ЛИТИЙ-НИОБИЕВАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B64G1/42 G21D1/00 

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

Вследствие возможности отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла в космосе лишь излучением в космических энергетических установках используются высокотемпературные жидкометаллические системы охлаждения.

Известна система охлаждения (СО) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) "Топаз" в виде циркуляционного контура с теплоносителем в виде жидкого металла - эвтектического сплава NaK с температурой плавления минус 11^oС [1]. В качестве конструкционного материала этой СО используется нержавеющая сталь или хромоникелевые сплавы. Наземные испытания ЯЭУ с такой СО проводились в вакуумной камере. Используемые конструкционные материалы СО нечувствительны к параметрам остаточного вакуума испытательной камеры.

Однако использование в качестве конструкционных материалов СО нержавеющей стали или хромоникелевых сплавов ограничивает максимальную рабочую температуру СО, в результате его поверхность холодильника-излучателя космической ЯЭУ получается относительно большой.

Близка к изобретению по технической сущности литий-ниобиевая СО на основе жидкометаллического контура (ЖМК) космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем и конструкционным материалом в виде ниобиевого сплава [2]. Рабочая температура такой СО вследствие использования высокотемпературного конструкционного материала в виде ниобиевого сплава может быть существенно выше, чем в СО с натрий-калиевым теплоносителем и нержавеющей сталью в качестве конструкционного материала. Так как температура плавления лития 181^oС, то для расплавления лития СО снабжена специальной пусковой системой, выполненной, например, на основе незамерзающего теплоносителя - газа гелия или эвтектического сплава NaKCs. Для расплавления лития в СО встроен пусковой контур с NaKCs, например, в виде трубы с незамерзающим теплоносителем внутри трубопроводов с литием. Подняв мощность реактора на относительно небольшой уровень, тепло из реактора с помощью пускового контура разносится по СО, постепенно расплавляя литий. После расплавления лития пусковая система отключается, включается насос СО и тепло уже переносится литиевым теплоносителем, а пусковой контур отключается.

Однако ресурсоспособность литий-ниобиевой СО с литием и конструкционным материалом в виде ниобиевого сплава зависит от парциального давления кислорода снаружи СО. При эксплуатации ЯЭУ с СО в космосе на высотах более 500 км влияние кислорода вследствие малого парциального давления отсутствует. При наземной отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере 10^-5-10^-6 мм рт.ст. парциальное давление кислорода не будет превышать порогового значения. Однако при аварийных ситуациях, когда возможна разгерметизация вакуумной камеры, то даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной камере возможно заметное сокращение ресурса испытываемой литий-ниобиевой СО или даже разгерметизация контура СО вследствие превышения содержания кислорода в ниобиевом сплаве порогового значения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является жидкометаллическая, в том числе литий-ниобиевая, СО энергетической установки, предложенная в [3] . СО содержит трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла (в виде реактора энергетической установки), насос и арматуру с размещенным внутри них теплоносителем, например литием, изначально находящимся в замороженном состоянии, причем на наружной поверхности расположенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и арматуры размещено устройство для расплавления теплоносителя. Устройство для расплавления теплоносителя выполнено в виде размещенного через слой электроизоляции электропроводника, снабженного клеммами для подключения к источнику электропитания.

Однако если это литий-ниобиевая СО, т.е. с литиевым теплоносителем и конструкционным материалом в виде ниобиевого сплава, то ресурсоспособность такой системы будет зависеть от парциального давления кислорода снаружи СО. При эксплуатации ЯЭУ с литий-ниобиевой СО в космосе на высотах более 500 км влияние кислорода вследствие малого парциального давления отсутствует. При наземной отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере не хуже 10^-6 мм рт.ст. парциальное давление кислорода не будет превышать порогового значения, поэтому не будет влияния на ресурс при наземной отработке литий-ниобиевой СО. Однако возможна (чаще всего кратковременная) разгерметизация вакуумной камеры, в результате чего даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной камере возможно заметное сокращение ресурса испытываемой литий-ниобиевой СО или даже разгерметизация контура СО вследствие превышения содержания кислорода в ниобиевом сплаве порогового значения. Наиболее характерными являются локальные источники кислорода, например обмазка электронагревателей, когда измеряемое парциальное давление кислорода в испытательной камере не повышается, а в то же время возможно локальное выделение кислорода и также локальное попадание его на относительно небольшой участок контура литий-ниобиевой СО. В этом случае ресурс этого участка будет меньше, чем основной части контура.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение длительной ресурсоспособности литий-ниобиевой СО как в условиях эксплуатации в космосе, так и при наземных испытаниях в вакуумной камере за счет защиты наружной поверхности ниобиевого контура от кратковременного или локального попадания кислорода при работе СО при рабочих температурах.

Указанный технический результат достигается в литий-ниобиевой системе охлаждения, содержащей изготовленные из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них литиевым теплоносителем, в котором снаружи размещенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и агрегатов с зазором размещен негерметичный экран, выполненный из материала, обладающего геттерными свойствами по отношению к газообразному кислороду. Экран может быть выполнен из не менее чем одного слоя фольги из ниобия или ниобиевого сплава.

На фиг. 1 в качестве примера приведена схема, а на фиг.2 - поясняющий фрагмент литий-ниобиевой СО энергоустановки.

Литий-ниобиевая СО представляет собой циркуляционный контур в виде по крайней мере двух размещенных вне источника тепла 1 трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегатов 5 контура, например компенсатора объема теплоносителя, участков трубопроводов, например, в виде межтрубного пространства 6, источника тепла 1, входного 7 и выходного 8 коллекторов теплоносителя источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла, например, холодильника-излучателя. Все агрегаты контура изготовлены из ниобия или ниобиевого сплава, например НбЦУ. Внутри трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегатов 5, входного 7 и выходного 8 коллекторов источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла, а также в межтрубном пространстве 6 находится литиевый теплоноситель 11, который в исходном состоянии находится в замороженном состоянии (в твердом виде).

Источник тепла 1 содержит нагреватели 12 в виде электронагревателей (ЭН) или твэлов реактора, например термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС). В состав СО входит устройство для расплавления литиевого теплоносителя, которое может быть выполнено различным образом, например в виде циркуляционного контура с незамерзающим натрий-калий-цезиевым теплоносителем, температура плавления которого минус 81^oС, с участком 13 внутри источника тепла 1, участком 14 вдоль трубопровода 2, участком 15 вдоль трубопровода 3, насоса 4 и агрегата 5, участком 16 вдоль коллектора 9. Для перекачки натрий-калий-цезиевого теплоносителя контур снабжен насосом 17.

Снаружи выполненных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5, входного 7 и выходного 8 коллекторов источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла с соответствующими участками устройства для расплавления литиевого теплоносителя с зазором 18 расположен экран 19 из материала, обладающего геттерными свойствами по отношению к газообразному кислороду, т.е. способного поглощать на поверхности или в своем объеме газообразный кислород. В качестве материала экрана, например в виде не менее одного слоя фольги, может быть использован ниобий или ниобиевый сплав, обладающий хорошими геттерными свойствами по отношению к газообразному кислороду.

Литий-ниобиевая СО работает следующим образом.

До вывода на рабочий уровень мощности источника тепла 1 литиевый теплоноситель 11 как в межтрубном пространстве 6 источника тепла 1, так и в трубопроводах 2 и 3, насосе 4, агрегате 5, коллекторах 7, 8 и 9 находится в замороженном (твердом) состоянии. Рабочее тело пусковой системы, например эвтектический сплав натрий-калий-цезий, находится в жидком состоянии. После соответствующих проверок подают команду на подъем тепловой мощности источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня мощности. Одновременно включают насос 17 пусковой системы, в результате чего начинается циркуляция теплоносителя в пусковом контуре, состоящем из участков 13, 14, 15 и 16. Включают ЭН 11 (если это ЯЭУ, то производят подъем мощности реактора как источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня). За счет выделения тепла в ЭН 11 (или твэлах, например ЭГС, реактора) источника тепла 1 тепло передается как незамерзающему теплоносителю участка 13 пускового контура, так и находящемуся в пространстве 6 замороженному литиевому теплоносителю 11, в результате чего он плавится внутри источника тепла 1 (например, в активной зоне ТРП).

Постепенно за счет процессов теплопроводности расплавляется теплоноситель 11 и в коллекторах 7 и 8. Одновременно происходит нагрев находящегося в участке 13 пусковой системе натрий-калий-цезиевого жидкого теплоносителя, который за счет циркуляции переносит тепло по всему контуру и передает тепло расположенным вне источника тепла трубопроводам 2 и 3 с замороженным теплоносителем. Тепло с наружной поверхности участка 14 пусковой системы передается трубопроводу 2, с участка 16 - коллектору 9, с участка 15 - трубопроводу 3, насосу 4, агрегату 5 с находящимся внутри них замороженным литиевым теплоносителем. Замороженный литиевый теплоноситель сначала нагревается, а затем после достижения температуры плавления плавится. Наконец, весь литиевый теплоноситель 11 в межтрубном пространстве 6 и коллекторах 7 и 8 источника тепла 1, во всех участках трубопроводов 2 и 3, насосе 4, агрегате 5, коллекторе 9 будет расплавлен, т.е. во всем циркуляционном контуре литиевый теплоноситель будет в жидком состоянии. Наличие экрана 19, окружающего трубопроводы 2 и 3, насос 4 и агрегат 5, позволяет экономить тепло и тем самым сократить время расплавления литиевого теплоносителя в циркуляционном контуре литий-ниобиевой СО. После расплавления теплоносителя 11 во всем циркуляционном контуре литий-ниобиевой СО запускают насос 4, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя 11 в циркуляционном контуре СО. Мощность источника тепла 1 поднимают до рабочего значения, тепло из источника тепла 1 с помощью циркуляции литиевого теплоносителя 11, работающего при рабочей температуре, например, 600-1000^oС, передают в коллектор 9 системы сброса тепла 10, например, холодильнику-излучателю космической ЯЭУ, с которого тепло излучается.

