книги из ГПНТБ / Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с

элементов. Активная зона заключена в корпус и окружена отражателем. В отражателе размещены управляющие стерж­ ни. Все элементы реактора охлаждаются водородом. Во­ дород поступает в сопло, затем проходит отражатель и

Рис. 1.1. Конструкция дви­ гателя ХЕ-1:

двигателя; 6 — корпус двига­

водящая магистраль газа тур­ бины; 14 — регулятор мощности турбины; 15 — отсечной клапан турбины.

поступает в активную зону. Из активной зоны нагретый водород вытекает через сопло, создавая тягу. Параметры рабочего тела в различных точках двигателя при полной мощности приведены на схеме (см. рис. 1.1), номинальная мощность реактора равна 1126 Мет, тяга двигателя — 25 200 кГ. При окружающем давлении 0,08 кГ/см2 и гео-

7

метрической степени расширения сопла е = 10 удельная тяга двигателя равна 715 сек.

На рис. 1.3 приведена структурная схема системы уп­ равления двигателем ХЕ-1. Она обеспечивает запуск дви­ гателя, регулирование на режиме по температуре или мощ­ ности, останов двигателя и его расхолаживание. Кроме того, система управления обеспечивает безопасность работы двигателя. Активная зона атомного реактора двигателя

жение рабочего тела).

ХЕ-1 имеет твердые тепловыделяющие элементы, поэтому температура, до которой может быть нагрето рабочее тело, не может превысить температуру материала тепловыделяю­ щих элементов, чем и ограничивается величина интенсив­ ности подвода энергии к рабочему веществу. Однако ис­ пользование тугоплавких материалов и рабочего вещества

с большой теплоемкостью (например, водорода) позволит »

вышает возможности лучших химических топлив. Этим объясняется интерес к такому типу ЯРД, получивших название ЯРД с твердыми тепловыделяющими элементами

и проходящих в настоящее время стадию интенсивной теоретической и экспериментальной разработок. Примени­ тельно к твердотопливным ядерным ракетным двигателям соотношение (1.2) показывает, что для получения макси­ мально возможной скорости истечения необходимо под­ держивать максимальную температуру тепловыделяющих

8

элементов реактора ЯРД. Температура должна прибли­ жаться к температуре плавления материала твэла. В реак­ торе «Нерва» применяются карбиды урана и циркония, выдерживающие температуру до 3050° С и выше. Тепло­ выделяющие элементы набираются из пористых блоков, имеющих достаточно большую поверхность охлаждения. Насколько близко можно подходить к температурному пределу твэла, зависит, в частности, и от того, как жестко температура реактора ЯРД будет поддерживаться во время переходных процессов. Далее, во время полета ракеты про­ исходит регулирование тяги двигателя в соответствии с про­ граммой полета. Как показывает соотношение (1.1), изме­ нение тяги двигателя естественно производить изменением массового расхода рабочего вещества, а не скорости его истечения, так как иначе снижается удельная тяга и уве­ личивается необходимый запас топлива. Условие под­ держания скорости истечения на прежнем уровне требует при этом сохранения температуры твэла и, следовательно, соответствующего изменения мощности реактора.

Таким образом, система управления ЯРД должна из­ менять тягу двигателя в соответствии с программой полета и поддерживать температуру газа (скорость истечения) на максимальном уровне. Создание системы управления, удовлетворяющей этим требованиям, должно опираться на знание динамических свойств и особенностей ЯРД. Как и в любых других случаях, построению системы управления должно предшествовать изучение ЯРД как объекта управления.

Следует заметить, что подача рабочего вещества в дви­ гатель может определяться турбонасосным агрегатом, ко­ торый приводится в действие либо некоторой частью нагре­ того вещества, отбираемого от основного потока, либо ос­ новным потоком рабочего вещества после предваритель­ ного подогрева. Возможны схемы, в которых поступающий на турбину горячий газ смешивается с холодным для полу­ чения нужной температуры.

Графит твэлов служит одновременно замедлителем. Функцию замедления быстрых нейтронов выполняет также рабочее тело (водород) и в некоторых случаях — специаль­ ные конструкционные элементы. В центре реактора KIWI-A [4] для этой цели помещен цилиндр с циркули­ рующей D20 . Отражатель, поскольку в нем не происходит такого интенсивного выделения тепла, как в твэлах, может состоять из менее теплостойкого материала с хорошими за-

10

ч

ментов реактор ЯРД имеет управляющие элементы (стерж­ ни, барабаны и т. п.), осуществляющие регулировочные операции.

