ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЯЭУ С ВЫНЕСЕННЫМИ ИЗ РЕАКТОРА СИСТЕМАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Как отмечалось выше, в настоящее время проводятся исследования перспективных космических ЯЭУ, которые будут использоваться в составе транспортно-энергетических модулей для доставки и энергообеспечения КА, расположенных на геостационарной или других высоких орбитах. ЯЭУ, которые предназначены для решения этих задач, должны обладать следующими базовыми характеристиками:

· в режиме транспортировки КА на орбиту электрическая мощность 100-400 кВт в течение от 0.5 до 1 года;

· в энергетическом режиме обеспечения спецаппаратуры КА на орбите электрическая мощность 50-200 кВт с ресурсом работы 10-20 лет.

Важнейшим требованием к этим ЯЭУ является требование обеспечения их длительной работоспособности в течение длительного ресурса 10…20 лет. В этом случае их коммерческая привлекательность становится очень высокой. Для того чтобы удовлетворить вышеназванным параметрам по электрической мощности и ресурсу, необходимо перейти к новым подходам к формированию облика создаваемых установок. Эти подходы заключаются в соблюдении ряда принципов, которые должны быть выполнены при разработке ЯЭУ [45]:

· резервирование элементов, наиболее подверженных ресурсной деградации (в первую очередь - систем преобразования энергии);

· комбинация различных схем преобразования ядерной энергии в электрическую на разных режимах;

· снижение внутренних параметров систем преобразования энергии (в первую очередь - максимальной температуры) при сохранении заданных выходных характеристик за счет применения эффективных материалов;

· отработка элементов и узлов преимущественно во внереакторных условиях.

Следование этим принципам (всем или большинству) может позволить решить задачу обеспечения длительных ресурсов.

Соблюдение принципа резервирования приводит к концепциям ЯЭУ с вынесенными из реактора системами преобразования, аналогичными, например, ЯЭУ «Бук». Для установок с встроенными в активную зону преобразователями энергии (электрогенерирующие каналы ЯЭУ «Топаз», «Енисей» и т.д.) необходимо резервировать весь реактор, что нецелесообразно.

Наряду с созданием ЯЭУ термоэмиссионного типа ЯЭУ-25, ЯЭУ-50, ЯЭУ-100 и др., в настоящее время проводятся исследования перспективных установок с вынесенными из реактора преобразователями энергии, отвечающие вышеперечисленным принципам.

Космическая ЯЭУ «БУК-ТЭМ» [45,46] является двухрежимным источником электрической энергии, обеспечивающим «самодоставку» КА с радиационно-безопасной стартовой орбиты (РБСО) на геостационарную орбиту при помощи ядерной электроракетной двигательной установки (транспортный режим работы ЯЭУ) и электропитание систем КА на ГСО (энергетический режим работы ЯЭУ).

Электрическая мощность на транспортном режиме работы - не менее 100 кВт, время работы - до 1 года.

Электрическая мощность на энергетическом режиме работы не менее 50 кВт, время работы - 10 лет и более.

Вывод ЯЭУ на геостационарную орбиту производится в 2 этапа:

1) вывод на РБСО высотой 800…1000 км осуществляется ракетой-носителем типа «Протон» или «Ангара» с последующим довыведением с помощью разгонного блока на основе жидкостного ракетного двигателя;

2) запуск ЯЭУ на РБСО и вывод с помощью транспортно-энергетического модуля космического аппарата на ГСО.

Возможен также раздельный вывод транспортно-энергетического модуля с ЯЭУ и модуля полезной нагрузки на радиационно-безопасную орбиту, стыковка на ней обеих частей космического аппарата и последующее достижение ГСО с помощью ТЭМ.

ЯЭУ «БУК-ТЭМ» является развитием установок «БУК» с термоэлектрическим преобразованием энергии, вынесенным из активной зоны. Принципиальное отличие ЯЭУ «БУК-ТЭМ» заключается в использовании в термоэлектрическом генераторе (ТЭГ) высокотемпературных кремний-германиевых батарей радиально-кольцевой (трубчатой) геометрии [47,48] и резервирование блоков ТЭГ.

Применение перспективных батарей новой конструкции и резервирование позволяет получить существенно более высокие ресурсные и лучшие массогабаритные характеристики.

Система преобразования ЯЭУ «БУК-ТЭМ» состоит из 6 блоков ТЭГ, которые могут включаться или все одновременно, или в необходимой комбинации путем подачи теплоносителя в соответствующие блоки. На транспортном режиме работы включены все 6 блоков ТЭГ, которые обеспечивают выходную электрическую мощность не менее 100 кВтЭл. После выхода КА на рабочую орбиту ЯЭУ переводится в режим питания аппаратуры. В этом режиме электрическая мощность должна быть не менее 50 кВтЭл. При этом работают 4 блока ТЭГ, остальные находятся в резерве и подключаются по мере отказа или ухудшения параметров ниже требуемого уровня.

Схема потоков теплоносителя двухконтурная. Тепловая энергия от реактора к ТЭГ переносится потоком теплоносителя 1 контура. Сбрасываемое тепло термодинамического цикла отводится от ТЭГ на холодильник-излучатель потоком теплоносителя 2 контура. Теплоноситель 1 и 2 контуров - натрий (разрабатывается также проект ЯЭУ на те же выходные параметры с литиевым теплоносителем).

Холодильник-излучатель - раскладывающийся с двусторонней излучающей поверхностью.

Следование принципам комбинирования систем преобразования и их резервирования заложено в концепцию ЯЭУ «ТЭМБР-М» с комбинированным преобразованием энергии [49,50].

Поиск новых схем для обоснования технических решений и проектных характеристик двухрежимной космической ЯЭУ, предназначенной для работы в составе ТЭМ, проводился с учетом необходимости удовлетворения противоречивых требований по возможности работы в двух существенно различающихся по мощности и ресурсу режимах:

· транспортном - с электрической мощностью до 400 кВт и временем работы 0.5 года;

· энергетическом - с электрической мощностью не менее 180 кВт и ресурсом 15-20 лет.

Новая схема ЯЭУ разрабатывается в виде единой теплотехнической схемы и двух типов преобразователей ядерной энергии в электрическую: термоэмиссионного - на встроенных в активную зону электрогенерирующих каналах и размещенных вне реактора блоках термоэлектрического генератора, аналогичных ТЭГ ЯЭУ «БУК-ТЭМ». Преобразователи функционируют последовательно во времени: термоэмиссионный обеспечивает питание электроракетных двигателей в процессе транспортировки КА на ГСО, термоэлектрический обеспечивает питание аппаратуры КА во время функционирования на ГСО.

Рассматривается следующая схема технической реализации принципа построения двухрежимной ЯЭУ. Термоэмиссионный реактор-преобразователь проектируется как мощный источник электроэнергии для ограниченного по времени транспортного режима (ЭГК на ресурс полгода с требуемыми удельными электрическими характеристиками ~ 5 Вт/см² отработан в петлевых испытаниях на исследовательских реакторах) и одновременно, как длительный (на полный срок функционирования КА) источник тепловой энергии.

Термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую на основе кремний-германиевых батарей радиально-кольцевой геометрии размещается вне ТРП в виде автономных модулей. Набор длительного ресурса (до 15-20 лет) обеспечивается за счет работы ТРП как источника тепловой энергии и резервирования блоков ТЭГ. При этом термоэмиссионные ЭГК после выполнения транспортной задачи как источники электроэнергии «выключаются», то есть переводятся в режим обычных твэлов - источников тепла.

Комбинирование двух типов преобразовательной системы достигается за счет специальной теплогидравлической схемы ЯЭУ. Система охлаждения ТРП (1 контур) разветвляется на 2 петли, в составе каждой имеется электромагнитный насос. В термоэмиссионном режиме теплоноситель первого контура направляется в тракт холодильника-излучателя, в термоэлектрическом - к горячим спаям ТЭГ. Для охлаждения холодных спаев термогенератора служит второй контур охлаждения, доставляющий сбрасываемую теплоту в холодильник-излучатель. Насос 2 контура включается при переключении системы в термоэлектрический режим.

Для создания мощного ТЭМ с параметрами, аналогичными транспортно-энергетическому модулю с ЯЭУ «ТЭМБР-М» (в транспортном режиме 400 кВтЭл, время работы - 0.5 года; в энергетическом режиме - 180 кВтЭл, ресурс - 15-20 лет), прорабатывается также термоэмиссионная ЯЭУ «Эльбрус» [51, 52]. Однако в отличие от традиционной концепции термоэмиссионных установок типа «Топаз» со встроенными в активную зону ЭГК в ЯЭУ «Эльбрус» термоэмиссионные преобразователи вынесены из реактора. Такой подход позволяет разработчикам разделить задачи испытания реактора и собственно ЭГК, экспериментальное подтверждение ресурсной стабильности выходных электрических характеристик которых возможно в процессе их испытаний на стендах с электронагревом. Для выноса тепла из активной зоны реактора и доставки его термоэмиссионному преобразователю использованы высокотемпературные тепловые трубы. Однако возможность достижения и сохранения в течение длительного ресурса термоэмиссионной ЯЭУ требуемых электрических характеристик и к.п.д. будет в значительной мере зависеть от снижения рабочей температуры эмиттерной оболочки при сохранении к.п.д. 10% и более. Это достигается за счет применения эффективных материалов на эмиттере и коллекторе многоэлементного электрогенерирующего канала, позволяющих получить высокий к.п.д., при пониженных (~ 1600 К) рабочих температурах эмиттерной оболочки.

Вынесенный из реактора термоэмиссионный электрогенерирующий модуль содержит в себе многоэлементный ЭГК, состоящий из эмиттерного и коллекторного узлов. В модуль входит также высокотемпературная тепловая труба, испарительная зона которой погружена в активную зону реактора на полную высоту. На конденсационной части тепловой трубы расположен ЭГК.

Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль прорабатывается в варианте с резервированием электрической мощности. Резервирование достигается с помощью разбиения зоны термоэмиссионного преобразования на две равные части. С помощью газорегулируемых тепловых труб возможна как одновременная работа термоэмиссионных преобразовательных зон ЭГК, так и поочередная каждой из них. Резервирование электрической мощности увеличит надежность и ресурс работы космической ЯЭУ.