Проектирование ядерной энергетической установки с многорежимными плазменными термоэмиссионными преобразователями: Учебное пособие, страница 6

,

, где ε  - заданная точность расчета.

3.    Результаты расчета стационарных характеристик дуговых цезиевых ЭГК и каналов холодильника-излучателя

Для анализа массогабаритных характеристик ЯТЭУ, способной генерировать требуемую электрическую мощность в различных режимах функционирования космического аппарата, необходимо выполнить расчет в соответствующих стационарных условиях, каждый из которых отвечает некоторому заданному уровню тепловой мощности реактора. Для решения данной задачи может быть использована математическая модель, рассмотренная в подразделе 1, если положить q_v=const(t) и t¥. Кроме того, расчет стационарных характеристик необходим для определения начальных температурных и электрических полей при исследовании динамики ЯТЭУ, а также для выполнения сравнительного анализа характеристик энергоустановок с ЭГК, имеющими гладкие и многополостные электроды, и работающими в дуговом цезиевом или кнудсеновском цезий-бариевом режимах.

Для выполнения расчетов стационарных и динамических характеристик ЯТЭУ были выбраны ЭГК, имеющие следующие конструктивные параметры: r_o = 0,45 см; l= 3 см; δ₁= δ₂= δ₃= δ₆= 0,05 см; δ₄ = δ₅= 0,03 см; δ_и= 0,08 см; δ_нт= 0,05 см; l_п= 0,5 см; l₇= 0,7 см; d = 0,025 см; расстояние между центрами соседних ЭГЭ – l₂ = 1,47 см.

Материалы элементов ЭГК выбирались с учетом обеспечения их стойкости в режимах форсированных температур, характеризующихся высокими уровнями тепловых потоков (Т_к=2500…2800^оК, q_v= 400…600 Вт/см³). В качестве материала сердечника ядерного топлива была выбрана композиция из двуокиси урана и вольфрама, имеющая температуру плавления Т_пл^о>3100 ^оК и коэффициент теплопроводности λ₀>0,2 Вт/см град. Указанный материал может позволить обеспечить допустимый перепад температуры по радиусу и оси сердечника, не превышающий 300 градусов при q_v> 400 Вт/см³. Очевидно, что на этапе эскизного проектирования форсируемой ЯТЭУ необходимо будет выполнить подробный нейтронно-физический расчет ядерного реактора-преобразователя с целью определения мероприятий для обеспечения его критичности. При этом в случае необходимости может рассматриваться использование U²³³. Однако на данном этапе исследований мы полагаем, что вопрос обеспечения критичности реактора решен положительно.

При выборе материала катода, точнее для определения величины его вакуумной работы выхода, необходимо учитывать реальные физические условия в межэлектродных зазорах полномасштабных ЭГК, приводящие к загрязнению поверхности катода элементами топливной композиции и другими химическими соединениями конструкционных металлов с элементами остаточных газов. Поэтому для расчета ЭГК были выбраны характеристики ТЭП с катодом из поликристаллического вольфрама, которые приблизительно соответствуют реальным условиям. В качестве материала анода используется сплав СБ-3, характеристики которого широко исследованы в эксперименте.

Для охлаждения активной зоны будем использовать литиевый жидкометаллический теплоноситель, температура кипения которого существенно превышает температуру анодного пакета в режимах форсированной мощности.

Исходными данными при расчете холодильника-излучателя являлись следующие геометрические параметры: внутренний и внешний радиусы канала теплоносителя R₁ = 0,5 см, R₂ = 0,6 см, толщина и высота ребра δ_p = 0,1 см, Нр = 0,6 см, которые подбирались с целью обеспечения минимальной массы холодильника-излучателя.

В ЭГК встроенного реактора-преобразователя температура анодов по длине изменяется, что обусловлено изменением температуры теплоносителя. Экспериментально показано, что температура анода в области максимума мощности (150 ^оК) не существенно влияет на характеристики ТЭП. Учитывая слабую зависимость удельной мощности от температуры анода, для сравнительного анализа характеристик ЭГК рассмотрим один центральный ЭГЭ в ЭГК. Графики изменения мощности такого ЭГЭ, в зависимости от полного тока, протекающего по каналу, для различных значений объемного тепловыделения, при давлении паров цезия и температуре анода близких к оптимальным, показаны на рис. 5. Следует отметить, что вольтамперные характеристики цилиндрических ЭГЭ в дуговом цезиевом режиме имеют значительно меньшую крутизну, чем соответствующие характеристики лабораторных ТЭП с плоскопараллельными электродами, что проявляется в более пологой зависимости мощности от тока. Это объясняется, в основном, неизотермичностью ЭГЭ по длине.