С нейтроннофизической точки зрения перед реактором стоят следующие задачи: 1) обеспечение необходимой мощ­ ности; 2) обеспечение управляемости, т. е. возможности менять при необходимости режимы работы; 3) обеспечение равномерности тепловыделения по сечению активной зоны. Последнее требование возникает из-за того, что профиль нейтронного потока в реакторе не равномерен, а имеет вид «усеченной» синусоиды с всплесками на границе с отра­ жателем [5]. Выравнивание тепловыделения достигается не­ равномерным насыщениём твэлов ураном. Так как тепло­ выделение пропорционально произведению плотности пото­

то желаемый эффект может быть достигнут. При изменении режима работы в небольших пределах распределение ней­ тронного потока, т. е. сама функция ср (г, х), будет изме­ няться почти конгруэнтно 15], и, таким образом, заметных искажений в работе реактора не будет.

Дополнительное требование к нейтроннофизическим свойствам реактора — его устойчивость. Она может быть следствием наличия в реакторе отрицательного мощностного или температурного эффекта реактивности ( — öökidT) или ( — dèk'dN). Наличие эффектов такого рода иногда может быть достигнуто соответствующими конструктивными мерами, но чаще является результатом свойств материалов и конструкции активной зоны.

Отрицательные эффекты реактивности возникают по ряду причин. Во-первых, эффекты возникают вследствие того обстоятельства, что сечение поглощения нейтронов убывает с температурой [5]. Во-вторых, размеры актив­ ной зоны при увеличении температуры изменяются из-за

В-третьих, в ЯРД при увеличении температуры активной зоны уменьшается плотность находящегося в ней рабо­ чего тела, что ухудшает замедление нейтронов и приводит опять-таки к падению реактивности.

11

С точки зрения термодинамики реактор ЯРД представ­ ляет собой в высшей степени напряженную тепловую машину. Это является следствием двух основных требова­ ний, предъявляемых к нему: 1) в реакторе ЯРД рабочее тело должно нагреваться до максимально возможной тем­ пературы; 2) реактор ЯРД должен иметь минимальный вес и объем (последнее облегчает его лучевую защиту).

Вообще говоря, получение наивысшей температуры

облик и выдвигает пределы и ограничения в его работе, ко­ торые и ставят задачи для системы управления и опреде­ ляют смысл и характер ее работы.

Итак, видим, что в твердотопливном ЯРД достижимы скорости истечения до 10 кмісек. Дальнейшее повышение скорости истечения возможно только путем перевода ак­ тивной зоны реактора в расплавленное состояние. При этом предлагается [6, 7] решить проблему формирования активной зоны вращением ее корпуса со скоростью несколь­ ко сот оборотов в минуту (рис. 1.4). Такой скорости вра­ щения достаточно для удержания формы активной зоны при любых практически достижимых ускорениях корабля. Отвод тепла может быть организован путем барботирова-

12

ния пузырьков газа через расплавленное делящееся веще­ ство. При этом возникает проблема сепарации и удержания в реакторе активного вещества, увлеченного газом из рас­ плава, так как потеря его, даже незначительная, обойдется слишком дорого. Эта проблема — разделение активного и рабочего веществ перед истечением последнего через сопло двигателя — основная для двигателей с жидкой активной зоной. Предельно достижимая температура в реакторе с жидкой активной зоной 4500°К, т. е. на 1000 градусов боль­ ше, чем в реакторах с твердой активной зоной. При этом получается заметный выигрыш в скорости истечения и удельной тяге двигателя (до 15— 16 км/сек или до 1500 сек по удельной тяге).

Технические трудности, связанные с реализацией жид­ кофазного реактора, весьма велики. В настоящее время такие двигатели прорабатываются теоретически. Напри­ мер, в работе [7] дается проект жидкофазного реактора для ЯРД с тягой 44 Т и удельной тягой 1200 сек, темпера­ турой рабочего тела 3700—3900°К, давлением 100—200 атм.

