМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 2001 года по МПК G21D7/04 H01J45/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при разработке и эксплуатации космических энергетических и двигательных установок.

В настоящее время наиболее вероятной областью применения космических ядерно- энергетических установок (ЯЭУ) является использование их для решения двух взаимосвязанных задач: для доставки космических аппаратов (КА), и прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную орбиту (ГСО), и последующего длительного в течение 10-15 лет энергообеспечения аппаратуры КА. Тем самым ЯЭУ обеспечит решение космических задач, достаточно подготовленных для технической реализации. Ресурс 10-15 лет существенен для обеспечения конкурентоспособности по отношению к солнечным фотоэлектрическим преобразователям.

Известен способ эксплуатации космической ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) "Топаз" [1). Он заключается в выводе ЯЭУ с ТРП на радиационно-безопасную орбиту высотой примерно 800 км, пуск и последующее увеличение мощности ТРП до рабочего значения, подачу рабочего тела (паpa цезия) в межэлектродные зазоры (МЭЗ) электрогенерирующих сборок (ЭГС), организацию циркуляции теплоносителя со сбросом тепла излучением в космос и подключение к ТРП потребителей электроэнергии.

Такая ЯЭУ с ТРП успешно отработала в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт, в течение около года для питания аппаратуры КА. Однако эта ЯЭУ не может эксплуатироваться в двух режимах, а именно: для электропитания не только аппаратуры КА, но и злектроракетной двигательной установки (ЭРДУ) как из-за низкого уровня электрической мощности, так и из-за относительно низкого ресурса.

Известен способ эксплуатации космической ЯЭУ с ТРП в качестве источника электроэнергии ЭРДУ для осуществления транспортных операций по доставке Марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) к Марсу и возвращения экспедиции к Земле [2]. Способ эксплуатации космической ЯЭУ с ТРП заключается в выводе ЯЭУ с ТРП на орбиту запуска, пуске ТРП и расплавлении литиевого теплоносителя с помощью специальной пусковой системы, организации циркуляции теплоносителя со сбросом тепла излучением в космос, увеличении мощности ТРП до рабочего значения, подаче пара цезия в МЭЗ ЭГС, подключении к ТРП потребителей электроэнергии в виде ЭРДУ и потребителей МЭК. Электрическая мощность такой ЯЭУ от 2,5 до 15 МВт (в зависимости от схемы экспедиции) и ресурс 12000 ч. В случае, когда ЭРДУ выключаются, например, на пассивном участке полета или при полете МЭК на орбите вокруг Марса, мощность ТРП понижается, при необходимости изменяются давление пара цезия и расход теплоносителя, ЭРДУ отключается и электроэнергия на пониженном уровне мощности подается лишь потребителям МЭК.

Такой способ эксплуатации ЯЭУ способен обеспечить питание ЭРДУ для доставки к Марсу МЭК массой примерно 150 т и возврата к Земле корабля возврата на Землю массой 10 т с суммарным временем эспедиции не более 1,5 года при одновременном электропитании потребителей МЭК. Однако эксплуатация такой ЯЭУ, спроектированной на высокие удельные характеристики и относительно невысокий ресурс, не может обеспечить длительное в течение нескольких лет энергопитание аппаратуры КА.

Известен способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП, описанный в [3]. ЯЭУ предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ): для электропитания ЭРДУ при проведении транспортных операций и для последующего электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки информационного КА на ГСО. Электрическая мощность ЯЭУ в транспортном режиме 100-150 кВт при ресурсе до 1,5 лет; мощность ЯЭУ в режиме энергообеспечения аппаратуры КА - 10-40 кВт при заявляемом ресурсе до 10 лет. Оба режима работы ЯЭУ обеспечиваются за счет работы ТРП в двух режимах: на номинальном (транспортном) режиме с максимальным уровнем мощности и в режиме пониженной тепловой и, следовательно, электрической мощности. Соответственно способ эксплуатации двухрежимной ЯЭУ с ТРП заключается в выводе ЯЭУ с ТРП на орбиту запуска, пуске ТРП и расплавлении литиевого теплоносителя с помощью специальной пусковой системы, организации циркуляции теплоносителя со сбросом тепла излучением в космос в холодильнике-излучателе (ХИ), увеличении мощности ТРП до рабочего значения транспортного режима, подаче пара цезия в МЭЗ ЭГС, подключении к ТРП потребителей электроэнергии в виде ЭРДУ. После доставки КА с ЯЭУ на орбиту функционирования, например ГСО, ЭРДУ выключаются, тепловая мощность ТРП понижается до уровня генерации электроэнергии режима пониженной мощности (10-40 кВт), при необходимости изменяются давление пара цезия и расход теплоносителя, и электроэнергия на пониженном уровне мощности подается потребителям КА в течение до 10 лет.

