КОСМИЧЕСКАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК G21D1/00 G21C11/00 

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к системам управления стержнями безопасности для обеспечения глубокой подкритичности ядерного реактора космической ядерной энергетической установки (КЯЭУ) на всех этапах жизненного цикла реактора, кроме периода штатного функционирования.

Известна конструкция КЯЭУ, содержащая стержни безопасности (СБ) и механические системы ввода и вывода стержней безопасности из активной зоны реактора (см. патент РФ на изобретение №2131150 от 1999 г. "Космическая ядерная энергетическая установка"). Недостатком этой конструкции является то, что привод СБ расположен за теневой радиационной защитой относительно реактора, что требует организовать каналы в защите для прохода силовой связи (вала, рейки) от привода к СБ, что снижает эффективность теневой радиационной защиты. Также в данной конструкции один привод приводит в движение четыре стержня безопасности, что снижает уровень ядерной безопасности.

Известна конструкция КЯЭУ, содержащая стержень безопасности и механическую систему ввода и вывода стержня безопасности из активной зоны реактора (J.C.Mils. W.R. Determan, Т.Н. Van Hagan, S-Prime Ti-SNPS Conceptual Design Summary, 11 Symposium Space Nuclear Power and Propulsion, Albuguram, N.M., 1994, Part Two, page 695). Недостатком этой конструкции также является то, что привод СБ расположен за теневой радиационной защитой относительно реактора, что требует организовывать канал в защите для прохода силовой связи (вала, рейки) от привода к СБ, что снижает эффективность теневой радиационной защиты.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является конструкция КЯЭУ, в которой СБ расположен в направляющем кожухе и может перемещаться из активной зоны в сторону, противоположную от теневой радиационной защиты. Привод СБ расположен за теневой радиационной защитой, а замок удержания стержня размещен на кожухе и фиксирует стержень в выдвинутом из активной зоны положении (см. J.C.Mondt, V.C. Truscell, A.T. Marriot, SP-100 Power program. 11 Symposium Space Nuclear Power and Propulsion, Albuguram, N.M., 1994, Part One, page 143).

Недостатком этой конструкции также является то, что привод СБ расположен за теневой радиационной защитой относительно реактора, что требует организовывать каналы в защите для прохода силовой связи (вала, рейки) от привода к СБ. Это приводит к усложнению конструкции узла теневой защиты и снижения ее эффективности. Кроме того, реактор отодвинут от защиты на расстояние, равное ходу СБ, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик всей КЯЭУ.

Замок фиксации СБ расположен на конце кожуха, что исключает возможность гарантированного присутствия СБ в активной зоне при обгорании КЯЭУ, например при входе КЯЭУ в плотные слои атмосферы.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - снижение массогабаритных характеристик и повышение ядерной безопасности КЯЭУ.

Технический результат - снижение массы теневой радиационной защиты и повышение безопасности путем гарантированного удержания СБ в активной зоне реактора до полного разрушения реактора в случае обгорания или попадания на землю.

Этот результат достигается тем, что привод СБ расположен по одну сторону с реактором относительно теневой радиационной защиты в зоне, наиболее удаленной от реактора, и соединен с СБ гибким силовым звеном, например стальным тросом. Внутри направляющего кожуха между торцом СБ, обращенным к приводу, и кожухом привода размещена пружина сжатия, а на противоположном торце СБ имеется грибовидный хвостовик фиксации стержня безопасности в замке. Кожух замка соединен с трубной доской активной зоны реактора, а датчики положения размещены на замке и кожухе СБ.

Кроме того, привод СБ размещен в герметичном корпусе и содержит барабан с закрепленным на нем гибким звеном, кинематически соединенный через электромагнитную муфту сцепления, муфту одностороннего хода, например храповый механизм, и редуктор с электродвигателем, причем корпус привода и кожух СБ образуют единую герметичную полость.

Замок СБ содержит герметичный корпус, цанговый захват и подпружиненный толкатель, отделенный от газовой рабочей полости замка герметичным упругим элементом, например сильфоном, причем рабочая полость замка соединена трубопроводом с заполненным сжатым газом баллоном, имеющим пусковой клапан, а на трубопроводе размещены дренажный клапан и технологический штуцер.

На фиг.1 представлена головная часть КЯЭУ.

На фиг.2 изображен привод СБ.

КЯЭУ содержит (см. фиг.1) последовательно соединенные холодильник-излучатель 1, теневую радиационную защиту 2 и реактор 3, включающий активную зону 4 с тепловыделяющими каналами 5, соединенными с трубными досками 6, стержень безопасности 7 с нейтронопоглощающим материалом, размещенный в направляющем кожухе 8, один из участков которого расположен вне активной зоны 4, замок 9 стержня безопасности 7, датчики 10 положения стержня безопасности 7, привод 11, кинематически связанный со стержнем безопасности. Привод 11 стержня безопасности 7 расположен по одну сторону с реактором 3 относительно теневой радиационной защиты 2 в зоне, наиболее удаленной от реактора 3, и соединен со стержнем безопасности 7 гибким силовым звеном, например стальным тросом 12, внутри направляющего кожуха 8 между торцом стержня безопасности 7, обращенным к приводу 11, и корпусом привода размещена пружина сжатия 13, на противоположном торце стержня безопасности имеется грибовидный хвостовик 14 для фиксации стержня безопасности 7 в замке 9, корпус 15 замка 9 соединен с трубной доской 6 активной зоны 4 реактора 3, а датчики 10 положения размещены на замке 9 и кожухе 8 стержня безопасности 7. Кроме того, привод 11 стержня безопасности 7 размещен в герметичном корпусе 16 и содержит барабан 17 с закрепленным на нем гибким звеном 12, кинематически соединенный через электромагнитную муфту 18 сцепления, муфту одностороннего хода, например храповый механизм 19, и редуктор 20 с электродвигателем 21, причем корпус привода 11 и кожух 8 стержня безопасности 7 образуют единую герметичную полость. Замок 9 содержит корпус 15, цанговый захват 22 и подпружиненный толкатель 23, отделенный от газовой рабочей полости замка 9 герметичным упругим элементом, например сильфоном 24, причем рабочая полость замка 9 соединена трубопроводом с заполненным сжатым газом баллоном 25, имеющим пусковой клапан 26, а на трубопроводе размещены дренажный клапан 27 и технологический штуцер 28.

Предложенное устройство работает следующим образом: на этапе сборки КЯЭУ и выведения на орбиту СБ7 удерживается в активной зоне замком 9, а при запуске реактора извлекается из зоны приводом 11. В состав головной части КЯЭУ входят также теневая радиационная защита 2, соединенная силовыми связями с холодильником-излучателем 1 и остальными узлами КЯЭУ. Привод 11 соединен со стержнем безопасности 7 гибким силовым звеном 12, например стальным тросом, а пружина 13 обеспечивает экстренный возврат стержня в активную зону 4 для гашения реактора 3. При этом грибовидный хвостовик стержня 14 защелкивается захватом замка 22. Положение СБ в реакторе отслеживается индукционными датчиками 10. При нахождении СБ в активной зоне, т.е. при захвате хвостовика 14 замком 9, стержень через корпус замка 15 находится в жесткой связи с трубной доской 6. Это обстоятельство обеспечивает подкритичность реактора в аварийных ситуациях, включая пожар, что существенно повышает безопасность КЯЭУ.

Вывод СБ из активной зоны осуществляется по команде, формируемой системой управления. После открытия клапана 26 сжатый газ из баллона 25 по трубопроводу поступает во внешнюю полость сильфона 24, который, сжимаясь, перемещает подпружиненный толкатель 23 и освобождает хвостовик 14. После этого привод 11 может переместить СБ из активной зоны.

Для приведения замка в исходное положение срабатывает клапан 27 и сжатый газ стравливается из полости сильфона 24.

Для проведения предстартовой проверки работы системы СБ предусмотрен технологический штуцер 28.

В герметичном корпусе 16 (см. фиг.2) на валу расположен барабан 17, на котором закреплен трос. Барабан находится в зацеплении с подпружиненной подвижной втулкой, являющейся частью электромагнитной муфты сцепления 18.

Вращение барабана осуществляется при включенной электромагнитной муфте через муфту одностороннего хода 19, редуктор 20 электродвигателем 21.

При выводе СБ из активной зоны трос наматывается на барабан, пружина 13 сжимается. При достижении крайнего положения датчик положения 10 дает команду на отключение двигателя 21 и положение СБ фиксируется с помощью муфты одностороннего хода 19.

Для экстренного ввода СБ в активную зону обесточивается муфта 18, барабан освобождается от зацепления и под действием пружины 12 стержень перемещается в активную зону.

Для снижения теплового воздействия реактора привод располагается в зоне, максимально удаленной от реактора, где обеспечивается эффективный теплосброс с его поверхности.

Таким образом, снижение массы теневой радиационной защиты и повышение безопасности гарантировано путем расположения привода СБ с противоположной стороны от реактора относительно радиационной защиты и удержания СБ в активной зоне реактора до полного разрушения реактора в случае обгорания или падения на землю.

Использование в качестве источника электроснабжения космических аппаратов. Привод стержня безопасности (СБ) расположен по одну сторону с реактором относительно теневой радиационной защиты в зоне, наиболее удаленной от реактора, и соединен с СБ гибким силовым звеном, например стальным тросом. Внутри направляющего кожуха между торцом СБ, обращенным к приводу, и кожухом привода размещена пружина сжатия, а на противоположном торце СБ имеется грибовидный хвостовик фиксации стержня безопасности в замке. Кожух замка соединен с трубной доской активной зоны реактора, а датчики положения размещены на замке и кожухе СБ. Кроме того, привод СБ размещен в герметичном корпусе и содержит барабан с закрепленным на нем гибким звеном, кинематически соединенный через электромагнитную муфту сцепления, муфту одностороннего хода, например храповый механизм, и редуктор с электродвигателем, причем корпус привода и кожух СБ образуют единую герметичную полость. Замок СБ содержит герметичный корпус, цанговый захват и подпружиненный толкатель, отделенный от газовой рабочей полости замка герметичным упругим элементом, например сильфоном, причем рабочая полость замка соединена трубопроводом с заполненным сжатым газом баллоном, имеющим пусковой клапан, а на трубопроводе размещены дренажный клапан и технологический штуцер. Технический результат - снижение массы теневой радиационной защиты и повышение безопасности путем гарантированного удержания СБ в активной зоне реактора до полного разрушения реактора в случае обгорания или попадания на землю. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Космическая ядерная энергетическая установка, содержащая последовательно соединенные холодильник-излучатель, теневую радиационную защиту и реактор, включающий активную зону с тепловыделяющими каналами, соединенными с трубными досками, стержень безопасности, один или более, с нейтронопоглощающим материалом, размещенный в направляющем кожухе, один из участков которого расположен вне активной зоны, замок стержня безопасности, датчики положения стержня безопасности, связанные кинематически со стержнем безопасности, отличающаяся тем, что привод стержня безопасности расположен с противоположной стороны от реактора относительно теневой радиационной защиты и соединен со стержнем безопасности гибким силовым звеном, внутри направляющего кожуха, между торцом стержня безопасности, обращенным к приводу, и корпусом привода размещена пружина сжатия, на противоположном торце стержня безопасности имеется грибовидный хвостовик фиксации стержня безопасности в замке, корпус замка соединен с трубной доской активной зоны реактора, а датчики положения размещены на замке и кожухе стержня безопасности.2. Космическая ядерная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что привод стержня безопасности размещен в герметичном корпусе и содержит барабан с закрепленным на нем гибким звеном, кинематически соединенный через электромагнитную муфту сцепления, муфту одностороннего хода и редуктор с электродвигателем, причем корпус привода и кожух стержня безопасности образуют единую герметичную полость.3. Космическая ядерная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что замок содержит корпус, цанговый захват и подпружиненный толкатель, отделенный от газовой рабочей полости замка герметичным упругим элементом, причем рабочая полость замка соединена трубопроводом с заполненным сжатым газом баллоном, имеющим пусковой клапан, а на трубопроводе размещены дренажный клапан и технологический штуцер.