Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной конференции
УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КАНАЛА
Лазаренко Д.Г.
Обнинский государственный технический университет атомной энергетики
Развитие программы космических исследований, возможности и качество ее реализации зависят от масштабов энергоснабжения бортовой аппаратуры космических аппаратов. Появление нового комплекса космических задач ставит вопрос о создании энергетических установок большей мощности [1]. Разрабатываемые в настоящее время космические ядерные энергетические установки (КЯЭУ) с термоэмиссионным преобразованием энергии способны перекрыть весь необходимый мощностной диапазон с приемлемыми эксплуатационными показателями. До настоящего времени только термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепловой энергии в электрическую были и остаются единственными, прошедшими не только все стадии НИОКР, но и получившими реальный опыт использования в составе КЯЭУ [2-5].
Применение высокоэффективных низкотемпературных пар электродных материалов совместно с динамической подачей паров цезия в межэлектродный зазор привело к росту электродного к.п.д. ТЭП с 7% («ТОПАЗ») до уровня 25% [6], что позволяет рассматривать возможность не только космического, но и наземного применения ТЭП. Так, в ГНЦ РФ-ФЭИ, разработана концепция автономной атомной теплоэлектростанции малой мощности (2 МВт эл.) с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую, отличающейся малым объемом капитального строительства, высокой внутренней безопасностью и надежностью, высокой степенью заводской готовности и простотой в эксплуатации [7,8].
Основным элементом реактора термоэмиссионной ЯЭУ является электрогенерирующий канал (ЭГК), который, как правило, конструктивно представляет собой цилиндрическую сборку последовательно соединенных однотипных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), заключенных в общий корпус. В свою очередь, каждый ЭГЭ состоит из собственно ТЭП, топливного сердечника и коммутационной перемычки, соединяющей его с соседним ЭГЭ. ТЭП состоит из двух тонких коаксиально расположенных цилиндрических электродов, разделенных межэлектродным зазором (МЭЗ), который в рабочем состоянии заполнен парами цезия при давлении несколько мм рт.ст. Внутренний электрод (эмиттер) разогрет до высокой температуры (1300-1800 К) тепловыделением топливного сердечника. Тепло с эмиттера посредством теплового излучения, теплопроводности через пары цезия, а также за счет переноса электронов термоэмиссии (электронного охлаждения) передается с эмиттера на внешний электрод – коллектор (температура 700-900 К), с которого через слой электроизоляции и металлический корпус снимается теплоносителем.
Обычно тепловой и электрический расчет ЭГК проводится с целью получения таких его характеристик, как изомощностная вольтамперная характеристика при заданной тепловой мощности и давлении паров цезия, а также зависимости его электрической мощности и к.п.д. от тока или напряжения [9].
Цель работы — создание адекватной математической модели для расчета теплоэлектрофизических характеристик электрогенерирующих каналов цилиндрической геометрии термоэмиссионных реакторов-преобразователей. Анализ используемых в настоящее методик расчета характеристик ЭГК показал их ограниченную применимость, так как в заложенной в них математической модели рассматривается только термоэмиссионная электродная пара при недостаточно корректных допущениях о температурном поле коллектора.
Такие методики не позволяют выполнять расчет температурных полей в конструктивных элементах ЭГЭ (кроме эмиттера). Предлагаемая в работе математическая модель ЭГЭ, включает уравнения теплопроводности для всех конструктивных элементов ЭГЭ/ЭГК и может быть использована для расчета полей температур в конструктивных элементах ЭГК и потенциалов на электродах. Кроме того, предложенная методика позволяет проводить вариантные расчеты, в том числе для оптимизации выходных электрических характеристик ЭГК.
Выполнен ряд тестовых расчетов теплоэлектрофизических характеристик ЭГЭ/ЭГК сложной геометрии с использованием предложенной модели. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными по другим методикам (в пределах принятых в них ограничений) и с экспериментальными данными.
Литература
1. Коротеев А.С. Анализ перспективных космических задач и место ядерных энергодвигательных установок в их решении / Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе-2005» (Москва-Подольск, 2005): Сб. докл. – Т.1., –с.1?7.
2. Грязнов Г.М., Пупко В.Я. «Топаз-1». Советская космическая ядерно-энергетическая установка // Природа. –1991. –Вып.10. –с.29-36.
3. Ponomarev-Stepnoi N.N., Talyzin V.M., Usov V.A. Russian Space Nuclear Power and Nuclear Thermal Propulsion Systems // Nuclear News. –2000. – p.33-46.
4. Truscello V.C. SP-100 Power System / Отраслевая юбилейная конференция «Ядерная энергетика в космосе» (Обнинск, 1990): Сб. докл. – Ч.2., – с.497-512.
5. Зродников А.В., Забудько А.Н., Дубинин А.А. и др. Взгляд на космическую ядерную энергетику: 50 лет назад, 50 лет вперед / Международная конференция МАГАТЭ «Атомной энергетике – 50 лет» (Обнинск, 2004): Тез. докл. - С.221-222.
6. Ярыгин В.И. Термоэлектричество и термоэмиссия в космических ядерных энергетических установках прямого преобразования. Современное состояние и перспективы / Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе-2005» (Москва-Подольск, 2005): Сб. докл. – Т.1., с. 27-45.
7. Кротов А.Д., Кузнецов Р.В., Лазаренко Д.Г. и др. Концептуальный проект атомной теплоэлектростанции малой мощности с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую / Каталог тезисов проектов научно-технических коллективов молодых ученых, аспирантов и студентов, представленных на всероссийский конкурсный отбор по приоритетным направлениям науки и высоких технологий. – М.: изд-во РГУИТП, 2006. –с.77-79.
8. Лазаренко Г.Э., Ярыгин В.И., Пышко А.П., Овчаренко М.К., Михеев А.С., Линник В.А., Кротов А. Д., Лазаренко Д. Г., Сонько А.В. Автономная ядерная энергетическая установка электро- и теплоснабжения прямого преобразования тепловой энергии в электричество / Международная научно-практическая конференция «Малая энергетика - 2006» (Москва 2006): Тез. докл. – с. 68-70.
9. Ружников В.А. Методы расчета тепловых и электрических характеристик систем прямого преобразования энергии. Часть 1. Термоэмиссионный электрогенерирующий канал ЭГК. – Обнинск: ФЭИ, 2001. с. 25.