RU2140675C1 - Dual-function space nuclear power plant - Google Patents

Dual-function space nuclear power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2140675C1
RU2140675C1 RU98117956A RU98117956A RU2140675C1 RU 2140675 C1 RU2140675 C1 RU 2140675C1 RU 98117956 A RU98117956 A RU 98117956A RU 98117956 A RU98117956 A RU 98117956A RU 2140675 C1 RU2140675 C1 RU 2140675C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
additional
reactor
nuclear power
thermionic
Prior art date
Application number
RU98117956A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Синявский
В.Д. Юдицкий
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки"
Priority to RU98117956A priority Critical patent/RU2140675C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2140675C1 publication Critical patent/RU2140675C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/42Arrangements or adaptations of power supply systems
    • B64G1/421Non-solar power generation
    • B64G1/422Nuclear power generation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: nuclear power systems for space engineering. SUBSTANCE: power plant has thermionic conversion power reactor with core functioning as heat source and direct heat-to- electricity converter, as well as reactor cooling system in the form of circulating loop with radiating cooler, pumping unit, and coolant pipelines. Newly introduced additional heat-to- electricity converter is mounted beyond thermionic reactor core and has delivery pipeline connected to pipeline section running between thermionic reactor and radiating cooler, discharge pipeline connected to pipeline section between radiating cooler and pumping unit, additional system for releasing heat not converted in thermodynamic cycle of additional converter, and device that functions to convey coolant flow from thermionic reactor to additional converter. Thermoelectric or thermionic converter, motor-generator set built around Rankine-, Brayton-, or Stirling-cycle steam or gas machines, and regenerative electrochemical generator may be used as additional converter. Power plant can be used to convey space vehicles including information ones to stationary and, primarily, geostationary orbit to feed space vehicles for long period of 10 to 15 year. EFFECT: improved service life at low power requirement. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике и космической технике и может быть использовано при создании космических энергетических и двигательных установок. The invention relates to nuclear energy and space technology and can be used to create space power and propulsion systems.

В настоящее время наиболее вероятной областью применения космических ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) является использование их для решения двух взаимосвязанных задач: для доставки космических аппаратов (КА), и прежде всего информационных, на орбиту функционирования, преимущественно геостационарную (ГСО), и последующего длительного в течение 10 - 15 лет энергообеспечения аппаратуры КА. Тем самым ЯЭУ обеспечит решение космических задач, достаточно подготовленных для технической реализации. Ресурс 10 - 15 лет существенен для обеспечения конкурентоспособности по отношению к солнечным фотоэлектрическим преобразователям. Currently, the most likely area of application for space nuclear power plants (NPPs) is to use them to solve two interrelated tasks: to deliver spacecraft (SC), and above all information, to the orbit of operation, mainly geostationary (GSO), and subsequent long within 10 - 15 years of power supply of spacecraft equipment. Thus, the nuclear power plant will provide a solution to space problems, sufficiently prepared for technical implementation. A resource of 10 to 15 years is essential to ensure competitiveness with respect to solar photovoltaic converters.

Известна космическая ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) "Топаз" - Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз", Атомная энергия, 1974, т. 36, вып. 6, с. 450 - 454. Она содержит ТРП на тепловых нейтронах, радиационную защиту, систему охлаждения с теплоносителем в виде эвтектического сплава NaK, систему управления и несущую конструкцию. ТРП содержит активную зону (АЗ), состоящую из замедлителя и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок, обычно называемых термоэмиссионными электрогенерирующими каналами (ЭГК), отражатель, в котором размещены органы управления в виде поворотных барабанов. Known space nuclear power plant with thermionic reactor-converter (TRP) "Topaz" - Kuznetsov VA, Gryaznov GM, Artyukhov G.Ya. et al. Development and creation of a thermal emission nuclear power plant "Topaz", Atomic Energy, 1974, v. 36, no. 6, p. 450 - 454. It contains TRP based on thermal neutrons, radiation protection, a cooling system with a coolant in the form of a NaK eutectic alloy, a control system, and a supporting structure. TRP contains an active zone (AZ), consisting of a moderator and thermionic power generating assemblies, usually called thermionic power generating channels (EGC), a reflector in which the controls are in the form of rotary drums.

Такая ЯЭУ с ТРП успешно отработала в космосе, генерируя электрическую мощность примерно 5 кВт в течение около года для питания аппаратуры КА. Однако эта ЯЭУ не может быть использована в качестве двухцелевой (двухрежимной) установки для электропитания не только аппаратуры КА, но и электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) как из-за низкого уровня электрической мощности, так из-за относительно низкого ресурса. Such a nuclear power plant with TRP successfully worked out in space, generating an electric power of about 5 kW for about a year to power the spacecraft equipment. However, this nuclear power plant cannot be used as a dual-purpose (dual-mode) installation for powering not only the spacecraft equipment, but also the electric propulsion system (ERP), both because of the low level of electric power and because of the relatively low resource.

