Глава V
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОВЫМИ РЕЖИМАМИ КЭУ
- 1. ПУСКОВЫЕ РЕЖИМЫ КЭУ
Процесс пуска космической энергетической установки может быть разбит на несколько этапов. Для уменьшения вероятности заражения околоземного пространства запуск реактора космических установок предполагается производить на орбите. Это в свою очередь предполагает, что к началу запуска реактора контуры установки заполнены теплоносителем в рабочем состоянии. Так, например, если в качестве теплоносителя используется жидкий металл, то он должен быть в жидкой фазе и затвердевание его внутри любого участка контура должно быть исключено- Для обеспечения этого следует перед стартом предварительно подогревать жидкометаллический теплоноситель-
Запуск реактора возможен только при наличии циркуляции теплоносителя в реакторном контуре. Но насос теплоносителя (например, электромагнитный) питается энергией на рабочих режимах от установки, поэтому на этапах пуска насосы должны питаться от пускового источника электроэнергии (аккумуляторных батарей). По мере прогрева энергетическая установка начинает вырабатывать электроэнергию, и в определенный момент питание насоса переключается на энергию, вырабатываемую установкой, аккумуляторные батареи отключаются. В соответствии с изложенным при запуске КЭУ можно выделить следующие этапы.
- Подготовка установки на земле до запуска ее в Космос и вывод ракеты на орбиту до начала непосредственно запуска КЭУ. Этот этап будем называть предпусковым.
- Процесс физического пуска реактора, т. е. процесс вывода реактора из начального подкритического состояния в критическое и дальнейшего повышения мощности до уровня 1—2% от номинальной, с которого начинается прогрев установки.
- Прогрев установки с выводом на номинальный режим работы.
Прежде чем остановиться несколько подробнее на каждом из перечисленных этапов, рассмотрим основные требования к процессу пуска.
Во время пуска значения параметров не должны выходить за область допустимых режимов работы. К основным ограничениям, накладываемым на изменение отдельных параметров, можно отнести следующие.
Период реактора во время пуска не должен быть меньше, чем некоторое значение Таоп. Допустимое значение периода, с одной стороны, определяет время пуска, и с этой точки зрения желательно его уменьшать; с другой стороны, допустимое значение выбирается из условий безопасной работы реактора. Скорость изменения мощности должна быть такой, чтобы аварийная система обеспечивала надежное выключение реактора в случае неполадок.
Температура отдельных элементов реактора и тепловые напряжения в них не должны быть выше допустимых. Во время пуска на нестационарных режимах происходит деформация температурных полей в реакторе по сравнению с распределением температур на номинальном режиме. Это может быть причиной возникновения недопустимых напряжений. Косвенной мерой нестационарных изменений полей температур может служить производная изменения температуры в реакторе (например, температуры теплоносителя на выходе из реактора). Поэтому одним из ограничений является максимально допустимая величина производной изменения температуры. К этому же типу ограничений следует отнести максимально допустимую величину пространственного градиента изменения температуры.
Величина нейтронной мощности также ограничивается некоторым максимально допустимым значением Nмах = kMмах, где k>1. Предельная величина выбирается из условий безопасности работы и так, чтобы интегральный нейтронный поток во время пуска был бы не слишком большим. В некоторых случаях требуется, чтобы время пуска не было более некоторой допустимой величины. Это ограничение определяется назначением установки, условиями предотвращения замерзания, теплоносителя в контурах, возможного при медленном пуске и т. д.
Как говорилось выше, на начальном этапе пуска для обеспечения циркуляции теплоносителя требуется посторонний источник электроэнергии. Для того чтобы масса этого источника была наименьшей, требуется, чтобы его емкость была минимально необходимой, для чего затраты энергии во время пуска должны быть минимальными. Часто считают, что минимум затрат энергии обеспечивается минимизацией времени пуска, однако, строго говоря, это не совсем одно и то же.
На рис. 5. 1 приведена область допустимых режимов работы установки, ограниченная линиями:
Тзам — температура замерзания теплоносителя;
N/Nmax — величина, обратная периоду реактора;
Тмах — максимально допустимая производная изменения температуры;
Тмах — максимально допустимая температура.
Рис. 5. 1. Область допустимых режимов работы установки
Рис. 5.2. Область допустимых режимов работы установки
Границы области действительных режимов при пуске установки (траектория запуска) должны проходить возможно ближе к ограничениям, чтобы ее площадь S, обратно пропорциональная времени разгона tρ, была максимальной, хотя и меньше Sдоп. Траекторию запуска удобно проследить на плоскости с координатами N—G (рис. 5.2), на которой нанесены ограничения, накладываемые на параметры во время запуска. Из сравнения различных программ пуска видно, например, что программа, соответствующая линии а, требует больших затрат энергии пускового блока, чем программа, соответствующая линии б, так как программа а предполагает большие расходы теплоносителя, на прокачку которого затрачивается энергия пускового блока. Остановимся коротко на отличиях процесса запуска КЭУ различных типов. Этапы запуска для КЭУ остаются одними и теми же, вне зависимости от типа установок. Мало того, так как этап физического пуска реактора определяется самим реактором, то и он является одинаковым для КЭУ различных схем. Зато динамика прогрева установки с выходом на номинальный режим в большой мере определяется конструкцией установки, числом контуров и т. д.
Поэтому этот этап по характеру процессов в нем будет в значительной степени различен для различных установок, хотя методика расчета и законы управления также остаются одинаковыми.
Для установок любых схем (за исключением некоторых случаев, рассмотренных далее подробно) во время запуска, как указывалось, необходим дополнительный источник энергии для питания насосов. Причем этот источник может быть отключен лишь в тот момент, когда питание насоса полностью обеспечивается самой установкой.
Для КЭУ термоэмиссионного типа некоторые особенности возникают в связи с работой системы подачи паров цезия. В этом случае необходимо учитывать динамику прогрева цезия и заполнения им межэлектродных зазоров. Одним из вопросов, решаемых при выборе программы запуска такой установки, — определение момента включения подачи цезия.
Запуск КЭУ с турбогенераторным способом преобразования энергии (подробно см. гл. VI) значительно отличается от запуска КЭУ с непосредственным преобразованием энергии. Для последних заполнение контуров теплоносителем рационально проводить на земле, тогда как для турбогенераторных КЭУ теплоноситель турбинного контура должен при выводе энергоустановки на орбиту находиться в специальной емкости, а сам контур должен быть пустым. Кроме того, заполнение всего контура теплоносителем (например, ртутью) нецелесообразно, так как при номинальных условиях значительная доля объема турбинного контура заполнена паром, который должен вытеснить избыточное количество теплоносителя в компенсационную емкость. Если насос теплоносителя реакторного контура приводится во вращение турбиной установки, то при запуске дополнительное пусковое устройство должно вращать весь агрегат турбина—насос—генератор.
В энергоустановках SNAP-8 и SNAP-50 это решается просто: там насосы каждого контура имеют индивидуальные электродвигатели, питаемые от пускового источника электроэнергии (аккумуляторных батарей). После достижения номинальных температур в реакторном контуре клапанное устройство обеспечивает подачу ртути из специальной емкости в парогенератор для генерирования пара. Пар начинает вращать турбину и поступать в насос теплоносителя турбинного контура, где стоит клапан, который открывается и замыкает циркуляцию ртути в контуре лишь при достижении номинальных давлений на входе в насос.
Вопрос о дозировке порций ртути должен быть тщательно исследован. Вопросы же физического пуска реактора и для такого типа установок остаются общими с аналогичными КЭУ с непосредственным преобразованием энергии.
Рассмотрим отдельные этапы процесса пуска.
На начальном этапе пуска расход теплоносителя создается насосами, подключенными к автономному источнику питания — обычно к группе аккумуляторов. При подходе к номинальному режиму питание переключается от аккумуляторов на насосную часть преобразователей. Поскольку в момент переключения режим установки не стабилизировался, расход теплоносителя будет изменяться. Изменение расхода сказывается как на процессе теплообмена между элементами (через коэффициент теплоотдачи), так и на время прохождения теплоносителя по контуру реактор — термогенератор и термогенератор — излучатель двухконтурной КЭУ, либо по контуру реактор — излучатель одноконтурной установки. Таким образом, наряду с дополнительными нелинейными связями в системе возникают контуры, включающие элементы с переменным запаздыванием.
Изучение процессов разогрева и вывода КЭУ на номинальный режим требует учета всех связей между теплофизическими и нейтронно-физическими процессами в установках, а также распределенности параметров. Учет распределенности параметров позволяет не только создать достаточно достоверную модель, но также выявить элементы КЭУ, в которых могут ожидаться опасные для работы установки термические или механические напряжения. Анализ полученных при исследовании модели температур, их распределения и градиентов дает возможность выработать рекомендации по выбору закона управления КЭУ при выводе ее на номинальный режим. Подробное исследование нестационарных процессов в КЭУ на режимах разгона с помощью математической модели с учетом распределенности параметров процессов из-за громоздкости такой модели, большого количества дифференциальных уравнений, нелинейных зависимостей и т. д. возможно только с использованием ЭВМ.
ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОВЫМИ РЕЖИМАМИ
Реактор, используемый в космических станциях, и система управления реактором должны обладать повышенной надежностью; все управление реактором должно быть автоматизировано, а аппаратура управления при минимальных массе и размерах должна обеспечивать работоспособность всей системы в условиях внешних возмущений и при отсутствии возможности вмешательства извне для устранения неисправностей.
Для пуска и управления реакторов наземных установок применяются системы управления, в которых используются несколько ионизационных камер, измерители периода, реактиметры. Работа системы управления при пуске контролируется операторами [30]. Вопросы надежности решаются при этом путем увеличения количества аппаратуры, а также периодической ее проверки. Такой путь решения задачи пуска не применим для космических станций. В то же время опыт эксплуатации реакторов наземных установок должен учитываться при выборе законов управления пуском реакторов бортовых КЭУ.
Как указывалось, физический пуск реактора представляет собой процесс, при котором реактор из глубокого подкритического состояния («холодный реактор») выводится в критическое состояние. Единственным измеряемым параметром при физическом пуске является плотность нейтронов, измерение которой может осуществляться счетчиками, регистрирующими количество нейтронов, проходящих в единицу времени через фиксированную площадь. Начальная плотность нейтронов определяется мощностью источника. В процессе физического пуска плотность нейтронов изменяется на 6—10 порядков, поэтому для непрерывного контроля плотности необходимо использовать несколько счетчиков, либо в процессе пуска изменять положение счетчика. При использовании плотности нейтронов в качестве регулируемого параметра невозможно определить момент перехода реактора через критическое состояние. При этом период реактора может принимать значения, при которых система окажется неуправляемой. Для обеспечения безаварийного пуска реактора должны быть наложены ограничения на период реактора, на первую и вторую производную изменения плотности нейтронов или на величину и скорость изменения реактивности. Эти ограничения выполняются при контроле за периодом реактора во время физического пуска (система управления с регулированием по· периоду) путем выбора такой программы изменения плотности нейтронов, при которой ограничены первая и вторая производная изменения плотности нейтронов (система управления по· мощности реактора), или путем выбора программы изменения положения регулирующих органов.
На этапе пуска, соответствующем разогреву установки и выходу на номинальный режим, измеряемыми параметрами могут служить плотность нейтронов, температура реактора и другие- параметры, характеризующие мощность реактора, в том числе температура теплоносителя, э. д. с., напряжение или сила тока преобразователя. Второй этап пуска завершается выводом КЭУ на рабочий режим, при котором обеспечиваются заданные параметры работы КЭУ.
Программное управление пуском КЭУ
При программном управлении пуском отсутствует контроль за состоянием реактора, уровнем его мощности и периода.
Рис. 5. 13. Блок-схема системы управления:
1 — реактор; 2 — температура; 3 — датчик температуры; 4 — программное устройство; 5 — регулятор; 6 — привод; 7 — отражатель; 8 — система аварийной защиты
Вывод реактора на уровень мощности, при котором можно измерить регулируемый параметр, осуществляется выполнением программы изменения скорости и положения органов, управляющих реактивностью реактора.
Возможная блок-схема системы управления КЭУ с программным управлением пуском приведена на рис. 5.13. Подобную систему имеет установка типа SNAP. Реактивность реактора изменяется в этой установке поворотом внешних бериллиевых отражателей. После вывода КЭУ на орбиту по команде с Земли включается система управления пуском. В соответствии с программой, заложенной в программном устройстве, поворачиваются компенсирующие барабаны отражателя, после чего реактор остается еще в подкритическом состоянии. Затем начинается поворот регулирующих барабанов со скоростью, различной для разных типов установки,
Например, на КЭУ SNAP-10 регулировочные барабаны выводятся со скоростью 0,5° за 150 с, так что время поворота барабанов составляет около 6 ч.
Как сказано выше, характер переходных процессов при выводе реактора из глубокого подкритического состояния в состояние, близкое к критическому, практически не зависит от величины температурного коэффициента реактивности. Период реактора в подкритическом состоянии при постоянной скорости изменения реактивности соответствует выражению (5. 13), т. е. период зависит только от величины реактивности и скорости ее изменения.
В связи с тем, что уровень мощности реактора в подкритическом состоянии мал, реактивность и скорость ее изменения зависят лишь от программы перемещения регулирующих органов. Выражение для периода (5. 13) перестает быть справедливым при подходе к критическому состоянию, поскольку формула выводилась в предположении, что все нейтроны являются мгновенными. Наличие запаздывающих нейтронов приводит к уменьшению скорости изменения плотности нейтронов, а следовательно, — к увеличению периода.
При физическом пуске не контролируется состояние реактора, т. е. не определяется момент прохождения через критическое состояние.
На этапе пуска, соответствующем прогреву элементов установки, система уравнений, описывающих состояние координат для одноконтурной КЭУ, будет иметь следующий вид.
Нагрев реактора начинается через некоторое время после достижения им критического состояния. В этот момент наблюдаются заброс мощности и относительно быстрый рост температуры реактора. С увеличением температуры уменьшается реактивность и падает мощность, но поворот регулирующих барабанов на этом этапе продолжается, что вызывает дальнейшее увеличение мощности и температуры реактора. Период реактора при этом возрастает. Возрастание температур элементов установки до значений, близких к номинальным, приводит к установлению соответствующих температурных режимов и на электродах термоэлектрического преобразователя. Когда температура реактора достигает некоторого значения (810 К для SNAP-10), поворот барабанов по программе прекращается и включается статическая система автоматического регулирования температуры. В этих условиях уравнение реактивности реактора принимает вид
т. е. перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению температуры теплоносителя на выходе из реактора от заданного значения.
На рис. 5. 14 показаны характеристика переходного процесса при пуске SNAP-10 и зона 1 нечувствительности системы автоматического регулирования.
Необходимо отметить, что данная программа пуска может быть использована лишь для КЭУ, реактор которой обладает достаточно большим отрицательным температурным коэффициентом реактивности. Для реакторов с нулевым или положительным температурным коэффициентом реактивности программа должна строиться таким образом, чтобы с увеличением уровня мощности увеличивался период реактора.
Рис. 5. 14. Характеристика переходных процессов во время пуска установки
Если реактор обладает отрицательным температурным коэффициентом, рост мощности будет ограничен, поскольку положительная реактивность (внесенная управляющими органами) при определенной температуре будет скомпенсирована отрицательной реактивностью, порожденной температурным эффектом. При программе изменения реактивности, соответствующей d∆ky/dt=const, в реакторе с отрицательным температурным
Тогда период реактора
Выход реактора на уровень мощности, близкий к номинальному, при достаточно больших значениях периода возможен, если при заданной скорости изменения реактивности ее значения не выйдут за пределы определенного диапазона. Наиболее опасным можно считать режим пуска реактора КЭУ, когда минимальные значения периода соответствуют большим абсолютным значениям мощности реактора.
Если по достижении определенного положительного значения реактивности изменить знак скорости изменения реактивности, период реактора будет увеличиваться и при некотором значении скорости изменения реактивности
плотность нейтронов будет оставаться постоянной. Если последнее равенство выполняется при уровне мощности реактора, близком к номинальному значению, градиенты температур в зоне реактора, скорости изменения и значения температур элементов КЭУ будут допустимыми. Переход на рабочий режим в этом случае может быть обеспечен системой регулирования рабочего режима без какой-либо ее перенастройки.
Основной трудностью в обеспечении подобной программы пуска реактора КЭУ является точное установление момента переключения направления перемещения регулирующих органов и выбор величины скорости привода на этапе уменьшения реактивности. При малой скорости изменения реактивности после переключения выход на уровень мощности, близкий к номинальному, возможен при малом периоде реактора. Значительное увеличение скорости может привести к тому, что реактор не выйдет на заданный уровень мощности.
На рис. 5.16 показан характер изменения мощности реактора с нулевым температурным коэффициентом реактивности при различных программах изменения положения регулирующих органов.
Кривая 1 отражает программу изменения мощности при постоянном направлении скорости, соответствующем увеличению реактивности (кривая 4). Из графика видно, что при такой программе пуска период реактора во времени уменьшается.
Кривые 2 и 3 соответствуют программе с изменением скорости и направления перемещения органов, воздействующих на реактивность реактора (кривые 5 и 6).
Скорость изменения реактивности для кривых 2 и 3 после переключения в 80—100 раз меньше, чем до переключения. Скорость переключается при различных значениях реактивности Δk1 и Δk2. Для обеих кривых изменения плотности нейтронов характерно уменьшение производной во времени, а следовательно, период реактора будет увеличиваться с увеличением мощности.
Основным достоинством систем, обеспечивающих пуск реактора по программе, является простота аппаратуры, отсутствие сравнительно ненадежных измерительных устройств (счетчиков, ионизационных камер). С другой стороны, требование безопасности пуска при отсутствии контроля за состоянием реактора обычно ведет к увеличению времени пуска.
