Eine Erklärung der prinzipiellen thermodynamischen Vorgänge in einem Brayton-Generator findet sich hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Joule-Kreisprozess#BeschreibungHier die praktische Umsetzung für Tiefraumanwendungen:
Bild:
Wu YicanGanz links ist als Wärmequelle in lithiumgekühlter
schneller Reaktor (反应堆), der mit übereinandergestapelten, durchlöcherten Scheiben aus
Uranmononitrid (93 % UN, ein keramisches Material) im Gesamtgewicht von 215 kg als Brennstoff arbeitet. Die Regulierung des Reaktors, der einen Durchmesser von 49 cm und eine Höhe von 53 cm besitzt, erfolgt über zwei dicke
Steuerstäbe (控制棒) mit
Lithiumhydrid und in etwas dünneren Röhren aufbewahrtes, nach einigen Jahren mit einem einfachen Federmechanismus (预储能装置) in den Reaktorkern gedrücktes
Borcarbid. Das flüssige Lithium, hier grün dargestellt, strömt durch Löcher mit - um eine gleichmäßige Wärmeabfuhr zu gewährleisten - von innen nach außen abnehmendem Durchmesser. Dieses Kühlmittel wird vom Reaktor mit seiner thermischen Leistung von 6 MW auf 1550 K erwärmt:
Bild: Jiang Jieqiong
Um bei einer Schwankung der Reaktortemperatur Druckschwankungen im Kühlkreislauf zu verhindern, ist hinter dem Kühlmittelausgang (冷却剂出口, oben am Reaktor) ein
Druckminderer (压力缓冲装置) eingebaut, dahinter ein Gasabscheider (气液分离器), der durch den Neutronenbeschuss im Lithium gebildetes Heliumgas aus der Flüssigkeit entfernt. Anschließend strömt das von zwei
elektromagnetischen Pumpen (电磁泵) in Schwung gehaltene Lithium in einen aus einer
Wolfram-
Rhenium-Legierung bestehenden Wärmetauscher (W-Re 换热器), wo es auf 1400 K abkühlt. Die Wärme wird an eine Mischung aus Helium- und Xenon-Gas im Brayton-Kreislauf abgegeben. Dieser hinter dem Reaktor (反应堆) angeordnete Wärmetauscher ist gleichzeitig Teil der Strahlenschutzwand (屏蔽系统) für die restlichen Komponenten des mobilen Kernkraftwerks:
Bild: Song Yong
Bei dem Arbeitsgas des Brayton-Generators (布雷顿发电一体机) stellt der Strömungswiderstand der Leitungen ein Problem dar. Daher besitzen diese einen großen Durchmesser, um den Strömungswiderstand zu reduzieren. Aus Redundanzgründen gibt es den Brayton-Generator in zweifacher Ausfertigung. Es arbeitet immer nur einer, der andere ist Reserve. Die Helium-Xenon-Mischung strömt mit 1500 K und einem Druck von 1,95 MPa in eine Turbine (透平), die auf einer gemeinsamen Achse den Stromgenerator (发电机) und den Verdichter (压缩机) antreibt. Bei dem konkreten Weltraumreaktor, über den wir hier reden, wird der Wirkungsgrad des Joule-Kreisprozesses durch einen hinter der Turbine angeordneten
rekuperativen Wärmetauscher (回热器) erhöht.
Danach strömt das Arbeitsgas, das die Turbine mit 1,05 MPa und 1199 K verlassen hat, mit 1,025 MPa und 831 K in den Kühler (冷却器), wo die Wärme an einen durch die großen Kühlflächen führenden Quecksilber-Kalium-Kreislauf übertragen wird. Anschließend strömt das Arbeitsgas mit 1 MPa und nur noch 560 K in den Verdichter, von wo aus es mit 2 MPa und 766 K zum rekuperativen Wärmetauscher und schließlich mit 1,975 MPa und 1134 K wieder zur Aufnahme von neuer Wärme zum Reaktor-Wärmetauscher strömt.
Der Stromgenerator erzeugt eine elektrische Leistung von 1,55 MW. Ein Teil davon wird - wie bei einem terrestrischen Atomkraftwerk - zum Betrieb der Pumpen und Steuerungselektronik verbraucht. Am Ausgang des inklusive Kühlflächen 7,866 t schweren Weltraumkraftwerks stehen 1,5 MW für die Ionentriebwerke, die Instrumente der eigentlichen Sonde sowie deren Bordrechner, Funkanlage etc. zur Verfügung. Das vom Institut für Sicherheit der Kernenergie und zahlreichen weiteren Einrichtungen konstruierte Kraftwerk hätte mit zusammengefalteten Kühlflächen einen Durchmesser von 4,4 m und wäre 12 m lang. Damit würde es auch mit Triebwerken und eigentlicher Sonde in die Nutzlastverkleidung einer
Changzheng 5B passen. Das Foto von der Anlage in startaqs ursprünglichem Beitrag zeigt einen Prototyp mit viel Luft zwischen den Komponenten. Das wird später mal kompakter gebaut.