Однако эксплуатация такой двухрежимной ЯЭУ с ТРП с длительным режимом работы связана с пониженной надежностью в связи с тем, что для ТРП такой ЯЭУ необходима двухрежимная ЭГС на длительный ресурс. Обычно ЭГС создается лишь на один режим работы, когда его параметры, в том числе геометрические размеры и количество элементов в ЭГС, могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Поэтому эксплуатация ЭГС в любом другом (по тепловой мощности) режиме будет неоптимальной, температурные поля на одном из режимов будут существенно неравномерны, что в принципе ставит под сомнение возможность создания ЭГС, которая бы длительно могла работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики ЭГС как автономного источника энергии "мягкие", т.е. рабочие ток и напряжение зависят от тепловой мощности, поэтому для каждого режима будет свое рабочее напряжение, что затруднит эксплуатацию такой ЯЭУ. Длительный ресурс эксплуатации ЯЭУ с ТРП потребует создания новой методологии отработки ЭГС при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и дополнительным преобразователем тепловой энергии в электрическую, описанный в [4]. Двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения ТРП в виде циркуляционного контура с ХИ, размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь (ДП) тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим и отводящим трубопроводами, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРП к ДП. Способ эксплуатации такой космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП включает соответственно пуск и работу ТРП на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в МЭЗ ЭГС ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение уровня тепловой мощности с номинального до пониженного уровня, переключение потока теплоносителя от ТРП к ДП, включение дополнительной системы отвода тепла от ДП, отключение подачи пара цезия в ТРП, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения.

Однако при прекращении подачи пара цезия в МЭЗ ЭГС за счет исключения из теплового баланса электронного охлаждения эмиттера произойдет повышение температуры топливно-эмиттерного узла (эмиттерной оболочки и топлива в сердечниках) ЭГС. Это может привести к потере надежности или сокращению ресурсоспособности ЭГС как источника тепла, например, за счет выхода топлива из топливно-эмиттерного узла в МЭЗ, локального короткого замыкания эмиттера на коллектор с возможным пережогом коллекторного пакета в месте повышенного локального теплового потока. Кроме того, каждая ЭГС может эксплуатироваться в неконтролируемых разных температурных режимах, а это затруднит экспериментальную отработку такой ЭГС в режиме источника тепла.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности эксплуатации ЯЭУ с ТРП и ДП в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы.

Указанный технический результат достигается в способе эксплуатации космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП, включающем работу ТРП на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в МЭЗ ТРП пара цезия, подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности ТРП с номинального до пониженного уровня, подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения, в котором при работе ТРП на пониженном уровне мощности МЭЗ ТРП заполняют нейтральным газом. В качестве газа может быть использован водород или гелий, а также их смесь или смеси водорода и гелия с другими газами.

На чертеже приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ с ТРП и ДП, поясняющая суть предложенного способа эксплуатации такой ЯЭУ.

Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП 1, состоящий из активной зоны (AЗ) 2 и отражателя 3, между которыми может быть размещен герметичный корпус 4. AЗ 2 набрана из ЭГС 5, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя в AЗ 2 осуществляется через патрубок 6, а отвод через патрубок 7. Циркуляция теплоносителя в системе охлаждения осуществляется перекачивающим устройством 8, выполненным обычно в виде электромагнитного насоса. Сброс непреобразованного в ТРП тепла производится излучением в космос с поверхности ХИ 9, выполненным, например, на основе тепловых труб 10. В систему охлаждения ТРП 1 входят также трубопровод от ТРП 1 до ХИ 9 в виде двух участков 11 и 12, разделенных переключающим устройством 13, и трубопровод 14 от ХИ 9 до перекачивающего устройства 8 и трубопровод 15 от перекачивающего устройства 8 до ТРП 1.

Вне ТРП 1 размещен ДП 16 тепловой энергии в электрическую. В качестве ДП 16 могут быть применены термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую; термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую; электромашинный генератор на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга, регенеративный электрохимический генератор. ДП 16 имеет систему подвода тепла 17, снабженную подводящим трубопроводом 18, подсоединенным к участку трубопровода между ТРП 1 и ХИ 9 в месте установки устройства 13, переключающего поток теплоносителя (переключающего устройства), и отводящим трубопроводом 19, подсоединенным к участку трубопровода 14 от ХИ 9 до перекачивающего устройства 8. Переключение потока нагретого теплоносителя от ТРП 1 к системе подвода тепла 17 дополнительного преобразователя 16 производится через переключающее устройство 13, которое может быть выполнено в виде двухпозиционного переключающего устройства. ДП 16 имеет дополнительную систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП, выполненную, например, также в виде циркуляционного контура с устройством теплоотвода 20 с дополнительным перекачивающим устройством 21, например электромагнитным насосом, и участками 22 и 23 трубопровода от ДП к ХИ и от ХИ к ДП соответственно. В качестве ХИ системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла ДП может быть использован как основной ХИ 9 с ТТ 10, так и применен дополнительный ХИ, например, также выполненный на основе ТТ (на схеме не показан).

В ЭГС 5 внутри коллекторного пакета 24 с межэлектродным зазором (МЭЗ) 25 размещены топливно-эмиттерные узлы 26. МЭЗ 25 с помощью трубок 27 сообщается с камерой 28, к которой подсоединены патрубок 29 подачи пара цезия и патрубок 30 подачи газа.

В отражателе 3 размещены органы управления ТРП 1 в виде поворотных цилиндров 31 с поглощающими нейтроны накладками 32. ТРП 1 и ДП 16 снабжены клеммами 33 и 34 соответственно для отвода генерируемой электроэнергии потребителям или системе распределения электроэнергии (на схеме не показано).

Способ реализуется и космическая двухрежимная ЯЭУ с ТРП и ДП эксплуатируется следующим образом.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 31 ТРП 1 находятся в положении поглощающих накладок 32 к AЗ 2. Поэтому ТРП 1 не критичен и в таком состоянии космическая ЯЭУ выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 31 таким образом, что накладки 32 отходят от AЗ 2. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках топливно-эмиттерных узлов 26 ЭГС 5. Выделяющееся в них тепло передается через МЭЗ 25 на наружную поверхность коллекторного пакета 24, с которой тепло отводится теплоносителем основного контура. Теплоноситель через патрубок 7 и участок трубопровода 11, переключающее устройство 13 и участок трубопровода 12 попадает в теплообменное устройство зон испарения ТТ 10 ХИ 9. В ХИ 9 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 9 теплоноситель через участок 14 трубопровода попадает в перекачивающее устройство 8, которое, создав напор, перекачивает теплоноситель через участок 15 и патрубок 6 в активную зону 2 ТРП 1.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в камеру 28 через патрубок 29 подается пар цезия, который из камеры 28 через трубки 27 попадает в МЭЗ 25 каждой ЭГС 5. После этого ЭГС 5 начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 33. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 9. При этом переключающее устройство 13, выполненное, например, в виде двухпозиционного клапана, занимает положение, направляющее теплоноситель в ХИ 9. Поверхность ХИ 9, а также расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности первого режима работы, например транспортного, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание ЭРДУ. При этом ДП 16 не работает, так как к нему не подводится тепло от ТРП 1.

После окончания работы ЯЭУ в первом режиме, например транспортном (доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования, например, ГСО), ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы, например, для энергообеспечения аппаратуры КА с более низким уровнем мощности, но существенно большим ресурсом. Для этого уровень тепловой мощности ТРП 1 понижается, переключающее устройство 13 переводится в положение, когда поток теплоносителя от активной зоны 2 ТРП 1 направляется через участок 18 трубопровода к ДП 16. В ДП 16 происходит преобразование этого тепла в электричество, которое с помощью клемм 34 отводится потребителю электроэнергии, например аппаратуре КА. Охлажденный в ДП 16 теплоноситель через участок 19 трубопровода попадает в участок трубопровода 14, затем в перекачивающее устройство 8 и через участок трубопровода 15 и патрубок 6 в AЗ 2 ТРП 1. Непреобразованное в ДП 16 тепло с помощью дополнительной системы охлаждения, например, в виде дополнительного циркуляционного контура с участками теплоотвода 20, с участками 22 и 23 трубопроводов и дополнительным перекачивающим устройством 23 переносится в ХИ 9 или в дополнительный ХИ (на схеме не показан), где сбрасывается излучением в космос.

