книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

Корпус генератора изготовлен из дюралюминия и разделен на

две части для обеспечения необходимого теплового контакта термо­ элементов с корпусом и тепловым блоком. Прижим термоэлементов к тепловому блоку в генераторе 6 обеспечивался тарельчатыми стальными пружинами, надеваемыми на болты, стягивающие обе части корпуса. В генераторе 7 необходимый тепловой контакт до­ стигался сжатием обеих частей корпуса струбциной, закрепленной на фланцах. Нижняя часть корпуса имеет ребра жесткости, а верх­ няя— допускает прогиб на 2 мм. Герметичность соединения обеих

частей корпуса обеспечивается использованием уплотнения из тер­ мостойкой резины. Корпус имеет отверстие для заполнения внутрен­ него объема термоизоляцией и откачки воздуха. Внешняя поверх­ ность корпуса покрыта тонким слоем термостойкой краски с коэф­

работы генератора составляла 244 вт, а в конце снизилась до 163 вт.

Изменение основных параметров генератора во время испытаний приведено в табл. 7.18. В соответствии с программой испытаний непрерывно контролировались следующие характеристики: напря­ жение на нагрузке 0,34 ом, температура горячих спаев термоэле­

ментов (две точки), температура корпуса генератора, уровень у- излучения на расстоянии 0,3 м от генератора. Вольт-амперные

характеристики измерялись с периодом 5—7 суток. По окончании испытаний генератор был демонтирован.

Результаты испытаний генератора на полонии-210 подтвердили правильность теоретических расчетов и показали высокую надеж­ ность и безопасность изотопных термоэлектрических генераторов. Хотя разработка первых изотопных термогенераторов носила демон­ страционный характер, заложенные в них принципы были исполь-

186

зованы во всех последующих установках этого типа. Доклад о первых космических изотопных источниках тока был представлен на III Международную конференцию по мирному использованию атомной энергии в Женеве в 1964 г.

В сентябре 1965 г. произведен запуск ракеты-носителя, которая вывела на орбиту пять искусственных спутников Земли: «Космос-80», «Космос-81», «Космос-82», «Космос-83», «Космос-84». На одном из этих спутников в качестве источника питания бортовой аппаратуры был установлен изотопный термоэлектрический генератор. Вскоре после этого был запущен в космическое пространство другой, бо­ лее мощный изотопный термогенератор на искусственном спутнике Земли типа «Космос». Оба генератора успешно завершили наме­ ченную программу испытаний, при этом были приняты меры, пол­ ностью исключающие возможность распространения радиоактив­ ного изотопа в атмосфере и на поверхности Земли [19].

Г е н е р а т о р СНАП-1А. В начале пятидесятых годов Маундской лабораторией по контракту с КАЭ США начали исследования термоэлектрического способа преобразования энергии радиоактив­ ного распада в электрическую энергию. На основе результатов этих исследований в 1954 г. создана лабораторная модель изотопного термогенератора электрической мощностью 1,8 мет. Тепло, генери­ руемое полонием-210 (активность 146 кюри), преобразовывалось

в электроэнергию с помощью хромель-константановых термопар. Семь таких термопар прикреплялись горячими спаями к поверхности теплового блока сферической формы, а холодные спаи соединялись с внешней охлаждаемой оболочкой. Маундской лабораторией разра­ ботано еще несколько моделей генераторов аналогичной конструк­ ции, но большей мощности.

Результаты разработок послужили основой для развития изо­ топной термоэлектрической энергетики в США. Основные прин­ ципы, заложенные в конструкцию генераторов Маундской лабора­ тории, были воплощены почти во всех последующих изотопных тер­ могенераторах.

Вконце пятидесятых годов к разработке указанных установок были подключены фирмы «Мартин», «Вестингауз», «Дженерал элект­ рик» и др. Однако позднее основные работы сосредоточились в ла­ бораториях фирмы «Мартин».

В1957 г. фирма «Мартин» по заданию КАЭ приступила в изу­ чению возможностей создания и использования изотопных генера­ торов для космических аппаратов военного применения. Несколько позже были определены основные требования к установке и прин­ цип ее действия. Установка получила название СНАП-1. В начале разработки мощность установки была выбрана 500 ет, а срок служ­

бы — 60 суток. Для такого высокого уровня мощности был выбран турбомашинный способ преобразования энергии. В качестве источ­ ника тепла предполагалось использовать церий-144 (начальная

загрузка 3 500 000 кюри). Ртутный пар, поступающий из парогене­

ратора, обогреваемого радиоизотопным источником, приводил в

187

движение миниатюрную турбину, затем он конденсировался в излу­ чателе-холодильнике и перекачивался насосом обратно в парогене­ ратор, завершая типичный цикл Ренкина.

В ходе разработки было изготовлено и испытано большинство узлов установки. Однако отсутствие необходимого количества радио­ активных изотопов в пятидесятых годах и недостаточная надеж­ ность миниатюрного турбогенератора привели, начиная с 1961 г., к разработке генератора СНАП-1А с термоэлектрическим способом преобразования. Завершение работ по установке СНАП-1 было пе­ ренесено в программу СНАП-2, предусматривающую разработку реакторной энергетической установки с циклом Ренкина на ртути.

Переходу от турбомашинного преобразования энергии к прямо­ му способствовало появление новых высокоэффективных полупровод­ никовых материалов.

Уровень мощности генератора СНАП-1 А был снижен с 500 до 125 вт, а срок службы увеличен с 60 суток до одного года. Назна­

чение генератора СНАП-1А (так же, как и СНАП-1) — обеспечение электроэнергией разрабатываемых в то время военных космиче­ ских аппаратов.

Высокая выходная мощность генератора СНАП-1 А привела к радикальному изменению конструктивной схемы радиоизотоп­ ного генератора, предложенной ранее Маундской лабораторией. Основное отличие состояло в том, что тепло от изотопного источника передавалось термоэлектрическому преобразователю путем излу­ чения, а не механизма теплопроводности, используемого в «класси­ ческих» изотопных термогенераторах (например, СНАП-3, СНАП-9). Такое решение вызвано тем, что допустимые тепловые потоки на горячих спаях термоэлементов были значительно ниже теплового потока, проходящего через поверхность теплового блока. Снижение температуры горячего спая до допустимого уровня было достигнуто созданием вакуумного пространства между источником тепла и пре­ образователем.

В процессе наземного обслуживания в это пространство оказа­ лось возможным ввести охлаждающие спирали и сливаемую перед

запуском ракеты биологическую защиту из ртути общим весом

1800 кГ.

В качестве топлива был выбран церий-144, поскольку в то время он был единственным изотопом, который можно было получить в ко­ личествах, удовлетворяющих потребности установки СНАП-1А. Начальная загрузка изотопа составляла 880 000 кюри, что соответ­ ствовало тепловой мощности источника 6500 вт. К концу срока служ­ бы тепловая мощность генератора снижалась до 2500 вт. Сравни­

тельно малый период полураспада церия-144 (284,5 суток) делает необходимым сбрасывание более 4000 вт тепловой мощности в на­

чальный период работы генератора. Регулирование мощности осу­ ществлялось при помощи дополнительного излучателя со штор­ ками (см. рис. 7.6), расположенного в нижней части генератора.

188

Основные характеристики генератора:

Высокая удельная мощность, хорошая совместимость с материа­ лом ампулы и полное сгорание при входе в атмосферу в течение 165 сек — основные требования, предъявляемые к топливу генера­

тора СНАП-1А. Из различных исследованных соединений церия окончательный выбор пал на окись церия, имеющую темпера­ туру плавления 2680° С и плотность 6,6 г/см3. Однако высокая тем­

пература плавления окиси церия препятствует быстрому сгоранию топлива при входе в атмосферу. Поэтому изучались пути снижения температуры плавления путем добавок железа, карбидов, тантала, титана, кремния и нитридов кремния. В испытаниях лучшие ре­ зультаты показали образцы с добавкой 7,5— 10% карбида кремния.

Значительный объем исследований выполнен по выбору мате­ риала теплового блока.

Как видно из результатов, приведенных в табл. 7.19, наиболее подходящие материалы для теплового блока — инконель-Х и сплав

Т а б л и ц а 7.19

Характеристики материалов для теплового блока

* С о с т а в с п л а в а С - 8 1 6 : 1 8 , ,5 — 2 0 % х р о м а ; 19 — 2 1 % н и к е л я ; 4 2 — 4 4 % к о б а л ь т а ; 3 , 5 — 4 % м о л и б д е н а ; 3 , 5 — 4 % в а н а д и я ; 3 , 5 — 4 % к а д м и я ; 0 , 3 5 — 0 , 4 5 % у г л е р о д а ; н е б о л е е 1 % м а р г а н ц а ; н е б о л е е 1 % к р е м н и я ; о с т а л ь н о е — ж е л е з о .

190

Г е н е р а т о р ы т и п а СНАП-3. Исследования по програм­ ме СНАП-3 проводились фирмой «Мартин» параллельно с разработ­ кой генератора СНАП-1. Эта программа носила общий исследова­ тельский характер и имела целью определить возможность приме­ нения изотопных термогенераторов в космических установках. Ин­ тересно отметить, что впервые в США вопрос об использовании полу­ проводниковых термоэлементов возник в связи с работами по про­ грамме СНАП-3.

В отличие от программы СНАП-1, по которой было получено значительное количество экспериментальных данных, но не пост­ роено ни одного работающего генератора, программа СНАП-3 за­ вершилась запуском первых установок в космическое пространство на спутниках «Транзит-4А» и «Транзит-4В». Всего по этой программе разрабатывалось двенадцать моделей. Некоторые из них были до­ ведены только до стадии чертежей. Две первые модели типа СНАП-ЗА были довольно несовершенны по конструкции и давали мощность 1,6— 1,7 вт с к. п. д. менее 1 %. Выходная мощность во время работы

регулировалась утечкой аргона из корпуса генератора. Следующая серия генераторов типа СНАП-ЗВ, состоящая из восьми моделей, не имела специальной системы регулирования мощности. Три таких генератора, один из которых демонстрировался в 1959 г. президен­ ту Эйзенхауэру, были загружены полонием-210. Два более поздних генератора усовершенствованной конструкции были загружены плу­ тонием-238 и запущены в космос. Остальные модели использовались для испытаний без топлива. В табл. 7.20 приведены основные ха­ рактеристики пяти генераторов, загруженных изотопным топливом.

Т а б л и ц а 7.20

Характеристики генераторов типа СНАП-3* [4]

* Приведенные характеристики относятся к начальному периоду работы установок.

192

Топливо для генераторов СН АП-ЗВ, изготовленное в Маундской лаборатории, заключалось в две ампулы из нержавеющей стали 304 (рис. 7.22) с толщиной стенки 0,76 мм, рассчитанные на загрузку по 1000 кюри полония в каждую. Ампулы заваривались и помеща­

лись в оболочку из нержавеющей стали 304 с толщиной стенки 0,86 мм, оболочка также заваривалась. Для предотвращения окис­

ления оболочку из стали помещали во внешнюю оболочку из сплава

прижимались пружинами к поверхности теплового блока. Каждый элемент был заключен в слюдяную втулку для предотвращения химического воздействия. Пространство между элементами заполня­ лось изоляцией Мин-К-

Корпус генератора почти сферической формы (диаметр 12,1 см, высота 14 см) состоял из двух спаянных между собой медных полу­

сфер. Такая конструкция корпуса обеспечивала расплавление пайки в случае входа генератора в атмосферу и быстрое сжигание топлив­ ного блока при аэродинамическом нагреве на достаточно большой высоте. Корпус генератора заполнялся гелием под давлением 1 атм.

Для обеспечения регулирования мощности была предусмотрена контролируемая утечка газа. Какой-либо специальной защиты не предусматривалось.

и 12 мбэр/ч по нейтронам. По нормам КАЭ США допустимая доза для рук равна 1500 мр/неделя. Следовательно, этот генератор можно было держать в руках около 4 ч в неделю. За время работы, равное

периоду полураспада полония-210, генератор СНАП-ЗВ мог вы­ рабатывать 9 квт-ч электроэнергии. Генераторы серии СНАП-ЗВ

были подвергнуты испытаниям, имитирующим условия запуска ракеты и работы в космическом пространстве. Вибрационные ис­ пытания с электронагревом обнаружили падение к. п. д. до 3,6%. Через 10 мин после испытаний генератор восстанавливал свои преж­

ние характеристики. Генератор испытывался также на статические ускорения до 15 g и на удар до 50 g со временем нарастания 1 мсек. Тепловой блок прошел испытания на удар (давление 73 кПсм1),

испытывался также в пламени керосина и кислот, имитирующем пожар на стартовой площадке. Все модели генератора этой серии успешно выдержали испытания.

В 1961 г. Маундская лаборатория изготовила плутониевое топ­ ливо для двух генераторов, в каждый из которых было загружено по 1600 кюри плутония-238. Запуск первого генератора на спут­

нике «Транзит-4А» произведен в июне 1961 г., а второго — в ноябре 1961 г. на спутнике «Транзит-4В». В космическом пространстве вы­ ходная мощность генератора упала на 10% из-за возрастания тем­ пературы холодных спаев на 56° К под действием космической ра­ диации.

Первый генератор проработал в космосе несколько лет, второй прекратил подачу сигналов в июле 1962 г., как полагают, из-за замыкания конденсатора в блоке питания. Опыт разработки и эк­ сплуатации генераторов серии СНАП-ЗВ позволил создать более совершенные термоэлектрические генераторы космического назна­ чения СНАП-9А, которые представляют собой дальнейшее развитие конструкции установки СНАП-ЗВ на плутонии-238 [20].

Генератор СНАП-9А предназначался для питания аппаратуры специальных управляемых навигационных спутников ВМФ. Вес ге­ нератора 12,3 кГ, электрическая мощность 25 вт, в качестве топлива

использовался плутоний-238. Тепловой блок размещался в центре генератора, так же как в установке СНАП-ЗВ. Термоэлектрические элементы из теллурида свинца, скомпонованные в 36 модулей усо­ вершенствованной конструкции, крепились холодными спаями к корпусу шестигранной формы. Теплоизоляция обеспечивалась материалом типа Мин-К. Корпус снабжен шестью радиально рас­ положенными излучающими ребрами. Внешний вид генератора по­ казан на рис. 7.23.

Два генератора СНАП-9А запущены в космос в сентябре и декаб­ ре 1963 г. Третий генератор потерпел аварию при неудачном запуске спутника в апреле 1964 г.

Г е н е р а т о р т и п а СНАП-11. Управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) разра-

194