Известна космическая ЯЭУ с ТРП в качестве источника электроэнергии ЭРДУ для осуществления транспортных операций по доставке марсианского экспедиционного комплекса к Марсу и возвращения экспедиции к Земле. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса, научно-технический сб. Вып. 1 (134) РД и ЭУ. Изд. НИИТП, 1992, с. 25 - 33. Она содержит ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем, активная зона которого набрана из высокоэффективных ЭГК; радиационную защиту; комбинированную систему регулирования реактора; систему охлаждения ТРП циркуляционного контура с литиевым теплоносителем и холодильником-излучателем на основе тепловых труб, выполненную в виде гидравлически независимых модулей. Электрическая мощность такой ЯЭУ от 2,5 до 15 МВт (в зависимости от схемы экспедиции) и ресурс 12000 часов. A space nuclear power plant with TRP as a source of electric power for electric propulsion is known for transport operations to deliver the Martian expeditionary complex to Mars and return the expedition to Earth. Ageev V.P. et al. Energy block based on a thermionic nuclear electric propulsion system for the Martian expeditionary complex, scientific and technical collection. Vol. 1 (134) RD and EI. Ed. NIITP, 1992, p. 25 - 33. It contains TRP on fast neutrons with a slowing reflector, the active zone of which is composed of highly efficient EGCs; radiation protection; combined reactor control system; cooling system TRP of the circulation circuit with a lithium coolant and a refrigerator-emitter based on heat pipes, made in the form of hydraulically independent modules. The electric power of such a nuclear power plant is from 2.5 to 15 MW (depending on the expedition scheme) and the resource is 12000 hours.

Такая ЯЭУ способна обеспечить питание ЭРДУ для доставки к Марсу экспедиционного комплекса массой примерно 150 т и возврата к Земле корабля возврата на Землю массой 10 т с суммарным временем экспедиции не более 1,5 года. Однако такая ЯЭУ, спроектированная на высокие удельные характеристики и относительно невысокий ресурс, не может быть использована для длительного энергопитания аппаратуры КА. Such a nuclear power plant is capable of providing power to the electric propulsion system for delivery to Mars of an expeditionary complex weighing about 150 tons and returning to the Earth a return ship to Earth weighing 10 tons with a total expedition time of no more than 1.5 years. However, such a nuclear power plant, designed for high specific characteristics and relatively low resource, cannot be used for long-term power supply of spacecraft equipment.

Наиболее близким аналогом изобретения является космическая двухрежимная ЯЭУ, Сухов Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК "Энергия" имени С.П. Королева по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения. Научн. техн. сб. РКТ. Труды РКК "Энергия" им. С.П. Королева. Серия 12, Изд. РКК "Энергия", г. Калининград, Моск. обл., 1995, Вып. 3 - 4: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности, ч. I, с. 20 - 24. Она предназначена для двухцелевого использования в составе ядерного энергодвигательного блока (ЯЭДБ): для электропитания ЭРДУ и проведения транспортных операций и для электропитания бортовой аппаратуры полезной нагрузки информационного КА на ГСО. ЯЭУ содержит ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем, радиационную защиту; комбинированную систему регулирования реактора; циркуляционную систему охлаждения ТРП, состоящую из трубопроводов с литиевым теплоносителем, электромагнитного насоса с холодильником-излучателем на основе тепловых труб, выполненную в виде гидравлически независимых модулей. Активная зона ТРП набрана из ЭГК, в качестве эмиттерных оболочек которого использован упрочненный легированный монокристалл вольфрама. Электрическая мощность ЯЭУ в транспортном режиме 100 - 150 кВт при ресурсе до 1,5 лет; мощность ЯЭУ в режиме энергообеспечения аппаратуры КА 10-40 кВт при заявляемом ресурсе до 10 лет. Оба режима работы ЯЭУ обеспечиваются за счет работы ТРП в двух режимах: на номинальном (транспортном) режиме с максимальным уровнем мощности и в режиме пониженной тепловой и, следовательно, электрической мощности. The closest analogue of the invention is a dual-mode space nuclear power plant, Sukhov Yu.I., Sinyavsky V.V. Overview of the work of RSC Energia named after S.P. Queen of thermionic nuclear power plants of high power for space applications. Scientific tech. Sat Rkt. Proceedings of RSC Energia named after S.P. Queen. Series 12, Vol. RSC Energia, Kaliningrad, Moscow. Region, 1995, Vol. 3 - 4: Cosmic thermionic emission nuclear power plants and electric propulsion systems of high power, part I, p. 20 - 24. It is intended for dual-use in the nuclear power unit (NED): for powering the electric propulsion system and for transport operations and for powering the onboard equipment of the payload of the information spacecraft on the GSO. A nuclear power plant contains TRP on fast neutrons with a slowing reflector, radiation protection; combined reactor control system; circulation cooling system TRP, consisting of pipelines with lithium coolant, an electromagnetic pump with a refrigerator-emitter based on heat pipes, made in the form of hydraulically independent modules. The TRP core is composed of EGCs, the hardened doped tungsten single crystal used as emitter shells of which. The electric power of the nuclear power plant in the transport mode is 100 - 150 kW with a resource of up to 1.5 years; NPP power in the power supply mode of the spacecraft equipment 10-40 kW with the claimed resource up to 10 years. Both operating modes of the nuclear power plant are provided due to the operation of the TRP in two modes: at the nominal (transport) mode with the maximum power level and in the mode of reduced thermal and, therefore, electric power.

Однако создание такой двухрежимной ЯЭУ с длительным режимом работы связано со значительными трудностями и прежде всего с необходимостью создания двухрежимного ЭГК на длительный ресурс. Обычно ЭГК создается лишь на один режим работы, когда его параметры, в том числе геометрические размеры и количество ЭГЭ в ЭГК, могут быть выбраны оптимальными для этого режима. Работа ЭГК в любом другом по тепловой мощности режиме будет неоптимальной, температурные поля на одном из режимов будут существенно неравномерны, что в принципе ставит под сомнение возможность создания ЭГК, который бы длительно мог работать в двух существенно различающихся режимах. Кроме того, вольт-амперные характеристики ЭГК как автономного источника энергии "мягкие", т.е. рабочие ток и напряжение зависят от тепловой мощности, поэтому для каждого режима будет свое рабочее напряжение, что затруднит эксплуатацию такой ЯЭУ. Длительный ресурс ТРП потребует создания новой методологии отработки ЭГК при петлевых реакторных испытаниях на укороченной временной базе. However, the creation of such a dual-mode nuclear power plant with a long operating mode is associated with significant difficulties and, above all, with the need to create a dual-mode EGC for a long life. Usually, an EGC is created for only one operating mode, when its parameters, including the geometric dimensions and the amount of EGE in the EGC, can be selected optimal for this mode. The operation of an EGC in any other thermal power mode will not be optimal, the temperature fields in one of the modes will be substantially uneven, which in principle casts doubt on the possibility of creating an EGC that can operate for a long time in two significantly different modes. In addition, the current – voltage characteristics of EGCs as an autonomous energy source are “soft”, i.e. operating current and voltage depend on thermal power, so each mode will have its own operating voltage, which will complicate the operation of such a nuclear power plant. A long-term TRP resource will require the creation of a new methodology for working out EGCs during loop reactor tests on a shortened time base.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности работы ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы при пониженном уровне мощности и повышением качества отработки ЯЭУ в наземных условиях. The technical result achieved by using the invention is to ensure that the nuclear power plant can operate in two modes that differ significantly in electrical power and resource with an increase in operating life at a reduced power level and an increase in the quality of nuclear power plant working under ground conditions.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в космической двухрежимной ЯЭУ, содержащей ТРП в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения ТРП в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем (ХИ), перекачивающим устройством и трубопроводами с теплоносителем, включающими участки от ТРП до ХИ, от ХИ до перекачивающего устройства и от перекачивающего устройства до ТРП, введен размещенный вне ТРП дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим трубопроводом, подсоединенным в участку трубопровода от ТРП до ХИ, отводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от ХИ до перекачивающего устройства, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройством, переключающим поток теплоносителя от ТРК к дополнительному преобразователю, причем узел подсоединения подводящего трубопровода может быть выполнен в виде двухпозиционного переключающего устройства. The specified technical result is achieved due to the fact that in a dual-mode space nuclear power plant containing TRP as a heat source and a thermal energy converter directly into electrical energy, the TRP cooling system in the form of a circulation circuit with a refrigerator emitter (CI), a pumping device, and pipelines with a coolant, comprising sections from TRP to CI, from CI to a pumping device and from a pumping device to a TRP, an additional thermal energy converter placed outside the TRP is introduced into an electric one, equipped with a supply pipe connected to a pipeline section from a CI to a CI, a discharge pipe connected to a pipe section from a CI to a pumping device, an additional system for removing the untransformed heat of the thermodynamic cycle of the additional converter and a device that switches the heat carrier flow from the fuel dispenser to the additional converter, moreover, the connection node of the supply pipe can be made in the form of a two-position switching device .

Космическая ЯЭУ может быть выполнена модульной, т.е. в виде не менее 2-х подсистем, каждая из которых содержит часть активной зоны ТРП, заключенную в герметичный контур, секцию холодильника-излучателя, перекачивающее устройство и трубопроводы с теплоносителем, а также дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, подводящий трубопровод, подсоединенный к участку трубопровода от ТРП до ХИ, отводящий трубопровод, подсоединенный к участку трубопровода от ХИ до перекачивающего устройства, систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройство, переключающее поток теплоносителя от ТРП к дополнительному преобразователю с узлом подсоединения подводящего трубопровода. Space NPS can be made modular, i.e. in the form of at least 2 subsystems, each of which contains a part of the TRP core, enclosed in a sealed circuit, a section of the refrigerator-emitter, a pumping device and pipelines with a coolant, as well as an additional converter of thermal energy into electrical energy, a supply pipe connected to the site pipeline from TRP to CI, a discharge pipe connected to a section of the pipeline from CI to a pumping device, a system for removing untransformed heat of the thermodynamic cycle of additional eobrazovatelya and apparatus by switching coolant flow to additional TRP converter to a node connecting the supply pipe.

В качестве дополнительного преобразователя могут быть применены термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую; термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую; электромашинный генератор на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга; регенеративный электрохимический генератор. В качестве системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя может быть использован как основной ХИ, так и дополнительный холодильник-излучатель. As an additional converter, a thermoelectric converter of thermal energy into electrical energy can be used; thermionic converter of thermal energy into electric; an electric machine generator based on steam or gas engines operating on the Rankine, Brighton or Stirling cycle; regenerative electrochemical generator. As a system for removing the untransformed heat of the thermodynamic cycle of the additional converter, both the main CI and the additional refrigerator-radiator can be used.

На фиг. 1 приведена схема космической двухрежимной ЯЭУ, а на фиг. 2 - ее вариант. In FIG. 1 shows a diagram of a space dual-mode nuclear power plant, and in FIG. 2 - its option.

Космическая двухрежимная ЯЭУ содержит ТРП 1, состоящий из активной зоны (АЗ) 2 и отражателя 3, между которыми может быть размещен герметичный корпус 4. АЗ 3 набрана из ЭГК 5, которые снаружи охлаждаются теплоносителем, например эвтектическим сплавом NaK или Li. Подвод теплоносителя в АЗ 2 осуществляется через патрубок 6, а отвод - через патрубок 7. Циркуляция теплоносителя в системе охлаждения осуществляется перекачивающим устройством 8, выполненным обычно в виде электромагнитного насоса. Сброс непреобразованного в ТРП тепла производится излучением в космос с поверхности ХИ 9, выполненным, например, на основе тепловых труб 10. В систему охлаждения ТРП 1 входят также трубопровод от ТРП 1 до ХИ 9 в виде двух участков 11 и 12, разделенных переключающим устройством 13, и трубопровод 14 от ХИ 9 до переключающего устройства 8, и трубопровод 15 от перекачивающего устройства 8 до ТРП 1. The dual-mode space nuclear power plant contains a TRP 1, consisting of an active zone (AZ) 2 and a reflector 3, between which a sealed housing 4 can be placed. AZ 3 is assembled from EGC 5, which are externally cooled by a heat carrier, for example, a NaK or Li eutectic alloy. The coolant inlet in the AZ 2 is carried out through the pipe 6, and the drain through the pipe 7. The coolant in the cooling system is circulated by a pumping device 8, usually made in the form of an electromagnetic pump. The heat that has not been converted into TRP is discharged by radiation into space from the surface of CI 9, made, for example, on the basis of heat pipes 10. The cooling system of the TRP 1 also includes a pipeline from TRP 1 to CI 9 in the form of two sections 11 and 12 separated by a switching device 13 , and the pipeline 14 from CI 9 to the switching device 8, and the pipeline 15 from the pumping device 8 to the TRP 1.

Вне ТРП 1 размещен дополнительный преобразователь 16 тепловой энергии в электрическую. В качестве дополнительного преобразователя 16 могут быть применены термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую; термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую; электромашинный генератор на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга, регенеративный электрохимический генератор. Дополнительный преобразователь 16 имеет систему подвода тепла 17, снабженную подводящим трубопроводом 18, подсоединенным к участку трубопровода между ТРП 1 и ХИ 9 в месте установки устройства 13, переключающего поток теплоносителя (переключающего устройства), и отводящим трубопроводом 19, подсоединенным к участку трубопровода 14 от ХИ 9 до переключающего устройства 8. Переключение потока нагретого теплоносителя от ТРП 1 к системе подвода тепла 17 дополнительного преобразователя 16 производится через переключающее устройство 13, которое может быть выполнено в виде двухпозиционного переключающего устройства. Дополнительный преобразователь 16 имеет дополнительную систему отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя, выполненную, например, также в виде циркуляционного контура с устройством теплоотвода 20, с дополнительным перекачивающим устройством 21, например электромагнитным насосом, и участками 22 и 23 трубопровода от дополнительного преобразователя к ХИ и от ХИ к дополнительному преобразователю соответственно. В качестве ХИ системы отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя может быть использован как основной ХИ с ТТ 10 (фиг. 1), так и применен дополнительный ХИ 24, например, также выполненный на основе ТТ 10 (фиг. 2). Outside TRP 1 there is an additional converter 16 of thermal energy into electrical energy. As an additional Converter 16 can be applied thermoelectric Converter of thermal energy into electrical energy; thermionic converter of thermal energy into electric; an electric machine generator based on steam or gas engines operating on the Rankine, Brighton or Stirling cycle, a regenerative electrochemical generator. The additional Converter 16 has a heat supply system 17, equipped with a supply pipe 18 connected to a portion of the pipeline between the TRP 1 and CI 9 at the installation site of the device 13, switching the flow of coolant (switching device), and a discharge pipe 19 connected to the portion of the pipe 14 from CI 9 to the switching device 8. The flow of the heated coolant from the TRP 1 is switched to the heat supply system 17 of the additional converter 16 through the switching device 13, which can be l is made in the form of a two-position switching device. The additional converter 16 has an additional system for removing the untransformed heat of the thermodynamic cycle of the additional converter, made, for example, also in the form of a circulation circuit with a heat sink 20, with an additional pumping device 21, for example an electromagnetic pump, and sections 22 and 23 of the pipeline from the additional converter to CI and from CI to additional converter, respectively. As the CI of the system for removing the non-converted heat of the thermodynamic cycle of the additional converter, both the main CI with TT 10 (Fig. 1) can be used, and the additional CI 24 can be used, for example, also based on TT 10 (Fig. 2).

В отражателе 3 размещены органы управления ТРП 1 в виде поворотных цилиндров 25 с поглощающими нейтроны накладками 26. In the reflector 3 controls TRP 1 are placed in the form of rotary cylinders 25 with neutron-absorbing pads 26.

ТРП 1 и дополнительный преобразователь 16 снабжены клеммами 27 и 28 соответственно для отвода генерируемой электроэнергии потребителям или системе распределения электроэнергии (на фиг. 1 и 2 не показано). TRP 1 and additional Converter 16 are equipped with terminals 27 and 28, respectively, for the removal of generated electricity to consumers or the distribution system of electricity (Fig. 1 and 2 are not shown).

Космическая двухрежимная ЯЭУ работает следующим образом. Space dual-mode nuclear power plant operates as follows.

В исходном состоянии поворотные цилиндры 25 ТРП 1 находятся в положении поглощающими накладками 26 к АЗ 2. Поэтому ТРП 1 не критичен, и в таком состоянии космическая ЯЭУ выводится в космос. На радиационно безопасной орбите, например, высотой 500 - 800 км производится пуск ЯЭУ. Для этого автоматически по команде с Земли или системы управления ЯЭУ (или КА) осуществляется разворот поворотных цилиндров 25 таким образом, что накладки 26 отходят от АЗ 2. Начинается реакция деления топливного материала в сердечниках ЭГК 5. Выделяющееся в ЭГК 5 тепло отводится от АЗ 2 теплоносителем основного контура, который через патрубок 7 и участок трубопровода 11, переключающее устройство 13 и участок трубопровода 12 попадает в теплообменное устройство зон испарения ТТ 10 ХИ 9. В ХИ 9 тепло сбрасывается излучением в космическое пространство. Охлажденный в ХИ 9 теплоноситель через участок 14 трубопровода попадает в перекачивающее устройство 8, которое, создав напор, перекачивает теплоноситель через участок 15 и патрубок 6 в активную зону 2 ТРП 1. In the initial state, the rotary cylinders 25 of the TRP 1 are in position with absorbing plates 26 to the AZ 2. Therefore, the TRP 1 is not critical, and in this state the space nuclear power plant is launched into space. In a radiation-safe orbit, for example, with a height of 500 - 800 km, a nuclear power plant is launched. To do this, automatically, on command from the Earth or the control system of the nuclear power plant (or spacecraft), the rotary cylinders 25 are turned so that the pads 26 extend from the AZ 2. The fission reaction of the fuel material in the cores of the EGC 5 begins. The heat released in the EGC 5 is removed from the AZ 2 the coolant of the main circuit, which through the pipe 7 and the pipe section 11, the switching device 13 and the pipe section 12 enters the heat exchanger of the evaporation zones TT 10 CI 9. In CI 9, heat is released by radiation into space . Cooled in CI 9, the coolant through section 14 of the pipeline enters the pumping device 8, which, creating a pressure, pumps the coolant through section 15 and pipe 6 into the active zone 2 TRP 1.

После достижения рабочего уровня тепловой мощности в межэлектродные зазоры ЭГК 5 подается рабочее тело (пар цезия) и они начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия отводится потребителю с помощью изолированных токовыводов 27. Непреобразованная теплота термодинамического цикла отводится теплоносителем аналогично рассмотренному выше в пусковом режиме и затем сбрасывается в космос излучением в ХИ 9. При этом переключающее устройство 13, выполненное, например, в виде двухпозиционного клапана, занимает положение, направляющее теплоноситель в ХИ 9. Поверхность ХИ 9, а также расход и подогрев теплоносителя могут быть выбраны оптимальными для получения требуемой электрической мощности первого режима работы, например транспортного, когда генерируемая электроэнергия расходуется на питание электроракетной двигательной установки (ЭРДУ). При этом дополнительный генератор 16 не работает, так как к нему не подводится тепло от ТРП 1. After reaching the working level of thermal power, the working fluid (cesium vapor) is supplied to the interelectrode gaps of EGC 5 and they begin to generate electricity. Electricity is dissipated to the consumer using isolated current leads 27. The unconverted heat of the thermodynamic cycle is dissipated by the heat carrier similarly to that considered above in the start-up mode and then is discharged into space by radiation in CI 9. In this case, the switching device 13, made, for example, in the form of a two-position valve, occupies a guiding position coolant in CI 9. The surface of CI 9, as well as the flow rate and heating of the coolant can be chosen optimal to obtain the required electrical power per th mode of operation, such as transport, when the generated power is consumed to power electric propulsion system (electric propulsion). Moreover, the additional generator 16 does not work, since heat from the TRP 1 is not supplied to it.

После окончания работы ЯЭУ в первом режиме, например транспортном (доставки КА с помощью ЭРДУ на орбиту функционирования КА, например геостационарную), ЯЭУ должна быть переведена на второй режим работы, например для энергообеспечения аппаратуры КА с более низким уровнем мощности, но существенно большим ресурсом. Для этого уровень тепловой мощности ТРП 1 понижается, переключающее устройство 13 переводится в положение, когда поток теплоносителя от активной зоны 2 ТРП 1 направляется через участок 18 трубопровода к дополнительному преобразователю 16. В преобразователе 16 происходит преобразование этого тепла в электричество, которое с помощью клемм 28 отводится потребителю электроэнергии, например аппаратуре КА. Охлажденный в дополнительном генераторе 16 теплоноситель через участок 19 трубопровода попадает в участок трубопровода 14, затем в перекачивающее устройство 8 и через участок трубопровода 15 и патрубок 6 в активную зону 2 ТРП 1. Непреобразованное в дополнительном преобразователе 16 тепло с помощью дополнительной системы охлаждения, например, в виде дополнительного циркуляционного контура с участками теплоотвода 20, с участками 22 и 23 трубопроводов и дополнительным перекачивающим устройством 21 переносится в ХИ 9 или в дополнительный ХИ 24, где сбрасывается излучением в космос. After the NPP has finished its work in the first mode, for example, transport (spacecraft delivery with the help of electric propulsion systems to the orbit of the spacecraft’s functioning, for example, geostationary), the nuclear power plant should be transferred to the second mode of operation, for example, to power spacecraft equipment with a lower power level, but with a significantly longer resource. For this, the level of thermal power of the TRP 1 is reduced, the switching device 13 is transferred to the position when the heat carrier flow from the active zone 2 of the TRP 1 is sent through the pipe section 18 to the additional converter 16. In the converter 16, this heat is converted to electricity, which using terminals 28 allocated to the consumer of electricity, such as spacecraft equipment. The coolant cooled in the additional generator 16 through the pipeline section 19 enters the pipeline section 14, then into the pumping device 8 and through the pipe section 15 and the pipe 6 to the TRP core 2 1. Heat not converted in the additional converter 16 using an additional cooling system, for example, in the form of an additional circulation circuit with sections of the heat sink 20, with sections 22 and 23 of pipelines and an additional pumping device 21 is transferred to CI 9 or to an additional CI 24, where asyvaetsya radiation into space.

Так как тепловая мощность ЭГК 5 второго режима стала меньше, чем была в первом режиме, ЭГК 5 перестают генерировать электроэнергию и во втором режиме работы используются лишь как источники тепла для дополнительного генератора 16. Возможно обеспечение санкционированного прекращения работы ЭГК как источников электроэнергии, например, за счет удаления рабочего тела (пары цезия) из МЭЗ ЭГК 5. Since the thermal power of EGC 5 of the second mode has become less than it was in the first mode, EGC 5 cease to generate electricity and in the second mode of operation are used only as heat sources for an additional generator 16. It is possible to ensure authorized shutdown of EGCs as sources of electricity, for example, for due to the removal of the working fluid (cesium vapor) from the MEZ EGC 5.

Ресурс работы ЭГК как источника тепла существенно выше, чем источника электроэнергии, так как в этом случае такие основные причины ограничения ресурса ЭГК, как распухание топливной композиции сердечника с деформацией эмиттерной оболочки до короткого замыкания электродов и электрический пробой коллекторного пакета, никак не скажутся на возможности работы ЭГК как обычного тепловыделяющего элемента (твэл) ядерного реактора. The working life of the EGC as a heat source is significantly higher than the source of electricity, since in this case such main reasons for limiting the life of the EGC, such as swelling of the core fuel composition with deformation of the emitter shell to short-circuit the electrodes and electrical breakdown of the collector package, will not affect the possibility of operation EGC as a conventional fuel element (fuel element) of a nuclear reactor.

Таким образом, изобретение обеспечивает возможность работы космической ЯЭУ в двух существенно различающихся по электрической мощности и ресурсу режимах с повышением ресурса работы при пониженном уровне мощности. Одновременно достигается повышение качества отработки двухрежимной ЯЭУ в наземных условиях, так как дополнительный преобразователь с длительным ресурсом работы может быть отработан в стендовых условиях с электронагревом, а термоэмиссионные ЭГК как источники электроэнергии могут быть отработаны в петлевых реакторных испытаниях на относительно короткий ресурс. Thus, the invention provides the possibility of operating a space nuclear power plant in two modes that differ significantly in electrical power and resource with an increase in the operating resource at a reduced power level. At the same time, an improvement in the quality of working out a dual-mode nuclear power plant under ground conditions is achieved, since an additional converter with a long service life can be worked out under bench conditions with electric heating, and thermionic EGCs as sources of electricity can be worked out in loop reactor tests for a relatively short life.

Claims (5)

1. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка, содержащая термоэмиссионный реактор-преобразователь с активной зоной в качестве источника тепла и преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую, систему охлаждения реактора-преобразователя в виде циркуляционного контура с холодильником-излучателем, перекачивающим устройством и трубопроводами с теплоносителем с участками от реактора-преобразователя до холодильника-излучателя, от холодильника-излучателя до перекачивающего устройства и от перекачивающего устройства до реактора-преобразователя, отличающаяся тем, что введен размещенный вне реактора-преобразователя дополнительный преобразователь тепловой энергии в электрическую, снабженный подводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от реактора-преобразователя до холодильника-излучателя, отводящим трубопроводом, подсоединенным к участку трубопровода от холодильника-излучателя до перекачивающего устройства, дополнительной системой отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла дополнительного преобразователя и устройством, переключающим поток теплоносителя от реактора-преобразователя к дополнительному преобразователю. 1. A dual-mode space nuclear power installation containing a thermionic reactor with an active zone as a heat source and a thermal energy converter directly into electrical energy; a reactor reactor cooling system in the form of a circulation loop with a radiator, a pumping device, and pipelines with a coolant with sections from the reactor-converter to the refrigerator-emitter, from the refrigerator-emitter to a pumping device and from pumping its device to the reactor-converter, characterized in that an additional converter of thermal energy into electric energy, located outside the reactor-converter, is introduced, provided with a supply pipe connected to a pipe section from the converter reactor to a radiator-radiator, a discharge pipe connected to a pipe section from the refrigerator -radiator to the pumping device, an additional system for removing untransformed heat of the thermodynamic cycle of an additional a converter and a device switching a heat carrier flow from a converter reactor to an additional converter. 2. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую. 2. A dual-mode space nuclear power installation according to claim 1, characterized in that a thermoelectric converter of thermal energy into electrical energy is used as an additional converter. 3. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую. 3. The dual-mode space nuclear power installation according to claim 1, characterized in that a thermionic converter of thermal energy into electrical energy is used as an additional converter. 4. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен электромашинный генератор, выполненный на основе паровых или газовых машин, работающих по циклу Ренкина, Брайтона или Стирлинга. 4. The dual-mode space nuclear power installation according to claim 1, characterized in that an electric converter made on the basis of steam or gas engines operating according to the Rankine, Brighton, or Stirling cycle is used as an additional converter. 5. Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного преобразователя применен регенеративный электрохимический генератор. 5. The dual-mode space nuclear power plant according to claim 1, characterized in that a regenerative electrochemical generator is used as an additional converter.
RU98117956A 1998-09-30 1998-09-30 Dual-function space nuclear power plant RU2140675C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98117956A RU2140675C1 (en) 1998-09-30 1998-09-30 Dual-function space nuclear power plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98117956A RU2140675C1 (en) 1998-09-30 1998-09-30 Dual-function space nuclear power plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2140675C1 true RU2140675C1 (en) 1999-10-27

Family

ID=20210874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98117956A RU2140675C1 (en) 1998-09-30 1998-09-30 Dual-function space nuclear power plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2140675C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629320C1 (en) * 2016-06-15 2017-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Electronic heat pipe
RU2724206C1 (en) * 2019-12-10 2020-06-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Autonomous space power plant
CN111524624A (en) * 2020-04-03 2020-08-11 哈尔滨工程大学 Thermionic conversion and Brayton cycle combined power generation reactor system
RU2757160C2 (en) * 2019-11-11 2021-10-11 Вячеслав Иванович Беляев Nuclear reactor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ "Топаз". - Атомная энергия, 1974, т.36, вып.6, с.450 - 454. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса. Научно-техн. сборник, Вып.1(134), РД и ЭУ. - Изд. НИИТП, 1992, с.25 - 33. Сухов Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК "Энергия" имени С.П.Королева по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения. Научно-техн. сб.РКТ. Труды РКК "Энергия" им. С.П.Королева, Серия 12, изд.РКК "Энергия", г.Калининград, Моск.обл. 1995. Вып.3 - 4 Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности, ч.1, с.20 - 24. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629320C1 (en) * 2016-06-15 2017-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Electronic heat pipe
RU2757160C2 (en) * 2019-11-11 2021-10-11 Вячеслав Иванович Беляев Nuclear reactor
RU2724206C1 (en) * 2019-12-10 2020-06-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Autonomous space power plant
CN111524624A (en) * 2020-04-03 2020-08-11 哈尔滨工程大学 Thermionic conversion and Brayton cycle combined power generation reactor system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109147966B (en) Heat pipe cooling type nuclear reactor power supply system based on uranium-yttrium hydrogen fuel and dynamic thermoelectric conversion
US20130028365A1 (en) Power generation from decay heat for spent nuclear fuel pool cooling and monitoring
CN109859859A (en) It is a kind of based on the thermally conductive no heat convection integral module formula microminiature space based reactor reactor core of tungsten
RU2140675C1 (en) Dual-function space nuclear power plant
El-Genk High-energy-utilization, dual-mode system concept for Mars missions
RU2238598C2 (en) Space-based double-mode nuclear power unit of transport-and-power module
RU2173898C1 (en) Method for operating dual-purpose spacecraft nuclear power plant with thermionic converter reactor and additional heat-to-electricity converter
RU2282905C2 (en) Method for servicing space two-mode nuclear power unit incorporating thermionic converter reactor and additional heat-to-power converter
Oman Deep space travel energy sources
RU2187854C1 (en) Spacecraft-mounted dual-function nuclear power plant of transport-power module
Koenig et al. Heat-pipe reactors for space power applications
Owen SP-100/Brayton power system concepts
RU2086035C1 (en) Adiabatically isolated nuclear power plant
RU2074452C1 (en) Thermionic converter reactor
Santarius et al. Energy conversion options for ARIES-III-a conceptual D-/sup 3/He tokamak reactor
RU2138096C1 (en) Thermionic conversion reactor
RU2086036C1 (en) Thermionic conversion reactor
Carre et al. Status of CEA design and simulation studies of 200 KWe turboelectric space power system
RU2219603C2 (en) Thermionic conversion power reactor
Slone et al. Electric Power Generation Systems for Use in Space
JP4461077B2 (en) Power generation system
Tang et al. Thermal-Hydraulic Analysis of TOPAZ-II With Modified RELAP5
Bennett The OAST space power program
CN116825414A (en) Nuclear power supply
Kirillov et al. Selection of stirling engine parameter and modes of joint operation with the Topaz II

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20071001