Скачать презентацию Ядерная энергетика в космосе новые возможности новые проблемы Скачать презентацию Ядерная энергетика в космосе новые возможности новые проблемы

Зарицкий Г.А. Ядерная энергетика в космосе.ppt

  • Количество слайдов: 32

Ядерная энергетика в космосе: новые возможности, новые проблемы П. В. Андреев, В. С. Васильковский, Ядерная энергетика в космосе: новые возможности, новые проблемы П. В. Андреев, В. С. Васильковский, А. Я. Галкин, Г. А. Зарицкий, А. М. Никонов ФГУП «Красная Звезда» 1

Настоящий доклад на основе современных разработок и анализа проектных характеристик ЯЭУ, разрабатывавшихся в России Настоящий доклад на основе современных разработок и анализа проектных характеристик ЯЭУ, разрабатывавшихся в России (СССР), дает представление: - о перспективных космических ЯЭУ с различными схемами преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую энергию, которые могут быть востребованы после 2020 г. ; - об их особенностях, преимуществах и проблемах создания. 2

ЗАДАЧИ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ БЛИЖАЙШЕЙ, СРЕДНЕСРОЧНОЙ И ОТДАЛЁННОЙ ПЕРСПЕКТИВЫ Задачи Высокопериодичный радиолокационный контроль объектов на ЗАДАЧИ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ БЛИЖАЙШЕЙ, СРЕДНЕСРОЧНОЙ И ОТДАЛЁННОЙ ПЕРСПЕКТИВЫ Задачи Высокопериодичный радиолокационный контроль объектов на земной поверхности, в воздушном и космическом пространстве Организация сверхскоростной широкополосной связи и ретрансляции сигналов в интересах широкого круга потребителей Фундаментальные исследования космического пространства Создание долговременной лунной базы Межорбитальные буксиры Промышленное производство в космосе Очистка околоземного пространства от космического мусора Межпланетная транспортировка целевых грузов Пилотируемые полёты на Марс Отправка зондов за пределы Солнечной системы Защита Земли от астероидно-кометной Требуемая электрическ ая мощность Период реализации 30… 100 к. Вт до 2020 г. до 500 к. Вт до 2030 г. до 1 МВт и более после 2030 г. 3

НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ Электрическая мощность до нескольких МВт Ресурс до 10 лет Электрическая мощность 3– НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ Электрическая мощность до нескольких МВт Ресурс до 10 лет Электрическая мощность 3– 5 КВт Ресурс до 1 года Термоэлектрическая ЯЭУ «Бук» Термоэмиссионная ЯЭУ «Тополь» 4

РЕЗУЛЬТАТЫ 50 -ЛЕТНЕЙ ИСТОРИИ РАЗРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ В РОССИИ (СССР) Типы ЯЭУ (способы преобразова РЕЗУЛЬТАТЫ 50 -ЛЕТНЕЙ ИСТОРИИ РАЗРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ В РОССИИ (СССР) Типы ЯЭУ (способы преобразова ния энергии) Период разработки/ эксплуатац ии Уровни электрическ ой мощности Термоэлектрически е 1960 -73 гг. / 1975 -87 гг. До 5 -10 к. Вт Получен уникальный опыт многолетней эксплуатации космических ЯЭУ Термоэмиссионные 1960 г. - наст. время / 1987 -88 гг. До 1500 к. Вт Газотурбинн ые (цикл Брайтона) 1970 -е гг. – наст. время До 500 к. Вт Паротурбинн ые 1958 -70 гг. До нескольких Разработана концепция термоэмиссионных ЯЭУ на базе термоэмиссионного реактора со встроенными в его а. з. ЭГК, которая подтверждена созданием и эксплуатацией термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» . Разработаны проекты ЯЭУ с электрической мощностью от нескольких десятков до сотен киловатт Выполнен комплекс фундаментальных и прикладных НИР, позволяющий иметь достоверные оценки перспективных газотурбинных ЯЭУ Разработаны проекты ЯЭУ различного 5 назначения в широком диапазоне электрической мощности (от Достигнутые результаты

УРОВЕНЬ ОБОСНОВАНИЯ И ОТРАБОТАННОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ ЯЭУ Термоэмиссионные ЯЭУ • • • УРОВЕНЬ ОБОСНОВАНИЯ И ОТРАБОТАННОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ ЯЭУ Термоэмиссионные ЯЭУ • • • Высокий уровень проектных проработок Имеется опыт эксплуатации ближайших прототипов на наземном и космическом этапах Номенклатура практически всех конструкционных и специальных материалов освоена или была освоена промышленностью Турбомашинные ЯЭУ • • • Проведены лишь экспериментальные исследования турбогенераторных модулей с ограниченной электрической мощностью. Для большой номенклатуры компонентов в составе различных контуров отсутствует экспериментальная отработка Отсутствует отработанная технология для высокотемпературного реактора и напряжённых элементов турбомашин и генераторов и совместимых с ними систем теплоотвода Отсутствует детальная проработка аппаратуры САУ с учетом современного уровня построения подобных систем космической и реакторной техники газотурбинные ЯЭУ – проработки в целом носят концептуальный характер. По целому ряду основных узлов, так же как и по высокотемпературному реактору, конструкторская проработка отсутствует. Существует производственно-технологическая база для создания турбокомпрессоров паротурбинные ЯЭУ - уровень выполненных ранее проработок соответствовал стадии ЭП, но на меньшие ресурсы. В настоящее время производственно-экспериментальная база и соответствующие технологические процессы, необходимые для создания ПТУ с калием в 6

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ (БЭР) С РАЗНЫМИ ВИДАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 7 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ (БЭР) С РАЗНЫМИ ВИДАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 7

ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЯЭУ Обозначение ЯЭУ Характеристика ЯЭУ-25 Полезная электрическая мощность. к. ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЯЭУ Обозначение ЯЭУ Характеристика ЯЭУ-25 Полезная электрическая мощность. к. Вт: на номинальном режиме на форсированном режиме Теплоноситель системы теплоотвода и его максимальная температура Габариты БЭР, диаметр/длина, м: в стартовом положении в рабочем положении Масса ЯЭУ, кг ЯЭУ-50 ЯЭУ-100 ЯЭУ-250 ЯЭУ-500 ЯЭУ 1000 10… 30 35… 80 40 105 70 150 100 250 150 500 До 1500 сплав натрийкалий, 873 К 3, 7/3, 6 3, 7/22, 6 2000… … 3000 литий, 1173 К 3, 7/4, 0 3, 7/23 3, 7/4, 5 3, 7/28 3, 7/4, 5 4, 0/15 8, 5/31 4200 5600 6500 7250 10000 Стадия разработки эскизный проект (поузловая отработка) Возможные средства выведения (тип ракеты-носителя) Союз-2 (1 б) техническо е предложен ие концептуальный проект Ангара–А 5 Русь. М Ресурс работы ЯЭУ на форсированном режиме - до 1 года, на номинальном режиме - до 10 лет. Масса ЯЭУ определена из условия обеспечения в плоскости стыковки энергетического 8 реакторного блока с приборным отсеком КА интегрального потока нейтронов с энергией более 0, 1 Мэ. В не более 1 х1012 нейтрон/см 2 и дозы фотонов не более 1 х106 рад

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ МОЩНОСТЬЮ 25 – 100 к. Вт (стартовое положение) 9 КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ МОЩНОСТЬЮ 25 – 100 к. Вт (стартовое положение) 9

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ МОЩНОСТЬЮ 25 -100 к. Вт (орбитальное положение) 10 КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ МОЩНОСТЬЮ 25 -100 к. Вт (орбитальное положение) 10

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ МЕГАВАТТНОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 1 – реактор-преобразователь; 2 – радиационная КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ МЕГАВАТТНОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 1 – реактор-преобразователь; 2 – радиационная защита; 3 – компенсационный бак; 4 - агрегатный отсек; 5 – холодильник-излучатель; 6 – рама; 7 – защищаемый отсек 11

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ МЕГАВАТТНОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 1 – реактор-преобразователь; 2 – радиационная КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА БЭР ТЕРМОЭМИССИОННОЙ МЕГАВАТТНОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 1 – реактор-преобразователь; 2 – радиационная защита; 3 – агрегатный отсек; 4 - холодильник-излучатель; 5 – рама 12

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ДЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ И ТУРБОМАШИННЫХ ЯЭУ Значение для термоэмиссионны х ЯЭУ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ДЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ И ТУРБОМАШИННЫХ ЯЭУ Значение для термоэмиссионны х ЯЭУ для ЯЭУ с ГТУ для ПТУ Максимальная температура цикла, С 1500… 1800 900… 1200 1000 Минимальная температура цикла (на выходе ХИ), С 450… 500 (KNa) 700… 750 (Li) 120… 150 600… 900… 1200 1100 эвтектика натрийкалий или литий ксенон + гелий калий 0, 2 1, 6 (4, 0) 0, 45 10… 12 22… 32 Характеристика Температура теплоносителя на выходе из реактора, С Рабочее тело (теплоноситель) энергетического контура Максимальное давление рабочего тела, МПа К. п. д. цикла, % 14… 1613

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЛИТИЯ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ РЕАКТОРНОГО КОНТУРА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ Характерные недостатки использования ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЛИТИЯ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ РЕАКТОРНОГО КОНТУРА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ Характерные недостатки использования газового теплоносителя в реакторном контуре Повышенное давление газа в контуре реактора (до 30… 40 МПа) Следствие Проблема обеспечения работоспособной конструкции реактора при минимальной массе Использование гелия в составе рабочего Охрупчивание конструкционного тела газового контура в реакторе материала реактора при рабочих температурах и флюенсе более 1022 нейтрон/см 2 Повышенный осевой перепад температур Существенное дополнительное по длине активной зоны (до 350 С) нагружение корпусных элементов реактора Пониженная эффективность теплоотдачи Повышенные температуры оболочки к газовому теплоносителю от оболочки твэла и топлива (более, чем на 200 С по твэла сравнению с литиевым теплоносителем). Проблема безопасности при отказе СТО Повышенная пористость реактора, Повышенный объем активной зоны (~ на определяемая требуемым сечением 30% по сравнению с вариантом с каналов газового теплоносителя литиевым теплоносителем) Повышенная чувствительность к «водяному» эффекту в аварийных ситуациях Повышенное сопротивление газового Ограничение КПД ГТУ из-за контура ГТУ за счет составляющей дополнительных потерь давления в реакторного участка контуре ГТУ Определяющее влияние Переразмеренный запас по загрузке теплогидравлических параметров газового топлива. Повышенная пористость а. з. контура на выбор размерности реактора проблема безопасности в аварийных 14 ситуациях (водяной эффект) Большие диаметры трубопроводов для Сложность разводки

РЕАКТОРНЫЙ БЛОК + АГРЕГАТНЫЙ ОТСЕК ТУРБОМАШИННОЙ И ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ Турбомашин ная ЯЭУ Термоэмиссион ная РЕАКТОРНЫЙ БЛОК + АГРЕГАТНЫЙ ОТСЕК ТУРБОМАШИННОЙ И ТЕРМОЭМИССИОННОЙ ЯЭУ Турбомашин ная ЯЭУ Термоэмиссион ная ЯЭУ 15

МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯЭУ (электрическая мощность 500 к. Вт) Параметр Вариант ЯЭУ термоэмиссион газотурбинна паротурбинна МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯЭУ (электрическая мощность 500 к. Вт) Параметр Вариант ЯЭУ термоэмиссион газотурбинна паротурбинна ная я** Масса реакторного блока, кг 1920 910 1500 Масса БЭР, кг 7000 9560 / 7440* 5800 Масса ЯЭУ, кг 7250 10600 / 7940* 6300 Площадь 100 650 150 теплоизлучающей поверхности ХИ, м 2 Габариты БЭР, диаметр / длина, м: в стартовом положении 3, 7 / 4, 0 3, 8 / 18 3, 8 / 15, 5 * Значения при в орбитальном повышенном до 4 МПа/давлении на входе 76 4, 0 15 3, 8 / турбины (в т. ч. / 26 3, 8 положении модулей турбогенераторов 1040 и 290 кг, соответственно) Массы двух **Напряжение переменного тока на клеммах генератора 500… 1000 В 16

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ (стартовое положение) 17 КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ (стартовое положение) 17

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 18 КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННОЙ ЯЭУ (орбитальное положение) 18