Вполне естественное стремление к созданию ядерных ракетных двигателей с большим удельным импульсом и высокой абсолютной тягой приводит к необходимости рас­ смотрения реакторов, в которых ядерное горючее находится в газовой фазе. Уже в первых работах, посвященных ис­ пользованию ядерной энергии в ракетных двигателях [8, 9], делается вывод о перспективности ЯРД с газофаз­ ной активной зоной.

yS Если бы удалось создать такую схему реактора, в кото­ рой температура потока рабочего тела совершенно не ли­ митировалась бы свойствами конструкционных материалов, то возможная удельная тяга могла бы достичь величины порядка 20 000 сек [10]. Однако обычно в большинстве схем доля тепла, выделяющаяся в конструкционных материалах реактора, составляет примерно около 10% [11]. Отсюда следует, что температура рабочего тела, как правило, не может более чем в десять раз превышать максимально до­ пустимую для конструкционных материалов температуру. Это ограничивает реальную величину удельной тяги, кото­ рая в результате не может быть, по-видимому, больше 3000 сек. Проблемы газофазного реактора требуют разре­ шения вопросов, относящихся к такой его газодинамической схеме, в которой наряду с созданием условий критичности обеспечивается надлежащий теплообмен между ядерным горючим и рабочим телом, высокая степень удержания ядер­

13

ного горючего и получение необходимых двигательных характеристик. По расчетам работы [111 условия критич­ ности требуют наличия в реакторе сравнительно высоких давлений — до 500—1000 атм. При этом характерные тем­ пературы получаются на уровне 1ч-5 103°К. Разумеется, что ядерное горючее должно быть в этих условиях отделено от стенок более холодными слоями рабочего тела.

Наиболее простая схема газофазного реактора — схема с полным смешением [12] представлена на рис. 1.5. Однако

Рис. 1.5. Схема полного смещения:

/ —замедлитель-отражатель; 2 — сопло; 3 — активная зона.

в чистом виде она не хороша из-за большого выноса деля­ щегося вещества. Если ввести понятие коэффициента раз­ деления, который представляет собой отношение расхода вынесенного делящегося вещества к его общему расходу

[6, 9]

то перспективными газофазными ЯРД, по мнению боль­ шинства авторов, следует считать только такие, для кото­ рых по крайней мере К = 10~3 -f- 10-4. Добиться такого высокого коэффициента разделения можно несколькими способами, в связи с чем разработки схем газофазных реак­ торов велись по нескольким направлениям [2, 12].

Механические способы разделения делящегося вещества

ирабочего тела с помощью твердых достаточно прозрачных

иохлаждаемых стенок. Схемы реакторов подобного типа показаны на рис. 1.6 и 1.7 [12—14]. Во всех случаях этих схем механизмом теплообмена ядерного горючего и рабо­ чего тела должно быть излучение, свободно проходящее

14

через твердую прозрачную стенку. Эта стенка либо час­ тично, либо полностью отделяет зону ядерного горючего от зоны рабочего тела. Прозрачная ампула расположена коаксиально по отношению к потоку рабочего тела и

Рис. 1.6. Коаксиальная схема с прозрачной стенкой:

1 — замедлитель-отражатель; 2 — прозрачная стенка; 3 — активная зона; 4 — сопло.

охлаждается газом (неоном). В схеме предусматривается се­ парация смеси ядерного горючего и охлаждающего ампулу газа. Рабочее тепло — водород. Ожидаемые параметры по удельной тяге около 1870 сек, давление 500 атм.

f Рис. 1.7. Схема с прозрачной стенкой и вихревой стабилизацией:

/— замедлитель-отражатель; 2 — прозрачная стенка; 3 — активная зона с вихревой стабилизацией; 4 — сопло.

Схемы с прозрачными стенками и проблемы, связанные с ними, рассматривались в ряде работ [13— 14]. Однако трудности материаловедческого и инженерного характера по обеспечению достаточной термопрочности, защиты и прозрачности стенок ампулы весьма велики.

15

Гидродинамические способы разделения ядерного горю­ чего и рабочего тела привели к созданию схем с вихревым и коаксиальным течениями. В схемах этого типа перего­ родка между ядерным горючим и рабочим телом отсутст­ вует, так что некоторое смешение этих тел неизбежно.

Идея вихревого удержания ядерного горючего (рис. 1.8) состоит в создании в полости реактора кольцевого вихря

А-А

Рис. 1.8. Вихревая схема:

реакторной полости с тангенциальной закруткой, проходит зону вихря ядерного горючего, нагревается и истекает по центральной части полости и через сопло.

Модификации этой схемы различаются тем, что через зону вихря подается иногда не все рабочее тело, а только часть его, закрутка вихревой зоны горючего вызывается взаимодействием электрического тока в газе с магнитным полем [16, 17] или для лучшей защиты стенок применяется пылевой экран [18]. В схемах с коаксиальными течениями высокий коэффициент разделения ядерного горючего и ра­ бочего тела может быть достигнут различными способами.

16