Ядерный реактор для космического аппарата
NUCLEAR REACTOR FOR SPACECRAFT

[01] Область техники
[02] Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности, к реакторам для ядерных энергетических установок и ядерных энергодвигательных установок большой мощности, предназначенным для использования в качестве источников электрической и тепловой энергии космических аппаратов.
[03] Уровень техники
[04] Известна конструкция ядерного реактора для космических аппаратов, включающая корпус с обечайками и плитами, наборы тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), образующие тепловыделяющие сборки (ТВС), а также поглощающие элементы (ПЭЛы), которые могут перемещаться в активную зону реактора через выполненные в корпусе каналы. («Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ», А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.Д. Атамасов и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1987 г., с. 183, 298, 299). Снаряжение (загрузка) активной зоны такого реактора производится на земле на заводе-изготовителе или на техническом комплексе на этапе подготовки к запуску в космос. При этом управление ядерной реакцией реализуется с использованием ПЭЛов. Канал для подвижных ПЭЛов размещается внутри активной зоны между ТВЭЛами и представляет собой трубу, внутри которой осуществляется перемещение ПЭЛа, приводимого в движение передачей через тягу усилий от исполнительного механизма, расположенного, как правило, за радиационной защитой.   Также ПЭЛы могут располагаться снаружи корпуса в барабанах – цилиндрах, состоящих из материала отражателя и сегментарно расположенных с одной его стороны элементов с поглощающим материалом. Барабан закрепляется в подшипниках и вращается через элемент передачи с помощью исполнительного механизма, расположенного, как правило, за радиационной защитой. Регулирование нейтронной мощности происходит при вращении барабана и удалении или приближении ПЭЛов к активной зоне. Может применяться и комбинированная схема регулирования мощности реактора из подвижных ПЭЛов и барабанов. Таким образом, на орбиту на ракете-носителе выводится реакторная установка в сборе, снаряженная ядерным топливом.
[05] Недостатками указанного технического решения являются:
[06] - наличие в активной зоне реактора надкритической массы делящегося вещества, что может в аварийных ситуациях привести к неконтролируемому пуску реактора.
[07] - возможность частичного или полного несанкционированного изменения положения ПЭЛов при внешних и(или) внутренних воздействиях при падении ракеты-носителя на землю на этапе выведения космического аппарата с ЯЭУ на орбиту, что в особых условиях теоретически может способствовать возникновению цепной реакции деления;
[08] - возможность образования критической массы с учетом многовариантности характера, степени и последствий разрушения реакторной установки, корпуса реактора, активной зоны, ТВЭЛов и ПЭЛов при попадании деформированной (дефрагментированной) активной зоны в водородсодержащую среду (воду) при падении ракеты-носителя на этапе выведения космического аппарата с ЯЭУ на орбиту, что в особых условиях теоретически может способствовать возникновению цепной реакции деления;
[09] - разрушение ТВЭЛов при падении ракеты-носителя на этапе выведения космического аппарата с ЯЭУ на орбиту и сложности с поиском и сбором их обломков (частей) на Земле.
[010] Наиболее близким аналогом (прототипом) рассматриваемого решения с точки зрения решаемой задачи является конструкция транспортируемого ядерного реактора, описанная в заявке США US2018090237, 19.03.2018. Реактор содержит корпус с активной зоной и несколько раздельных модулей докритической мощности. Каждый модуль имеет топливный картридж с тепловыделяющей сборкой. При этом все модули установлены внутри корпуса реактора с возможностью относительного перемещения для управления ядерной реакцией за счет препятствия образования критической массы делящегося вещества в процессе транспортировки реактора.
[011] Несмотря на то, что описанная конструкция по прототипу в некоторой степени защищает реактор от возникновения неконтролируемой цепной реакции деления при аварии, она обладает вышеописанными недостатками. В частности, при повреждении активной зоны реактора и/или при попадании его в водородсодержащую среду (воду) в случае аварии может возникнуть неконтролируемая цепная реакция. Кроме того, при ударе модули, располагающиеся внутри корпуса, могут сместиться в одно положение и образовать критическую массу.
[012] Раскрытие сущности изобретения
[013] Основной технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение безопасности до момента пуска реактора на радиационно-безопасной орбите.
[014] Технический результат изобретения заключается в повышении безопасности транспортировки реактора по земле и при выведении космического аппарата на радиационно-безопасную орбиту, упрощении процесса транспортировки, а также в снижении вероятности возникновения цепной реакции в случае падения ракеты-носителя с космическим аппаратом, улучшении нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик реактора, и, как следствие, его надежности и ресурса.
[015] Указанный технический результат достигается в изобретении за счёт того, что ядерный реактор для космического аппарата содержит корпус с активной зоной и тепловыделяющие сборки (ТВС), установленные с обеспечением препятствования формирования критической массы делящегося вещества. По крайней мере часть ТВС расположены вне активной зоны снаружи корпуса, где ТВС размещены в индивидуальных капсулах, снабженных аварийным средством безопасного спуска и передатчиком для определения местоположения. При этом реактор содержит средство автоматизированной или автоматической загрузки указанных ТВС в активную зону реактора при достижении космическим аппаратом радиационно-безопасной орбиты.
[016] Кроме того, для достижения технического результата предусмотрены частные варианты реализации изобретения, согласно которым:
- ТВС, размещенные в капсулах, разделены механическими барьерами;
- средство безопасного спуска выполнено в виде парашюта или парашютной системы, или крыльев;
- капсулы с ТВС закреплены на внешней стороне корпуса посредством кронштейнов, имеющих средства автоматизированного или автоматического отсоединения;
- ТВС закреплены в капсулах посредством кронштейнов, имеющих средства автоматизированного или автоматического отсоединения;
- средство загрузки ТВС в активную зону реактора выполнено в виде телескопического манипулятора;
- другая часть ТВС установлена в корпусе при условии препятствования формирования критической массы делящегося вещества;
- в корпусе установлена обечайка и плита;
- ТВС включает кожух, плиты с отверстиями для теплоносителя, а также набор тепловыделяющих элементов, которые прикреплены к одной из плит;
- плиты ТВС имеют профиль, обеспечивающую возможность плотной стыковки ТВС между собой, при этом ТВС снабжены узлами для их крепления в активной зоне.
[017] В отличие от аналогов конструкция заявленного реактора предусматривает вывод на орбиту ЯЭУ без загруженного на заводе-изготовителе или техническом комплексе в активную зону ядерного топлива. Ядерное топливо находится полностью или частично вне корпуса реактора в отдельных тепловыделяющих сборках. При этом каждая такая тепловыделяющая сборка содержит расчетное количество ТВЭЛов и не имеет в своем составе ПЭЛов, что исключает их влияние на реактивность при их несанкционированном извлечении. Загрузка ядерного топлива в такой тепловыделяющей сборке определена исходя из условия обеспечения её подкритичности при попадании в водородсодержащую среду. Суммарное количество ТВЭЛов в тепловыделяющей сборке и количество сборок определяется условием обеспечения надкритичности реактора и необходимой кампанией. При этом каждая тепловыделяющая сборка расположена на корпусе реактора на определенном расчетном ядерно-безопасном расстоянии друг от друга и дистанционируется механическими барьерами.
[018] При транспортировании на земле реактора с завода-изготовителя на технический комплекс каждая тепловыделяющая сборка перевозится отдельно от ядерной энергетической установки в специальном транспортно-упаковочном контейнере, который имеет в несколько раз меньшие габариты и массу при прочих равных условиях, чем вся ядерная энергетическая установка с загруженным топливом. Это дает неограниченные возможности для организации перевозки ядерного топлива всеми видами транспорта, повышает надежность и сохранность целостности как упаковки, так и груза при авариях (падение с моста, пожар и другие внешние силовые воздействия на контейнер). Кроме того, перевозка тепловыделяющих сборок в контейнере небольших габаритов и массы экономически более выгодна, чем всей ядерной энергетической установки с загруженным топливом.
[019] Таким образом, и при транспортировании по земле и при падении космического аппарата с ядерной энергетической установкой или ядерной энергодвигательной установкой на этапе выведения на радиационно-безопасную орбиту отсутствует опасность образования критической массы при любых вариантах деформаций и разрушений корпуса реактора, так как исключается изменение реактивности (массы поглощающих материалов в активной зоне) и образование критической массы. Каждая отдельная тепловыделяющая сборка подкритична при попадании в водородсодержащую среду без поглощающих материалов и безопасна.
[020] Кроме того, исключение из конструкции каналов для ПЭЛов обеспечивает улучшение нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик реактора.
[021] Краткое описание чертежей
[022] Изобретение поясняется чертежами, где:
[023] На фигуре 1 показано продольное сечение заявленного реактора;
[024] На фигуре 2 показано поперечное сечение корпуса реактора с установленными снаружи корпуса тепловыделяющими сборками;
[025] На фигуре 3 показана конструкция тепловыделяющей сборки;
[026] Элементы конструкции и другие объекты обозначены на фигурах следующими позициями:
1 – корпус реактора
2 – обечайка активной зоны,
3 – плита активной зоны,
4 – объем активной зоны,
5 – тепловыделяющая сборка (ТВС),
6 – тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ),
7 – плита ТВС,
8 – кожух ТВС,
9 – отверстия для теплоносителя,
10 – область размещения ТВС вне корпуса,
11 – капсула,
12 – средство безопасного спуска,
13 – передатчик для определения местоположения,
14 – зона размещения ТВС в корпусе,
15 – крышка реактора,
16 – кронштейн капсулы с пиропатроном,
17 – кронштейн ТВС с пиропатроном,
18 – отражатель,
19 – радиационная защита.
[027] Осуществление изобретения
[028] Заявленный реактор содержит корпус (1), имеющий внутри своего объема цилиндрическую обечайку (2) и плиту (3), которые формируют объем активной зоны (4) (см. фиг. 1,2). Кроме того, реактор включает тепловыделяющие сборки (ТВС) (5). Каждая ТВС представляет собой конструкцию, содержащую набор ТВЭЛов (6), заключенных между двумя плитами (7) и окруженную кожухом или каркасом (8). ТВЭЛы (6) механически крепятся к одной из плит (7), которые имеют профиль, позволяющий плотно стыковать ТВС (3) между собой (см. фиг. 2). На фигурах в качестве примера показаны ТВС имеющие профиль в форме секторов окружности. В плитах (7) выполнены отверстия (9) для прохода теплоносителя и датчиков (см. фиг. 3). Кроме того, ТВС (5) имеют узлы крепления в активной зоне (на чертежах не показаны).
[029] В транспортном состоянии до выхода космического аппарата на радиационно-безопасную орбиту по меньшей мере часть ТВС размещены вне активной зоны (4) реактора. ТВС (5) могут быть установлены с внешней стороны корпуса реактора (область 10) (см. фиг.1, 2). При этом ТВС (5) размещены в индивидуальных капсулах (11), закрпеленных на внешней стороне корпуса реактора посредством кронштейнов (16). Кронштейны (16) выполнены разъемными при помощи пиропатронов или других аналогичных узлов, которые автоматически или автоматизировано приводятся в действие и рассоединяют части кронштейнов. Таким образом, каждая капсула (11) имеет возможность индивидуально отсоединиться от реактора. ТВС (5) закреплены внутри капсул (11) посредством кронштейнов (17) с пиропатронами или другими аналогичными узлами, которые автоматически или автоматизировано приводятся в действие и рассоединяют части кронштейнов, позволяя извлекать ТВС (5) для установки в активную зону (4).
[030] ТВС (5) устанавливаются снаружи реактора на определенном проектом ядерно-безопасном расстоянии друг от друга. Для этого предусмотрены механические барьеры (на чертежах не показаны), которые окружают капсулы (11) и отделяют их друг от друга.
