Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - ЯЭУ с термоэмиссионными реакторами-преобразователями «Топаз» и «Топаз-2»

1. Отечественные космический ЯЭУ с термоэмиссионными реакторами-преобразователями «Топаз» и «Топаз-2»

Термоэмиссионный реактор-преобразователь «Топаз». Концепция ТРП «Топаз» (термоэмиссионный опытный с преобразователями в активной зоне) была разработана коллективом специалистов ФЭИ в результате комплексного анализа нейтроннофизических характеристик различных схем таких реакторов, многочисленных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, в том числе на критических реакторных стендах [5, 6]. ТРП «Топаз» — это тепловой гетерогенный реактор с гидридциркониевым замедлителем. Для регулирования тепловой мощности используются расположенные в боковом отражателе 12 поворотных цилиндров из бериллия, но с бористыми секторными накладками; поворот такого цилиндра бористой накладкой в сторону активной зоны увеличивает поглощение нейтронов и уменьшает мощность ТРП. Активная зона набрана из так называемых многоэлементных ЭГС, чаще называемых ЭГК, из нескольких последовательно скоммутированных ЭГЭ. Такая схема ЭГС позволяет повысить выходное напряжение до нескольких вольт. Отметим, что многоэлементные ЭГС позволяют получить высокие плотности мощности и тем самым создать ТРП повышенной мощности.
В 1962 г. к работам по созданию термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» было подключено авиационное конструкторское предприятие — Московский машиностроительный завод «Союз», где началась разработка ЯЭУ под заданные технические условия для использования в конкретном КА. Это предприятие, преобразованное в дальнейшем в специализированное НПО «Красная звезда» (сейчас ГП «Красная звезда»), привнесло в работы над проектом высокие культуру и технологию, свойственные авиационной промышленности, что во многом способствовало реализации проекта. Здесь были проведены все проектно-конструкторские разработки ЯЭУ, изготовлены макеты и образцы ЯЭУ для технологических, энергетических и летных испытаний. Разработка ЭГС для ТРП и реакторные испытания ЭГС и ядерно-энергетические испытания ЯЭУ проводились в ФЭИ.

Рис. 1.1. Компоновочная схема ЯЭУ «Топаз»:
1 — система подачи пара цезия; 2 — распределительный механизм, 3 — ТРП; 4 — электромагнитный насос; 5 — электрические шины; 6 — радиационная зашита; 7 — холодильник-излучатель; 8 — штепсельные разъемы; 9 — пусковая система; 10 — трубопроводы системы охлаждения, 11 — ионизационная камера; 12 — исполнительные органы СУЗ
ЯЭУ «Топаз» помимо ТРП включает в себя в качестве основных агрегатов радиационную защиту, систему передачи тепла с жидкометаллическим (эвтектическим сплавом NaK) теплоносителем, перекачиваемым электромагнитным насосом, трубчато-ребристый холодильник-излучатель, а также систему автоматического управления. Компоновочная схема ЯЭУ «Топаз» приведена на рис. 1.1. Основной агрегат ЯЭУ — ТРП, активная зона которого образована из ЭГС. Изменение тепловой мощности ТРП осуществляется вращением размещенных в его боковом отражателе поворотных цилиндров, причем приводы компенсирующих поворотных цилиндров обеспечивают вывод реактора в критическое состояние, а приводы регулирующих поворотных цилиндров — поддержание мощности реактора на требуемом уровне. Подача пара цезия в МЭЗ ЭГС проводится из генератора пара цезия, а отвод пара цезия совместно с выделяющимися в МЭЗ газообразными продуктами деления (ГПД) осуществляется в накопитель цезия с тем, чтобы исключить выброс цезия в окружающее пространство. Непреобразованное в ЭГС тепло отводится в трубчато-ребристый холодильник-излучатель посредством натрий-калиевого жидкометаллического контура с электромагнитным насосом постоянного тока. Радиационная защита обеспечивает снижение интенсивности ионизирующих излучений реактора до допустимых для оборудования КА уровней. Вырабатываемая ТРП электроэнергия подводится к потребителю.
Основные характеристики ЯЭУ «Топаз», следующие:

Рис. 1.2. Схема космической ЯЭУ «Енисей» с термоэмиссионным реактором-преобразователем «Топаз-2»:
1 — ТРП; 2 — электромагнитный насос, 3 — радиационная зашита; 4 — фильтр теплоносителя; 5 — пусковое оборудование; 6 — оборудование источника пара цезия, 7 — емкость для защитного газа покрытия замедлителя реактора; 8 — емкость с гелием для зазоров снаружи ЭГС реактора, 9 — трубчато-ребристый холодильник-излучатель; 10 — компенсационная емкость; 11 — предпусковой электрический нагреватель; 12 — датчики давления; 13 — теплообменник NaK — цезиевая полость
Термоэмиссионный реактор-преобразователь «Топаз-2» космической ЯЭУ «Енисей». Космическая ЯЭУ «Енисей», которую в дальнейшем стали называть «Топаз-2», разрабатывалась кооперацией организаций во главе с ИАЭ им. И В. Курчатова (сейчас РНЦ «Курчатовский институт»), ЦКБЭМ и НИИ НПО «Луч» [7, 8]. Эта ЯЭУ по принципу действия аналогична ЯЭУ «Топаз», но основана на применении одноэлементных ЭГС. Концепция одноэлементных ЭГС, разработанная НИИ НПО «Луч» и СФТИ, оказалась привлекательной для разработчиков ЯЭУ «Енисей» (а затем и для американских покупателей наземного прототипа этой установки) из-за возможности замены ядерного топлива электрическим нагревателем, и проведения таким образом на безъядерных стендах цикла тепловых, электротехнических, гидравлических и других испытаний не только ЭГС, но и прототипов ТРП и ЯЭУ, что и было с успехом реализовано. Схема рассматриваемой ЯЭУ приведена на рис. 1.2. 
ЯЭУ выполнена по одноконтурной схеме и состоит из ТРП, теневой радиационной защиты, системы отвода тепла с NaK в качестве теплоносителя, газовых и цезиевой систем, механизмов управления органами регулирования реактора, силовой рамы и кабельной сети. ТРП также имеет гидридциркониевый замедлитель и 37 одноэлементных ЭГС, объединенных в две секции: рабочую (34 ЭГС) и насосную. Активная зона окружена бериллиевым отражателем с поворотными органами регулирования. Система отвода тепла содержит холодильник-излучатель трубчато-ребристого типа, электромагнитный насос постоянного тока, компенсатор объема, ловушку оксидов, электронагреватели для предстартового нагрева теплоносителя. Блок радиационной защиты, содержащий сталь и гидрид лития, обеспечивает на расстоянии 6,5 м от реактора по истечении трех лет флюенс нейтронов с энергией более 0,1 МэВ не выше 5 · 1012 нейтр./см² и дозу γ-излучения не выше 5 · 105 Р.

Основные характеристики ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2») следующие: