Установка Топаз

Установка Топаз

Быстрое развитие космической техники, рост количества задач, выполняемых косми­ческими объектами, и одновременно их услож­нение выдвинули в число важнейших проблему создания достаточно мощных, обладающих длительным ресурсом и относительно неболь­шой массой энергетических систем для косми­ческих объектов.

Анализ всевозможных источников энергии показал, что начиная с электрической мощнос­ти 5-10 квт и выше при ресурсе один год и более и приемлемых массо-габаритных харак­теристиках наиболее перспективны для этих целей ядерно-энергетические установки с тер­моэмиссионным реактором-преобразовате­лем.

В Советском Союзе впервые в мире была разработана, создана и успешно прошла энер­гетические испытания ядерно-энергетическая установка «Топаз» с термоэмиссионным реак­тором-преобразователем ядерной энергии в электрическую.

Установка Топаз

Рис.30. Реактор-преобразователь "Топаз"

 

При разработке реактора «Топаз» и выборе его параметров учитывалось, что применение термоэмиссионных реакторов-преобразовате­лей наиболее перспективно на космических объектах. Это обстоятельство требует от реак­тора-преобразователя наименьшей массы и максимальной компактности. В связи с этим первые реакторы «Топаз» были выполнены как гетерогенные тепловые реакторы с гидридциркониевым замедлителем. Гидридные замедли­тели дают возможность получить наиболее компактные размеры реактора с учетом необ­ходимости его работы при сравнительно высо­ких температурах активной зоны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытания прошли три образца установки «Топаз». Они показали возможность стабильно­го получения электрической мощности 7- 10 квт. Полученные в процессе испытаний нейтронно-физические, тепловые, электрические и гидравлические характеристики реактора в большинстве своем совпали с расчетными.

Достигнутая в первых испытаниях полезная электрическая мощность реактора-преобразо­вателя «Топаз» 5-7 квт не является предель­ной и в дальнейшем может быть существенно увеличена путем применения перспективных катодных материалов и других мер по улучше­нию эмиссионных характеристик.

Термоэмиссионный способ преобразова­ния — один из наиболее перспективных среди других методов непосредственного преобразо­вания тепловой энергии реакции деления в электроэнергию. Совмещение твэла ядерного реактора с термоэмиссионным преобразова­телем в одном электрогенерирующем канале (ЭГК) позволяет на базе таких ЭГК создать реактор-преобразователь, представляющий со­бой компактный и сравнительно легкий источ­ник электроэнергии. В каждом ЭГК можно со­здать набор последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), что позволяет повысить напряжение на выходных токовыводах ЭГК. За пределами активной зоны реактора -. преобразователя ЭГК могут быть соединены между собой в последова­тельные и параллельные цепи для получения требуемых электрических параметров.

По внешнему виду и конструктивно реактор «Топаз» (рис. 30) не имеет существенных от­личий от обычных ядерных реакторов. Это ре­актор на тепловых нейтронах, активная зона которого состоит из цилиндрических блоков замедлителя — гидрида циркония, в которых по пяти концентрическим окружностям в спе­циальных каналах расположены 79 твэлов стержневого типа с ядерным топливом — дву­окисью урана с 90%-ным обогащением по урану-235.

Активная зона окружена боковым и торце­выми отражателями из бериллия. В боковом от­ражателе расположены двенадцать поворот­ных бериллиевых цилиндров с нейтронопогло-щающими накладками. Цилиндры кинемати­чески связаны в группы и могут вращаться от приводов, расположенных на корпусе реакто­ра. Часть быстродействующих групп цилинд­ров служит аварийной защитой, остальные группы используются в качестве органов уп­равления.

Теплоносителем является эвтектический сплав натрия с калием. Диаметр активной зоны 280 мм, высота 360 мм. Загрузка по урану-235 составляет 12 кг. Предусмотрена возможность работы реактора на тепловой мощности до 220 квт.

Характерная особенность реактора-преоб­разователя «Топаз» — его твэлы, каждый из ко­торых является одновременно и электрогенерирующим каналом.

