5.2 Эксплуатационные режимы и расчетные случаи

На примере реакторов КЯЭУ 2-го поколения рассмотрим режимы работы, на нагрузки которых выполняются прочностные расчеты.

Стационарный форсированный режим (режим повышенной мощности) в течение которого энергоустановка питает, помимо бортовой аппаратуры КА, электроракетные двигатели, обеспечивающие маневрирование на орбитах.

Стационарный номинальный режим это режим когда КЯЭУ, главным образом, снабжает электроэнергией бортовую аппаратуру КА при выполнении КА полетной программы.

Реактор испытывает также нагрузки эксплутационных и технологических режимов: режима пуска, режима останова, режима аварийной ситуации (режим, требующий экстренного останова реактора), режима выведения КА на орбиту, режимов технологических проверок при изготовлении реактора, режимов транспортирования и такелажных работ.

Перейдем к анализу нагрузок, характеризующих те или иные условия эксплуатации реактора.

Форсированный режим в своем начале характеризуется статическим нагружением конструкции при повышенных температурах. Длительность этого режима может составлять порядка нескольких тысяч часов. Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции реактора определяется перепадами температуры и нагрузками от избыточного давления в полостях.

Номинальный режим – основной рабочий режим длительностью до десятков тысяч часов при статическом действии на конструкцию нагрузок от неравномерности температурного поля и перепадов давления в полостях.

Режимы пуска и останова отличаются значительными перепадами температуры по сечениям реактора и его длине, что вызывает значительные температурные напряжения и деформации. Алгоритм пуска (т.е. последовательность изменения рабочих параметров по времени) реактора во многом определяет его НДС. В случае чрезмерного нагружения конструкции на пусковом режиме требуется корректировка алгоритма ориентированного в сторону, например, на увеличение времени запуска, для того, чтобы получить более “сглаженное” НДС.

Поскольку время выхода реактора на режим занимает порядка нескольких часов, то режимы пуска-останова рассматриваются как статические. Прочность конструкции проверяется при максимальном перепаде температуры по длине и радиусу реактора.

Основным требованием к алгоритму штатного или экстренного останова является требование сохранения прочности и герметичности внешней оболочки корпуса реактора, что необходимо для исключения выхода в окружающую среду теплоносителя или радиоактивных материалов. Таким образом, требования по прочности являются определяющими для нагрузок, реализующихся при срабатывании органов регулирования и аварийной защиты в процессе выключения реактора. Для режима останова выполняется расчет на статическую прочность, так-так этот переходный режим не имеет выраженного динамического характера.

Все сказанное в отношении режима останова справедливо и для режима аварийной ситуации.

С двумя последними рассмотренными режимами связаны расчеты динамики стержней безопасности. Прочность элементов этих систем должна обеспечивать надежную фиксацию их в активной зоне реактора, а динамические нагрузки при их введении в АЗ не должны перегружать конструкцию, чтобы, не нарушилась герметичность наружной оболочки корпуса.

Режим выведения КА на орбиту характеризуется действием как статических, так и динамических нагрузок на реактор.

Статические нагрузки – это нагрузки от действия линейных ускорений, которые вызваны маневрированием ракеты-носителя. К динамическим нагрузкам относятся: синусоидальная вибрация в широком диапазоне частот, вызванная работой маршевых двигателей РН, удары одиночного действия от срабатывания пиросредств при разделении ступеней РН и т.п.

К технологическим режимам относятся: автономное транспортирование в пределах предприятия изготовителя, транспортирование в составе КЯЭУ в специальных транспортных контейнерах, различные такелажные работы, в том числе и на стартовой позиции РН.

Особую группу технологических режимов составляют проверки герметичности функциональных полостей и прочности сварных соединений при сборке реактора.

Прочностной расчет для этой группы режимов выполняется на этапе проектирования и имеет целью выбор допустимых значений проверочных давлений, таких чтобы, с одной стороны, не повредить собранную сборочную единицу, а с другой стороны, убедиться в герметичности конструкции и прочности сварных соединений.

В процессе указанных проверок при сборке реактора часто приходится прибегать к такому приему, как предохранение от деформаций (подкрепление специальными технологическими приспособлениями) элементов конструкции в виде пластин и оболочек. Дело в том, что на часть элементов может приходить опасная для них нагрузка, нагрузка вполне допустимая для большинства других деталей в подвергаемой проверке сборочной единице. Такая ситуация обусловлена сложной, разветвленной конструкцией реакторов, особенно термоэмиссионных реакторов-преобразователей.

Для режимов транспортирования и такелажных работ выполняются расчеты на статическую прочность от действия соответствующих перегрузок. Прочность и работоспособность от действия динамических нагрузок, в любом случае, подтверждается соответствующими испытаниями.

На практике объем расчетов может быть сокращен за счет того, что нагрузки некоторых режимов перекрываются нагрузками других режимов, или имеет место нагружение большей длительности, или в целом НДС реактора “жестче”. Однако такое сокращение должно быть обосновано в результате тщательного анализа всех влияющих факторов.