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

осуществить передачу тепла от реактора к термоэлектрическому пре­ образователю и далее к излучателю посредством теплопроводности так же, как в описанной выше установке «Ромашка». Общий вид тер­ могенератора СНАП-10 показан на рис. 8.16, а основные характе­ ристики приведены ниже [16]:

Активная зона реактора СНАП-10 состоит из твэлов цилиндри­ ческой формы, содержащих уран-235 и гидрид циркония (последний используется в качестве замедлителя). Между твэлами помещаются диски из бериллия, которые улучшают отвод тепла из активной зо­ ны. С торцов и периферии активная зона окружена бериллиевым отражателем. К боковому отражателю примыкает термоэлектричес­ кий генератор, от которого отвод тепла осуществляется с помощью излучателя. Реактор состоит из двух половин, в каждую из которых загружается топливо с массой ниже критической. Эти половины во время транспортировки отделяются друг от друга специальным устройством, которое удаляется непосредственно перед запуском установки в космос. Реактор включается после вывода его на рас­ четную орбиту. При этом по команде с Земли включается механизм, сближающий обе половины реактора, в результате чего загрузка топлива становится выше критической и создаются условия для цепной реакции деления. После достижения рабочего уровня мощ­ ности реактор переключается на саморегулирование вследствие от­ рицательного температурного коэффициента. Система рассчитана на непрерывную работу в режиме саморегулирования в течение года и более.

Температурный режим установки обусловлен в основном требо­ ваниями надежности эксплуатации термоэлементов и их рабочими характеристиками. В качестве материала р-ветви выбран тройной сплав на основе германия, висмута и теллура, а для п-ветви — теллурид свинца. Для коммутации по горячей стороне использовались

228

железные пластины, к холодным концам термостолбиков припаива­ лись гибкие пружины и коммутация осуществлялась с помощью медных пластин, припаянных к холодным концам пружин. Эти пру­ жины обеспечивали надежные тепловые контакты по горячей сторо­ не, допускали относительные перемещения горячего и холодного концов термоэлемента без значительных изгибающих моментов в тер­ моэлектрическом материале, отводили тепло от термогенератора к из­ лучателю и обеспечивали электрическое соединение термостолбиков. Корпус преобразователя, состоящий из двух половин, изготовлен из нержавеющей стали. На каждой половине монтировалось 16 групп по 24 термостолбика в группе. Термостолбики электрически изоли­ ровались от корпуса, между ними размещалась тепловая изоляция для снижения потерь тепла. Излучатель имел клиновидные ребра, покрытые материалом с высокой излучательной способностью (0,8—0,9) в инфракрасной области и низкой поглощающей способ­ ностью (0,1—0,3) в видимой части спектра. Последнее обстоятельст­ во особенно важно при температурах излучателя ниже 370° С.

Вес излучателя сильно зависит от температуры холодного спая. Например, при уменьшении температуры холодного спая с 393 до 338° С вес ребер охлаждения генератора возрастает с 54 до 150 кГ

[17]. Работы по проекту СНАП-10 были прекращены на стадии ис­ пытания отдельных узлов, дальнейшие усилия были направлены на разработку проекта СНАП-10А.

У с т а н о в к а СНАП-ЮА. Термогенератор СНАП-ЮА элект­ рической мощностью 500 вт разработан и изготовлен в США фирмой

«Атомик интернейшнл» для использования в качестве источника пи­ тания бортовой аппаратуры метеорологических и навигационных спутников, спутников связи и других космических объектов.Установ­ ка состоит из ядерного реактора, термоэлектрического преобра­ зователя, излучателя и жидкометаллического контура с электро­

*Проектная мощность 540 вт.

Вкачестве источника тепла был выбран реактор на эпитепло­ вых нейтронах с замедлителем из гидрида циркония. Активная зона высотой 31 см и диаметром 22 см содержала 37 элементов, собранных

вгексагональную решетку. Элементы изготовлены из материала, со-

229

ю

со

о

Рис. 8.17.

