КОСМИЧЕСКАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SPACE NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области ядерной техники, а именно к ядерным энергетическим установкам, предназначенным для использования в качестве источников электрической энергии космических аппаратов.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является космическая ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор, в корпусе которого закреплена активная зона, патрубки подвода и расположенные ниже уровня активной зоны патрубки отвода теплоносителя, расположенную под реактором систему преобразования энергии и трубопроводы циркуляции теплоносителя, соединяющие реактор с системой преобразования энергии через патрубки (патент РФ №2321086, МПК G21D 1/00, опубл. 27.03.2008).
В известной космической ядерной энергетической установке активная зона контактирует непосредственно с внутренней поверхностью корпуса реактора. Патрубки подвода теплоносителя расположены в верхней части корпуса реактора над активной зоной, поэтому теплоноситель от системы преобразования энергии поступает во внутреннее пространство реактора по трубопроводам циркуляции, проведенным вдоль всей длины его корпуса. Пройдя через активную зону сверху вниз, теплоноситель выходит из реактора через патрубки отвода.
Недостатком такой реакторной установки является низкий коэффициент полезного действия из-за: увеличенных потерь давления теплоносителя вследствие встречного направления струй и резкого расширения проходного сечения теплоносителя при его выходе из трубопроводов циркуляции во внутриреакторное пространство над активной зоной.
Кроме того, из-за непосредственного контакта внутренней поверхности корпуса ядерного реактора с горячей активной зоной в стенке корпуса реактора происходит снижение допускаемых напряжений, вследствие чего ее толщину необходимо выполнять значительно большей, что совместно с наличием массивных подводящих трубопроводов теплоносителя приводит к избыточной массе установки.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение коэффициента полезного действия установки и снижение теплового воздействия на корпус реактора со стороны активной зоны при минимизации габаритов конструкции.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение потери давления теплоносителя в тракте подачи в активную зону, повышение допускаемых напряжений на стенке корпуса реактора и снижение материалоемкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в космической ядерной энергетической установке, содержащей ядерный реактор, в корпусе которого закреплена активная зона, патрубки подвода и расположенные ниже уровня активной зоны патрубки отвода теплоносителя, расположенную под реактором систему преобразования энергии и трубопроводы циркуляции теплоносителя, соединяющие реактор с системой преобразования энергии через патрубки, согласно настоящему изобретению, активная зона заключена в обечайку с днищем с образованием полости между днищем и активной зоной, при этом обечайка расположена относительно корпуса реактора с кольцевым зазором, патрубки отвода сообщены с полостью между днищем обечайки и активной зоной, а патрубки подвода сообщены с кольцевым зазором между обечайкой и корпусом реактора ниже уровня активной зоны.
Кольцевой зазор, образованный между обечайкой и корпусом реактора, служит трактом подачи охлажденного теплоносителя во внутреннее пространство реактора вместо массивных трубопроводов. Тракт теплоносителя в виде кольцевого зазора позволяет снизить потери давления теплоносителя за счет большей равномерности потока и меньшей площади трения в процессе течения. Обечайка с днищем, установленная вокруг активной зоны, разделяет охлажденный теплоноситель, подводимый к активной зоне, и горячий, проходящий сверху вниз через нее, исключая тем самым смешивание потоков. Полость, образованная между днищем обечайки и активной зоной, необходима для сбора теплоносителя, выходящего из активной зоны. А патрубки отвода, сообщенные с указанной полостью, служат выходом для теплоносителя из полости. Сообщение патрубков подвода теплоносителя с кольцевым зазором ниже уровня активной зоны позволяет организовать движение охлажденного теплоносителя вдоль всего корпуса реактора, защищая его от теплового воздействия активной зоны по всей ее высоте, повышая тем самым допускаемые напряжения стенки корпуса и позволяя снизить ее толщину.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема ядерной энергетической установки, на фиг. 2 изображен ядерный реактор космической энергетической установки (продольный разрез).
Космическая ядерная энергетическая установка содержит ядерный реактор 1, например газоохлаждаемый, радиационную защиту 2 и систему преобразования энергии 3, в которую входят холодильник-излучатель, компрессор и другие агрегаты контура охлаждения ядерного реактора 1. Внутри корпуса 5 ядерного реактора 1 закреплена активная зона 6, заключенная в обечайку с днищем 7. Между активной зоной 6 и днищем обечайки 7 образована полость 8 для сбора горячего теплоносителя после его выхода из активной зоны 6. Обечайка 7 установлена с образованием кольцевого зазора 9 относительно внутренней поверхности корпуса 5 ядерного реактора 1 для движения по нему охлажденного теплоносителя. Реактор 1 соединен с системой 3 трубопроводами циркуляции теплоносителя 4 через патрубки подвода 10 и отвода 11 теплоносителя, расположенные ниже уровня активной зоны 6. Патрубки отвода 11 сообщены с полостью 8 между днищем обечайки 7 и активной зоной 6, а патрубки подвода 10 - с кольцевым зазором 9 между обечайкой 7 и корпусом 5.
Космическая ядерная энергетическая установка работает следующим образом.
Теплоноситель, например гелий-ксеноновая смесь, поступает в ядерный реактор 1 через патрубки подвода 10 и далее по кольцевому зазору 9 между корпусом реактора 5 и обечайкой 7 активной зоны 6 направляется в пространство под крышкой реактора, где разворачивается на 180° и входит в активную зону 6. Проходя через нее сверху-вниз газ нагревается и поступает в полость 8, откуда через патрубки отвода 11 теплоноситель попадает в систему преобразования энергии 3, где происходит выработка электрической энергии необходимой для работы электроракетных двигателей. После этого теплоноситель поступает в компрессор (на череже не показан), который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру, а затем - в холодильник-излучатель (не показан), где происходит сброс остаточного тепла в космическое пространство. Из холодильника-излучателя теплоноситель по трубопроводам циркуляции 4 направляется обратно через патрубки подвода 10 в кольцевой зазор 8, где контур гелий-ксеноновой смеси замыкается.
В предлагаемом варианте подвода газового теплоносителя к активной зоне потери давления теплоносителя оказываются ниже, чем в случае подвода по трубопроводам по следующим причинам: при резком расширении тракта на выходе из трубы в зону смешения над активной зоной образуются вихри, для поддержания вращения которых затрачивается большое количество энергии. Кроме того, встречное направление струй газа из разных подводящих трубопроводов приводит к большим потерям при столкновении и перемешивании этих струй, а также к большой неравномерности потока перед входом в активную зону, что вынуждает устанавливать специальную дроссельную решетку перед входом для выравнивания поля скоростей, которая также создает значительное сопротивление. При подаче же теплоносителя по кольцевому зазору, смена направления течения перед входом в активную зону происходит плавно, а равномерность потока избавляет от необходимости установки перед входом в активную зону дополнительной решетки. Все вышеизложенное позволяет сделать однозначный вывод о том, что сопротивление в тракте в виде кольцевого зазора значительно ниже, нежели в прототипе. Снижение потерь давления в тракте теплоносителя, в свою очередь, повышает коэффициент полезного действия установки.
Кроме того, охлажденный теплоноситель, движущийся на вход в активную зону по кольцевому зазору между обечайкой и корпусом реактора, охлаждает внутреннюю поверхность корпуса, что позволяет уменьшить толщину его стенки, увеличить допускаемые напряжения в ней и использовать отработанные высокотехнологичные материалы, отказавшись от низкотехнологичных жаропрочных сплавов.