Электрогенерирующий элемент реактора состоит из двух коаксиально расположен­ных трубок. Внутренняя трубка, выполненная из вольфрамового или молибденового сплава, заполнена таблетками из двуокиси урана. На­ружная поверхность ее служит эмиттером (ка­тодом). Анодом является наружная трубка из ниобиевого сплава. Кольцевой межэлектродный зазор составляет 0,4 мм. Пять таких ЭГЭ рас­положены в одном ЭГК, омываемом снаружи теплоносителем. Для повышения выходного напряжения ЭГЭ соединены друг с другом пос­ледовательно. Электроизоляция элементов от корпуса реактора и между собой выполнена из окиси бериллия. Токовыводы каждого ЭГК выходят в верхнюю и нижнюю коммутационные полости, расположенные за отражателями реактора. Здесь они могут быть соединены в последовательные и параллельные цепи точно так же, как элементы обычных электри­ческих батарей.

Электрическая схема реактора-преобразо­вателя позволяет широко менять выходное напряжение установки в зависимости от тре­бований потребителя.

Часть ЭГК может быть соединена в самостоятельные источники электропитания, например, для обеспечения собственных нужд реактора. Имеется возможность объединения ЭГК в отдельные самостоятельно работающие модули, что способствует повышению надеж­ности и живучести установки как автономного источника питания. Схема позволяет оптималь­но применять ЭГК с катодами, выполненными из различных материалов, и коммутировать ЭГК с учетом изменения поля энерговыделения по радиусу активной зоны.

Для компенсации объемного пространствен­ного заряда в межэлектродном промежутке используются пары цезия. Ионизация цезия в межэлектродных промежутках происходит на горячей поверхности материала. Реактор-пре­образователь имеет систему подачи в меж­электродные промежутки цезия и удаления из реактора паров цезия и газообразных продук­тов деления.

В ФЭИ был сооружен стенд для всесторон­них теплофизических, ядерно-энергетических и электрических исследований и натурных пол­номасштабных испытаний реакторов-преобра­зователей типа «Топаз».

На стенде имеются сборочные участки с нейтронно-физическим, вакуумным, сварочным и контрольно-проверочным оборудованием. Установки испытываются в специальной охлаж­даемой вакуумной камере из алюминия, окру­женной биологической защитой. Съем тепла с установки обеспечивается стендовым жидкометаллическим контуром, часть тепла, сбрасы­ваемая реактором в виде лучистой энергии на стенки камеры, снимается отдельным тепло­обменником. Необходимый вакуум в межэлек­тродных промежутках ЭГК обеспечивается спе­циальной вакуумной системой.

Стенд имеет систему съема информации с установки, включая систему электрических из­мерений, а для обработки и хранения инфор­мации связан с ЭВМ реакторного измеритель­ного центра института.

Три испытанных образца установки «Топаз» принципиально не отличались друг от друга, но задачи перед ними ставились различные. Перед установкой «Топаз-1» была поставлена задача показать принципиальную осуществимость тер­моэмиссионного реактора-преобразователя способность   к   стабильной   работе   как   источника   электропитания,   а   также   возможности   его работы   на   форсированных   режимах.        

На реакторах «Топаз-2» и «Топаз-3» проводились ресурсные испытания,    исследовались динамические характеристики, изучались вопросы подачи паров цезия, постановка реактора под электрическую нагрузку.

Все поставленные задачи были решены. На­ибольший ресурс в режиме генерации элек­трической мощности был у «Топаза-3» — 2600 ч. «Топаз-2» в режиме тепловой мощнос­ти отработал более 5000 ч (из них 1600 ч в ре­жиме генерации электрической мощности).

Таким образом, создание термоэмиссион­ной ядерно-энергетической установки «Топаз» и успешные энергетические испытания трех ее экспериментальных образцов показали воз­можность и перспективность использования термоэмиссионного реактора-преобразователя в качестве автономного источника энергии на длительный ресурс работы.

Такие источники энергии могут найти широ­кое применение для питания аппаратуры искус­ственных спутников системы телевидения и ра­диовещания, автоматических метеорологиче­ских станций и т. д.

Результаты энергетических испытаний реакторов-преобразователей и исследования после испытаний позволяют с уверенностью утверждать, что в составе энергетических установок космических аппаратов они могут эффективно и длительное время работать в качестве     автономного источника   электрической   энергии.