Безопасность транспортировки ядерной энергетической установки транспортного средства

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.78.064:621.039.5

¹ Институт вычислительного моделирования СО РАН

² Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева

³ «Конструкторское бюро «АРСЕНАЛ» им. М.В. Фрунзе»

Безопасность транспортировки ядерной энергетической установки транспортного средства

Доктор техн. наук Г.Г. Крушенко^{1, 2}, В.В. Голованова³

Аннотация

ядерный энергетический радиационный космический

Основным источником энергоснабжения искусственных спутников Земли и космических аппаратов (КА) в настоящее время являются солнечные батареи (СБ). Однако высокоэффективным и стабильным источником энергии могут служить ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Но при этом важнейшим условием их применения является обеспечение радиационной безопасности при хранении в заводских условиях и транспортировке, для чего применяется транспортировочный контейнер. В работе представлена оригинальная конструкция контейнера для ЯЭУ КА, важнейшим элементом которого является металлорезиновый амортизатор, представляющий собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину. Его назначение заключается в уменьшении амплитуды вибраций, что предотвращает контейнер от повреждений при транспортировке.

Ключевые слова: космические аппараты, солнечные батареи, ядерные энергетические установки, контейнер, металлорезиновый амортизатор.

Annotation

Nowadays the main power supply sources of artificial space satellites of the Earth and space vehicles (SV) are solar batteries (SB). However the most effective and stable source of energy can be the nuclear installations (NI). At the same time the most important condition for its use is a supplying of radiation safety by the storage at factory conditions and transportation wherefore the transporting container is used. The original construction of the container for NI SV, the most important element of which is a metallic rubber shock-absorber that is a metallic composite consisted of metallic spiral pressed into rubber is presented in the article. Its destination is in a decreasing of a vibration amplitude that prevents container from damages during transportation.

Key words: space vehicles, solar batteries, nuclear installations, container, metallic-rubber shock-absorber.

Основным первичным источником энергоснабжения искусственных спутников Земли, а также космических аппаратов (КА) в настоящее время являются солнечные батареи (СБ) [1]. Однако по своей физической природе они являются источниками тока с нелинейным и нестационарным внутренним сопротивлением. Кроме того, их характеристики в значительной степени изменяются в процессе эксплуатации: при выходе из тени Земли охлажденные СБ генерируют максимальную энергию, которая с прогревом батареи уменьшается. При этом со временем СБ деградируют от воздействия ионизирующего излучения космического пространства [2]. При этом также существуют сложности раскрытия и обеспечения требуемой ориентации СБ по отношению к Солнцу, что, например убедительно показано в патенте РФ № 2509694 [3], текст которого представлен на 14-ти страницах, включая 3-х рисунков и математических выражений, а формула изобретения изложена на 55 строчках.

Таким образом, в настоящее время существуют проблемы применения СБ в КА, не только, исходя из их «физической» и «механической» специфики, но и при том, что одной из основных тенденций развития ракетно-космической техники является рост эффективности энергетического обеспечения КА.

Анализ альтернативных источников энергии показал, что наиболее высокоэффективным и стабильным источником энергии могут служить ядерные энергетические установки (ЯЭУ) [4, 5]. И работы в этом направлении проводились, как американскими, так и российскими научно-исследовательскими и производственными организациями [6].

Первой в мировой практике экспериментальной ЯЭУ стала разработанная по программе Systems for Nuclear Auxiliary Power [7] американская установка SNAP-10A, размещенная на космическом аппарате Snapshot, который был выведен на орбиту 3 апреля 1965 года. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор успешно проработал 43 дня.

Первый советский спутник типа «УС-А» с ЯЭУ был запущен 3 октября 1970 г. [6]. В качестве энергетической установки КА была использована ЯЭУ БЭС-5 мощностью 3 кВт с термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии. За время серийного производства спутников типа «УС-А» удалось увеличить срок активного существования изделий с 45 до 120 суток, а в дальнейшем до 300 суток, при этом были решены задачи по защите бортовой аппаратуры КА от радиационного воздействия ЯЭУ.

В настоящее время по сообщению директора, генерального конструктора НИКИЭТ (ОАО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля») Ю. Г. Драгунов на состоявшейся в Обнинске с 25 по 27 июня 2014 года конференции, посвященной 60-летию со дня пуска Обнинской АЭС, работы в этом направлении ведутся весьма успешно - к настоящему времени в НИКИЭТ в рамках проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» [8] завершены испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса для космического использования.

