Об интенсивности работы реактора как теплообменного устройства дают представление некоторые значения основных параметров ЯРД на тягу 333 кН, разработанного по программе «Nerva» в США в период с 1955 по 1973 г. [2.1.4] применительно к полетам на Марс пилотируемого КК. Так, максимальная температура водорода на выходе из реактора составляла ~2500К, а максимальное значение плотности энерговыделения в активной зоне ЯР достигало до 4500 МВт/м3. При этом максимальные значения плотности теплового потока с поверхности тепловыделяющего элемента достигали до 5 МВт/м2 и более. Достаточно высокими параметрами обладают и ядерные реакторы, предназначенные для космических энергетических установок. Так, установки, которые работают с использованием турбомашинного цикла преобразования тепловой энергии в электрическую, предъявляют повышенные требования к надежности, поскольку их ресурс должен составлять несколько лет в отличие от ядерного двигателя, ресурс которого всего несколько часов. Необходимо учесть, что для уменьшения массы этих установок обычно стремятся увеличить температуру рабочего тела перед турбиной до 1200–1500 К. Поэтому такие энергоустановки также принадлежат к весьма теплонапряженным объектам. Космическая энергоустановка, сочетающая получение реактивной тяги и выработку электрической энергии для бортовых нужд летательного аппарата при использовании одного ядерного реактора [2.1.1], включает два контура: открытый, с выхлопом рабочего тела в космическое пространство для создания тяги, и замкнутый, для выработки электроэнергии в турбомашинном цикле преобразования теплоты.
При этом предполагается, что тяга создается в форме кратковременных (продолжительностью не более нескольких десятков минут) импульсов, а электроэнергия вырабатывается в течение всего периода существования установки, т.е. нескольких лет. Рабочим телом первого контура может служить водород, а второго – либо пары щелочных металлов, либо инертные газы и их смеси. В настоящее время считается, что с точки зрения оптимизации термодинамического цикла желательно использовать смесь гелия и ксенона.
Рассмотрим некоторые особенности конструкции ЯЭДУ на примере американской энергоустановки (рис. 6), предназначенной для получения импульса тяги на уровне 70 кН и выработки электроэнергии на уровне мощности 10–25 кВт [2.1.5] и разработанной на основе технологий программы создания ядерного ракетного двигателя. Активная зона реактора имеет диаметр около полуметра и состоит из набора плотноупакованных тепловыделяющих элементов, имеющих в сечении форму шестигранника с 19 отверстиями для прохода теплоносителя диаметром примерно 1 мм. Топливо – уран-235, обогащенный до 93,15%, размещен в матрице из твердого раствора UC-ZrC и углерода.
Рис. 6.
Принципиальная схема ядерной энергодвигательной установки: 1 – бак с жидким водородом; 2 – турбонасосный агрегат; 3 – активная зона ядерного реактора; 4 -отражатель нейтронов; 5 – теплообменник для отвода тепла в замкнутый энергетический контур (контур газотурбинного преобразования теплоты); 6 – реактивное сопло; 7 – компрессор (насос); 8 – турбогенератор; 9 – теплообменный аппарат для отвода тепла; 10 – холодильник-излучатель; 11 – клапан
Когда установка работает в режиме ядерного ракетного двигателя, через активную зону прокачивается водород, который нагревается до температуры 2500–2600 К и поступает затем в реактивное сопло. Тепловая мощность реактора на этом режиме составляет немногим более 300 МВт.
Для реализации энергетического режима тепловая мощность установки снижается до 0,2 МВт. Водород не прокачивается через активную зону, а выделяющаяся тепловая энергия отводится из реактора с помощью теплообменников типа трубки Фильда, которые равномерно размещены по объему активной зоны. Рабочим телом в этих теплообменниках служит органическая жидкость, которая затем направляется в парогенератор, а образовавшийся пар приводит в движение турбогенератор [2.1.5]. Термодинамический цикл – цикл Ренкина. Ресурс ЯЭДУ – до 10 лет.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.