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ТУРБОМАШИННОЙ ЯЭУ: ВАРИАНТ С ЖЁСТКИМ ХИ (стартовое КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ТУРБОМАШИННОЙ ЯЭУ: ВАРИАНТ С ЖЁСТКИМ ХИ (стартовое положение) 19

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ТУРБОМАШИННОЙ ЯЭУ: ВАРИАНТ С ЖЁСТКИМ ХИ (орбитальное КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЛОКА КА НА ОСНОВЕ ТУРБОМАШИННОЙ ЯЭУ: ВАРИАНТ С ЖЁСТКИМ ХИ (орбитальное положение) 20

УНИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ЯЭУ ТРЁХ ТИПОВ С МОЩНОСТЬЮ ДО 500 к. Вт И УНИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ЯЭУ ТРЁХ ТИПОВ С МОЩНОСТЬЮ ДО 500 к. Вт И БОЛЕЕ Термоэмиссионные ЯЭУ на основе РП на промежуточных нейтронах (30… 100 к. Вт) Термоэмиссионные ЯЭУ повышенной (более 100 к. Вт) мощности на основе РП на быстрых нейтронах Турбомашинные ЯЭУ Наивысшая степень унификации по всем элементам, включая ЭГК Унификация по принципиальным решениям, по элементам ЭГК и по отдельным узлам ЯЭУ Унификация по всем основным агрегатам натрий-калиевого контура основного ХИ, за исключением промежуточного теплообменника для ГТУ и теплообменника-конденсатора для ПТУ Унификация по конструкционным и специальным материалам, обеспечивающим повышенные температурные уровни в ключевых элементах ЯЭУ (переход на литий-ниобиевую технологию, используемую в конструкции реактора и элементах системы теплоотвода, и переход на более термостойкие виды ядерного топлива и высокотемпературный материал бокового отражателя и гермовводов), модернизация элементов системы теплоотвода. Унифицированное решение по подготовке литиевого контура к пуску реактора, включая, при необходимости, пусковой контур в составе ЯЭУ. Однотипные реактор, генератор и литиевый реакторный контур, включая всю арматуру, за 21 исключением либо газонагревателя для газотурбинного варианта,

ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СОЗДАНИИ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ (общие проблемы) - проблема размещения крупногабаритных БЭР ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СОЗДАНИИ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ (общие проблемы) - проблема размещения крупногабаритных БЭР ЯЭУ в ограниченных габаритах зон размещения полезной нагрузки современных и перспективных средств доставки компонентов космических систем на орбиты их эксплуатации - ограниченность номенклатуры освоенных конструкционных и электротехнических материалов, способных работать в условиях, реализуемых в основных узлах перспективных ЯЭУ - необходимость существенной модернизации производственной и испытательной баз, требуемых для реализации соответствующих типов ЯЭУ - значительный объем расчетно-теоретических и экспериментальных работ, необходимых для реализации новых технических решений, требующих существенных затрат материальных и трудовых ресурсов, а также восстановления высококвалифицированного кадрового потенциала 22

ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СОЗДАНИИ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ (частные проблемы) Термоэмиссионные ЯЭУ большой мощности • ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СОЗДАНИИ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ (частные проблемы) Термоэмиссионные ЯЭУ большой мощности • относительно низкое напряжение постоянного тока на выходе РП • ограничение размерности РП рассматриваемого типа уровнем эл. мощности около 1, 5 МВт из-за снижения эффективности органов регулирования Газотурбинные ЯЭУ • низкотемпературный и, следовательно, крупногабаритный ХИ • плохо освоенный в настоящее время и реализуемый в ХИ этих установок диапазон температур для ТТ - основных теплоизлучающих элементов ХИ современных космических энергоустановок Паротурбинные ЯЭУ • обеспечение работы двухфазной системы в невесомости при необходимом уровне экспериментального обоснования • необходимость серьезных исследований, связанных с обеспечением работоспособности турбины при реально достижимых значениях сухости пара Турбомашинные ЯЭУ • задача создания высокоэффективной САУ, обеспечивающей управление многоконтурной системой на всех режимах космической эксплуатации, включая возможные нештатные ситуации 23

