| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 1 Гостей: 1 Користувачів: 0
|
|
Ядерна енергія в ракетах
Ми вже говорили про можливість застосування ядерної енергії для силових установок ракет. Тепер ми розглянемо питання про застосування цього виду енергії для енергетичних установок, тобто установок, що виробляють електричну енергію на борту космічного корабля.
В даний час для цієї мети застосовуються деякі радіоактивні речовини, розпад яких супроводжується виділенням енергії. Практичний інтерес представляють три так званих радіоізотопу: плутоній-238, полоній-210 і прометей-147. Ці елементи без якого-небудь на них зовнішнього впливу безперервно виділяють енергію.
Як довго радіоактивна речовина може виділяти енергію? Для оцінки тривалості радіоактивного розпаду введено поняття «період напіврозпаду». Період напіврозпаду - це час, протягом якого розпадається половина маси взятого радіоактивної речовини. Для плутонію-238 період напіврозпаду становить 86,5 років. Період напіврозпаду полонію-210 значно менше, всього лише 138 діб, а період напіврозпаду прометея-147 відповідає 2,7 років. Таким чином, для космічних кораблів з відносно невеликим терміном польоту найбільш підходящим може виявитися полоній-210.Прометей-147 і плутоній-238 можуть бути використані як джерела енергії в кораблях з більш тривалими термінами перебування в космічному просторі.
Слід мати на увазі, що, виділяючи енергію в процесі радіоактивного розпаду, радіоактивні речовини одночасно випромінюють потік частинок, що надають шкідливу дію на організм людини, При розпаді полонію-210 і плутонію-238 випромінювання складається з а-частинок (ядер атомів гелію), а при розпаді прометея-147 - з в-частинок (електронів). Якщо на борту космічного корабля є енергетична установка, що працює на радиоизотопах, то в ньому повинна бути передбачена відповідна захист екіпажу від дії радіоактивного випромінювання.Захист можна виконати у вигляді екрану з речовин, що містять великий відсоток вуглецевих атомів, або з чистого вуглецю.
Яким же чином енергія, що виділяється при радіоактивному розпаді речовини, перетворюється в електричну енергію? В процесі радіоактивного розпаду відбувається розігрівання, тобто виділяється енергія. Як можна перетворити цю енергію в електричну енергію, минаючи проміжні процеси, ми вже бачили на прикладі сонячних батарей.
В радіоізотопних установках для перетворення енергії, що виділяється при розкладанні радіоактивної речовини, використовується інший принцип. Усередині блоку, що складається з набору металевих пластин, ізольованих один від одного электроизолирующим матеріалом, поміщають радіоактивна речовина. Блок монтується поза відсіків космічного корабля, тобто на його зовнішній поверхні, і, таким чином, знаходиться в космічному просторі.З допомогою спеціального екрану навколо блоку створюють тінь, так що при будь-якому положенні корабля в просторі він ніколи не освітлюється Сонцем, і тому сонячні промені його не можуть нагрівати. Кінці металевих пластин, які знаходяться всередині блоку і стикаються з радіоактивною речовиною, нагріваються за рахунок енергії, що виділяється при його розкладанні. Зовнішні кінці пластин, які знаходяться в космічному просторі, в тіні охолоджуються.Таким чином створюється й постійно підтримується різниця температур між внутрішніми і зовнішніми кінцями пластин блоку, що в свою чергу призводить до створення різниці потенціалів на них. Всі пластини блоку з'єднуються в єдину електричну ланцюг, по якій протікає сумарний струм, що утворюється на всіх пластинах.
Існуючі радіоізотопні установки, що застосовуються у космічних об'єктах, мають дуже невеликий коефіцієнт корисної дії. Лише 5% всієї енергії, що виділяється в процесі радіоактивного розпаду речовини, в такій установці перетворюється в електричну енергію. В цьому один з недоліків радіоізотопних енергетичних установок. Другий недолік - некерованість реакції розпаду радіоізотопу. Незалежно від того, споживається електрична енергія в даний момент чи ні, радіоізотопне речовина безперервно піддається розкладанню. Швидкість розкладання неможливо ні послабити, ні підсилити.Отже, екіпаж космічного корабля не зможе в разі потреби отримати від радіоізотопної енергетичної установки більшу кількість енергії, як і зменшити кількість енергії, що виробляється нею.
Потужність радіоізотопної установки, має вагу, прийнятний для космічного корабля, може бути 25 - 100 вт. Такі малопотужні енергетичні установки придатні тільки для нежилих космічних апаратів - невеликих штучних супутників Землі.
Для жилих космічних кораблів, особливо зі складною програмою польоту, потрібно джерело електричної енергії потужністю в кілька кіловат. Для створення потужних енергетичних установок, у яких внутрішньоядерні енергія перетворюється в електричну, більше підходять не радіоізотопи, а ядерне пальне.
До ядерного пального відносяться такі речовини, як уран-235 і плутоній-239. Характерною особливістю цих речовин є здатність ядер їх атомів при попаданні в ядро ззовні нейтрона розпадатися на два осколки з виділенням одночасно двох або трьох вільних нейтронів. Але, для того щоб процес поділу ядер плутонію-239 або урану-235 проходив нормально, швидкість нейтрона, влетающего в їх ядра, повинна мати певну величину (близько 140 км/сек).
При розпаді ядер атомів урану-235 і плутонію-239 утворюються більш швидкі нейтрони, тому в ядерні реактори поряд з ядерним пальним завантажують сповільнювач, тобто речовина, яка здатна швидкі нейтрони перетворити в повільні. Сповільнювачем швидких нейтронів може служити графіт або важка вода.
Швидкі нейтрони, стикаючись з ядрами атомів сповільнювача, перетворюються в повільні нейтрони, які, зустрічаючись з ядрами атомів ядерного пального, викличуть наступний акт поділу ядра і т. д. Станеться, як кажуть, ланцюгова реакція. Таким чином, завдяки виділенню при розпаді ядра вільних нейтронів виявилося можливим підтримувати безперервне горіння ядерного пального.
На кожен акт поділу утворюється не один, а два або три нейтрона, тому ланцюгові реакції виявилися не тільки самоподдерживающимися, але і самоускоряющимися. Щоб зробити ланцюгову реакцію керованою, необхідно регулювати швидкість згоряння ядерного пального, а для цього потрібно змінювати кількість нейтронів, що з'являються в одиницю часу в зоні реакції.
Регулювати концентрацію нейтронів у зоні реакції виявилося можливим завдяки тому, що їх добре поглинають деякі речовини. Гарним поглиначем нейтронів є метал кадмій. Якщо повільний нейтрон стикається з ядром атома кадмію, то він залишається в цьому ядрі і, таким чином, виводиться з реакції. Ядерні реактори забезпечуються декількома стержнями з кадмію. Занурюючи такі стрижні в зону реакції, можна знижувати в ній концентрацію нейтронів, і навпаки: виймаючи - збільшувати. Для повної зупинки роботи ядерного реактора служать так звані стоп-стрижні.Стоп-стрижні виготовляють також з кадмію, але розмір їх роблять значно більше, ніж керуючих стержнів. При повному зануренні стоп-стрижнів в зону реакції вони настільки багато поглинають нейтронів, що реакція поділу ядер ядерного пального повністю припиняється.
В даний час ведуться розробки енергетичних установок, які дозволять отримувати електричний струм на борту космічного корабля з використанням ядерного пального. Основною частиною ядерних енергетичних установок космічних кораблів будуть, звичайно, ядерні реактори, з принципом роботи яких ми ознайомилися. Ядерні реактори дозволять створювати енергетичні установки дуже великої потужності.
Самий раціональний шлях перетворення атомної (внутриядерной) енергії в електричну - це використання тепла, що утворюється при поділі ядер атомного пального для нагрівання та випаровування якого-небудь речовини (робочого тіла); пар може приводити в рух турбіну, яка буде обертати генератор, що виробляє електричний струм.
Ядерне пальне в мільйони разів перевершує по теплопродуктивності будь-який інший вид палива. А чому ж енергетичні установки на цьому пальному, незважаючи на винятково високу теплопродуктивність, мають все-таки велику вагу? Адже запас пального за вагою, навіть при дуже тривалому терміні польоту, може бути невеликий. Справа в тому, що ядерна енергетична установка при роботі виділяє велику кількість випромінювань, що складаються головним чином з проникають через різні матеріали нейтронів і у-променів.У земних умовах атомний реактор, який є головною частиною атомних електростанцій, для створення безпечних умов роботи обслуговуючого персоналу оточують товстими бетонними стінами. Усі пульти керування роботою атомної електростанції встановлюють за бетонною стіною. Бетонна захист важить тисячі тонн. Такий вид захисту, звичайно, не може застосовуватися на космічних кораблях. Яка ж захист екіпажу від проникаючої радіації, що виникає при роботі атомного реактора, можлива на космічному кораблі?Мабуть, ядерна енергетична установка під час роботи повинна знаходитися на борту, а на деякій відстані від корабля. Слід пам'ятати, що інтенсивна проникаюча радіація виникає лише під час роботи ядерного реактора, тобто коли в ньому відбувається процес ділення ядер атомів ядерного пального. А коли реакція ділення не йде, то небезпека радіоактивного опромінення від реактора невелика і захиститися від цієї небезпеки не представляє великої складності.
Рис. 13. Схема взаємного розташування космічного корабля і ядерного реактора.
Ядерна енергетична установка (ядерної енергетичної установки) до виведення космічного корабля на навколоземну орбіту може перебувати в неробочому стані. Після того як корабель вийде на орбіту, де все стає невагомим, ядерний котел, хоча він на Землі важить чимало, можна легко видалити на деяку відстань від службових приміщень корабля. Для цього на космічному кораблі має бути передбачено пристрій, який на спеціальній виносної стрілу могло відсувати ядерної енергетичної установки від корабля. На малюнку 13 показано положення ядерної енергетичної установки щодо службових відсіків корабля після того, як вона була віддалена від останніх.
Однак, незважаючи на те, що внаслідок видалення ядерної енергетичної установки від космічного корабля нейтрони і у-промені в основному будуть розсіюватися в космічному просторі,минаючи корпус космічного корабля, все ж якась частина випромінювання буде потрапляти на корабель, і від неї також потрібен захист. Можна встановити перепону між ЯЗУ і корпусом корабля з товстого матеріалу, який би повністю поглинав йде від реактора в бік корабля радіацію. Але товщина - значить вага, збільшення ваги для космічного корабля дуже небажано.
|
| Категорія: Шлях у космос | Додав: 27.09.2016
|
| Переглядів: 2017
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
