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

206

Реакторы на быстрых нейтронах более перспективны для исполь­ зования в космосе, чем реакторы на тепловых нейтронах, посколь­ ку из-за отсутствия замедлителя они имеют более компактную актив­ ную зону при эквивалентной мощности и позволяют получить высо­ кую рабочую температуру цикла. Пример такого реактора—реактор установки «Ромашка», в котором максимальная температура топлива из дикарбида урана достигала 1800° С (см. § 8.3). В реакторе отсутст­

моэлектрическому преобразователю осуществляется излучением, Проект такой установки описан в работе '[4]. Для простоты расчета была выбрана сферическая форма конструкции реактора, термогенератора и излучателя (рис. 8.1). Активная зона реактора диаметром 60 см удерживается в центре сферы с помощью 16 стерж­

ней, которые опираются на внутреннюю оболочку термоэлектри­ ческого преобразователя. В качестве топлива выбран карбид урана.

Термоэлементы цилиндрической формы в количестве 1000 шт. монтируются между внутренней горячей оболочкой и внешней обо­ лочкой-излучателем. Система управления реактором и теневая защи­ та расположены на внешней оболочке. В качестве термоэлектри­ ческого материала был выбран теллурид свинца, который и опреде­ лил верхнюю температуру (700° С) термоэлектрического цикла. Тем­ пература холодных слоев термоэлементов определялась из условия

207

минимальной площади излучателя. В данном случае эта площадь оказалась равной 14,8 м2, а радиус сферического излучателя — 114 см (5% поверхности излучателя занимает теневая защита). При­

мерные характеристики такой системы.

Наряду с указанными выше системами за последние годы начаты разработки реакторных установок, охлаждаемых тепловыми труба­ ми. Исследования теплопередачи с помощью тепловых труб начаты

конструкции и эффективное устройство,способное передавать в сот­ ни раз большую тепловую энергию на единицу веса, чем такие ме­ таллы, как медь и серебро (теплопроводность тепловой трубы в 1000 раз больше, чем у меди). Тепловые трубы не требуют нососов, сальников и различного рода уплотнений, что позволяет повысить надежность и срок службы энергетической установки. Они могут быть использованы для передачи тепла при высоких температурах, что очень важно в случае космических установок.

Тепловые трубы относятся к системам, в которых циркуляция теплоносителя осуществляется капиллярными силами. Принци­ пиальная схема тепловой трубы показана на рис. 8.2, система со­ стоит из трубки с запаянными торцами, теплоносителя и фитиля с капиллярной структурой. При подогреве одного конца трубки теплоноситель, заполняющий фитиль, испаряется и пар вследствие разности давлений движется к холодному концу трубки и конден­ сируется на его поверхности. Под действием капиллярных сил кон­ денсат возвращается по фитилю к горячему концу трубки, осуществ­ ляя таким образом циркуляцию теплоносителя.

2 08

На поверхности фитиля жидкость образует мениск с радиусом кривизны, равным или большим размера капилляра. Давление жи­

ление пара в конденсаторе и в испарителе соответственно; у — си­ ла поверхностного натяжения; /у и г2 — радиусы кривизны ме­

ниска в конденсаторе и в испарителе соответственно. Перепад

Рис. 8.2. Схема тепловой трубы:

где р — плотность жидкости; g — ускорение силы тяжести; hx и h 2—

соответственно высоты уровней жидкости в конденсаторе и испари­ теле относительно некоторого исходного уровня. При соответствую­ щем выборе капилляров р может быть положительным. В случае

использования тепловой трубы в установках космического назначе­ ния последний член уравнения (8.1) равен нулю из-за отсутствия сил гравитации. Поэтому в космическом пространстве режим работы тепловой трубы значительно упрощается.

В 1963 г. сотрудники Лос-Аламосской научной лаборатории Гровер и др. исследовали теплопередачу с помощью тепловых труб [5]. В экспериментах использовались трубы из нержавеющей стали внешним диаметром 19 мм, толщиной стенки 1,5 мм и длиной 90 см. Фитилем служила сетка с отверстиями диаметром 0,15 мм, изготов­ ленная из проволоки из нержавеющей стали диаметром 0,13 мм.

Сетка, сложенная в пять слоев, плотно прижималась к внутренней стенке трубы таким образом, что в центре оставался канал диамет-

209

ром 13 мм для прохода пара. В трубу загружали 40 г твердого нат­

рия, затем труба откачивалась и герметизировалась.

Трубу помещали в вакуумную камеру, один конец ее нагревал­ ся электронным пучком. При этом температура натрия достигала 1100° К, а входная мощность составляла 1 кет. Нагреваемый конец трубы располагался на 4 см выше холодного. Профиль температуры

вдоль трубы измерялся с помощью термопар. Полученные резуль­ таты приведены на рис. 8.3. Область резкого спада темпера­ туры у холодного конца трубы обусловлена, по мнению авторов, присутствием газообразного во­ дорода, который выделялся из металлического натрия в резуль­ тате обратимой реакции NaH—>-

перегреву в результате высыхания и деформации фитиля.

В работе Шиндлера и Вопнера приведено теоретическое обосно­ вание возможности применения тепловых труб для передачи тепла [6J. Использовав элементарную модель (см. рис.8.2), авторы произ­ вели расчет теплопередачи и определили оптимальные геометри­ ческие параметры для тепловых труб с натриевым теплоносителем. Было получено следующее выражение для оптимального произве­ дения мощности на длину трубы:

где N — входная мощность; I — длина тепловой трубы;, q — теп­ лота парообразования; у — сила поверхностного натяжения; Fa — сечение канала для прохода пара; Fm — сечение фитиля; vn — ки­ нематическая вязкость пара; dn —гидравлический диаметр парово­ го канала; dm — гидравлический диаметр капилляра для жидкости; v)K— вязкость жидкости.

Перепад температур на тепловой трубе можно определить по формуле

АТ = 2Tyl(qpadm),

где рн — плотность пара; Т — температура в испарителе трубы.

210

На основе этих расчетов построена диаграмма для определения оптимальных геометрических параметров тепловых труб с натрие­ вым теплоносителем, работающих при температуре 900° К. На диа­ грамме (рис. 8.4) расходящиеся прямые линии соответствуют точ­ кам с одинаковым сечением фитиля Дж. Гиперболические кривые соединяют точки с равными гидравлическими диаметрами парового

4 2 7,4 1,0 0,8 0,Б Бж=0,5смг

Рис. 8.4. Диаграмма для выбора оптимальных геомет­ рических параметров тепловых труб.

канала Д п. По оси абсцисс отложены оптимальные значения диамет­ ра капилляра dm, по оси ординат— произведение мощности на дли­

ну трубы (вверх) и перепад температур на трубке (вниз). Точка пе­ ресечения прямой и гиперболы соответствует оптимальным пара­ метрам тепловой трубы. Например, для передачи мощности в 10кет по трубе длиною 60 см требуется диаметр парового канала 1,8 см, фитиль сечением 1 см2 с капиллярами диаметром 0,04 см. Перепад

температур на тепловой трубе при этом составит 10° С.

211

Буссе и др. [7] провели исследование материалов, которые могут быть использованы в качестве теплоносителей для тепловых труб. Результаты экспериментов показали, что при рабочей температуре около 1000° С в качестве теплоносителя можно рекомендовать ли­ тий, а в качестве материала трубы — сплав ниобия с 1 вес. % цир­ кония. При температуре 1600° С наиболее подходящим теплоноси­ телем может оказаться свинец в сочетании с тепловой трубой из тан­ тала. Эти результаты подтверждаются экспериментами Коттера, Гровера и др., которые показали удовлетворительную совместимость в статических условиях таких теплоносителей, как серебро, индий

исвинец с танталом, при температуре до 1800° С в течение 1000 ч

[8].Литий практически не взаимодействует со сплавом ниобий — цирконий (1 вес. %) в диапазоне температур 900— 1300° С. Например, в одном из экспериментов такая система проработала около 4000 ч

при температуре 1100° С без заметного снижения теплопередачи. Общая масса перекачанного лития составила 720 кг. В другом экспе­

рименте с трубкой из тантала и серебром в качестве теплоносителя за 100 ч работы при температуре 1900° С было перекачано 200 кг

порядка 10~3 %. Растворимость материала трубы играет важную роль, поскольку теплоноситель в тепловой трубе подвергается много­ кратной дистилляции и в случае заметного растворения материал трубы будет осаждаться на фитиле и забивать капилляры, нарушая подачу жидкости в испаритель.

В табл. 8.4 приведены характеристики некоторых материалов, которые могут быть использованы как теплоносители для тепловых труб. С точки зрения получения максимального теплового потока при рабочей температуре до 1500° С в качестве теплоносителей могут быть рекомендованы калий, натрий, литий. Для более высоких тем­ ператур можно рассматривать свинец, серебро и индий.

212

Следует заметить, что теплоноситель не должен иметь слишком высокую температуру плавления и низкое давление пара,так как в этом случае требуется предварительный подогрев системы. Указан­ ный подогрев является серьезным препятствием к использованию тепловой трубы особенно в условиях космоса.

В последнее время появились сообщения об использовании теп­ ловых труб в конкретных конструкциях энергетических установок.

Например, фирма «Рэдио корпорейшн оф Америка» по заданию Армии США разрабатывает термоэмиссионный генератор мощностью 3 кет на органическом топливе [10]. Генератор состоит из 36 преоб­

разователей-диодов, собранных в три секции. Каждая секция гене­ рирует мощность около 1 кет. Для передачи тепла от источника к го­

рячей стороне каждого преобразователя используется литиевый теп­ лоноситель, циркулирующий в тепловых трубах, изготовленных из молибденового сплава. Длина трубы 229 мм, диаметр 18,3 мм, ра­

бочая температура 1350° С. В качестве фитиля используется молиб­ деновая сетка, сложенная в несколько слоев. По тепловой трубе подается мощность около 1 кет, при этом перепад температуры вдоль

трубы составляет менее 1° С. Общий к. п. д. установки 5—6%, а вес

— 68 кГ. Испытания лабораторного образца диода показали воз­ можность получения электрической мощности порядка 80—90 вт (проектная мощность 100 вт).

В работе [11] приведено описание проекта энергетической уста­ новки космического назначения с реактором на быстрых нейтронах тепловой мощностью 860 кет. Реактор выбран в форме полого шара с топливом из карбида урана-235 (60 мол. %) и карбида циркония (40 мол. %) и с графитовым отражателем толщиной 5 см. К поверх­

ности отражателя примыкает катод термозмиссионного элемента площадью 30 см2. Анод элемента соединен с тепловой трубой, кото­

рая отводит тепло к шаровой оболочке-излучателю. Схема установки показана на рис. 8.5.

Стальная тепловая труба с внутренним диаметром 2 см, длиной 65 см и толщиной стенки 0,3 мм имеет массу на единицу длины 3 г/см.

Фитилем служит стальная сетка, сложенная в пять слоев, теплоно­

213

Для наземных установок, где нет таких жестких ограничений по весу и габаритным размерам, как в космосе, выбор типа реакто­ ра более широк. В этом случае важную роль играет рабочая темпе­ ратура термоэлектрического материала. Например, термоэлементы из высокотемпературного метариала (до 1000° С) целесообразно располагать в активной зоне реактора, объединив их непосредст­ венно с твэлом. Фирмой «Вестингауз электрик» изучалась возмож­ ность объединения твэла с термоэлектрическим преобразователем [4]. При этом рассматривалась конструкция элемента, состоящего из топлива, заключенного в металлическую оболочку, к которой прижимаются горячие спаи термоэлементов. Термоэлементы в свою очередь заключаются в оболочку, охлаждаемую теплоносителем.

215