История развития ядерных реакторов

Рис. 3.11. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в паровой или газовой турбине

Ядерно-энергетические установки космических аппаратов с паротурбинным или газотурбинным циклом не отличаются от стационарных (наземных). Путь получения в них электроэнергии – использование генераторов машинного типа с механическим приводом от паровой или газовой турбины. В одноконтурной энергетической установке теплоноситель из активной зоны ядерного реактора поступает в турбину, назначение которой – превращать тепловую энергию пара или газа в механическую. Пар или газ высокого давления и температуры, имеющие большую тепловую энергию, поступают в сопла турбины (см. рис. 3.4, г, д). В каналах сопел температура и давление пара или газа уменьшаются при их расширении (следовательно, уменьшается их тепловая энергия), но зато увеличивается скорость движения их потока. Другими словами, за счет уменьшения тепловой энергии пара или газа возрастает их механическая (кинетическая) энергия.

Струя пара или газа с высокой скоростью (чаще выше скорости звука) непрерывно вытекает из сопел и поступает на лопатки турбины, укрепленные на диске, жестко связанным с валом. Канал между рабочими лопатками криволинеен. Поток пара или газа, протекая по криволинейному каналу, меняет направление и скорость; центробежная сила потока оказывает давление на вогнутые поверхности лопаток, вследствие этого лопатки, диск, вал – весь ротор – приходят во вращение (рис. 3.11). При этом механическая энергия пара или газа превращается в механическую энергию ротора турбогенератора, так как валы турбины и электрического генератора соединены между собой. В электрическом генераторе механическая энергия превращается в электрическую.

После паровой турбины пар, имея уже низкое давление, поступает в конденсатор (см. рис. 3.4, г и 3.4, е) и возвращается в реактор в конденсированном состоянии.

После газовой турбины газ охлаждается в регенеративном теплообменнике и концевом холодильнике и поступает в компрессор, где сжимается до заданного давления. После компрессора газ, проходя через регенеративный теплообменник, подогревается за счет охлаждения газа, выходящего из турбины, и поступает на нагрев в активную зону ядерного реактора. Частично механическая энергия вращения ротора газовой турбины используется на привод компрессора, но основная часть – на привод электрического генератора.

Термодинамикой установлено, что для непрерывного получения механической энергии из тепловой необходимо иметь три основных элемента: источник тепловой энергии с относительно высокой температурой, источник (резервуар) тепла с более низкой температурой и так называемое рабочее тело (среду, используемую для преобразования тепловой энергии в механическую), непрерывно совершающее круговой процесс, или цикл, с помощью которого тепловая энергия превращается в механическую.

В результате совершения кругового процесса рабочее тело возвращается в исходное состояние. Следовательно, механическая энергия производится не за счет рабочего тела: его состояние в сходных точках не изменяется, сколько бы раз ни совершался (повторялся) цикл. Рабочее тело является инструментом, с помощью которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Экономичность процесса преобразования тепловой энергии в механическую теоретически не зависит от выбора рабочего тела. Практически же свойства рабочего тела весьма существенно влияют на к.п.д. цикла. Источники тепла обязательно должны иметь различную температуру (второй закон термодинамики): один из них – более высокую, а второй (холодный источник) – более низкую. В каждом цикле от горячего источника (реактора) передается рабочему телу (теплоносителю) определенное количество тепла, а от рабочего тела в холодный источник переходит также определенное, но всегда меньшее количество тепла. Так как рабочее тело после завершения цикла возвращается в исходное состояние, то произведенная за один цикл механическая энергия обязательно должна быть равна разности между количеством тепла, полученным рабочим телом от горячего источника, и количеством тепла, переданным им холодному источнику (считая, что потери отсутствуют). На самом деле потери есть всегда, и реально получаемая механическая энергия меньше разности этих двух количеств тепла на величину потерь. К.п.д. описанного процесса в первую очередь зависит от температур источников тепла. Для повышения к.п.д. температура горячего источника должна быть как можно выше, а холодного – как можно ниже. Что касается холодного источника тепла, то здесь выбирать не приходится. Этим источником всегда является окружающая среда.

Для космической энергетической установки сброс теплоты в окружающее космическое пространство производится излучением, поэтому нижнюю температуру рабочего тела Т2 необходимо повышать, чтобы уменьшить размеры и массу холодильника-излучателя.

Это приводит к уменьшению разности температур (Т1 – Т2) при заданной величине верхней температуры рабочего тела Т1, и, следовательно, к уменьшению η Т термического к.п.д., равного η Т0 =(T1 – Т2)/ T1, и полного к.п.д. энергетической установки в целом. В идеальном случае максимальная удельная мощность ядерно-энергетической установки при минимальной массе холодильника-излучателя достигается при соотношении температур (Т2 / Т1) опт =0,75, что соответствует термическому к.п.д. η Т =0,25 (т.е. 25%). В действительности в реальном случае неучтенные составляющие снижают эффективность ЯЭУ до значений от 2 до 20%.

Повышение температуры Т1 ограничено в основном высокотемпературной стойкостью материалов в агрессивной среде рабочего тела (пара или газа). Понижение Т2 ограничивается размерами и массой излучателя, а также возрастанием доли конденсата в парах рабочего тела. Для уменьшения размеров и массы космической энергетической установки верхнюю температуру Т1 рабочего тела нужно выбирать более высокой. Для обеспечения надежности установки в энергетическом контуре необходимо иметь невысокое давление. Поэтому при низких Т1 можно применять воду, при более высоких – органические теплоносители, при самых высоких, требуемых для космических энергетических установок, – жидкие металлы: ртуть, калий, натрий, литий (в порядке повышения температуры).

При газотурбинном цикле рабочего тела в холодильнике-излучателе конденсата не образуется, температура излучающий поверхности не остается постоянной, она возрастает от величины Т2 до Т3. Это заставляет увеличивать площадь излучения холодильника тем больше, чем больше отличается отношение Т2 / Т3 от единицы. Обычно для газотурбинных космических установок Т2 / Т3 ≈ 0,6.

При решении проблемы теплоотвода в ядерно-энергетических установках возможны два принципиальных подхода: непосредственный теплоотвод от холодного контура-преобразователя тепловой энергии в электрическую и теплоотвод с помощью теплоносителя или тепловых труб. Для отвода остаточной теплоты и ее сброса используются жидкость, пар или газ, направляемые в выносные устройства или в радиатор с тепловыми трубами. На рис. 3.12 представлены три схемы компоновок модулей космических ядерно-энергетических установок. В этих схемах системы теплоотвода включают тепловые трубы с натриевым теплоносителем. Термоэлектрическая система преобразования тепловой энергии в электрическую для всех трех систем одинакова и включает 19968 термопар, каждая с площадью контакта 2,5 см × 2,5 см.

Рис. 3.12. Концептуальные схемы ЯЭУ мощностью 300 кВт фирмы «General Electric»: а – концепция 1; 1 – реактор; 2 – насос; 3 – термоэлектрическая батарея; 4 – складывающийся радиатор; 5 – радиатор с неизменяемой геометрией; б – концепция 2; 1 – реактор; 2 – насос; 3 – термоэлектрическая батарея; 4 – радиатор; в – концепция 3; 1 – реактор; 2 – насос, горячая панель; 3 – насос, холодная панель; 4 – термоэлектрическая батарея; 5 – радиатор

Различие заключается в системах сброса остаточной теплоты. Схема а включает 384 тепловых трубы диаметром 5,6 см и длиной 13 м с калиевым теплоносителем; в схеме б используются 1200 тепловых труб диаметром 5,1 см длиной 6 м; в схеме в – 11220 тепловых труб диаметром 1,6 см и длиной 1 м с поперечными ребрами между трубами длиной 2,7 см.

Перспективы развития ядерных энергетических установок

В настоящее время к космическим ядерным энергетическим установкам (КЯЭУ) нового поколения предъявляются следующие требования: интеграция ядерной энергетической установки в космическом аппарате, выводимым современными ракетоносителями (типа Протон, Протон-М, Ангара); ядерная и радиационная безопасность, в т.ч. при возможной аварии (на Землю падает «чистый» реактор); транспортный энергетический режим – на высотах выше радиационно-безопасной орбиты 800 км; подкритическое состояние реактора при всех видах аварий; отрицательный температурный коэффициент реактивности при рабочих параметрах; резервирование узлов, подверженных ресурсной деградации; комбинация различных систем преобразования энергии; преимущественная отработка элементов и узлов во внереакторных условиях; возможность продолжительного нахождения в космосе до начала работы ЯЭУ; выходная электрическая мощность 50÷400 кВтЭЛ (при 115÷120 В), ресурс 7-10 (до 20) лет.

В области термоэлектрических устройств в настоящее время в России подготовлен проект перехода от ядерной энергетической установки типа «Бук» к более совершенной «БУК-ТЭМ» (Табл.1).

Табл. 1 Основные характеристики КЯЭУ «БУК» и «БУК-ТЭМ»

Заключение

Сегодня понятно, что термоэмиссия и термоэлектричество как в термоэмиссионных и термоэлектрических установках, так и при их комбинировании (термоэлектричество + термоэмиссия), магнитогидродинамические установки в КЯЭУ нового поколения имеют несомненную перспективу использования. При этом термоэмиссия имеет несомненные преимущества перед другими статическими преобразователями и известными динамическими преобразователями. Подобные установки могут быть эффективно использованы для решения различных задач в космических миссиях 21-го века.