[031] При этом для каждой ТВС (5), располагаемой вне корпуса (1) предусмотрены средства (12) для безопасного спуска в случае аварии. Указанное средство может представлять собой аэродинамическое устройство для неуправляемого или управляемого спуска ТВС (5), в частности парашют, парашютную систему или крылья. Дополнительно каждая из размещенных вне корпуса ТВС (5) имеет датчик местоположения (13) в виде радиомаяка с защищенным каналом радиосвязи с использованием средств системы ГЛОНАСС и др. для проведения спасательных операций и оперативного предотвращения распространения ядерных делящихся материалов. Средства (12) безопасного спуска и датчик местоположения (13) размещают внутри индивидуальных капсул (11).
[032] Одна или несколько ТВС (5) могут быть предварительно установлены внутри корпуса (1) реактора в активной зоне (4) (область 14) (см. фиг.2) при условии наличия в активной зоне делящего вещества (ядерного топлива) ниже критической массы. Количество ТВС, которые могут быть предварительно загружены в корпус, определяется расчетом.
[033] В конструкции реактора также предусмотрено средство загрузки ТВС (5) из области (10) вне корпуса (1) в активную зону (4) (область 14) реактора при его пуске на радиационно-безопасной орбите. Указанное средство может представлять собой телескопический манипулятор с моторизированными шарнирами. Манипулятор имеет шесть степеней свободы и оснащен набором сменных инструментов, телекамерами и прожекторами.
[034] В конструкции реактора также предусмотрено другое стандартное оборудование, в частности, крышка реактора (15), отражатель (18), радиационная защита (19), теплоизоляция, элементы и датчики системы управления и защиты и т.д. Указанные устройства хорошо известны специалисту, поэтому описание их конструкции в заявке не приводится.
[035] В заявленной конструкции нейтронная мощность реактора регулируется уменьшением или увеличением утечки нейтронов из активной зоны посредством изменения материального состава кольцевого отражателя (18), состоящего из отдельных сегментов. Перемещение отдельных сегментов осуществляется через элемент передачи с помощью исполнительного механизма, расположенного, как правило, за радиационной защитой (19).
[036] Реактор эксплуатируют следующим образом.
[037] Перед запуском космического аппарата с ядерной энергетической установкой, в состав которой входит описанный выше реактор, в корпус реактора, при расчетнообоснованной необходимости, загружают часть ТВС. Остальные ТВС располагаются вне активной зоны, снаружи корпуса. При этом отражатель находится в положении, обеспечивающем максимальную подкритичность.
[038] После вывода космического аппарата на радиационно-безопасную орбиту ТВС, расположенные снаружи корпуса, автоматически или автоматизировано загружаются в корпус для формирования активной зоны. Для этого ТВС в определенном индивидуальном порядке захватываются телескопическим манипулятором космического аппарата, после отсоединения кронштейнов с пиропатронами ТВС извлекаются из капсулы и перемещаются в положение напротив заданной области активной зоны параллельно корпусу реактора. Затем манипулятор осуществляет контролируемую установку ТВС в заданную позицию, после чего отстыковывается от нее. Далее срабатывают пиропатроны в кронштейнах, которые отсоединяют капсулу от корпуса реактора, а телескопический манипулятор перемещает ее за радиационную защиту на место хранения. Таким образом, происходит установка всех ТВС в активную зону. Далее происходит установка крышки и герметизация корпуса реактора, заполнение первого контура теплоносителем и осуществляется физический и энергетический пуск реактора и ядерной энергетической или энергодвигательной установки.
[039] В случае аварии ракеты-носителя на этапе вывода космического аппарата на радиационно-безопасную орбиту происходит отстыковка капсулы (11) от кронштейнов (16) при срабатывании пиропатронов и с помощью средств (12) осуществляется контролируемый «мягкий» спуск на Землю отдельных ТВС (5). При этом с датчики (маяки) (13) позволяют определить местонахождение ТВС (5) после приземления для прибытия специалистов с целью утилизации ядерных материалов и дезактивации окружающей среды.