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. В соответствии с законами

электродинамики, при движении рабочего тела в магнитном поле с индукцией B в нем индуцируется электрическое поле с напряженностью Е, а на электродных стенках возникает эдс, равная произведению Eb, где b - поперечный размер канала. Если электроды присоединить к внешней нагрузке R_n в ней и рабочем теле возникает ток I. Этот ток, протекая в канале, взаимодействует с магнитным полем, в результате

чего на каждый объем рабочего тела действует электромагнитная 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 ≥10000 к. 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 T=53°C 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

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 утилизуется 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=mv,

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

где T_к - температура газов перед соплом, М - относительная молекулярная масса истекающих газов.

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

1.В ХРД максимум, чего можно добиться, это

v≤6.5 км/с.,

т.к. в ХРД величина и 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_к) скорость

истечения может быть увеличена в ~ раз, т.е. втрое - вчетверо.

Повышение т_к 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 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой главе рассмотрены все способы преобразования энергии де­ления ядерного топлива в полезную работу, которые или уже освоены (паросиловой, термоэлектрический, термоэмиссионный), или имеют реа­льную перспективу реализации (МГД, ЯРД), подготовленную развитыми современными технологиями и научно-техническим потенциалом передовых стран. Россия имеет все возможности для участия в соревновании по промышленному освоению новых способов утилизации энергии деления тяжелых ядер.