Автоматическое управление ядерными КЭУ - Энергетические установки с машинным преобразованием тепловой энергии

1.3.  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С МАШИННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

1.3.1.     Принципиальная схема

В энергетическую установку с машинным преобразованием тепловой энергии в электрическую входят следующие основные части:
реактор;
радиационная защита;
парогенератор;
турбогенератор, включающий паровую турбину, электрогенератор и насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя;
конденсатор-излучатель;
система управления реактором;
жидкометаллические контуры;
вспомогательные агрегаты.

Рис. 1.1. Принципиальная схема энергоустановки SNAP-2:
1 — парогенератор; 2 — реактор, 3 — регулятор реактора; 4 — реакторный контур; 5 — насос NaK; 6 — турбина; 7 — генератор тока; 8 — ртутный насос; 9 — ртутные подшипники; 10 — переохладитель; 11 — конденсатор; 12 — излучательный контур; 13 — балластная нагрузка; 14 — регулятор напряжения; 15 — потребитель

Рассмотрим несколько принципиальных схем энергоустановок с машинным преобразователем из семейства SNAP, разрабатываемых в США. Указанные схемы практически охватывают все возможные особенности энергоустановок такого типа.
На рис. 1. 1 показана принципиальная схема энергоустановки SNAP-2 фирмы Атомикс Интернейшнл.
Эта энергоустановка построена по двухконтурной схеме. В реакторном контуре 4 в качестве теплоносителя используется сплав NaK, обладающий хорошими теплофизическими и эксплуатационными свойствами. В излучательном контуре 12 применена ртуть.
Теплоноситель реакторного контура подогревается в реакторе 2 до температуры 923 К, поступает в парогенератор 1, где отдает свое тепло теплоносителю излучательного контура 12, снижая температуру до 811 К, снова воз вращается в реактор и т. д. Циркуляция теплоносителя с расходом 0,541 кг/с осуществляется насосом комбинированного турбоагрегата 5.
Теплоноситель излучательного контура (ртуть) поступает в парогенератор 1, где она испаряется, а пары ртути с температурой 893 К и давлением 0,749 МПа подаются на лопатки турбины. Отработанный в турбине ртутный пар с температурой 598 К и давлением 0,049 МПа поступает в конденсатор- излучатель 11, где он конденсируется и переохлаждается до температуры 588 К. Из излучателя-конденсатора ртуть попадает в охлаждающие рубашки генератора, охлаждает его, затем вновь поступает в парогенератор и т. д. Циркуляция ртути осуществляется центробежным насосом 8, обеспечивающим расход 0,0756 кг/с. На вход в основной ртутный насос ртуть подается бустерным ртутным насосом, обеспечивающим бескавитационную работу основного центробежного насоса.

Рис. 1.2. Принципиальная схема энергоустановки SNAP-8:
1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — конденсатор; 4 — турбоагрегат; 5, 6 — излучатели; 7 — насос реакторного контура; 8 — насос парогенераторного контура; 9 — насос излучательного контура; 10 — насос вспомогательного контура

Турбина 6 вращает генератор 7 переменного тока и все насосы (натрий-калиевый и два ртутных). Часть ртути подается ртутным насосом на смазку подшипников.
Ток, вырабатываемый генератором, расходуется потребителем (3 кВт) и на собственные нужды (0,4 кВт) (для питания систем регулирования реактора и напряжения).
Для запуска реактора и вывода его на номинальный режим используется система регулирования реактора 3.
К вспомогательным агрегатам относятся не показанные на схеме, но обязательно присущие любой энергоустановке, компенсационные баки, компенсирующие температурные расширения теплоносителей, компенсаторы линейных температурных расширений контуров, клапаны заправки и слива теплоносителя и т. п.
На рис. 1.2 показана принципиальная схема энергоустановки SNAP-8. Основные ее отличия от рассмотренной выше схемы заключаются в наличии третьего — турбинного контура и четвертого — вспомогательного контура, теплоноситель которого служит для охлаждения генератора и двигателей насосов, выделенных в этой схеме в самостоятельные (не связанные механически с турбоагрегатом) агрегаты.
Теплоноситель реакторного контура — эвтектический сплав NaK — прогревается в реакторе 1 до 978 К и подается в парогенератор 2, где отдает свое тепло теплоносителю турбинного контура, после чего насосом 7 возвращается в реактор.

Рис. 1.3. Схема энергоустановки SNAP-50/SPUR:
1 — реактор; 2 — защита; 3, 6, 12 — компенсационные емкости; 4 — конденсатор; 5 — насос реакторного контура (литиевый); 7 — излучатель; 8 — насос излучательного контура (натрий-калиевый); 9 — выходные шины; 10 — преобразователь тока; 11 — насос парогенераторного контура (калиевый); 13 — турбогенератор; 14 — парогенератор

Теплоноситель турбинного контура (ртуть) испаряется в парогенераторе 2, пар поступает на лопатки турбины турбоагрегата 4, затем подается в конденсатор 3, где образуется конденсат, который насосом 8 возвращается в парогенератор.
Ртутные пары конденсируются благодаря отбору тепла теплоносителем излучательного контура — тем же эвтектическим сплавом NaK. Теплоноситель переносит тепло в излучатель 5, с поверхности которого оно отдается в окружающее пространство. Циркуляция теплоносителя создается насосом излучательного контура 9.
Во вспомогательном контуре, теплоноситель которого служит для охлаждения генератора и двигателей насосов и для смазки подшипников, циркулирует органический теплоноситель, одновременно обеспечивающий и смазку подшипников вращающихся агрегатов. Для обеспечения циркуляции теплоносителя в этом контуре имеется свой насос 10, а для охлаждения его служит специальный излучатель 6.
Выходная электрическая мощность этой энергоустановки должна составлять от 30 до 60 кВт (в зависимости от числа устанавливаемых турбоагрегатов).
На рис. 1.3 показана еще одна схема энергоустановки — SNAP-50/SPUR.
Эта энергоустановка построена по трехконтурной схеме. В реакторном контуре теплоносителем является литий, который подогревается в реакторе 1 до температуры 1373 К и поступает в парогенератор 14, где отдает тепло теплоносителю турбинного контура, а затем насосом 5 снова возвращается в реактор.
Теплоноситель турбинного контура (калий) поступает в парогенератор 14, где он испаряется; пар приводит во вращение турбину турбогенератора 13. Отработанный пар из турбины попадает в конденсатор 4, где он конденсируется, отдавая тепло теплоносителю излучательного контура. Циркуляция калия обеспечивается насосом 11. В излучательном контуре теплоносителем служит сплав NaK, прокачиваемый по контуру насосом 8. Тепло из этого контура сбрасывается в космическое пространство излучателем 7.
На схеме показан и ряд других агрегатов, необходимых энергоустановкам такого типа: защита 2, компенсационные емкости 3, 6, 12 реакторного, турбинного и излучательного контуров соответственно и преобразователь тока 10, электрокабель 9, по которому ток подается в аппаратуру космического аппарата.
Как видно из сравнения этой схемы с предыдущими, основная ее особенность заключается в использовании новых теплоносителей — лития и калия. Обусловлено это необходимостью получения низкой удельной массы энергоустановки, чего можно добиться повышением максимальной температуры цикла. Литий выбран в качестве теплоносителя реакторного контура из-за его высокой удельной теплоемкости и низкой упругости паров при температурах до 1373 К. Калий также обладает приемлемыми теплофизическими свойствами в диапазоне температур в турбинном контуре этой энергоустановки.
Правда, применение калия и лития в качестве теплоносителей ухудшает эксплуатационные свойства энергоустановки, так как эти металлы при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, в то время, как и ртуть, и эвтектический сплав NaK являются жидкостями.
Энергоустановка SNAP-50, где в отличие от энергоустановок SNAP-2 и SNAP-8 установлен реактор на быстрых нейтронах, имеет существенно более высокие температуры теплоносителя реакторного контура.
В табл. 1. 1 показаны основные характеристики трех рассмотренных типов энергоустановок с машинным преобразователем [8, 34, 73].

Таблица 1. 1

Некоторые особенности компоновки КЭУ

Особенности компоновки космических энергоустановок определяются в первую очередь применением реактора и вследствие этого наличием радиационной защиты. Из общих соображений очевидно, что наиболее целесообразно устанавливать реактор и защиту по оси космического аппарата, т. е. по линии действия тяги, так как в случае неосесимметричного расположения реактора усложняется форма защиты и возникает необходимость в· уравновешивании системы.
Принципиально возможно размещение энергоустановки либо в носовой части летательного аппарата, либо в средней его части. В задней части космического аппарата обычно располагаются двигатели, топливные баки и т. п.
Расположение энергоустановки в средней части летательного аппарата целесообразно при необходимости получения минимальных габаритов, так как в этом случае габариты энергоустановки определяются площадью излучателя с максимально возможным диаметром. При этом все агрегаты энергоустановки располагаются внутри излучателя и существенно улучшаются жесткостные и прочностные характеристики энергоустановки. 

Рис. 1.4. Компоновочные схемы и размещение энергоустановок на космических аппаратах:
а — размещение в средней части космического аппарата: 1 — защита; 2 — реактор; 3 — парогенератор; 4 — излучатель; 5 — турбоагрегат; 6 — приборный контейнер; 7 — двигательный отсек;
б — размещение в носовой части космического аппарата: 1 — реактор с защитой; 2 — излучатель; 3 — парогенератор; 4 — турбоагрегат; 5 — приборный контейнер

На рис. 1.4, а показана компоновочная схема такой энергоустановки. Отрицательной стороной описанного расположения КЭУ является необходимость существенного увеличения массы защиты, так как ее диаметр должен быть равен диаметру космического аппарата. Кроме того, необходимо увеличить защиту и для подавления рассеянного радиационного излучения от элементов конструкции излучателя. Поэтому наиболее приемлемым является размещение энергоустановки в носовой части космического аппарата (рис. 1.4, б).
В этой схеме реактор располагается в самом удаленном от приборного контейнера месте; следовательно, меньше радиационный поток, попадающий на приборы, а поэтому и может быть уменьшена защита.

Рис. 1.5. Компоновочная схема энергоустановки SNAP-50/SPUR:
1 — реактор; 2 — защита; 3 — выдвижная труба; 4 — излучатель; 5 — контейнер с приборами; 6 — прочие агрегаты энергоустановки

По такой схеме скомпонована энергоустановка SNAP-2. Здесь впереди находится реактор с защитой 1, крепящийся к излучателю-конденсатору 2. Излучатель-конденсатор, имеющий форму усеченного конуса, является одновременно силовым каркасом энергоустановки, к которому крепятся все агрегаты. Ближе к большому основанию конуса внутри излучателя располагаются парогенератор 3 и комбинированный турбоагрегат 4. Вся энергоустановка при помощи стыковочных узлов соединяется с приборным контейнером 5. Внутри излучателя располагаются компенсационные емкости и другие агрегаты, необходимые для нормальной работы энергоустановки.
Можно использовать компоновочные схемы, несколько отличающиеся от описанных. Для уменьшения массы защиты реактор выдвигается вперед на длинном стержне (длиной 37,5 м). Такую схему предполагается использовать для обитаемой лаборатории «МАР» фирмы «Мак Доннел-Дуглас».
На рис. 1.5 показана одна из предполагаемых компоновок энергоустановки SNAP-50/SPUR. В ней реактор 1 с защитой 2 выдвигается вперед на длинной трубе 3, внутри которой проложены кабели и трубопроводы теплоносителя. Защита 2, кроме основного конуса, имеет крылья, обеспечивающие затенение излучателя 4, выполненного в виде двух крыльев прямоугольной формы. В центральной части, между крыльями, располагаются все основные агрегаты энергоустановки: турбоагрегат, парогенератор, насосы теплоносителя, конденсатор и т. д. В приборном контейнере 5 находятся система управления реактором и система преобразования и регулирования электрического напряжения, вырабатываемого электрогенератором установки.
Есть и другой вариант, в котором SNAP-50 предполагается построить по обычной схеме, как и SNAP-2.

Реактор

Рис. 1.6. Схема реактора SNAP-2:
1 — входной трубопровод теплоносителя; 2 — фиксаторы барабанов; 3 — плавкая вставка; 4 — барабан грубого регулирования; 5 — бандаж отражателя; 6 — выходной трубопровод теплоносителя; 7 — привод барабана точного регулирования; 8 — электрический замок; 9 — отражатель; 10 — пружинный привод барабана грубого регулирования; 11 — верхняя крышка корпуса реактора; 12 — стопор барабанов; 13 — корпус реактора, 14 —зубчатый сектор; 15 — указатель положения бара банов; 16 — барабаны точного регулирования; 17 — пружина, разбрасывающая отражатель

На примере реактора для энергоустановки SNAP-2 (рис. 1.6) рассмотрим основные элементы конструкции реакторов, используемых для энергоустановок с машинным преобразованием энергии. Заметим, что эти же реакторы в принципе могут использоваться также и в энергоустановках с термоэлектрическим преобразованием.
Регулирование реактора осуществляется четырьмя барабанами из бериллия — двумя барабанами грубого регулирования 4 и двумя барабанами точного регулирования 16 — путем изменения величины утечки нейтронов из активной зоны.

Рис. 1.7. Реактор SNAP-8 с защитой: 1 — выходной трубопровод теплоносителя; 2 — регулирующие барабаны; 3 — привод барабанов; 4 — зубчатое колесо; 5 — пружинный привод барабана грубой регулировки; 6 — ТВЭЛ; 7 — кабель; 8 — защита

 Барабаны грубого регулирования служат для быстрого уменьшения степени подкритичности реактора до величины, близкой к нулю (т. е. реактор близок к критическому состоянию). Вывод реактора на заданную мощность осуществляется барабанами точного регулирования. Такое разделение функций органов регулирования на две группы обусловлено спецификой работы реактора, заключающейся в том, что на земле для безопасного обращения с реактором и энергоустановкой в целом необходимо, чтобы реактор обладал достаточной подкритичностью. Но если бы при запуске реактора на орбите все органы вращались со скоростью, необходимой для безопасного вывода реактора на рабочий режим, на земле (при условии, что температурные градиенты не превышают допустимых значений) время вывода реактора на заданную мощность существенно удлинилось бы. Это не всегда приемлемо, поэтому целесообразно уменьшать степень подкритичности реактора более быстро при помощи барабанов грубого регулирования, приводимых в движение ленточной спиральной пружиной 10. Барабаны точного регулирования приводятся тяговыми электрическими двигателями 7.
Корпус реактора 13 представляет собой цилиндр диаметром 228 мм и длиной 406 мм, изготовленный из нержавеющей стали, с толщиной стенки примерно 2 мм. Корпус имеет приваренные к нему две крышки: верхнюю 11 и нижнюю (на рисунке не видно). Из центра верхней крышки выходит трубопровод теплоносителя 6, а к центру нижней крышки приварен входной трубопровод теплоносителя 1. Внутри корпуса между двумя центрирующими решетками установлено 37 ТВЭЛов.
ТВЭЛ является цилиндром длиной 330 мм и диаметром 31,8 мм. На концах ТВЭЛов имеются хвостовики, которыми они центрируются в решетках.
Оболочка ТВЭЛа толщиной 0,33 мм изготовлена из жаропрочной нержавеющей стали. В оболочке находится столбик ядерного горючего, изготовленного из сплава обогащенного урана (90% U235) и циркония, гидрированного до 6,5·1022 атомов водорода в 1 см³. Ядерное горючее в ободочке находится между двумя цилиндрами из бериллия, образующими боковые отражатели. Оболочка ТВЭЛа закрыта с обоих торцов крышками с хвостовиками. Снаружи на корпус надевается боковой отражатель 9 из бериллия, состоящий из двух полуцилиндров с толщиной стенки 58 мм. Оба цилиндра стягиваются между собой и прижимаются к корпусу реактора бандажом 5, имеющим электрический замок 8 и плавкую вставку 3, которые обеспечивают разделение двух полуцилиндров в случае аварийного возвращения работавшего реактора на Землю либо принудительно по электрическому сигналу, либо путем расплавления вставки под действием аэродинамического нагрева. После этого полуцилиндры отражателя отбрасываются от корпуса пружинами 17. что облегчает процесс аэродинамического распыления активной зоны реактора до частиц, не представляющих радиационной опасности.
Реактор запускается в следующем порядке. По команде с Земли фикса торы 2 освобождают барабаны регулирования, два барабана грубой регулировки 4 вводятся в боковой отражатель 9 пружинными приводами 10, после чего шаговые электродвигатели при помощи зубчатой шестерни, находящейся на оси электродвигателя, и зубчатого сектора 14, прикрепленного к барабану точного регулирования 16, вводятся в отражатель по заранее выбранной программе. Положение барабана фиксируется указателем 15.
На рис. 1.7 показан реактор (с защитой) энергоустановки SNAP-8, который построен примерно по такой же схеме, что и реактор SNAP-2, с тем лишь отличием, что для существенного повышения температуры теплоносителя на выходе число ТВЭЛов здесь увеличено до 211 при уменьшенном их диаметре и, кроме того, число барабанов регулирования доведено до шести (три — грубого регулирования и три — точного).
В табл. 1.2 даны сравнительные характеристики семейства гидридных реакторов SNAP. Здесь же показаны характеристики реактора энергоустановки SNAP-10A, который мало чем отличается от реактора энергоустановки SNAP-2.

Таблица 1.2

Радиационная защита

Имеющиеся данные по радиационной стойкости применяемых на космических аппаратах элементов радио- и другой аппаратуры показывают, что максимально допустимый интегральный поток быстрых нейтронов (с энергией 3·10-13 Дж) составляет не болеенейтр/см², а доза гамма-квантов — не более 3-104 Кл/кг. В то же время, из табл. 1.2 видно, что поток нейтронов (средний) в реакторе составляет1 нейтр/(см²·с) (имеется в виду полный поток нейтронов, включая тепловые).
Учитывая, что оптимальный ресурс энергоустановок с реактором составляет около года (τ=3·107с), полный интегральный поток реактора по нейтронам составит= 3-1018 нейтр/см², а если учитывать только быстрые нейтроны, то  нейтр/см².
Таким образом, необходимо снять примерно 106 нейтр/(см²-с) для обеспечения нормальной работы аппаратуры в течение года,
или иными словами, поток быстрых нейтронов на приборном контейнере не должен превышать 3-104 нейтр/(см²-с), а доза гамма-излучения — не более 0,3 Кл/(кг·ч).
Для защиты от потока нейтронов обычно используются водородосодержащие соединения, из которых наименьшей плотностью при сравнимом содержании ядер водорода обладает гидрид лития, используемый в качестве защитного материала от нейтронного облучения. Для защиты от гамма-излучения используют материалы с большой плотностью, обычно вольфрам. Но в связи с тем, что гидридные реакторы небольшой мощности имеют гамма-поток, величина которого соответствует допустимой дозе облучения, тяжелую защиту при ресурсе, не превышающем года, в большинстве случаев не ставят.
Для уменьшения рассеянного излучения от конструкционных материалов все узлы и агрегаты энергоустановки должны быть расположены в тени радиационной защиты. Для этой цели, например, на одном из вариантов реактора энергоустановки SNAP-8 трубы теплоносителя утоплены в защиту зигзагом, чтобы не было прямого «прострела» [19]. В этом варианте за реакторами установлен диск из вольфрама для уменьшения дозы гамма-излучения.
На рис. 1.7 показана защита энергоустановки SNAP-8. Это тело конической формы с двумя сферическими днищами. Корпус защиты выполняется из нержавеющей стали толщиной 1—2 мм; он заполняется гидридом лития путем заливки либо закладкой прессованных дисков и имеет крепежные узлы под реактор и для крепления защиты с реактором к излучателю. Защита может иметь каналы как на поверхности, так и в центральной части для прохода труб теплоносителя и кабельных линий.

Система регулирования реактора

Система регулирования реактора предназначена для вывода реактора на номинальный режим и поддержания его параметров, соответствующих этому режиму. В нее входят следующие основные узлы и агрегаты.

1. Органы регулирования (в реакторах КЭУ SNAP это части отражателя — поворотные барабаны или подвижные секции). По-видимому, наиболее целесообразным методом регулирования реакторов космических энергоустановок является изменение величины утечки нейтронов с помощью бокового отражателя, хотя в принципе есть и ряд других методов (выведение и введение в активную зону поглощающих нейтроны материалов или, наоборот, источников нейтронов и т. п.).
2. Исполнительные механизмы, обеспечивающие перемещение регулирующих органов.

Рис. 1.8. Блок-схема систем регулирования реактора SNAP: 1 — программное устройство; 2 — управляющее устройство; 3 — исполнительный механизм; 4 — зубчатая передача; 5 — подшипники; 6 — регулирующий барабан; 7 — сигналы реактивности; 8 — реактор; 9 — сигнал по температуре; 10 — датчик температуры; 11 — замковый механизм

3.                    Чувствительный элемент — датчик, сигнализирующий о величине того параметра, по которому производится вывод реактора на номинальный режим. В качестве параметра, по которому можно регулировать реактор, может быть выбрана либо температура теплоносителя на входе в реактор или на выходе из него, либо нейтронная мощность, либо выходные электрические параметры генератора и др. В энергоустановках SNAP регулирование осуществляется по температуре теплоносителя на выходе из реактора.

1. Программное устройство, обеспечивающее перемещение органов регулирования в соответствии с заданной программой.
2. Логическое управляющее устройство, которое суммирует сигналы программного устройства и чувствительного элемента и вводит определенную коррекцию в движение органов регулирования.
3. Прочие системы, к которым можно отнести редукторы, датчики положения регулирующих органов и т. п.

На рис. 1.8 показана блок-схема систем регулирования реакторов энергоустановок SNAP.
Реакторы энергоустановок SNAP-2 и SNAP-8 запускаются следующим образом. После вывода энергоустановки на орбиту с Земли подается команда на запуск реактора. По этой команде освобождаются замковые механизмы, фиксирующие органы регулирования в определенном положении во время подготовки к работе реактора на Земле и при выводе на орбиту, и включается программное устройство. Пружинные исполнительные механизмы вводят барабаны грубого регулирования в отражатель, но реактор продолжает оставаться в подкритическом состоянии. Затем исполнительные механизмы барабанов точного регулирования в соответствии с запрограммированной последовательностью сигналов вводят барабаны точного регулирования в отражатель. В реакторе SNAP-2 оба барабана точного регулирования вращаются одновременно. По достижении заданной температуры оба исполнительных механизма отключаются по сигналу от температурного датчика. Далее параметры реактора поддерживаются автоматически в силу отрицательного температурного эффекта реактивности, который свойствен гидридным гомогенным реакторам.
В реакторе энергоустановки SNAP-8 каждый барабан точного регулирования последовательно поворачивается с переменной заранее запрограммированной скоростью, замедляясь по мере приближения мощности реактора к номинальному значению и останавливаясь в момент достижения номинальной температуры. На номинальном режиме при отклонении температуры от заданного значения возникает сигнал рассогласования, который через исполнительные механизмы воздействует на барабаны реактора.
Исполнительный механизм привода барабанов грубого регулирования системы управления реакторов SNAP весьма прост и представляет собой ленточную пружину, установленную на оси барабана.

Рис. 1.9. Схема электродвигателя исполнительного механизма SNAP-8:
1 — рабочая фаза; 2 — катушка; 3 — обмотка; 4 — пылесборник; 5 — последующая фаза

Исполнительный механизм барабанов точного регулирования представляет собой электромагнитный шаговый двигатель, имеющий тормоз. Минимальный шаг исполнительного механизма 1,8°. Двигатель имеет статор с восемью выступающими полюсами, статорную обмотку и ротор, состоящий из постоянного магнита и двух концевых дисков с зубцами. Тормоз освобождает ротор при подаче тока в электромагнит тормоза, а возвращается он в исходное положение пружиной. Зубцы концевых дисков сдвинуты относительно друг друга на шаг зубца, и при повороте на 1,8° происходит синхронизация магнитных полей ротора и статора, хотя зубцы их в этот момент и не совпадают. Статор имеет бифилярную обмотку с двумя катушками.

Есть и другие варианты исполнительных механизмов, например, усовершенствованный механизм энергоустановки SNAP-8. В нем все элементы конструкции изготовлены из кобальтовой стали Hiperco-27, ротор сплошной, без постоянного магнита, зубцы по всей длине ротора совпадают.
На рис. 1.9 показан принцип действия двигателя. Здесь зубцы ротора и статора совпадают после окончания шага в рабочей фазе 1 и устанавливаются в положение максимального момента в фазе 5, следующей за рабочей.
Применение шагового двигателя в принципе не является обязательным; можно было бы взять и обычные электродвигатели, но поскольку они являются высокооборотными, то с ними труднее решить проблемы надежности при длительном ресурсе в условиях высокого вакуума и больших температур. Очень заманчивым является применение волновых передач. В этом случае отпадает необходимость работы двигателя в вакууме, так как волновая передача позволяет передавать движение из герметичной полости в негерметичную. Но пока шаговые двигатели являются более надежными и поэтому предпочтительнее.
Исполнительные механизмы SNAP-2 работают в очень жестких условиях, так как температура их изменяется от 613 до 873 К,
при давлении не выше 10-4 Па и радиационном потоке, возникающем в реакторе. Поэтому стойкость материалов по отношению к воздействию этих факторов должна быть очень высокой. Особенно это относится к изоляционным материалам.
Кроме того, достаточно сложной является проблема исключения самосвариваемости движущихся частей исполнительных механизмов в реакторе, связанная с тем, что при работе в высоком вакууме поверхности настолько очищаются, что различные детали спекаются между собой. Для исключения этого явления используются специальные покрытия. Например, малое сопротивление трения дает сухое пленочное покрытие MoS2, связанного силикатом натрия с графитом, в контакте с поверхностями, покрытыми окисью алюминия А12О3. Такие покрытия применяются для деталей подшипников, зубчатых передач и т. п., работающих в высоком вакууме.
В качестве датчиков температуры обычно используются металлические термопары, обладающие достаточной чувствительностью и высокими механическими свойствами. В качестве датчиков нейтронной мощности могут использоваться (как наиболее безопасные и малогабаритные) ионизационные камеры, принцип действия которых основан на ионизации газа в межэлектродном зазоре α-частицами, выбиваемыми нейтронами из какого-либо материала (например В10). Ионизация (а следовательно, и ток, протекающий между электродами) пропорциональна нейтронному потоку.
Программное и связанные с ним другие устройства могут быть построены по разнообразным схемам с использованием различных элементов радиоаппаратуры.
Указатели положения позволяют контролировать состояние органов регулирования, а иногда их показания используются как вспомогательный сигнал для регулирования реактора.

Парогенератор

Парогенератор обеспечивает подогрев, испарение и перегрев теплоносителя, служащего рабочим телом для турбины турбогенераторного агрегата. В энергоустановках SNAP-2 и SNAP-8 теплоносителем является ртуть, в энергоустановке SNAP-50 — калий.
В принципе конструкция таких теплообменников хорошо известна и имеет множество вариантов.

Спецификой парогенераторов для космических энергоустановок является работа их в условиях невесомости. Известно, что жидкость в условиях невесомости старается собраться в шар, стягиваемая силами поверхностного натяжения. Поэтому в условиях невесомости жидкость при испарении отделена от стенок испарителя слоем пара, что резко ухудшает коэффициент теплоотдачи. В теплообменниках для космических энергоустановок принимаются определенные меры, обеспечивающие движение жидкости по поверхности теплообменника, в частности, под действием центробежных сил, образующихся при закручивании жидкости. Для примера на рис. 1. 10 показан парогенератор энергоустановки SNAP-2. Он представляет собой теплообменник типа «трубка в трубке». В трубу диаметром 51 мм заключены 7 трубок. В полости, образованной стенками наружной и внутренних трубок, протекает теплоноситель реакторного контура (сплав NaK-78), имеющий температуру 923 К, а по внутренним трубкам циркулирует ртуть, пары которой на выходе имеют температуру 893 К. Циркуляция в парогенераторе построена по схеме противотока. Для обеспечения лучших условий теплопередачи парогенератор выполнен в виде спирали. Вращаясь вокруг оси спирали, жидкая ртуть прижимается к стенке трубки, обеспечивая хороший коэффициент теплоотдачи (средний тепловой поток равен 31,4 кВт/м²).
В принципе закручивание потока жидкости можно обеспечить и другими путями, например, поставив в трубку, где происходит испарение, пластинку, закрученную винтом. В этом случае вращение жидкости будет происходить вокруг оси трубки. Например, в парогенераторе SNAP-2 использованы одновременно оба способа. В энергоустановках SNAP-8 и SNAP-50, помимо парогенераторов, имеются и конденсаторы, построенные по аналогичной схеме.

Турбоагрегат

Турбоагрегат энергоустановки с машинным преобразованием обеспечивает получение переменного электрического тока. Кроме того, возможно совмещение на одном валу турбогенератора и насосов, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя по контурам энергоустановки. По такому принципу изготовлен комбинированный турбоагрегат энергоустановки SNAP-2 (рис. 1.11), где все агрегаты посажены на один вал. Для обеспечения минимальной массы и максимального к. п. д. агрегата была выбрана оптимальная частота вращения вала, равная 40000 об/мин. При этом частота переменного тока, вырабатываемого генератором, составляет 2000 Гц.

Рис. 1.11. Комбинированный турбоагрегат SNAP-2:
1 — ротор генератора; 2 — статор генератора; 3 — турбина; 4 — ротор насоса реакторного контура; 5 — диффузор насоса реакторного контура; 6, 8 — ртутные подшипники; 9 — центробежный насос излучательного контура (ртутный); 10 — бустерный ртутный насос (струйный)

Генератор состоит из ротора 1, представляющего собой шестиполюсный постоянный магнит, и статора 2, имеющего двухфазную обмотку.
Рабочая температура генератора 643 К, что исключает возможность конденсации паров ртути, попадающих в полость ротора; статор расположен в объеме, герметично отсоединенном от полости, содержащей ртутные пары. Генератор вырабатывает электрическую мощность 3 кВт при к. п. д. 85%.
Для обеспечения циркуляции ртути имеется ртутный центробежный насос 9, обеспечивающий расход 1,82 кг/ч при давлении на выходе 1,93 МПа. Диаметр крыльчатки насоса равен 8,7 мм. Общий к. п. д. насоса составляет 35%.
Ртутный бустерный насос 10 струйного типа обеспечивает необходимый- подпор на входе в ртутный центробежный насос, чтобы исключить возникновение кавитации. На другом конце вала расположен насос сплава NaK-78, состоящий из ротора 4, представляющего собой постоянный магнит, и диффузора 5. При вращении ротора сплав NaK-78, находящийся в кольцевой щели между ротором и корпусом насоса, закручивается и выбрасывается; в диффузор 5. Расход насоса 0,541 кг/с, перепад давления — 0,013 МПа при температуре 813 К, к.п.д. насоса 2%. Полость насоса герметично отделена специальным уплотнением от полости со ртутью.
Вал комбинированного турбогенератора приводится во вращение паровой ртутной двухступенчатой турбиной 3, которая развивает мощность около 5,67 кВт при 40 000 об/мин, давлении пара 0,794 МПа, расходе пара 0,141 кг/с и температуре перегретого пара 893 К
Эффективный к. п. д. турбины составляет около 50%. Вал со всеми агрегатами вращается на двух радиальных подшипниках и одном двустороннем упорном подшипнике.

Турбоагрегаты энергоустановок SNAP-8 и SNAP-50 принципиально мало чем отличаются от описанной выше схемы, за исключением того, что их центробежные насосы всех контуров представляют собой отдельные агрегаты, приводимые во вращение электромоторами индукционного типа.

Жидкометаллический контур

К агрегатам жидкометаллического контура относятся трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель, клапаны, необходимые для заправки теплоносителем всех полостей контура, компенсаторы температурных расширений контура, компенсационные емкости, обеспечивающие объемное температурное расширение теплоносителя и т. п.
Конструктивно контуры теплоносителя выполняются цельносварными, без каких-либо промежуточных разъемов.
В связи с тем, что при нагреве жидкометаллические трубопроводы удлиняются существенно больше, чем силовая конструкция, к которой они крепятся, то для компенсации линейных расширений в трубопроводах устанавливаются компенсаторы в виде сильфонных элементов, гибких рукавов и т. п.
Для заправки теплоносителей в полости жидкометаллических контуров используются специальные клапаны, конструкция которых может быть весьма разнообразной.
Объемное расширение теплоносителя при нагреве компенсируется специальными емкостями, представляющими собой бачок с двумя герметичными полостями, разделенными между собой сильфоном. Одна полость предназначена для теплоносителя, другая для газа. При расширении теплоносителя он сжимает сильфон, уменьшая объем газовой полости и увеличивая давление газа в ней до расчетной величины. При достижении заданных температур теплоносителя обеспечивается заданное рабочее давление в жидкометаллических контурах.