В таком режиме происходит эксплуатация литий-ниобиевой CО, например, в составе космической ЯЭУ или в составе макета энергетической установки при испытаниях в вакуумной камере.

При эксплуатации литий-ниобиевой СО в космосе, например, в составе термоэлектрической или термоэмиссионной ЯЭУ на относительно невысоких орбитах (до 500 км) существует набегающий поток атомарного кислорода. При попадании этого кислорода на поверхность контура, изготовленного из ниобия или ниобиевого сплава и работающего при высоких рабочих температурах, он будет поглощаться материалом контура и после достижения порогового значения (примерно 0,4% объемного) может произойти разгерметизация контура. Однако при наличии экрана 19 из материала, обладающего геттерными свойствами по отношению к кислороду, он будет поглощаться материалом экрана 19, а не материалом контура, в результате чего будет обеспечен высокий ресурс литий-ниобиевой СО.

При эксплуатации литий-ниобиевой СО на высоких орбитах (более 500 км) парциальное давление и, следовательно, влияние на ресурс атомарного кислорода незначительно. Однако при длительной эксплуатации СО в космосе возможна встреча с микрометеоритами и мелкими частицами "космического мусора". При столкновении СО с такими частицами, обладающими большими относительными скоростями, а следовательно, и большим значением кинетической энергии, произойдет разгерметизация контура и отказ СО. Однако наличие экрана 19, установленного снаружи трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5 и пусковой системы с участками 14, 15, 16 с зазором 18, приведет к тому, что кинетическая энергия частицы выделится в месте столкновения с экраном 19, часть которого испарится. Благодаря зазору 18 между экраном и контуром не произойдет разрушения трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5 и пусковой системы, т.е. литий-ниобиевая СО останется работоспособной в течение длительного времени, несмотря на вероятность столкновения с микрометеоритами и мелким мусором.

При наземных испытаниях или эксплуатации литий-ниобиевой СО или ее фрагментов в вакуумной камере экран 19 защитит ниобиевую поверхность контура от случайной кратковременной разгерметизации вакуумной камеры или случайных локальных источников кислорода, например из электронагревателей. Появившийся в этих случаях кислород будет поглощен материалом экрана 19, обладающего повышенными геттерными свойствами по отношению к кислороду. Тем самым будет обеспечен высокий ресурс литий-ниобиевой СО при наземной отработке.

Таким образом, использование изобретения позволяет обеспечить длительный ресурс литий-ниобиевой системы охлаждения как в условиях эксплуатации в космосе, так и при наземных испытаниях в вакуумной камере.

Литература
1. Богуш И. П. 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. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. Ракетно-космическая техника. Научно-техн. сб., вып. 1 (134), ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП 1992, с.25-31.

3. Патент RU 2090466 С1, МКИ 6 В 64 G 1/42. Система охлаждения космической энергетической установки. / В.К. Гришин, В.В. Синявский // 20.09.97. Бюл. 26.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок, преимущественно космических и ядерно-энергетических. Литий-ниобиевая система охлаждения содержит изготовленные из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводы, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них литиевым теплоносителем. Часть трубопроводов размещена внутри источника тепла. Снаружи с зазором относительно размещенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и агрегатов размещен негерметичный экран. Экран выполнен из материала, обладающего геттерными свойствами по отношению к газообразному кислороду. Экран может быть выполнен из не менее чем одного слоя фольги из ниобия или ниобиевого сплава. Технический результат: обеспечение длительной ресурсоспособности литий-ниобиевой системы охлаждения как в условиях эксплуатации в космосе, так и при наземных испытаниях в вакуумной камере за счет защиты наружной поверхности ниобиевого контура от кратковременного или локального попадания кислорода при работе системы охлаждения при рабочих температурах. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Литий-ниобиевая система охлаждения, содержащая изготовленные из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них литиевым теплоносителем, отличающаяся тем, что снаружи с зазором относительно размещенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и агрегатов размещен негерметичный экран, выполненный из материала, обладающего геттерными свойствами по отношению к газообразному кислороду. 2. Литий-ниобиевая система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что экран выполнен из не менее чем одного слоя фольги из ниобия или ниобиевого сплава.