Так как тепловая мощность ЭГС 5 второго режима стала меньше, чем была в первом режиме, ЭГС 5 перестают генерировать электроэнергию и во втором режиме работы используются лишь как источники тепла для ДП 16. Поэтому желательно санкционированное прекращение работы ЭГС 5 как источников электроэнергии. Это может быть сделано за счет удаления рабочего тела (пара цезия) из МЭЗ 25 ЭГС 5. Однако в этом случае за счет исключения электронного охлаждения эмиттера температура топливно-эмиттерного узла 26 возрастет и может превысить рабочую температуру номинального режима. Поэтому после удаления пара цезия (или в процессе удаления пара цезия) или без удаления пара цезия в МЭЗ 25 каждой ЭГС 5 подают газ. Подача газа осуществляется через патрубок 30 в камеру 28 и затем через трубку 27 газ попадает в МЭЗ 25. В качестве газа лучше всего использовать водород или гелий, которые среди газов обладают наивысшими коэффициентами теплопроводности. Могут быть использованы и их смесь или смесь одного из них с другими газами, например, с целью получения заданной температуры топливно-эмиттерного узла. Подача газа в МЭЗ 25 за счет передачи тепла теплопроводностью через газ от топливно-эмиттерного узла 26 к коллекторному пакету 24 приведет к существенному снижению температуры топливно-эмиттерного узла 26 (на несколько сот градусов) без заметного повышения температуры коллекторного пакета 24 (за счет увеличения теплового потока на величину, пропорциональную КПД преобразования энергии в номинальном режиме, т.е. на 10-20^oC).

Ресурс работы ЭГС 5 как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГС, как распухание топливной композиции топливно-эмиттерного узла 26 с деформацией эмиттерной оболочки до короткого замыкания топливно-эмиттерного узла 26 с коллекторным пакетом 24 и электрический пробой коллекторного пакета 24, никак не скажутся на возможности работы ЭГС 5 как обычного тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора. Снижение температуры топливно- эмиттерного узла 26 в режиме длительного энергопитания позволяет повысить ресурс и надежность ЭГС 5 как источника тепла. Плановое санкционированное "выключение" ЭГС 5 без повышения температуры топливно-эмиттерного узла облегчит отработку ЭГС на длительный ресурс.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность эксплуатации космической ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением надежности и ресурса работы при пониженном уровне мощности. Одновременно достигается повышение качества отработки двухрежимной ЯЭУ в наземных условиях, так как дополнительный преобразователь с длительным ресурсом работы может быть отработан в стендовых условиях с электронагревом, а термоэмиссионные ЭГС как источники электроэнергии могут быть отработаны в петлевых реакторных испытаниях на относительно короткий ресурс.

Литература
1. Кузнецов В. А. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз". - Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 6, с.450- 454.

2. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. Научн. техн. сб. Вып.1(134) РД и ЭУ. Изд.НИИТП. 1992. С. 25-33.

3. Сухов Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК "Энергия" имени С.П.Королева по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения. Научн. техн. сб. РКТ. Труды РКК "Энергия" им. С.П. Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия. г.Калининград Моск. обл. 1995. Вып. 3-4: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности. 4.1. С.20-24.

4. Патент RU 2140675 С1, МКИ6 G 21 D 7/00, В 64 G 1/42, F 03 H 5/00. Космическая двухрежимная ЯЭУ. Опубл. 30.09.98. Бюл. N 30.

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании космических энергетических и двигательных установок, преимущественно для использования их для решения двух взаимосвязанных задач: для доставки космических аппаратов (КА) на орбиту функционирования и последующего длительного энергообеспечения аппаратуры КА. Сущность изобретения: эксплуатация космической двухрежимной ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) и дополнительным преобразователем (ДП) тепловой энергии в электрическую включает работу ТРП на номинальном уровне тепловой мощности, подачу в межэлектродные зазоры (МЭЗ) ТРП пара цезия и подачу генерируемой ТРП при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима. Затем осуществляют снижение тепловой мощности ТРП с номинального до пониженного уровня и производят подачу генерируемой ДП электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения. При работе ТРП на пониженном уровне мощности МЭЗ заполняют газом. В качестве газа могут быть использованы водород, гелий, их смесь или смесь одного из них с другими газами. Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации космической двухрежимной ядерно-энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем и дополнительным преобразователем тепловой энергии в электрическую, включающий работу термоэмиссионного реактора-преобразователя на номинальном и пониженном уровне тепловой мощности, подачу в межэлектродные зазоры термоэмиссионного реактора-преобразователя пара цезия, подачу генерируемой термоэмиссионным реактором-преобразователем при номинальном уровне тепловой мощности электрической мощности потребителям транспортного режима, понижение тепловой мощности термоэмиссионного реактора-преобразователя с номинального до пониженного уровня, подачу генерируемой дополнительным преобразователем электрической мощности потребителям режима длительного энергообеспечения, отличающийся тем, что при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя на пониженном уровне мощности межэлектродные зазоры заполняют газом. 2. Способ эксплуатации космической двухрежимной ядерно-энергетической установки с термоэмиссионным реактором-преобразователем и дополнительным преобразователем тепловой энергии в электрическую по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа используют водород, гелий, их смесь или смесь одного из них с другими газами.