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ЯЭУ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ • По комплексу параметров уверенное преимущество, по РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ЯЭУ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ • По комплексу параметров уверенное преимущество, по крайней мере, до уровня электрической мощности порядка 500 к. Вт за ЯЭУ на основе термоэмиссионного принципа преобразования энергии. • Для уровня мощности от 500 к. Вт и выше по массогабаритным характеристикам преимущество у паротурбинных ЯЭУ. Однако, для них в большей мере утрачена научнотехническая и экспериментально-производственная база. Для принятия решения по выбору ЯЭУ для космических систем мегаваттного уровня необходимо, кроме расчетно-конструкторских проработок, проведение технико-экономических 24

ВЫВОДЫ • В настоящее время в России сохранен стратегический потенциал в области космической ядерной ВЫВОДЫ • В настоящее время в России сохранен стратегический потенциал в области космической ядерной энергетики, на базе которого необходима реализация ОКР по термоэмиссионным ЯЭУ с электрической мощностью до 100 к. Вт. Это позволит объединить вокруг практической задачи усилия специалистов в рассматриваемой области и сконцентрировать необходимые средства на восстановлении в необходимых объемах производственно-экспериментальной базы и кадрового потенциала кооперации разработчиков и изготовителей компонентов ЯЭУ и ЯЭУ в целом (в том числе, на основе привлечения молодых специалистов). • Созданная в рамках указанной ОКР кооперация разработчиков будет в состоянии реализовать в среднесрочной перспективе задачи с уровнем востребованной электрической мощности до 500 к. Вт, базируясь на термоэмиссионном типе ЯЭУ. Среди проблем, которые должны быть при этом решены: создание высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах, высокоэффективного, трансформируемого ХИ большой площади и высокотемпературных конструкционных материалов. Результаты перечисленных работ найдут применение в ЯЭУ различного типа с мегаваттным уровнем электрической мощности по мере появления конкретных задач, требующих энергоисточники соответствующей энергетической размерности. • Обоснованный окончательный выбор типа ЯЭУ для перспективных задач, в том числе, для межпланетных КА, напланетных 25

ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЯЭУ Характеристики термоэмиссионной ЯЭУ предельной электрической мощностью ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЯЭУ Характеристики термоэмиссионной ЯЭУ предельной электрической мощностью 1 МВт (с форсированием до 1, 5 МВт): • Масса ЯЭУ (без САУ) - 9900 кг • Габариты в рабочем (орбитальном) состоянии: длина - 24, 6 м диаметр - 8, 45 м Увеличение электрической мощности термоэмиссионных ЯЭУ более 1, 5 МВт целесообразно только при использовании нескольких РП. Ограничивающий фактор - снижение эффективности расположенных в боковом отражателе органов регулирования (ОР) мощности РП при увеличении размеров активной зоны и необходимость перехода на ОР, расположенные в активной зоне РП, с соответствующим 26 ухудшением условий работы термоэмиссионного

МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКОВ ТКГ С УРОВНЕМ МОЩНОСТИ 250 к. Вт Наименование параметра Габаритная длина, МАССОГАБАРИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКОВ ТКГ С УРОВНЕМ МОЩНОСТИ 250 к. Вт Наименование параметра Габаритная длина, м Наружный диаметр корпуса, м Частота вращения ротора, об/мин Масса, кг Давление перед ЦБК, МПа 0, 8 2, 0 1, 2 0, 7 0, 5 0, 3 36000 57000 520 145 27

ЭТАПНОСТЬ СОЗДАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ Первый этап – до 2020 года • ЭТАПНОСТЬ СОЗДАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ Первый этап – до 2020 года • Реализация ОКР по созданию двух размерностей термоэмиссионных ЯЭУ: ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50 • Разработка ключевых элементов установок на основе трех типов преобразования энергии, ориентируясь на уровень электрической мощности около 500 к. Вт • Базируясь на термоэмиссионном типе ЯЭУ, необходимо основное внимание сосредоточить на освоении высокотемпературной литийниобиевой технологии, реализуемой при создании высокотемпературного реактора. Второй этап – до 2030 года • Разработка 500 -киловаттной ЯЭУ на основе термоэмиссионного РП на базе отработанных к этому времени (в рамках создания ЯЭУ-25 и ЯЭУ-50) решений по термоэмиссионным ЭГК и другим основным узлам ЯЭУ, в том числе на основе использования перспективных материалов и технологий, в частности, в узлах СТО и СР, позволит значительно снизить риск срыва своевременного освоения требуемого энергетического диапазона (до 500 к. Вт) • Параллельно должны быть развернуты работы по турбомашинному варианту ЯЭУ для того же мощностного уровня с использованием технологических наработок, полученных, в том числе, в процессе разработки 500 -киловаттной термоэмиссионной ЯЭУ. Первую стадию работ по турбомашинным ЯЭУ следует посвятить тщательному анализу газотурбинного и паротурбинного вариантов с участием достаточно полной кооперации по этим направлениям, чтобы выбрать из этих вариантов наиболее перспективный, который будет рассматриваться как базовый для многомегаваттных систем. 28 Третий этап – после 2030 года

