Учебное пособие по курсу конструкции ядерных реакторов

• Название: Учебное пособие по курсу конструкции ядерных реакторов
• Анкор: Volkov_chast_1.docx
• Дата: 09.01.2018
• Размер: 6.16 Mb.
• Имя файла: Volkov_chast_1.docx
• Тип: Учебное пособие; #13811
• страница: 2 из 4

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДЕЛЕНИЯ В ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ

1. 
   КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
   

При преобразовании энергии часть ее теряется. Если в некоторой машине или аппарате осуществляется процесс преобразования и/или передачи энергии, то эффективность этого процесса обычно характеризуют коэффициентом полезного действия (КПД). Схема такого устройства имеет вид, избраненный на рис. 2.1.

КПД определяется как отношение полезной работы к подведенной энергии η=E_пол/E_под . Из закона сохранения энергии E_под = E_пол + E_пот, тогда


Из курса термодинамики известно, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляло бы последовательность круговых процессов, т.е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом цикле кругового процесса рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q, от первичного источника энергии (в нашем случае от ядерного топлива) при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q₂ окружающей среде (воде, воздуху).

Так как рабочее тело после цикла возвращается в исходное состояние и не меняет свою внутреннюю энергию, то, в соответствии с законом сохранения энергии, разность теплот превращается в работу

L = Q₁ - Q₂.

Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие виды энергии (механическую, электрическую), в первую очередь, определяется температурой, при которой теплота Q₁ может быть передана рабочему телу. Температура, при которой отдается теплота Q₂, также существенна.

Однако поскольку теплота отдается окружающей среде, то реально эта температура изменяется в нешироких пределах, определяемых колебаниями температуры окружающей среды.

Эффективность преобразования теплота в работу оценивают термическим КПД: η=L/Q₂=1-Q₂/Q₁. Из курса термодинамики известно, что, если задана абсолютная температура T₁ подвода теплоты Q₁ и температура T₂ отвода теплоты Q₂ , то максимально возможный КПД

η_{t, max}=1-T₂/T₁

Такой КПД теоретически может быть получен в так называемом цикле Карно, который на практике не реализуется. Все реальные циклы, у которых наивысшая температура подвода теплоты T₁, а наинизшая температура отвода теплоты T₂, могут иметь термический КПД

η_t≤1-T₂/T₁

At! Таким образом, конструкция ящерного реактора должна быть такой, чтобы температура топлива и соответственно теплоносителя была максимально возможной. В этом случае эффективность реактора как тепловой машины будет максимальной.

2.2.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ

На всех АС тепловая энергия, получаемая в ядерном топливе, превращается в механическую при расширении пара в турбине, которая в свою очередь вращает электрогенератор, вырабатывающий электричество. Паросиловая установка, упрощенный вид которой схематически изображен на рис. 2.2 , включает 1 - источник тепла, 2- паровую турбину. 3 - конденсатор, 4 - насос.



Паросиловые установки работают по так называемому циклу Ренкина, т.е. по циклу, в котором рабочее тело при высоких температурах является паром и в виде пара совершает работу в турбинах, а при низких температурах - жидкостью. Поскольку жидкость практически несжимаема, то насос 4, служащий для подъема давления и циркуляции рабочего тела, потребляет относительно мало энергии L_H. Максимальный КПД есть



В ядерной энергетике может быть несколько вариантов передачи тепла рабочему телу:Q₂

1. 
   источник тепла I - сам реактор:
   
2. 
   источник тепла I - теплообменник, к которому тепло подводится от реактора через промежуточный контур, как показано на рис. 2.3 ;
   
3. 
   ставится несколько промежуточных теплообменников, как на рис. 2.4.
   

Такая традиционная схема преобразования тепла в электричество и ее влияние на особенности конструкций собственно ядерных реакторов далее обсуждаются достаточно обстоятельно в соответствующих главах. Максимальный КПД, которого можно достичь в этой схеме, составляет 33-40%.

2.3.ПРЯМЭЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Поскольку исходным видом энергии в устройствах прямого преобразования энергии является теплота, их КПД при получении электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно для того же интервала температур.

Есть два способа прямого преобразования:

1. 
   термоэлектрический:
   
2. 
   термоэмиссионный.
   

ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Работа термоэлектрогенераторов (ТЭГ) основана на термоэлектрических эффектах, открытых еще в прошлом веке: эффекте Пельтье и эффекте Зеебека.

ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ

Если через спай разнородных проводников (металлов, полупроводников) пропустить постоянный ток I, то в этом спае в зависимости от направления тока выделяется или поглощается теплота

Q_П=αIT,

где α - коэффициент, зависящий от свойств выбранных проводников, T - температура спая.

ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА

Если в цепи, состоящей из двух разнородных проводников спаи находятся при разных температурах т, и т₂, то возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е, пропорциональная разности температур:

Е=α(T₁-T₂)

где α - коэффициент термо-э.д.с. или коэффициент Зеебека.

Вполне понятно, что оба эффекта как бы дополняют друг друга и имеют одну и ту же физическую сущность, состоящую в том, что, если в каком-либо теле есть свободные электроны, то они стремятся прийти в тепловое равновесие с окружающими ядрами вещества. Поэтому в обеих формулах коэффициент α один и тот же.



На рис. 2.5. приведена принципиальная схема одного ТЭГ. Термоэлектроды 1 и 2, выполненные из различных материалов, электрически соединены в спаях A и B. Электрод 2 разорван, и в этот разрыв включены ключ 3 и нагрузка R.

Если спаи A и B поддерживаются при разных температурах T₁ >T₂, то при разомкнутом ключе в цепи будет разность потенциалов Е. Если ключ 3 замкнуть, то в цепи и нагрузке потечет ток I. Но, согласно эффекту Пельтье, при протекании тока I через спай разнородных проводников в этом спае поглощается или выделяется теплота Q_n. Допустим, в спае A ток течет от проводника 1 к проводнику 2 и за счет этого в нем поглощается теплота Q₁=αIТ₁, которую необходимо подводить. Тогда в спае B, наоборот, ток течет от проводника 2 к проводнику 1, за счет чего в этом спае выделяется теплота Q₂=αIT₂ , которую необходимо отводить.

При протекании тока I в цепи, где действует эдс. Е, будет произведена электрическая энергия L_эл=ЕI, т.е.

L_эл=α(T₁-T₂)I.

В идеальном случае

L_эл=Q₁-Q₂

Для такого идеального ТЭГ КПД составил бы


т.е. в этом случае КПД равен КПД цикла Карно.

Однако в реальности такой КПД получить нельзя. Наряду с описанными выше процессами в ТЭГ происходят другие, существенно снижающие КПД. Прежде всего, за счет разности температур между спаями по самим электродам 1 и 2, обладающим определенной теплопроводностью, от горячего спая к холодному перетекает теплота Q_T. Ясно, что эта теплота бесполезна. Она при неизменной L_эл увеличивает требуемую теплоту Q₁, т.е. уменьшает КПД. Количество теплоты Q_T при заданной разности T₁-T₂ пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и площади поперечного сечения проводника и обратно пропорционально его длине.

Принято качество ТЭГ измерять коэффициентом добротности

zα²/λ

Чем больше z, т.е. чем больше производительность ТЭГ, измеряемая коэффициентом α, и чем меньше потери тепла, измеряемые коэффициентом теплопроводности λ, тем выше должен быть КПД ТЭГ.

На рис. 2.6 приведены зависимости КПД ТЭГ η от коэффициента добротности z при различных температурах горячего спая. Из него виден тот идеал, к которому следует стремиться при создании ТЭГ: необходимо обеспечить коэффициент добротности не хуже 2*10³, материалы должны выдерживать, а системы должны поддерживать температуру горячего спая 1000 К.

Наиболее удачными материалами для термоэлектродов сейчас считаются сплавы и соединения элементов IV-VI групп периодической системы



-олова, свинца, висмута, сурьмы, теллура, селена, германия, кремния (полупроводники). Значения коэффициента добротности z для них могут достигать 2*10^-3 – 3*10^-3 1/град. Сильная температурная зависимость z приводит к тому, что реально можно достичь 1.5*10^-31/град.

Обычно ТЭГ представляет собой последовательность термоэлементов, соединенных последовательно специальными коммутационными пластинами, образующими спаи. В результате получаются группы так называемых горячих спаев, работающих при температуре T₁. и холодных спаев, работающих при температуре T₂ (T₁>T₂). На рис. 2.7 приведена схема такого ТЭГ. Полная эдс, развиваемая ТЭГ, равна сумме эдс. отдельных элементов. При замыкании ТЭГ (выводы а и В) на нагрузку через все термоэлектроды и коммутационные пластины проходит один и тот же ток.



В результате горячие спаи поглощают, а холодные выделяют теплоту. Для поддержания постоянных температур T₁ и T₂ к горячим спаям надо подводить теплоту Q₁, а от холодных отводить Q₂. КПД ТЭГ оказывается несколько меньше, чем отдельного элемента из-за дополнительных потерь в коммутационных пластинах.

Из-за высокой стоимости и малых КПД ТЭГ не используются в крупной стационарной энергетике. Однако в космической энергетике они используются достаточно широко. Источником энергии являются ядерные реакторы или радиоизотопные источники. Достигаемые электрические мощности - до десятков киловатт. Используемые материалы германий-кремниевые сплавы, GeBiTe(p) и PbTe(n).

Оказывается, что поместить ТЭГ в ядерный реактор, организовать подвод и отвод тепла в условиях ограниченности массогабаритов невыгодно. Поэтому в космических энергоустановках ТЭГ вынесены в холодильники-излучатели. Горячие спаи обычно находятся при температуре T₁900к, которая обеспечивается прокачкой жидкометаллического теплоносителя. КПД таких энергоустановок <5%.

ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

В основе термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП) лежит явление термоэлектрической эмиссии, которое состоит в том, что. если какой-либо металл, нагретый до некоторой температуры т, поместить в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода φ, составляющей обычно несколько электронвольт.

При низких температурах средняя энергия свободных электронов существенно меньше φ и лишь ничтожная часть электронов испускается в вакуум. С ростом T эго количество резко возрастает.

Явление термоэлектронной эмиссии широко используется в электронных лампах, ускорителях электронов.

Когда нагретое металлическое тело помещено в вакуум, через некоторое время между ним и электронным облаком устанавливается разность потенциалов, прекращающая дальнейшую эмиссию электронов. В этих условиях, сколько электронов выходит из металла, столько же возвращается в него за счет естественной конденсации. Равновесная разность потенциалов между металлом и электронным облаком как раз равна работе выхода металла φ.

Электроны, эммитируемые телом (катодом - эммитером) можно отбирать, например, размещая рядом с катодом анод (коллектор) и прикладывая напряжение соответствующего знака. Максимальное количество электричества, которое можно отобрать в единицу времени, называется током насыщения. Плотность i этого тока может быть вычислена по формуле Ричардсона

i=AT²exp(,

где А≈120а/(см²к²) - постоянная Ричардсона, φ- работа выхода металла, к - универсальная постоянная Больцмана.

ГДЕ ВЗЯТЬ НЕОБХОДИМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ?

Если к катоду и аноду приложить напряжение от постороннего электрического источника, действующее непрерывно, и замкнуть цепь через нагрузку, то по цепи потечет ток, определяемый работой выхода φ и температурой т катода. Так работают все электронные лампы. Но это потребители, а не источники энергии!

Работа источников энергии организуется иначе. Если поместить в вакуум два электрода из различных металлов, имеющих разные работы выхода φ₁ и φ₂, то между ними установится некоторая разность потенциалов ∆φ(см. рис. 2.8 ).

Понятно, если температура электродов 1 и 2 одинакова, то при замыкании цепи ток не пойдет (иначе это был бы вечный двигатель). Если электрод - эммитер I имеет более высокую температуру, чем электрод-коллектор, то при замыкании цепи электроны с эммитера пойдут на коллектор.
Если температуру эммитера не поддерживать, то он охладится, т.к. при отборе электронов электрод охлаждается (эффект Эдиссона). Чтобы сохранить температуру эммитера постоянной, к нему надо подводить теплоту



на единицу поверхности, где e - заряд электрона, остальные обозначения уже пояснены выше. Когда электроны входят из вакуума в коллектор, в нем выделяется соответствующее количество теплоты (подобно теплоте конденсации) и, чтобы сохранить температуру коллектора постоянной, эту теплоту необходимо отводить.

У идеального ТЭП КПД близок к КПД цикла Карно, осуществляемого при температуре эммитера T₁ и температуре коллектора T₂ (T₁ >T₂):

(2.1)

Если бы не последнее слагаемое в знаменателе, эта формула совпала бы с формулой для КПД цикла Карно. Отличие возникло из-за того, что помимо работы выхода электроны, уходящие с электрода, должны приобрести энергию, соответствующую температуре данного электрода, а эта энергия не преобразуется в электрическую работу. Обычно это слагаемое колеблется от 0.1 до 0.2, т.е. η_mах составляет от 0.8 до 0.9 от КПД цикла Карно.

Действительный КПД ТЭП еще меньше по следующим двум основным причинам.

Первая причина - перенос теплоты с эмиттера на коллектор путем излучения.

Поскольку рабочие температуры ТЭП достаточно высоки (температура эмиттера 1500-2000 K), лучистые потоки q_л оказываются весьма существенными и эффективных методов борьбы с ними пока нет. В других (электрических) терминах и с учетом q_л формула (2.1) переписывается как



Коль скоро нет возможности уменьшить q_л, то надо стремиться увеличить ток 1 и разность работ φ₁ - φ₂. Но наибольший ток 1 можно получить, уменьшив φ₁ (см. формулу Ричардсона). В общем, в данном случае

при разработке эффективных ТЭП решают оптимизационную задачу для эмиттера и проблему уменьшения φ₂ для коллектора.

Вторая причина - в отличие от идеального ТЭП в вакуумном зазоре между эмиттером и коллектором реального ТЭП возникает пространственный заряд за счет высокой концентрации электронов.Это приводит к



тому, что распределение потенциала между эмиттером и коллектором приобретает вид, как на рис. 2.9, Наличие максимума высотой © приводит к следующему: чтобы достичь коллектора, электроны эмиттера кроме тепловой энергии 2kT₁ и энергии φ₁ должны приобрести еще энергию δ. После прохода максимума эта энергия пойдет на сообщение электронам дополнительной кинетической энергии, которая затем бесполезно выделится на коллекторе в виде теплоты, требующей дополнительных усилий по ее отводу.

Наличие пространственного заряда существенно снижает характеристики ТЭП. Есть методы борьбы с ним. Наиболее простой способ - уменьшение расстояния между эмиттером и коллектором. Разумеется, таким способом можно добиться, чтобы δ≈0. Но для этого необходимо поддерживать зазор между эмиттером и коллектором на уровне 0.01-0.001мм. Обеспечить высокую надежность, большие сроки службы ТЭП и (одновременно) такие малые зазоры - очень большая технологическая проблема. Более эффективной оказывается компенсация пространственного заряда с помощью положительных ионов. Ясно, что при введении в электронное облако некоторого количества зарядов противоположного знака отрицательный потенциал снизится. На практике это достигается введением в межэлектродный зазор ТЭП паров цезия (Cs). Атомы цезия легко ионизируются,

образуя положительные ионы, которые могут компенсировать пространственный заряд. Для получения паров цезия ТЭП снабжают резервуаром с жидким цезием, который поддерживают при строго определенной температуре, соответствующей требуемому давлению паров Сs.

Помимо компенсации пространственного заряда Cs выполняет еще две очень важные функции.

1. 
   Работа выхода Cs существенно ниже, чем у обычно применяемых материалов для эмиттеров и коллекторов. Поэтому, когда на коллекторе адсорбируется некоторое количество Cs, работа выхода коллектора φ₂ существенно снижается.
   
2. 
   Адсорбция цезия на эмиттере (в так называемых ТЭП высокого давления) позволяет существенно повысить токи i с него.
   

В итоге КПД и мощностные характеристики ТЭП улучшаются. Реально КПД ТЭП могут достигать 10-15% и есть резервы их дальнейшего увеличения.

В ядерной энергоустановке (ЯЭУ), основанной на этом принципе преобразования энергии, можно создать компактный реактор-преобразователь (РП), у которого вся энергопроизводящая часть встроена в саму активную зону и не содержит движущихся частей. Во вне имеется только контур охлаждения. В этой схеме сам твэл выполняется в виде ТЭП (см. рис. 2.10). Такие конструкции уже созданы и успешно работали, например, отечественная космическая ЯЭУ с РП "Топаз". Создание такой установки - сложная инженерная задача, т.к. ТЭП должен работать при высоких температурах, больших токах и нейтронных потоках. Последнее особенно неприятно, т.к. свойства используемых материалов под облучением могут сильно изменяться.



В настоящее время рассматриваются возможности создания комбинированных ЯЭУ: прямое преобразование + машинный способ преобразования энергии.

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.