Интенсификация и моделирование теплообмена в энергодвигательных установках аппаратов для пилотируемой экспедиции на Марс, страница 11

Предварительные оценки показали, что наилучшее решение поставленной задачи дает использование активной зоны реактора на основе одного из вариантов радиальной схемы с шариковыми твэлами. Схема реактора продольно-радиальной схемы с 7-ю ТВС изображена на рис. 1.

Каждая ТВС по длине состоит из нескольких нагревных секций (НС) с кольцевым слоем шариковых твэлов. Газ в соответствии с заданным законом распределяется по НС. пройдя через которые в осевом направлении через шаровой слой (отсюда слово «продольная» в названии схемы) поступает в сборный канал, как это имеет место в ради альной схеме (отсюда слово «радиальная»). Эта схема обладает тем преимуществом, что газ подается к каждой НС по отдельным патрубкам, величину расхода в которые можно регулировать с помощью дросселя, установленного на ее входе. Т.е. решается проблема профилирования расхода, которая является очень сложной для радиальной схемы.

При проведении анализа была поставлена задача создания энергетической установки (ЭУ) с газотурбинным циклом Брайтона [2], нагревом газа примерно до 1200 °С и КПД не менее 10%. Вследствие большого назначенного ресурса (10 лет) количество урана будет определяться не только (а. возможно, и не столько) физическим расчетом, а необходимостью получения заданного количества энергии, определяемом КПД цикла. По зарубежным литературным данным [1], КПД в сходных условиях эксплуатации может достигать 30%. При наихудшем КПД, равном 10%, потребуется реактор с тепловой мощностью в 5 МВт. Поэтому ниже проведен анализ для мощности 5 МВт. Тогда при КПД 30% - электрическая мощность будет 1,5 МВт. Для получения мощности 5 МВт в течение 10 лет в реакторе должно разделиться 19,5 кг урана, а всего в реакторе должно быть 125,6 кг урана при выгорании 15,5%. Объем твэлов определяется их конструкцией. Одним из основных требований к реактору является удержание газообразных продуктов деления (ГПД) внутри твэла. Наилучшим образом ГПД можно удержать в шариковом твэле, поскольку на шарики проще нанести покрытия, в том числе и многослойные, удерживающие ГПД и труднее его разрушить.

В табл. 1 приведены геометрические параметры ТВС, в которых используются шариковые твэлы диаметром 3 мм. Основные результаты теплогидравлического расчета приведены а табл. 2.

Таблица 1