Однако при этом важнейшим условием применения КА с ЯЭУ является обеспечение радиационной безопасности [9, 10], и, в частности, этой проблеме уделена целая глава в фундаментальной монографии специалиста в этой области, генерального директора одного из ведущих разработчиков российской космической техники ФГУП «Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.» [11] (Глава 4. Некоторые аспекты эксплуатации космических аппаратов с ядерными энергетическими установками). В общем случае, транспортировке с завода-изготовителя на полигон, предшествует хранение КА и ЯЭУ в заводских условиях. При этом следует исключить отклонения их выходных параметров от паспортных данных, что может быть связано с воздействием окружающей среды и естественными внутренними процессами в отдельных элементах. Это требует выполнения определенных контрольных операций непосредственно перед транспортировкой и, в случае необходимости, проведения соответствующих восстановительных работ вплоть до замены отдельных узлов и агрегатов. В связи с этим хранение и транспортировка КА и ЯЭУ должна осуществляется в герметичных контейнерах повышенной прочности с теплоизоляционным покрытием. Контейнеры необходимо наддувать нейтральным газом, например азотом, что предотвратит окисление элементов изделий, а также уменьшит вероятность пожара в случае разгерметизации жидкометаллических контуров теплоносителя. Требования ядерной и радиационной безопасности во всех случаях остаются неизменными, несмотря на различие в условиях их обеспечения. Так, при перевозках наземными средствами опасными могут быть вибрационные нагрузки, удары, переменные ускорения. При транспортировке на морских или речных судах необходимо принять меры для предотвращения аварийного попадания ядерного реактора в воду. Это требование обусловлено тем, что при падении ЯЭУ в воду возможно появление значительной положительной реактивности. При этом велика вероятность теплового взрыва реактора, при котором суммарная активность продуктов деления станет опасной для населения в районе аварии.

В технической литературе представлено большое количество конструкций таких контейнеров, и работы в этом направлении продолжаются. Важное значение конструкции контейнера можно усмотреть, например, в описании к патенту США № 5438597 [12], изложенного на 18 стр., включая 10 рисунков, в котором в качестве прототипов рассмотрено 25 патентов США и 2 Японии.

Основываясь на анализе патентной и технической литературы была разработана оригинальная конструкция контейнера для ЯЭУ КА [13], схематично представленная на рис. 1.

Рис. 1. Транспортировочный контейнер: 1 - ядерная энергетическая установка, 2 - термосифон, 3 - вентилятор, 4 - металлорезиновый амортизатор, 5 - датчик температуры, 6 - система управления температурным режимом, 7 - система поддержания давления азота, 8 - датчик давления, 9 - газовод, 10 - электронагреватель, 11 - энергетическая установка, 12 - компрессионная холодильная установка [13].

Внутри контейнера, заполненного азотом с давлением 1,2 кг?см², отсутствуют подвижные части, а тепловой поток выносится в газовод 9 с помощью пассивных тепловых труб, выполненных в виде термосифонов 2, где возврат теплоносителя (аммиак NH₃) осуществляется самотеком под действием силы тяжести. Необходимый нагрев для обеспечения температуры в контейнере выше +5⁰С (чтобы не замерз теплоноситель ЯЭУ - эвтектика Na-K) обеспечивается нагревателем 10 по сигналу датчика температуры 5. Питание всех потребителей энергии осуществляется от энергетической установки 11.

При необходимости, охлаждение осуществляется вентилятором 3 обдувающим оребренные конденсаторы термосифонов через испаритель холодильной машины 12.

Система позволяет поддерживать температуру 20±1⁰С, что является комфортными и безопасными условиями транспортировки ЯЭУ.

Система поддержания давления 7 азота внутри контейнера по сигналам датчика давления включает компрессор системы 7, обеспечивая давление порядка 1,1…1,2 кг?см².

Радиационная защита контейнера была выполнена с использованием материалов в виде конструкционных элементов по аналогии с описанными в патенте РФ № 2042984 [14]. Согласно описанию радиационная защита ЯЭУ содержит контейнер (Рис. 2) в виде обечайки 1 с днищами 2 и 3, заполненной монолитным гидридом лития 4, смонтированные на днищах 2 и 3 узлы 5 крепления защиты с другими агрегатами ЯЭУ и силовые элементы 6 внутри монолита, скрепляющие узлы 5 между собой, а также установленные на обечайке узлы 7 крепления коммуникаций установки, на конической обечайке 1 выполнены расположенные вдоль ее образующих зиги 8, а на внутренней ее поверхности в местах расположения узлов 7 установлены крепежные элементы 9, выполненные в виде перфорированных профилированных ребер

Рис. 2. Конструктивная схема радиационной защиты [14]

С целью гарантии надежности космической техники в отношении устойчивости против механических воздействий проводятся специальные испытания [15], включающие испытания на действие статических, ударных и вибрационных нагрузок, куда входит и имитация нагрузок при транспортировании.

В этом отношении следует отметить, что важнейшим элементом конструкции контейнера является металлорезиновый амортизатор 4 (рис. 1), который представляет собой металлокомпозит, состоящий из металлической спирали, впрессованной в резину. Его назначение заключается в уменьшении амплитуды вибраций в широком диапазоне частот за счет трения на поверхностях спирали, что предотвращает контейнер от повреждений при транспортировке.

Литература

1. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения. Красноярск: СибГАУ, 2011. 488 с.

2. Казанцев Ю. М., Гордеев К. Г., Лекарев А. Ф. и др. Токовый преобразователь энергии солнечной батареи в системе электропитания космических аппаратов. Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. № 4. С. 148153.

3. Патент РФ № 2509694 Способ управления ориентацией солнечной батареи космического аппарата с ограничением угла поворота солнечной батареи С1 МПК B54G1/44 Заявка № 2012150757/11 от 28.11.2012 / С. В. Гордийко, Б.Г. Бурдыгов. Бюл. 2014. № 8.

4. Коротеев А. С., Акимов В. Н., Гафаров А. А. Создание и перспективы применения космической ядерной энергетики в России. Полет. 2008. №7. С. 315.

5. Акатов А. А., Коряковский Ю. С. В космос на Атомной тяге. М.: Издательство: АНО «Информационный центр атомной отрасли», 2012. 24 с.

6. Карасев П. А. Ядерные энергетические установки в космосе. Атомная стратегия. 2007. № 4. С. 1617.

7. Schmidt G. SNAP overwiew. General background. February 7. 2011. 78 p. http://anstd.ans.org/NETS2011/Schmidt.pdf. (accessed 14.07.2014).

9. Moracho Ramirez M. J. Nuclear installation safety: International Atomic Energy Agency (IAEA) training programmes, materials and resources. Appendix 3. Infrastructure and Methodologies for the Justification of Nuclear Power Programmes, 2012. P. 919933.

10. Launius R. D. Reacting to nuclear power systems in space: American public protests over outer planetary probes since the 1980s. Acta Astronautica, March-April 2014. Vol. 96. P. 188200.

11. Романов А. В. Теория комплексной оптимизации проектирования космических аппаратов с ядерными термоэмиссионными энергетическими установками. СПб.: ООО «НПО «Профессионал», 2010. 474 с.

12. US Patent 5,438,597 Container for transportation and storage of spent nuclear fuel Appl. № 131,971 Oct. 8, 1993. Int, Cl.⁶ G21F 5/012. Robert A. Lehnert, Robert D. Quinn, Steven E. Sisley, Brandon D. Thomas. Date of Patent August 1, 1995.

13. Двирный В. В., Двирный Г. В., Козлов Д. О. и др. Возможность применения ядерных энергетических установок в космических аппаратах и проблемы транспортировки. Интеллект и наука: Труды XIII Международной молодежной научной конференции. Железногорск: филиал СФУ, 2013. С. 1112.

14. Патент РФ 2042984 С1 МПК⁶ G21D1/00 Тепловая радиационная защита космической ядерной энергетической установки. Заявка: № 5067111/23 от 15.09.1992 / А. С. Воробьев, А. Я. Галкин, А. А. Дубинин и др. Опубл. 27.08.1995.

15. Введенский Н. Ю., Пустобаев М. В. Анализ отработки космической техники на механические воздействия в США, ЕС и РФ. Вопросы электромеханики. 2012. Т. 130. № 5. С. 1926.

Сведения об авторах

Крушенко Генрих Гаврилович, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН, профессор каф. «Двигатели летательной аппаратуры» Сибирского государственного аэрокосмического университета. Тел. 8(391) 290-51-36. E-mail: genry@icm.krasn.ru

Голованова Василина Валерьевна, Ведущий инженер отдела целевых программ ФГУП «Конструкторское бюро «АРСЕНАЛ» им. М.В. Фрунзе», аспирантка Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. сот.: 8 (911) 254-05-92. E-mail: vasilin-a@rambler.ru Размещено на Allbest.ru