Проектирование ядерной энергетической установки с многорежимными плазменными термоэмиссионными преобразователями: Учебное пособие

Б.И. ПОЛЕТАЕВ

629.196.4

   С 409

47 801 у

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ядерной энергетической установки с многорежимными плазменными термоэмиссионными преобразователями

Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»

Б.И. ПОЛЕТАЕВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ядерной энергетической установки с многорежимными плазменными термоэмиссионными преобразователями

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2008

УДК 629.7.048.7 (075.8)

Для разработки методов проектирования ядерных термоэмиссионных энергоустановок (ЯТЭУ) космических аппаратов и оценки их характеристик в стационарных и динамических режимах были выполнены теоретические исследования стационарных и переходных теплофизических процессов преобразования энергии в ЯТЭУ. Для решения задачи исследования динамики глубокого форсирования ЯТЭУ была разработана математическая модель в частных производных, позволяющая выполнять комплексное изучение самосогласованных динамических процессов в основных энергетических элементах установки: ядерных сердечниках реактора, термоэмиссионных электрогенерирующих каналах и холодильнике-излучателе.

Проведённый комплекс теоретических расчётов показал возможность осуществления многократного форсирования электрической мощности электрогенерирующих каналов (ЭГЭ) ЯТЭУ за счёт увеличения объёмного тепловыделения ядерного топлива. В частности, .установлено, что при изменении объёмного тепловыделения от 100 Вт/см³ до 600 Вт/см³ электрическая мощность ЭГЭ может увеличиться приблизительно в 20 раз.

Учебное пособие предназначено для студентов очных, очно-заочных и заочных форм обучения, аспирантов, а также для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием систем энергопитания космических аппаратов с ЯЭУ .

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех», 2008

Предисловие

Выполненные исследования процессов в плазме термоэмиссионных преобразователей и полученные теоретико-экспериментальные результаты составляют научную основу для разработки методов форсирования мощности ЯТЭУ и оценки их характеристик в стационарных и динамических режимах. Учитывая, что в реальных конструкциях   необходимо выполнить исследования теплофизических процессов в ЯТЭУ, с целью определения степени снижения характеристик преобразователя в реальных условиях по сравнению с идеализированными  лабораторными условиями.

Анализ возможных методов форсирования электрической мощности ЯТЭУ, основанный на исследованных принципах форсирования термоэмиссионных преобразователей, показал, что наиболее приемлемыми методами являются:

- форсирование мощности за счет повышения объемного тепловыделения ядерного реактора и, таким образом, увеличения температуры электродов ЭГЭ, работающих в дуговом режиме с цезиевым наполнением (температурный метод форсирования);

- форсирование мощности, предполагающее, с одной стороны, повышение температуры электродов, а с другой - перевод термоэмиссионных ЭГЭ из дугового в газокинетический режим с добавлением к цезию паров бария (комбинированный метод форсирования).

При изучении вопросов, связанных с определением рациональных путей форсирования и возможного диапазона увеличения мощности энергоустановки, важная роль принадлежит математическому моделированию процессов преобразования энергии в нестационарных режимах. Влияние нестационарных режимов может иметь решающее значение при определении конструктивных параметров энергоустановки вследствие кризисных ситуаций из-за дополнительных нагружений, обусловленных динамикой режима и тепловой инерционностью элементов конструкций.

1.    Математическая модель динамических процессов в ЯТЭУ

При построении математической модели для конкретизации структурной схемы ЯТЭУ и с учетом возможностей современных вычислительных средств были приняты следующие условия и допущения:

1. Из физических соображений для форсируемой энергоустановки нами выбрана схема реактора-преобразователя встроенного типа, в котором практически отсутствуют потери на транспортировку «высокотемпературной» теплоты и до минимума сведена инерционность тепловых процессов в переходных режимах.

2. Принято допущение о том, что система управления ядерного реактора обеспечивает заданный закон изменения объемного тепловыделения. Современный уровень разработки техники управления ядерными реакторами может позволить решить задачу форсирования их тепловой мощности за время составляющее десятки секунд, что даёт основание считать данное допущение правомерным.

3. Предполагалось, что при увеличении тепловой мощности реактора одновременно растет расход теплоносителя в жидкометаллическом контуре и подключаются дополнительные секции холодильника-излучателя, чтобы обеспечивался сброс не преобразованного теплового потока в космическое пространство.