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯЭУ • • • Высокая автономность всех ЯЭУ в процессе эксплуатациии ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯЭУ • • • Высокая автономность всех ЯЭУ в процессе эксплуатациии при минимуме управляющих воздействий со стороны космической системы Наличие в составе ЯЭУ с реакторами деления ядерного топлива на основе урана-235 не создает проблем для эксплуатации КА на этапах наземной подготовки, кроме требований по постоянному контролю над положением ОР, управляющих реактором, и над радиационной обстановкой в зонах обслуживания и проведения работ с БЭР, содержащим реактор Безопасность космической эксплуатации ЯЭУ обеспечивается выбором соответствующей достаточно высокой орбиты и наличием системы безопасности в составе ЯЭУ Турбомашинные установки: • - наличие возмущающих моментов от раскрутки и вращения роторов агрегатов, входящих в их состав, требует реализации дополнительных решений для их парирования и накладывает ограничения на динамику изменения режимов многомодульных установок; • - ЯЭУ на основе турбомашинных установок более инерционны на переходных режимах работы, чем ЯЭУ с термоэмиссионным преобразованием энергии; • - газотурбинный вариант более чувствителен к радиационному 29 воздействию в том случае, если в составе его основного ХИ будут использованы ТТ с рабочим телом , например, дифенилом,

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТОРОВ С ЛИТИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ДЛЯ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ Тип преобразовате ля ГТУ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТОРОВ С ЛИТИЕВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ДЛЯ ЯЭУ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ Тип преобразовате ля ГТУ ПТУ ТЭП Мощность ЯЭУ, МВт Объём а. з. , л Загрузка топлива, кг тепловая электрическая 25, 5 116 1, 75 0, 5 65 300 3… 5, 2 1… 1, 75 65 300 3, 6 0, 5 91 400 7, 0 152 350 4, 8 0, 5 257 470 10… 15 1, 0… 1, 5 30

ПРОБЛЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОСМИЧЕСКИХ ТУРБОМАШИННЫХ ЯЭУ • Высокотемпературный реактор на быстрых нейтронах, удовлетворяющий требованиям безопасности ПРОБЛЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОСМИЧЕСКИХ ТУРБОМАШИННЫХ ЯЭУ • Высокотемпературный реактор на быстрых нейтронах, удовлетворяющий требованиям безопасности • Высокоэффективные, трансформируемые холодильники-излучатели большой площади • Высокотемпературная долгоресурсная турбина • Долгоресурсный электрогенератор (электродвигатель на пуске) • Высокоэффективное теплообменное оборудование • Высокотемпературные конструкционные материалы • Оптимальные компоновочные решения при использовании агрегатов с широким диапазоном рабочих температур и трубопроводов большого сечения при жёстком ограничении габаритов 31 реакторного блока

УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ • Ресурс работы – до 10 лет (как исходное условие УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯЭУ • Ресурс работы – до 10 лет (как исходное условие при расчёте нейтронно-физических характеристик реактора и радиационной защиты) • Допустимые уровни излучения в плоскости стыковки энергетического реакторного блока с приборным отсеком КА при теневом угле 14° (как исходное условие расчёта массы радиационной защиты): - интегральный поток нейтронов с энергией > 0, 1 Мэ. В - не более 1 1012 нейтрон/см 2 - доза фотонов - не более 1 106 рад • Габариты ЯЭУ в стартовом положении должны определяться возможностью её размещения под обтекателем ракеты-носителя (в рассматриваемом случае – ракета-носитель «Ангара-А 5» ) 32