2.4. Другие способы превращения энергии деления в полезную работу

МГД-способ

Принцип работы магнитогидродинамического (МГД) генератора, по существу, идентичен принципу работы обычного электромеханического генератора. Так же, как в обычном, в МГД – генераторе эдс генерируется в проводнике, который с некоторой скоростью пересекает силовые линии магнитного поля. Однако, если в обычных генераторах подвижные проводники изготовлены из твердых металлов, то в МГД – генераторе они представляют собой поток электропроводной жидкости или газа (плазмы).

Упрощенная схема МГД – генератора приведена на рис. 2.11. В канал, обычно прямоугольного сечения, поступает поток электропроводного рабочего тела, имеющий скорость w.

Рис. 2.11

В соответствии с законами электродинамики, при движении рабочего тела в магнитном поле с индукцией В в нем индуцируется электрическое поле с напряженностью Е, а на электродных стенках возникает эдс, равная произведению Eb, где b – поперечный размер канала. Если электроды присоединить к внешней нагрузке R_н, в ней и рабочем теле возникнет ток I. Этот ток, протекая в канале, взаимодействует с магнитным полем, в результате чего на каждый объем рабочего тела действует электромагнитная сила, направленная против движения, тормозящая поток. За счет этого кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется, в конечном итоге, в энергию электрического тока.

В зависимости от вида рабочего тела различают плазменные и жидкометаллические МГД – установки. Кроме того, эти установки могут быть открытого и замкнутого цикла. Установки открытого цикла используют рабочее тело только один раз и рассматриваются как надстройки к обычным паросиловым установкам, работающим на органическом топливе. В МГД – установках замкнутого цикла рабочее тело претерпевает циклические изменения, многократно проходя рабочий объем МГД – генератора. Эти установки могут использовать ядерный реактор, как источник тепла.

Есть три пути использования ядерных реакторов в МГД – установках.

ПУТЬ 1. В первой главе уже говорилось, что реакторы на быстрых нейтронах используют в качестве теплоносителя жидкие металлы (ЖМ). ЖМ, являясь проводниками электрического тока, - идеальные рабочие тела для МГД – генераторов. Но трудность в том, что требуются большие скорости w, которые в плазменных МГД – генераторах получаются за счет расширения в сопле. ЖМ несжимаемы, и разогнать их за счет расширения невозможно. Если разгонять просто насосом, то на это потребуется больше энергии, чем будет в итоге произведено. Известны такие способы преодоления этого недостатка: частично (до 12 – 13%) испаряют ЖМ (инжекторный способ); добавляют (до 30%) газ (схема с двухфазным потоком). Оба способа делают рабочее тело МГД – генератора сжимаемым.

ПУТЬ 2. Газоохлаждаемый реактор. Рабочее тело – плазма какого-либо инертного газа, полученная за счет его разогрева в ядерном реакторе. Понятно, что в этом случае большой проблемой является получение очень высоких температур рабочего тела и одновременное обеспечение стойкости материалов реактора.

ПУТЬ 3. Газофазный ядерный реактор. В этом случае рабочее тело – само делящееся вещество в газообразном состоянии. Оно прокачивается через реактор так, что выделяемая за счет реакции деления теплота уносится самим потоком рабочего тела. Отличие от обычных ядерных реакторов – в обычных горючее твердое, а теплота от него отбирается жидким или газообразным теплоносителем. В схеме газофазного реактора существует возможность поднять температуру рабочего тела до значений 1000К. При такой температуре делящееся вещество ионизируется и превращается в плазму, не требуя в связи с этим ионизирующей присадки.

Рабочим телом в газофазном реакторе может быть либо сам испаренный уран, либо его какое-нибудь достаточно летучее соединение, например, шестифтористый уран (UF₆), который сублимируется при температуре Т=53С и атмосферном давлении. Это свойство UF₆ позволяет в схеме МГД – установки реализовать такой же термодинамический цикл, как и в обычной паросиловой установке. Одна из возможных схем МГД – установки с газофазным ядерным реактором показана на рис. 2.12.

Рис. 2.12

В конденсаторе вода испаряется и участвует в обычном паросиловом цикле, отдавая энергию турбине. В регенеративном теплообменнике UF₆, идущий в реактор, подогревается до нужных температур за счет высокопотенциального тепла UF₆, отработавшего в МГД – генераторе.

ЯДЕРНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) непосредственно преобразуют теплоту, полученную за счет деления тяжелых ядер в ядерном реакторе, в кинетическую энергию движения ракеты. При организации обитаемых экспедиций к планетам Солнечной системы человечество неизбежно придет к замене химических ракетных двигателей (ХРД) на ЯРД. Только ЯРД могут обеспечить необходимые параметры движения, гарантирующие возврат экспедиций на Землю.

Вполне понятно, что высокие качества ЯРД могут быть обеспечены только в том случае, если наземная ядерная энергетика имеет достаточно высокое развитие. Это внушает оптимизм относительно развития отечественной ядерной энергетики, т.к. человечество по своей природе не может не стремиться к освоению хотя бы ближайших к Земле планет.

Используя только самые простые сведения из общей физики и теории ракет, проведем сравнение ХРД и ЯРД. В ХРД рабочее тело само по себе является источником энергии, которая потом утилизируется в виде энергии движения ракеты. Энергия возникает при сгорании химического топлива и соответствующего повышения температуры продуктов сгорания по сравнению с исходными температурами топлива и окислителя. Значит в состав рабочего тела этих двигателей обязательно должен входить окислитель и желательно как можно более эффективный, например, кислород или фтор. Это значит:

1. кроме топлива необходимо в ракете же возить и большое количество окислителя (а это лишний груз);

2. наличие на борту эффективного окислителя в больших количествах представляет определенную опасность, особенно важную для обитаемых экспедиций.

Так как ракеты движутся в соответствии с законом сохранения количества движения, необходимо чтобы рабочее тело выбрасывалось из ракеты с возможно большей скоростью. В соответствии с этим важнейшей характеристикой качества ракеты является тяга

R = mv,

Где m – массовый расход рабочего тела, v – скорость истечения из сопла. Известно, что скорость газа на выходе из идеального сопла есть

,

где T_k – температура газов перед соплом, М – относительная молекулярная масса истекающих газов.

Из приведенных соотношений сразу видны преимущества ЯРД по сравнению с ЧРД.

1. В ХРД максимум, чего можно добиться, это

v  6.5 км/с.,

т.к. в ХРД величина М не может быть снижена заметно ниже, чем 18, из-за наличия в рабочем теле атомов окислителя. В ЯРД рабочим телом может быть один водород с М=1. Из последней формулы сразу следует, что только из-за этого (т.е. при одной и той же T_k) скорость истечения может быть увеличена в ~ раз, т.е. втрое – вчетверо. Повышение T_k еще более увеличивает это преимущество.

2. Поскольку в ЯРД источник тепла – ядерный реактор, т.е. не химическое горение, а сжигание делящихся ядер, то отпадает необходимость иметь на борту окислитель. Следовательно заметно уменьшаются массогабариты двигателя и его систем, потребные только для обеспечения его работы.

Огромная энергоемкость ядерного топлива позволяет реализовать эти преимущества. На рис. 2.13 приведена типичная схема ЯРД.

Рис. 2.13

Рис. 2.13 требует только одного комментария: подвод рабочего тела (указан стрелками) организован через стенки сопла для того, чтобы, во-первых, их охлаждать, во-вторых, чтобы использовать тепло, неизбежно исходящее от стенок сопла, для повышения КПД за счет предварительного подогрева рабочего тела перед входом в реактор.