Преобразователи на тепловых нейтронах

В настоящее время применяется несколько типов ядерных преобразователей: ядерные батареи (источники электрического тока), ядерные двигатели и электростанции, в которых ядерный преобразователь (реактор) используется как источник тепла – теплогенератор. Ядерные теплогенераторы применяются и непосредственно – для обеспечения теплом промышленных объектов и отопительных систем.

Ядерная энергия освобождается при делении тяжелых ядер и синтезе легких ядер. Например, используется деление ядер урана и слияние ядер водорода.

Деление ядер тяжелых элементов может происходить естественно, без создания специальных условий, обеспечивающих протекание соответству-ющей реакции, и искусственно – в реакторах. Вещества, у которых ядра атомов способны делиться естественно, в большинстве своем относятся к группе искусственных радиоактивных изотопов, получающихся в процессе осуществления реакции деления ядерного топлива в реакторе.

Синтез ядер легких элементов в естественных условиях на Земле не встречается. Однако излучение Солнца целиком основано на реакциях термоядерного синтеза. Как показали исследования, для поддержания деятельности такого естественного термоядерного реактора достаточно, чтобы в течение года одному ядру из миллиона удалось принять участие в реакции слияния ядер.

Реакции деления и синтеза ядер могут идти как цепные самопод-держивающиеся реакции, т. е. после затраты некоторого начального количества подведенной извне энергии – энергии активации Е_а (рис. 7.1.1) – они протекают самостоятельно с выделением энергии, возбуждая ядерные реакции в соседних ядрах за счет энергии части осколков деления. Число столкновений между частицами с энергией больше Е_а,приводящее к превращениям – пропорционально (к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура). Тогда и скорость превращений можно предста-вить в виде произведения ,в котором первый множитель учитывает геометрические условия встречи, а второй – энергетическую сторону.

Количество выделяющейся при ядерных реакциях энергии будет равно разности энергий связи начальных и конечных продуктов реакции.

Вещества, поддающиеся делению или синтезу ядер, называют по аналогии с химическими топливами ядерными топливами.

Ядерными топливами деления являются два: уран-235 и плутоний-239. Только у них вследствие особого соотношения между силами отталкивания и силами притяжения между нуклонами имеются условия для энергетически выгодного деления под действием освобождающихся в его процессе нейтронов.

Рис. 7.1.1. Энергия активации: Е_а – энергия активации; Е_св – освобождающаяся энергия

Практически все действующие ядерные энергетические установки используют в качестве источника питания изотоп урана уран-235, ядра которого делятся при бомбардировке тепловыми нейтронами, т. е. нейтронами, средняя кинетическая энергия которых соответствует температуре в реакторе.

Природный уран состоит из изотопа уран-238 и содержит лишь 0,7 % урана-235. Разложение этих изотопов представляет собой сложный и энергоемкий процесс. В обычных энергетических реакторах используется слабообогащенный природный уран, в котором содержание уран-235 повышено до 3–4,5 %.

Схема ядерной реакции, происходящей на тепловых нейтронах, сводится к следующему. При делении ядра уран-235, помимо ядер других элементов – осколков деления, образуется в среднем на каждое деление 2,5 нейтрона, средняя энергия которых очень велика – 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией практически не захватываются ядрами уран-235, но поглощаются ядрами уран-238. В то же время тепловой нейтрон может быть захвачен ядром уран-235 и вызывает его деление, которое дает 2,5 новых нейтрона. Для того чтобы в реакторе могла существовать непрерывная самоподдерживающаяся реакция, необходимо, чтобы из образующихся при каждом делении 2,5 нейтронов хотя бы один вновь вызвал деление ядра уран-235. Для этого образующиеся при делении быстрые нейтроны надо замедлить до того, как они поглотятся ураном-238 и другими материалами, имеющимися в реакторе.

Ядра урана-238, поглотившие нейтрон, после ряда промежуточных реакций превращаются в новый химический трансурановый элемент плутоний-239 с порядковым номером 94. Этот элемент по ядерным свойствам похож на уран-235. По мере того, как в процессе работы в нем накапливается плутоний-239, он начинает частично захватывать тепловые нейтроны и делиться с выделением новых нейтронов и энергии.

В результате освобождения ядерной энергии радиоактивных веществ энергия освобождается тоже в виде кинетической энергии электронов -частицы), ядер гелия -частицы), -квантов. Если энергия этих частиц поглощается веществом, то она вызывает тепловое движение, т. е. происходит переход кинетической (или механической) энергии в тепловую.

Однако при освобождении ядерной энергии деления возникают и новые возможности, связанные с тем, что среди образующихся частиц имеются электрозаряженные. Это позволяет проектировать и строить преобразователи ядерной энергии непосредственно в электрическую.

Рассмотрим преобразователи ядерной энергии в электрическую, тепловую и механическую, имеющие практическое значение.

Радиоизотопные электрогенераторы (РИЭГ), или, как их чаще называют, ядерные батареи, осуществляют непосредственное превраще-ние ядерной энергии в электродинамическую и могут работать на всех трех видах излучений: и Однако наиболее перспективным считается -излучение. и -частицы, будучи тяжелыми, быстро разрушают прибор, а -кванты опасны для жизни и поэтому радиоизотопные электрогенераторы должны снабжаться относительно тяжелой защитой.

РИЭГ являются источниками электрического тока высокого напря-жения (до 800000 В) и малой силы (10^-11–10^-8 и выше). Высокое напряжение обеспечивается большой энергией частиц, возникающих при радиоизотопном распаде. Количественный же их выход, определяющий силу тока и мощность, мал и зависит также от времени полураспада. Поэтому они, отличаясь длительным сроком службы (до 20–30 лет и более), обеспечивают очень малую мощность (от 10^-5–10^-3 до 5 Вт). КПД большинства типов РИЭГ не превышает 2 %,а чаще имеет значения еще меньшие.

Реакторные ядерные электрогенераторы непосредственного превра-щения ядерной энергии в электродинамическую и электромагнитную (без предварительного превращения ее в тепловую). Действие их основыва-ется на следующих принципах.

Электростатический принцип превращения ядерной энергии в электродинамическую. В обычных условиях заряженные осколки деления, несущие 80 % энергии, разлетаются равномерно во все стороны, но если их движению придать направленность, то они могут заряжать электроды электростатического генератора, создавая потенциал примерно 4 МВили несколько менее. Одновременная разрядка такого генератора на внешнюю нагрузку позволяет продолжать процесс переноса зарядов и, следовательно, использовать устройство в качестве постоянного источника электродинамической энергии.

Электромагнитный принцип (превращение ядерной энергии в электромагнитную). Идея его сводится к превращению кинети-ческой энергии осколков деления в энергию электромагнитного излу-чения с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов типа магнетронов или с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров).

Тепловой электромагнитный принцип превраще-ния ядерной энергии в тепловую, затем механическую и, наконец, электродинамическую. Если бы удалось создать направленный поток продуктов деления, не давая им прийти в беспорядочное тепловое движение, то можно было бы построить непосредственный электромагнитный преобразователь ядерной энергии в электрическую, действующий по принципу механических электрогенераторов – при пересечении проводником силовых линий магнитного поля в проводнике возникнет электрический ток.

Радиоизотопные двигатели (РИД) могут быть активного и реактив-ного действия. В первом случае радиоактивный источник энергии помещается на подвижном элементе двигателя и время от времени приводится в соприкосновение с неподвижным проводником, являющимся токоподводом зарядов к подвижным элементам. Во втором случае радиоактивный материал размещается на приводимом в движение теле.

Ядерные реакторные двигатели (ЯРД) можно в принципе постро-ить по тем же схемам, однако «активные» ЯРД с непосредственным использованием кинетической энергии осколков деления будут уступать по эффективности и габаритным показателям соответствующим тепловым ядерным двигателям.

Реакторные двигатели непосредственного преобразования энергии. Их отличие от реактивных РИД состоит лишь в том, что вместо радиоактивного изотопа источником энергии служит ядерный реактор специфической формы. Этому двига-телю присущи все недостатки радиоизотопного: почти половина энергии деления не участвует в создании тяги (поглощается в ракете вследствие равномерного разлета осколков); при этом на каждый килограмм тяги должно рассеиваться почти 180 MВт тепла. Необходимо распределять делящийся материал в виде тонкого слоя, что приво­дит к очень малой эффективности ней­тронов деления; велика трудность коллимации осколков и т. п.

Тепловые реакторные двигатели. Различные варианты конструкций тепловых ЯРД выполняются по типу обычных реактивных двигателей. В них ядерная энергия в реакционной камере – активной зоне реактора – превращается в тепловую, которая в свою очередь переходит в кинетическую – механическую энергию газового потока, истекающего через реактивное сопло, и преобразующуюся в механическую энергию движения соответствующего аппарата по реактивному принципу.

Можно различать две типичные схемы: двигатель, где рабочее тело – газ нагревается, охлаждая стержни с твердым делящимся веществом. Эта схема ядерного реактивного двигателя ограничена по температуре и, следовательно, удельной тяге и скорости разгона рабочего тела жаростой-костью стержней.

Вторая схема – газовые реакции идут в самом рабочем теле и поэто-му члены меньше. Простейший вариант – это так называемый камерный реактор, в котором смесь газообразного ядерного топлива и рабочего тела проходит через активную зону, окруженную твердым замедлителем – отражателем нейтронов, и истекает через сопло. Вследствие большого расхода ядерного топлива (чаще всего это уран) такой реактор совершенно неприемлем по стоимости и радиационной опасности.

Термоядерные двигат е л и. Принцип ускорения рабо-чего тела и другие черты процесса превращения энергии в термоядерных ракетных двигателях совпадают в своей основе с таковыми для ядерных тепловых реактивных двигателей. Особенности данного способа освобождения энергии придают этому процессу специфику, которую легко обнаружить, рассмотрев схему одного из вариантов термоядерного двигателя, показанного на рис. 7.1.2.

Рис. 7.1.2.Термоядерный ракетный двигатель:

1– система охлаждения жидким гелием; 2 – система охлаждения водой; 3 – несущая конструкция; 4 – катушки из сверхпроводников, создающих магнитное поле;

5 – область плазмы; 6 – горячее рабочее тело; 7 – графитовая защита;

8 – обмотка двигателя

Рабочее тело подаётся в камеру через стенки, охлаждая их, и нагревается, обтекая плазменный шнур. Тепловое излучение разреженной плаз-мы в этом двигателе мало по сравнению с нейтронным и -излучениями, которые меньше поглощаются стенками двигателя, что позволяет нагревать рабочее тело до более высокой температуры сравнительно с ядерными двигателями деления. Такой двигатель может быть использован и в качестве двигателя с электромагнитным ускорением плазмы, так как в нем имеется и ядерный источник проводящего газа – плазмы, и магнитные системы. Ослабив заднюю магнитную пробку, можно обеспечить истечение продуктов реакции. Осевая скорость истечения ионов на выходе из магнитного сопла может составить 10⁴ км/сек. Электроны, которые будут истекать с релятивистскими скоростями, увеличивают тягу незначительно.

Преобразование ядерной энергии в химическую. Во всех преобразова-телях ядерной энергии деления существует опасность радиационного поражения живых существ и растений, поэтому ядерные реакторы снабжа-ются тяжелой и громоздкой биологической защитой. Это препятствует их использованию на легких транспортных средствах (небольших судах, локомотивах, автомобилях и т. п.), а также в местах скопления большого количества людей – в крупных городах.

Поэтому интересной возможностью исключения этих недостатков ядерной энергии является превращение ее в химическую энергию, использование которой безопасно, иными словами – превращение ядерных горючих в химические.

Непосредственное преобразование в химическую энергию. Процессы, в результате которых происходит поглощение энергии продуктов ядерной реакции веществом, весьма сложны. Тяжелые заряженные частицы (протоны, дейтроны, -частицы и т. д.) отдают свою энергию главным образом в процессе упругих столкновений с электронами атомов вещества; электроны – в процессах неупругого рассеяния (ионизация и тормозное рентгеновское излучение) и упругого рассеяния (отклонение частицы полями электронов атома и ядра без потери энергии); электромагнитное излучение (рентгеновские и -лучи) передает свою энергию в результате трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (упругое столкновение с электронами вещества) и образования пар (электрон – позитрон); нейтроны взаимодействуют в основном с ядрами атомов в процессах упругого рассеяния, неупругого рассеяния, расщепления ядер с испусканием заряженных частиц (протонов, -частиц и т. п.), деления ядер и радиационного захвата.

Преобразование с использованием промежуточного теплового вида энергии. Вероятно, одна из самых реальных возможностей превращения ядерной энергии в химическую состоит в использовании тепла, выделяемого при ядерных реакциях, для разложения химических соединений. На этом принципе основано действие так называемых «хемоядерных» или «ядерно-химических» реакторов. Один из вариантой такого реактора соединен с топливным элементом – устройством дли непосредственного превращения химической энергии в электрическую. Под действием тепла, выделяемого в ядерном реакторе, одно из соединений металлов (лития, натрия, калия, бария и т. п.) с водородом (гидридов) распадается на свои составляющие – металл и водород. Соединяясь в топливном элементе, они освобождают энергию в виде электрического тока. Разложение гидрида может происходить как внутри реактора, так и вне его. В первом случае гидрид будет разлагаться не только под действием нагрева, но и под действием излучений.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: