Перспективные ЯЭУ на основе литий-ниобиевой технологии

С целью выбора схемы и параметров перспективной космической ЯЭУ большой мощности (сотни и тысячи киловатт) были выполнены проектные сравнительные исследования нескольких типов ЯЭУ [53]:

· паротурбинные с использованием паров калия, натрия и лития;

· газотурбинные на основе инертных газов: гелия, неона и аргона;

· с непосредственным преобразованием тепловой энергии деления ядер урана в электроэнергию в термоэмиссионном реакторе-преобразователе.

Результаты анализа показали, что наиболее перспективной для этих мощностей является ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем на основе литий-ниобиевой технологии, так как тепловая и электрическая схемы ее отличаются простотой, отсутствием движущихся частей, относительно простым запуском и остановом, более высокой по сравнению с другими установками температурой отвода отбросного тепла и, соответственно, более компактным холодильником - излучателем. Это определило выбор ЯЭУ с ТРП в качестве источника электроэнергии для ядерной ЭРДУ и энергоемких КА [53].

Был разработан эскизный проект ядерного электрореактивного двигателя ЯЭРД-2200 для межпланетного корабля с экипажем [54]. Основные особенности ЯЭРД-2200:

· двухблочная схема двигателя (два независимых блока с ЯЭУ и ЭРДУ с полезной электрической мощностью 2200 кВт в каждом) с суммарной тягой 8.3 кг;

· использование ТРП на быстрых нейтронах;

· применение лития как теплоносителя ЯЭУ и рабочего тела электроплазменного двигателя (ЭПД);

· лучевая схема компоновки с теневой биологической радиационной защитой минимальной массы;

· применение тугоплавких делящихся (UO₂, UC), термоэмиссионных электродных (W, Mo), конструкционных (Nb и его сплавы), электроизоляционных (Al₂O₃), магнитных и других материалов, работающих при предельных гомологических температурах, при которых происходит отжиг радиационных дефектов;

· применение электроплазменного двигателя с ускорением плазмы в собственном магнитном поле с удельным импульсом 5500 с при к.п.д. 0.55.

В дальнейшем основные работы были сосредоточены на разработке одноблочной термоэмиссионной ЯЭУ. Результатом этих исследований явилась корректировка приемлемого уровня электрической мощности термоэмиссионной ЯЭУ до 500-600 кВтЭл и целесообразность использования её в качестве источника электрической энергии для маршевых плазменно-ионных электроракетных двигателей.

Проведена проектная разработка ядерного электроракетного межорбитального буксира (МБ), получившего название "Геркулес" [55]. Основные технические характеристики МБ следующие:

· полезная электрическая мощность ЯЭУ – 550 кВтЭл;

· удельный импульс ЭРДУ – 3000 с;

· тяга ЭРДУ – 2.6 кг;

· ресурс ЯЭУ и ЭРДУ – 16000 ч;

· рабочее тело ЭРДУ – ксенон;

· масса (сухая) буксира – 15700 кг.

Рассмотрен также двухцелевой вариант этой установки: доставка КА на энергоемкую орбиту при мощности 550 кВтЭл и работа в режиме пониженной мощности на уровне 50…150 кВтЭл в течение 3-5 лет.

Для обоснования параметров этих установок созданы уникальные материаловедческие, технологические, производственные и экспериментально - испытательные базы.

В результате большого объема проектных, технологических и экспериментально-испытательных работ была полностью сформирована концепция перспективной космической ЯЭУ на основе Li-Nb технологии, действующая и в настоящее время, характеризуемая следующими принципиальными техническими и технологическими решениями [55,56]:

· использование ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим нейтроны отражателем, в ЭГК которого в качестве эмиттерных оболочек используются упрочненные легированные монокристаллы вольфрама;

· применение высокотемпературной одноконтурной системы охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется расплавленный, практически не активируемый, изотопно чистый литий-7;

· отвод непреобразованной теплоты термодинамического цикла через поверхность холодильника-излучателя, который сформирован из ниобиевых тепловых труб с натрием в качестве рабочего тела;

· использование во всей конструкции ЯЭУ (включая корпуса электрогенерирующих каналов, конструкцию реактора и конструкцию системы охлаждения) единого тугоплавкого конструкционного материала – ниобиевого сплава, допускающего значительно более высокие рабочие температуры по сравнению с жаропрочными сталями, что позволяет уменьшить габариты и массу установки;

· применение модульной структуры ЯЭУ, что обеспечивает большую гибкость в отработке и изготовлении ЯЭУ;

· использование лучевого принципа компоновки ЯЭУ с применением многослойной теневой радиационной защиты.

В последние годы в складывающейся экономической обстановке в России выбран новый типоразмер ЯЭУ и соответственно ЭРДУ с уровнем электрической мощности до 150 кВтЭл и большая часть проектных и практически все экспериментально-испытательные работы концентрировались на этой установке.

Преимущества этой установки следующие [55]:

1) ЯЭУ мощностью до 150 кВт может быть отработана на существующей стендово-испытательной базе без нового капитального строительства (с заменой или модернизацией испытательного оборудования);

2) модульная концепция ЯЭУ и ЭРДУ позволяет уже в настоящее время проводить отработку практически всех узлов, агрегатов и модулей ЯЭУ без привязки к конкретному изделию;

3) рассматриваемая ЯЭУ с соответствующей ЭРДУ может быть эффективно использована для решения большинства космических задач.

Одновременно с работами по ЯЭУ мощностью 150 кВтЭл выполнялись работы по ядерному энергодвигательному блоку (ЯЭДБ) для обеспечения пилотируемой экспедиции на Марс [57]. Исследованы однопусковая, двух и более пусковые схемы экспедиции. Применительно к Марсианскому экспедиционному комплексу (МЭК) массой 150 т для однопусковой схемы требуется термоэмиссионная ЯЭУ электрической мощностью 5…10 МВтЭл с ресурсом до 1.5 лет, а для разделенной схемы - мощностью 1…1.5 МВтЭл с ресурсом до 3 лет.

В процессе работ по космическим ЯЭУ большой мощности по литий-ниобиевой технологии решен целый ряд наукоемких проблем, которые в совокупности позволяют сделать вывод о том, что в России создан научно-технический, материаловедческий и технологический заделы по новому перспективному направлению космической техники - энергодвигательным блокам и электроракетным транспортным аппаратам.

Дата добавления: 2015-05-08