научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И ДАВЛЕНИЯ ЛИТИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ СТЕНДОВОЙ ОТРАБОТКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И ДАВЛЕНИЯ ЛИТИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ СТЕНДОВОЙ ОТРАБОТКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ»

№ 5

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 629.78.064.02.048.7 : 662.987 : 669.884

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И ДАВЛЕНИЯ ЛИТИЕВОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ СТЕНДОВОЙ ОТРАБОТКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

© 2014 г. В.Я. СОБОЛЕВ, В.В. СИНЯВСКИЙ

ОАО "Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева " (РКК "Энергия"), г. Королев, Московская обл. E-mail: Viktor.Sinyavsky@rsce.ru

В космических ЯЭУ субмегаваттной мощности в качестве теплоносителя используется литий, конструкционного материала — ниобиевый сплав. Для отработки литий-ниобиевой технологии в РКК "Энергия" были созданы материаловедческие и конструкторско-технологические литий-ниобиевые контуры, проведены их испытания при рабочей температуре лития 1070—1300 К. Для измерения расхода и давления лития были разработаны специальные датчики, позволяющие без демонтажа контура проводить их градуировку и поверку. Описаны структурные схемы электромагнитного измерителя расхода и электромагнитного и струнного измерителей давления литиевого теплоносителя систем охлаждения ЯЭУ. Изложены принципы работы этих измерителей. Были разработаны расходомеры для диаметров канала от 10 до 100 мм, обеспечивающие измерение расходов лития в 0,1—30 л/с погрешностью 3% для расчетной тарировки и 1% при объемной градуировке. Температурная погрешность датчиков давления не выше 0,4% на 100 К, нелинейность и гистерезис градуировочной характеристики — не более 0,3 и 0,4%, соответственно. В качестве примеров использования датчиков приведены результаты испытаний макета модуля ЯЭУ и тепловых труб холодильника-излучателя.

Ключевые слова: космическая ЯЭУ, система охлаждения, литий, ниобиевый сплав, электромагнитный датчик расхода, струнный датчик давления, литий-нио-биевый контур, тепловая труба.

MEASURING LITHIUM COOLANT FLOW AND PRESSURE DURING DEVELOPMENTAL TESTS OF HIGH-TEMPERATURE COOLING SYSTEM FOR SPACE NUCLEAR POWER PLANT

V.Ya. Sobolev, V.V. Sinyavskiy

S.P. Korolev Rocket and Space Corporation "Energia", Korolev, Moscow region E-mail: Viktor.Sinyavsky@rsce.ru

Sub-megawatt nuclear power plants for space applications use lithium for coolant and niobium alloy for structure. To develop lithium-niobium technology, RSC Energia set up lithium-niobium loops for materials and design engineering tests, and the tests were run at

lithium working temperature of 1070—1300 K. To measure the lithium flow and pressure, special sensors were developed, which can be calibrated and checked without dismantling the loop. The paper describes the architecture of the electromagnetic flow meter and the electromagnetic vibrating-wire pressure meters for lithium coolant in the nuclear power plant cooling systems. It explains the operating principles of these meters. Flow meters were developed for bore diameters ranging from 10 to 100 mm, which are capable of measuring lithium lows in the range of 0,1 to 30 l/s with the error of 3% for design calibration and 1% for volume graduation. The temperature error of the pressure sensors does not exceed 0,4% at 100 K, and the non-linearity and hysteresis of the gauge line do not exceed 0,3 and 0,4%, respectively. Given as examples of the sensor applications are the results of tests on the nuclear power plant module mockup and heat pipes of a radiation cooler.

Key words: Space nuclear power plant, cooling system, lithium, niobium alloy, electromagnetic flow sensor, vibrating-wire pressure sensor, lithium-niobium loop, heat pipe.

В РКК "Энергия" в кооперации организаций разрабатывалась космическая ядерно-энергетическая установка (ЯЭУ) с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) на быстрых нейтронах электрической мощностью в сотни киловатт для решения ряда энергоемких задач в космосе, прежде всего для электропитания электроракетной двигательной установки межорбитального буксира "Геркулес" [1]. Теплоносителем в ЯЭУ был выбран практически не активируемый изотоп литий-7, в качестве конструкционного материала реактора и системы охлаждения был взят разработанный в РКК "Энергия" отечественный ниобиевый сплав НбЦУ (ниобий — цирконий-1% — углерод-0,1%) с рабочей температурой более 1500 К [2]. Применение ниобия в качестве основного конструкционного материала позволяет создать технологичный и надежный термоэмиссионный ЭГК с пятислойным коллекторным пакетом с низким термическим сопротивлением [3], а высокая температура плавления ниобия повышает безопасность ЯЭУ при эксплуатации в условиях космического пространства. Применение изотопа лития-7 в качестве теплоносителя основной системы охлаждения (ОСО) ЯЭУ имеет следующие преимущества относительно других жидкометаллических теплоносителей космических ЯЭУ [4]:

— высокая объемная теплоемкость лития и низкая упругость пара обеспечивают минимальную массу ОСО и низкие затраты электроэнергии на прокачку теплоносителя, которые на порядок ниже, чем при использовании натрия или эвтектики натрий-калий;

— литий-7 является слабо активирующимся теплоносителем (период полураспада 0,89 с), благодаря этому возможно использование одноконтурной схемы системы охлаждения ЯЭУ, что снижает массу на ~20% относительно ЯЭУ двухконтурной схемы;

— твердый в исходном состоянии литий делает ЯЭУ более безопасной и на стадии наземной эксплуатации, и при выведении в космос.

