КОСМИЧЕСКАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области ядерной энергетики, в частности, к космическим ядерным энергетическим установкам, предназначенным для использования в качестве источников электрической энергии космических аппаратов.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к полезной модели является космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор с активной зоной, в нижней части которого выполнены патрубки подвода и отвода теплоносителя, радиационную защиту, расположенную на одной оси с реактором и контур охлаждения ядерного реактора (сборник докладов ОАО «НИКИЭТ», конференция молодых специалистов «Быстрые реакторы», 5 декабря 2012 г., стр. 131-134).
Радиационная защита в известной космической ядерной энергетической установке выполнена в виде тонкостенного корпуса, заполненного гидридом лития и другим поглощающим материалом, и расположена под ядерным реактором. Контур охлаждения содержит отводящие и подводящие трубопроводы теплоносителя, часть которых проходит к патрубкам реактора через радиационную защиту внутри нее.
Недостатками известной космической ядерной энергетической установки является сложность ее конструкции и большие тепловые потери из-за необходимости охлаждения материала защиты вследствие его перегрева от проходящих по радиационной защите горячих трубопроводов.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, является создание космической ядерной энергетической установки с лучшими массогабаритными характеристиками и более высоким уровнем эффективности.
Техническим результатом настоящей полезной модели снижение тепловых потерь и дополнительного оборудования для охлаждения радиационной защиты.
Указанный технический результат достигается тем, что в космической ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор с активной зоной, в нижней части которого расположены патрубки подвода и отвода теплоносителя, радиационную защиту, расположенную на одной оси с реактором и контур охлаждения ядерного реактора
согласно настоящей полезной модели радиационная защита выполнена из центральной и периферийной частей, при этом центральная часть расположена в корпусе ядерного реактора под активной зоной, а периферийная часть установлена вокруг корпуса реактора до патрубков подвода и отвода теплоносителя, причем в центральной части, изготовленной из материала, рабочая температура которого выше температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, выполнены сквозные каналы контура охлаждения.
Кроме того, каналы выполнены переменного диаметра, где в области большего диаметра коаксиально каналам и с образованием зазора установлены монолитные вставки из поглощающего материала, диаметр которых больше или равен меньшему диаметру канала.
Кроме того, центральная часть выполнена из карбида бора, а периферийная -из прессованного гидрида лития.
Кроме этого, центральная и периферийная части радиационной защиты выполнены составными из отдельных блоков.
Кроме этого, каналы центральной части выполнены очехлованными.
Выполнение радиационной защиты из двух частей, одна из которых размещена в корпусе ядерного реактора под активной зоной, позволяет отводить выходящий из активной зоны горячий теплоноситель по выполненным в ней каналам и, тем самым, исключить металлические трубопроводы отвода контура охлаждения, проходящие внутри радиационной защиты от ядерного реактора к системе преобразования энергии. Расположение периферийной части радиационной защиты снаружи ядерного реактора до патрубков подвода и отвода исключает прохождение горячих трубопроводов контура охлаждения через нее и защищает расположенное под ядерным реактором оборудование установки в области телесного угла конуса защиты от излучения.
Наличие в каналах переменного диаметра, где в области большего диаметра установлены монолитные вставки из поглощающего материала, диаметр которых больше или равен меньшему диаметру канала, позволяет задержать нейтроны, движущиеся по каналам параллельно оси реактора, и, тем самым, исключить прямое прострельное излучение, что обеспечит необходимые уровни реакторного излучения на радиационно-чувствительные объекты установки.
Отсутствие горячих трубопроводов контура охлаждения, проходящих внутри радиационной защиты, и изготовление центральной части радиационной защиты из карбида бора и материала на его основе (ВК-58), температура плавления которого выше температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, исключает необходимость в дополнительном охлаждении радиационной защиты и в дополнительном оборудовании для этого, что благоприятно сказывается на массогабаритных характеристиках и эффективности установки. Изготовление периферийной части из гидрида лития снижает массу радиационной защиты, а, следовательно, и всей установки. Кроме того, гидрид лития обладает лучшими поглощающими способностями, чем карбид бора.
Выполнение центральной и периферийной частей радиационной защиты из блоков позволяет упростить изготовление и монтаж радиационной защиты, а очехловка (наличие тонкостенной оболочки) каналов центральной части не позволяет продуктам крошения материала защиты от термических и радиационных воздействий попадать в контур теплоносителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана космическая ядерная энергетическая установка (продольный разрез).
Космическая ядерная энергетическая установка содержит ядерный реактор 1 с активной зоной 2, например, газоохлаждаемый, радиационную защиту, контур охлаждения, компрессор, преобразователь тепловой энергии в электрическую и холодильник - излучатель. Активная зона 2 содержит обечайку и установлена в реактор 1 с образованием зазора между ней и корпусом реактора 1. В нижней части корпуса ядерного реактора 1 выполнены патрубки подвода 3 и отвода 4 теплоносителя. Радиационная защита содержит центральную часть 5 и периферийную часть 6. Центральная часть 5 расположена в корпусе реактора 1 под активной зоной 2, а периферийная 6 - снаружи корпуса реактора 1 вокруг него. Центральная часть 5 выполнена из материала, рабочая температура которого больше температуры теплоносителя на выходе из активной зоны с высокой способностью поглощения нейтронов, например карбида бора или материала на его основе (температура плавления карбида бора 2350°C, а температура теплоносителя на выходе из активной зоны 1227°C). В центральной части 5 выполнены каналы 7 переменного диаметра для прохода горячего теплоносителя от активной зоны 2 к патрубкам отвода 4. Диаметр каналов 7 на входе теплоносителя имеют меньший эквивалентный диаметр. В области большего диаметра каналов 7 коаксиально им и с зазором установлены монолитные вставки 8 из того же материала, что и центральная часть, причем диаметр этих вставок больше диаметра каналов 7 на входе теплоносителя. Это сделано с целью улучшения качеств радиационной защиты, а именно для обеспечения отсутствия прямого прострела нейтронов по каналам для 7 течения теплоносителя. Кроме того, вставки в каналах 7 спрофилированы таким образом, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление по тракту теплоносителя, тем самым увеличивая КПД установки.
Поскольку периферийная часть 6 радиационной защиты не подвержена воздействию высоких температур от контакта с теплоносителем, к ее материалу предъявляются не такие жесткие требования по термостойкости. В связи с этим периферийная радиационная защита может быть изготовлена из гидрида лития, который превосходит карбид бора и материалы на его основе по поглощающим свойствам. Для упрощения монтажа центральная 5 и периферийная 6 части радиационной защиты выполнены составными из блоков. Кроме этого, каналы центральной части выполнены очехлованными, что не позволяет продуктам крошения материала защиты от термических и радиационных воздействий попадать в контур теплоносителя.
Космическая ядерная энергетическая установка работает следующим образом.
Теплоноситель, например, гелий-ксеноновая смесь, поступает в ядерный реактор 1 через входные патрубки 3 и далее по кольцевому зазору между корпусом реактора 1 и обечайкой активной зоны 2 направляется в пространство под крышкой реактора, где разворачивается на 180° и входит в активную зону 2. Проходя через нее, теплоноситель нагревается и попадает в центральную часть 5 радиационной защиты, после чего по выполненным в ней каналам 7 теплоноситель поступает в выходные патрубки реактора 4 и дальше попадает в блок преобразования энергии (на чертеже не показан), где происходит выработка электрической энергии, необходимой для работы электроракетных двигателей. После этого теплоноситель поступает в компрессор (на чертеже не показан), который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру, а затем - в холодильник-излучатель (на чертеже не показан), где происходит сброс остаточного тепла в космическое пространство. Из холодильника-излучателя теплоноситель направляется обратно на вход в ядерный реактор 1, где контур теплоносителя замыкается.