Схема уста­ новки СНАП-10А (а) и мо­ дуль термо­ электриче­ ского преоб­

разовате­ ля (б):

а: 1 — термо­ электриче­ ский электро­ магнитный на­ сос; 2 — реак­

тор;

б: I — излуча­ 1 тель; 2 — тер­ моэлемент; 3 — трубка с теплоносите­

лем; 4 — изо­ лятор; 5 — коммутиру­

ющая пласти­ на; 6 — воль­

фрамовые

шайбы

5

а

держащего 10 вес. % высокообогащенного урана в циркониевой мат­

рице. Этот материал подвергался гидрированию до концентрации водорода 6,35-1022 атом!см3. Элементы заключались в оболочку из хастеллоя-А толщиной 0,38 мм. Внутренняя поверхность оболоч­

ки покрывалась слоем керамики, используемой как барьер, пре­ пятствующий выделению водорода при высоких температурах. В ка­ честве выгорающего поглотителя применялась окись самария, дис­ пергированная в слое керамики [19].

Использование таких элементов системы топливо — замедли­ тель приводит к следующим потерям реактивности: а) кратковре­ менный эффект, вызываемый перераспределением водорода в резуль­ тате его миграции от горячих к холодным участкам материала топ­ ливо — замедлитель; б) утечка водорода через керамический барьер и оболочку топлива в систему теплоносителя и затем в космическое пространство.

Активная зона заключена в корпус из нержавеющей стали и ок­ ружена радиальным бериллиевым отражателем толщиной около 5 см. Для регулирования реактора используются четыре полуци-

линдрические бериллиевые секции, расположенные в радиальном от­ ражателе. Поворот этих секций вокруг вертикальной оси изменяет их положение по отношению к активной зоне и увеличивает или умень­ шает утечку нейтронов из реактора. Во избежание самопроизволь­ ного пуска реактора положение секций фиксируется стопорной че­ кой. Перед запуском установки на орбите по команде с Земли чека разрывается, регулирующие секции поворачиваются на определен­ ный угол и создают дополнительную реактивность. Две секции по­ ворачиваются с большей скоростью с помощью пружин, две другие вращаются под действием электромоторов с меньшей скоростью. Ука­ занные секции используются для регулирования в период вывода реактора на рабочую мощность и для компенсации изменений реак­ тивности, вызываемых температурными и мощностными эффектами, накоплением ксенона и частичным перераспределением водорода в первый период работы реактора на полной мощности (72 ч). После этого секции отключаются и дальнейшие потери реактивности, обу­ словленные утечкой водорода, выгоранием топлива и накоплением продуктов деления, компенсируются выгоранием самариевого погло­ тителя.

Сборка радиального отражателя вместе с соответствующими ре­ гулирующими секциями разделена на две части, что позволяет от­ делять отражатель от корпуса активной зоны, не нарушая его целост­ ности и герметичности контура жидкометаллического теплоносите­ ля: В качестве теплоносителя используется эвтектика NaK-78, про­ ходящая через активную зону в промежутках между элементами топливо — замедлитель. Основные характеристики реактора СНАП10А:

231

Проверка физических принципов выбранной конструкции реак­ тора была проведена на критической сборке. Активная зона состоя­ ла из спрессованной в холодном состоянии порошкообразной смеси двуокиси урана и гидрида циркония, содержащей 10 вес. % урана235. Кроме критических опытов, на установке получена информа­ ция об эффективности отражателя и возможности управления мощ­ ностью реактора, изменением геометрии отражателя.

Следующим этапом исследований было получение необходимых уровней мощности, температуры и срока службы реактора выбран­ ной конструкции, в частности, проверка способности оболочек эле­ ментов системы топливо — замедлитель удерживать водород при заданных уровнях температуры и излучения. С этой целью в 1959—■ 1960 гг. был изготовлен и испытан экспериментальный реактор, включающий все основные узлы реактора СНАП-ЮА. Активная зона состояла из 61 топливного элемента диаметром 2,54 см, набранных в треугольную решетку и заключенных в корпус диаметром 22,9 см.

Элементы содержали 7 вес. % урана-235, концентрация водорода в гидриде циркония составляла 6-1022 атом/см*. Реактор охлаж­

дался потоком NaK-78,

Общая длительность испытаний этой установки составила 6035 ч, в том числе 1900 ч реактор работал при температуре теплоносителя на выходе 650° С и 3300 ч при температуре 480° С. Третья стадия ис­

пытаний заключалась в проверке усовершенствованной конструк­ ции, которая по своим характеристикам более соответствовала ус­ ловиям работы в космическом пространстве. Испытания второго экспериментального реактора проводились с апреля 1961 г. по декабрь 1962 г. Активная зона реактора состояла из 37 элемен­ тов диаметром 3,2 см, содержащих 10% урана-235 и водорода 6,5 -1022 атом!см*. Бериллиевый отражатель толщиной 7,6 см был

разделен на две откидывающиеся секции и имел две поворачивающие­

Термоэлектрический преобразователь установки СНАП-ЮА со­

стоит из 2880 термостолбиков. Поток теплоносителя проходит через 40 D -образных трубок из нержавеющей стали, расположенных вдоль образующих конструкций излучателя конической формы. Каждая трубка последовательно соединяет три термоэлектрических модуля

каждой трубки располагается 72 термостолбика цилиндрической формы из кремний-германиевого сплава п- и p-типа. Термостолбики

232

электрически изолированы от трубки с теплоносителем тонкими дис­ ками из окиси алюминия и последовательно соединены медными ши­ нами по горячей стороне. По холодной стороне элементы соединены алюминиевыми пластинами размером 8 x 5 см, образующими излу­

чатель. Каждая пластина излучателя электрически отделена от со­ седних пластин зазором шириной 1 мм.

Чтобы исключить возможность потери выходной мощности гене­ ратора из-за образования трещин в термостолбиках или коммутации, использовано параллельно-последовательное соединение элементов. Такая коммутация обеспечивает 99% вероятности исправного дейст­ вия преобразователя после запуска ракеты.

Вся система термоэлектрического преобразователя монтируется на внешней поверхности каркаса конической формы, изготовленного из гофрированного титана толщиной 0,5 мм, с кольцевыми ребрами

жесткости.

В процессе разработки изготовлено и испытано девять полностью собранных преобразователей. При этом основные усилия были направлены на уменьшение электрических потерь, повышение срока службы и надежности преобразователя (за счет использования пая­ ных контактов). Термоэлектрические модули, состоящие из 22 эле­ ментов, испытывались при температуре горячего спая 704° С и тем­ пературе холодного спая 482° С в условиях, близких к условиям кос­ мического пространства, в течение 23 000 ч. При этом 18 серийных

модулей были подвергнуты испытаниям в условиях, близких к эксп­ луатационным, 14 модулей испытывались на механическое разруше­ ние, а 18 модулей — на ускоренное старение при повышенных тем­ пературах. Результаты этих испытаний показали, что термоэлектри­ ческий преобразователь может надежно работать в условиях косми­ ческого пространства и давать 500 вт электрической мощности. Ос­

новные характеристики:

Насос. Реакторный источник тепла и преобразователь термодина­

мически связаны между собой натрий-калиевым контуром. Цирку­ ляция теплоносителя осуществляется термоэлектрическим электро­ магнитным насосом кондукционного типа, не имеющим движущихся

частей. Устройство насоса показано на рис. 8.18. Насос состоит из канала, по которому циркулирует теплоноситель, двух электродов и постоянного магнита, создающего магнитное поле 2400 гс.

Поле направлено перпендикулярно электрическому току, проходя­ щему через теплоноситель в канале. Термоэлементы из теллурида свинца горячими спаями прижимаются к электродам, а холодными — к алюминиевым пластинам излучателя. Тепло, поступающее от теп­ лоносителя, проходит через термоэлементы и сбрасывается в космос излучением (700 вт). При этом перепад температур на термоэлемен­

тах составляет 150° С. Насос расположен в верхней части реактора,

ной температуре и спекалось при 700° С. Порошкообразное железо использовалось в качестве контактного материала. Спрессованные

В герметическом жидкометаллическом контуре установки поми­ мо насоса имелось сильфонное устройство, обеспечивающее компен­ сацию термических расширений теплоносителя и узлов контура

иподдерживающее давление в контуре выше предела образования пузырьков пара в насосе. Контур теплоносителя изготовлен из не­ ржавеющей стали 316 и 405. В ходе ресурсных испытаний термо­ электрические насосы проработали более 14 000 ч. Расширительные

компенсаторы испытывались в контуре с теплоносителем более 5000 ч. Все контрольно-измерительные приборы прошли испытания

вусловиях, близких к эксплуатационным. Полученные результаты показали, что основные трудности связаны с поведением материалов

испособами сборки узлов.

Защита. Между реактором и термоэлектрическим преобразова­

телем помещена защита, рассчитанная на ослабление уровня излу­ чения реактора до 5 • 1012 нейтрон!(см2• год) по быстрым нейтронам

234

и 107 p/год и по у-лучам. Указанные уровни радиации определяются

требованиями полупроводниковой аппаратуры космического ко­ рабля. Трудной проблемой оказалась разработка защиты нейтронов, рассеиваемых элементами конструкций корабля. Эта задача решена размещением полезного груза внутри конуса теневой защиты. *В свя­ зи с этим была выбрана коническая конфигурация каркаса излуча­ теля, диаметр основания которого определился габаритными разме­ рами полезного груза, верхний диаметр — размерами реактора, а вы­ сота — площадью излучателя.

Защита от излучения составлена из пластин гидрида лития, за­ ключенных в общую тонкую стальную оболочку, которая предотвра­ щает утечку водорода в космическое пространство. Вес защиты 98 кГ,

последняя ослабляет поток быстрых нейтронов на 4—5 порядков. Вес основных узлов системы:

Генератор СНАП-10А устанавливается в головной части косми­ ческого корабля «Аджена», на котором размещены системы для ди­ станционного запуска установки на орбите по команде с Земли, ап­ паратура для контроля за работой реактора и преобразователя, теле­ метрическая система и другие устройства. Космический корабль «Ад­ жена» с установкой СНАП-10А выводится на орбиту с помощью ра­ кеты-носителя «Атлас».

Во время запуска ракеты силовая установка закрыта аэродина­ мическим обтекателем, который удаляется по окончании работы двигателя ракеты. Термоэлектрический преобразователь окружен тепловой защитой, предотвращающей замерзание жидкого метал­ ла в контуре до пуска реактора. Эта тепловая защита удаляется в момент включения реактора.

Испытания установки СНАП-ЮА. Для получения данных о ра­

боте установки в эксплуатационных условиях были проведены сле­ дующие испытания. Первый опытный образец с электрическим нагре­ вом испытывался в течение 90 суток. Во время этих испытаний ими­ тировались условия космического пространства, ударные нагрузки и вибрации, характерные для запуска ракеты, включение реактора на орбите и ресурсная эксплуатация на полной мощности.

Испытание второго образца с электрическим нагревом по кон­ струкции, аналогичной летному варианту, было проведено в середи­ не 1964 г. В ходе этих испытаний подтвердились результаты, полу­ ченные при испытании первого образца, а характеристики некото­ рых систем оказались даже несколько лучше вследствие усовершен­ ствования их конструкции.