Для отработки литий-ниобиевой технологии в РКК "Энергия" были созданы мате-риаловедческие и конструкторско-технологические литий-ниобиевые контуры, проведены их испытания [5]. В процессе их создания отрабатывались и совершенствовались технологии изготовления агрегатов из НбЦУ, очистки теплоносителя и заправки контуров литием, а тепловых труб (ТТ) холодильника-излучателя (ХИ) — натрием и литием, технологии испытаний. Было создано и испытано 20 контуров с рабочей температурой 1070—1300 К. Максимальная наработка одного контура с секцией ХИ с натрий-ниобиевыми ТТ длиной 4000 мм составила 23000 час, что позволяет прогнозировать успешную работу литий-ниобиевых систем охлаждения на более длительные ресурсы (10 лет и более), при использовании специально разработанных для этих целей защитных покрытий — более 15 лет. В составе крупногабаритных литий-ниобиевых контуров был испытан ряд стендовых образцов системы охлаждения ЯЭУ, включая полноразмерньге имитаторы ЭГП (модули) ТРП различной конструкции, натрий-ниобиевые ТТ длиной от 1800 до 4000 мм и секции ХИ из них, элек-

Рис. 1. Схема контура с макетом модуля ЯЭУ для исследования выделения гелия из литиевого теплоносителя: 1 — макет модуля активной зоны термоэмиссионного реактора (с электронагревом); 2 — нагнетатель сатуратора в виде двухканального электромагнитного насоса со встречным направлением пондеромоторной силы в каналах; 3 — сатуратор; 4 — ввод гелия; 5 — основной циркуляционный контур лития модуля ЯЭУ; 6 — компенсатор макета модуля ректора; 7 — индикатор выделения гелия; 8 — измерительный накопитель аргон-гелиевой смеси; 9 — датчик давления; 10 — основной электромагнтынй насос; 11 — экспериментальный сепаратор гелия; 12 — электромагнитный дроссель (регулятор расхода лития через сепаратор); 13 — тепловая труба холодильника-излучателя модуля; 14 — теплообменный участок тепловой трубы; 15 — датчик расхода теплоносителя

Рис. 2. Функциональная схема электромагнитного расходомера: 1 — магнитная система; 2 — генератор переменного тока; 3 — измерительный канал; 4, 5 — усилители; 6, 7 — детекторы; 8 — схема сравнения; 9 — переключатель; 10 — индикатор контрольного прибора; 11 — потенциометр; Э — электрод; Б — наружный диаметр трубопровода с литием; V — скорость литиевого теплоносителя; и — сигнал, снимаемый с электрода

тромагнитные насосы (ЭМН) с различными техническими решениями, компенсационные и заправочно-сливные емкости, трубопроводы и др. [4]. На рис. 1 в качестве примера приведена схема литий-ниобиевого контура для отработки сепаратора гелия из литиевого теплоносителя [6].

При стендовой отработке агрегатов и модулей ЯЭУ и при ее эксплуатации в космосе необходимо контролировать расход и давление литиевого теплоносителя системы охлаждения. Сложность измерения этих параметров обусловлена необходимостью обеспечения минимизированных массогабаритных характеристик, а также высокой точ-

ности и надежности датчиков в условиях длительного совместного воздействия на них агрессивных сред, высокой температуры и радиационного излучения. Промышленные измерители, удовлетворяющие этим требованиям, отсутствуют. Поэтому применительно к стендовой отработке жидкометаллических, прежде всего литиевых, контуров высокотемпературной системы охлаждения были разработаны и изготовлены специальные измерители расхода и давления теплоносителя [7] и методы их градуировки [8].

Датчик расхода литиевого теплоносителя при высоких температурах

При стендовой отработке контуров высокотемпературной (до 1250 К) литиевой системы охлаждения использовался специально разработанный для этих условий электромагнитный расходомер типа РЭМ, функциональная схема которого приведена на рис. 2.

Электромагнитный расходомер работает следующим образом. Магнитная система 1 преобразователя расхода получает питание от генератора переменного тока 2, частота которого/ отличается от частоты сети. В зазоре магнитной системы создается переменное во времени и квазиоднородное в пространстве магнитное поле. Измерительный канал 3, который расположен в зазоре магнитной системы, снабжен диаметрально противоположными электродами Э1 и Э2, предназначенными для приема электрического сигнала и, возникающего при движении электропроводной жидкости в магнитном поле и пропорционального расходу теплоносителя. Кроме того, к каналу приварены еще две дополнительные пары электродов Э3—Э4 и Э5—Э6, расположенные на образующих трубопровода и проходящих по его поверхности в плоскости основных электродов. С помощью этих дополнительных электродов измеряют падение напряжения ив, возникающее при протекании вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в жидком металле. Это напряжение сдвинуто по фазе на п/2 относительно разности потенциалов ии, что позволя

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком