Термоэмиссионная ядерная установка

Описание

Машина может быть использована для широкого круга целей от исследовательских до военных. Она представляет собой беспилотный полностью автономный модуль, способный вести подводную разведку и слежение. Автономность обеспечивается за счёт использования в качестве источника питания термоэмиссионной ядерной установки мощностью 1 МВт. Движущую силу создаёт энергия электромагнитного взаимодействия тяговых секторов с морской водой (или другой проводящей средой).

В основу движения положен принцип, который уже используется сегодня. Примером может служить получение тяги в монорельсовых поездах на электромагнитной «подушке». Разница заключается в том, что, в отличие от поезда, эта машина содержит источник питания внутри себя.

Тяговый сектор

Рис.1. Изображение «Волны»

Аппарат способен активно маневрировать, так как имеет в своём составе восемь независимых тяговых секторов, слитых с корпусом в одну обтекаемую форму.

В состав «Волны» входят следующие основные компоненты:

1. Ядерная установка как главный источник питания

2. Взрывные магнитогидродинамические (МГД) преобразователи как усилители мощности основного источника.

3. Кольцевые маховики как элементы, стабилизирующие всю систему в пространстве.

4. Центробежные нагнетатели как система подачи топлива в МГД-преобразователи.

5. Системы охлаждения и автоматического управления.

Термоэмиссионная ядерная установка

Ядерное топливо может обеспечить достаточно высокие температуры и тепловые потоки, необходимые для нагрева катодов термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), оно не нуждается в окислителе. Главный недостаток ядерного топлива – радиоактивное излучение, сопровождающее «горение», поэтому его использование вызывает необходимость применять защиту, которая ухудшает весовые характеристики. Однако если мощность такой установки достаточно велика, то удельный вес её будет соизмерим с удельным весом современных теплоэнергетических агрегатов.

Принято считать, что энергетические установки типа реактор – термоэмиссионный преобразователь (РТЭП) выгодны начиная с мощности 50 – 100 кВт и выше.

Принципиально возможны три схемы РТЭП.

1. Вариант, по которому термоэмиссионные преобразователи встраивают в объём активной зоны и совмещают с тепловыделяющими элементами.

2. Вариант, по которому термоэмиссионные преобразователи выносят из активной зоны, а их катоды нагревают специальным теплоносителем. Теплоноситель нагревается в реакторе, через который его прокачивают специальными насосами.

3. Вариант с размещением преобразователей на наружной поверхности активной зоны реактора. В этом случае плоские катоды преобразователей нагреваются за счёт теплопроводности через изолирующий подслой от активной зоны.

Сравнение удельных весов трёх конструктивных схем проведено в табл.1.

Таблица 1

Варианты схемы	, ºС	,	Мощность, кВт	Удельный вес,
Встроенный вариант		4,8		4,75 4,48
Выносной вариант		2,4		16,3 6,8 5,9 5,9
Вариант с расположением ТЭП на поверхности активной зоны		7,0		26,2 18,5 26,2

Как видно из таблицы, встроенный вариант имеет наименьшие весовые характеристики по сравнению с остальными, поэтому в дальнейшем ограничимся его рассмотрением.

1 – вход теплоносителя;

2 – электрогенерирующие каналы реактора;

3 – коммутация;

4 – выход теплоносителя;

5 – горючее;

6 – межэлектродный зазор;

7 – катод;

8 – фиксатор;

9 – оболочка канала;

10 – анод;

Рис.2. Конструктивная схема встроенного РТЭП.

Встроенный вариант имеет следующие особенности:

1. Температура катода ограничена допустимой температурой делящегося материала и зависит от его теплопроводности.

2. Для снижения величины критической загрузки реактора необходимо добиться максимальной концентрации делящегося материала. Поэтому все конструктивные элементы, расположенные внутри активной зоны, должны иметь минимальный объём, их материал должен иметь малое сечение поглощения нейтронов.

3. Для такой схемы основная проблема – выброс газообразных продуктов деления (осколков) из межэлектродного зазора. Эти продукты можно накапливать в течение всего времени работы или выбрасывать периодически, для чего конструкция должна быть снабжена соответствующими клапанами.

4. Встроенный вариант РТЭП имеет существенный эксплуатационный недостаток – при уменьшении внешней нагрузки и электронного охлаждения температура катода может повыситься до опасных пределов.

5. Сложной технологической и теплофизической задачей представляется задача коммутации электрогенерирующих элементов во встроенном варианте РТЭП в последовательно-параллельные цепи. Здесь возможно несколько конструктивных решений, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Главное преимущество встроенного варианта – высокая энергоёмкость на единицу веса установки. Кроме того, РТЭП встроенного типа более выгодны термодинамически, так как катоды, расположенные в активной зоне, будут иметь наибольшую температуру по сравнению с любой другой компоновкой при прочих равных условиях.

РТЭП встроенного типа представляют собой набор электрогенерирующих каналов-цилиндров, внутри которых коаксиально размещены тепловыделяющие элементы (горючее), катоды и аноды.

Тепловыделяющие элементы в сумме представляют собой критическую сборку реактора, т. е. его активную зону, от объёма которой зависит мощность РТЭП.

Как и обычные ядерные реакторы, реакторы – термоэмиссионные преобразователи по типу ядерных реакций могут быть разделены на тепловые, промежуточные и быстрые. РТЭП на быстрых нейтронах имеют большую загрузку делящегося материала, поэтому у них лучшие весовые показатели, но больше стоимость.

Электрогенерирующие каналы снаружи активной зоны коммутируются в последовательно-параллельные цепи в зависимости от выбранного выходного напряжения.

Отвод тепла с анодов осуществляется теплоносителем, который циркулирует между реактором и холодильником по замкнутому контуру.

Электричество, вырабатываемое генератором, расходуется по двум основным направлениям: меньшая часть идёт на питание центробежного нагнетателя, большая – на создание тока в МГД – преобразователях. Предполагается, что маховики вращаются в режиме, близком к инерционному, т.е. с малыми потерями на трение, поэтому энергия требуется только для их разгона.

Дата добавления: 2015-11-26