История развития ядерных реакторов

Введение

Энергетическая установка является одной из важнейших систем космических аппаратов. Энергия, вырабатываемая энергетической установкой, идет на питание системы управления движением космического аппарата, автоматикой маршевой двигательной установки, двигателей ориентации и стабилизации космического аппарата, систем радиосвязи и телеметрической системы, термостатирования жилых и приборных отсеков, систем жизнедеятельности и т.д. Технологии получения электроэнергии в космических аппаратах развивались последовательно от обычной аккумуляторной батареи («Спутник-1», СССР, 1957 г.), солнечных батарей (беспилотный космический аппарат «Авангард-1», США, 1958 г.), радиоизотопных генераторов (навигационный беспилотный космический аппарат ВМФ США «Транзит-IV» в 1961 г.) до электрохимических генераторов с водородно-кислородными топливными элементами (пилотируемый орбитальный космический аппарат «Джемини», США, 1963 г.).

 

История развития ядерных реакторов

В начале 1960-х годов американские специалисты экспериментировали с компактными ядерными реакторами, оборудованными турбогенераторами для превращения тепловой энергии в электрическую. Они столкнулись с низкой надежностью, большими габаритами и крупными финансовыми затратами и ограничились сравнительно простыми радиоизотопными генераторами с полупроводниковыми термоэлектрическими преобразователями (аппараты дальнего космоса от «Пионеров» до «Кассини»). В СССР внимание сконцентрировали на ядерных реакторах, в активную зону которых были встроены термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи тепловой энергии в электрическую, что позволило резко уменьшить габариты и массу радиатора-излучателя для сброса тепла в окружающее космическое пространство при довольно высоком к.п.д. энергетической установки. В 1960-е годы были разработаны, испытаны и включены в эксплуатацию ядерные реакторы «Бук» (с термоэлектрическими преобразователями мощностью 3 кВт) и «Тополь» (более известен как «Топаз», с термоэмиссионным преобразователем мощностью 5 кВт). Первый спутник «Буком» был выведен на околоземную орбиту в 1970 г., а в период до 1988 г. были запущены 32 космических аппарата с таким ядерным реактором. В 1987 г. на орбиту были выведены два спутника с «Топазом». В США в 1965 г. был запущен единственный спутник с ядерным реактором SNAP-10A с термоэмаэлектрическим преобразователем мощностью 0,5 кВт, после чего работы по ядерной космической энергетике в США прекратились до 2002 г. В этот период в США после завершения программы «Джемини» в 1966 г. осуществляли программу «Аполлон» (1966–1973 гг.) с высадкой на Луну шести экспедиций и установкой там научной аппаратуры с радиоизотопными генераторами энергии. С 1977 г. и до настоящего времени в США реализуется программа «Спейс Шаттл». В пилотируемых космических аппаратах «Джемини», «Аполлон» и «Спейс Шаттл» энергоустановкой являются электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами.

Усложнение программ космических полетов требовало увеличения электрической мощности бортовых систем космических аппаратов и в ~ 1975 г. величина электрической мощности энергетической установки превысила 10 кВт – границу, начиная с которой целесообразно использовать энергетические установки с ядерным реактором (рис. 3.3).

С 1990-х годов возникла потребность в энергетических установках, имеющих длительный ресурс непрерывной работы (5–10 лет) и уровень электрической мощности, повышенный до 100 кВт (таблица 3.2). Эту потребность могут удовлетворить только энергетические установки с ядерным реактором, которые обладают существенно меньшей массой в расчете на единицу вырабатываемой энергии (кг/кВт).

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды современных энергетических систем космического базирования

Рис. 3.4. Одноконтурные ЯЭУ с ТЭП (а), ТЭГ (б), МГД-преобразователем (в), машинным электрогенератором с паровой (г) и газовой (д) турбиной и двухконтурная ЯЭУ с машинным электрогенератором с паровой турбиной (е): 1 – ядерный реактор; 2 – ТЭП; 3 – циркулятор; 4 – горячий спай; 5 – ТЭГ; 6 – холодный спай; 7 – ионизирующие добавки; 8 – МГД-генератор; 9 – турбина; 10 – электрогенератор; 11 – конденсатор; 12 – компрессор (циркулятор); 13 – концевой холодильник; 14 – регенеративный теплообменник; 15, 17 – циркуляторы первого и второго контуров; 16 – парогенератор.

Ядерные реакторы с различными системами преобразования энергии в настоящее время практически единственные источники энергии, способные полностью удовлетворить все уровни функционирования систем космического базирования.

В энергетических системах космического базирования для преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую используются: термоэмиссионные преобразователи (ТЭП); термоэлектрические генераторы (ТЭГ); магнитно-гидродинамические генераторы (МГД); электрические генераторы машинного типа.

В установке ТЭП тепловая энергия реактора используется для нагрева катода. ТЭП может быть выносным (рис. 3.4, а) и встроенным в ядерный реактор. В последнем случае говорят о реакторах-генераторах. Использование реакторов-генераторов является одним из перспективных направлений ядерной энергетики, особенно космической.

В настоящее время ресурс работы этих преобразователей составляет 20 лет при относительно небольшом к.п.д. (около 10–15%).

В установках с ТЭГ тепловая энергия реактора используется для нагрева горячих спаев разнородных электродов (рис. 3.4, б). В цепи, содержащей горячие и холодные спаи разнородных проводников, возникает электрический ток, который отдается потребителю. ТЭГ может быть выносным или встроенным в реактор. Основная область применения ТЭГ – космические системы малой мощности (достигнутый к.п.д. около 3%).

В установках с МГД-генератором используется явление возбуждения электрического тока при движении проводника в магнитном поле. Проводником служит нагретый в реакторе до высоких температур поток ионизированного газа.

В реакторе (рис. 3.4, в) газ нагревается до температуры 3000 К (по Кельвину), в рабочее тело вводятся ионизирующие добавки для увеличения степени ионизации. На выходе из МГД-генератора газ циркулятором возвращается в реактор. Основные недостатки установок с МГД-генератором – низкий к.п.д. (~10%) и громоздкость оборудования.

 

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП)

Принципиальная схема ТЭП представлена на рис. 3.4, а. В вакуумной камере размещены два электрода – катод и анод. К катоду подводится тепловая мощность N 1. Подведенная теплота вызывает эмиссию электронов с поверхности катода, электроны попадают на анод, совершая работу по перемещению электрических зарядов и создавая разность потенциалов, которая при замыкании внешней цепи вызывает электрический ток, способный совершать работу на внешней нагрузке. Электроны, попадая на анод, отдают ему свою энергию и нагревают его. Чтобы поддержать разность температур, анод нужно охлаждать.

Одновременно с прямым током электронов от катода к аноду существует обратный ток вследствие эмиссии электронов с анода.

Плотность тока эмиссии электронов J с катода очень сильно зависит от температуры Т к и работы выхода электронов ϕ к из материала катода, описываемой уравнением Ричардсона–Дешмана (В – константа Ричардсона).

Однако в общем случае плотность тока J зависит не только от этих величин, но и от температуры Т и работы выхода ϕ а электронов из материала анода, расстояния между электродами и удельной площади излучателя F/Q для сброса тепла в окружающее пространство в соответствии с законом Стефана–Больцмана:

Q= F εσ Т,

где ε – излучательная способность тела излучателя; σ – постоянная Стефана–Больцмана.

Теория не дает строгой аналитической зависимости величины к.п.д. термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии η от вышеприведенных параметров. Экспериментально измеренные зависимости и расчеты обнаружили, что максимальное значение η = f (Т а / Т к) практически совпадает с минимумом удельной площади излучателя-холодильника установки F x / N (N – мощность установки) и оптимальное соотношение (Т а / Т к) составляет примерно 0,5–0,6.

Пространственный отрицательный заряд, образуемый электронным облаком между катодом и анодом, препятствует уходу электронов с катода. Это одна из основных проблем, которую необходимо решать при создании ТЭП. Один из способов уменьшения пространственного заряда электронов – максимальное сближение катода и анода в глубоком вакууме. Но при этом зазор между ними становится настолько малым, что его невозможно реализовать в мощных установках при высокой температуре электродов (например, при давлении 10,5 Па необходима ширина зазора 0,01–0,15 мм). Второй способ – введение в зазор положительных ионов, небольшая концентрация которых компенсирует отрицательный пространственный заряд. Для этого в зазор вводится цезий, обладающий наименьшим потенциалом ионизации (3,88 эВ), из которого непосредственно в зазоре между катодом и анодом в процессе поверхностной ионизации возникают положительные ионы, компенсирующие отрицательный заряд облака электронов у анода. Введение цезия позволяет увеличить зазор между анодом и катодом до выполнимых технически размеров. При этом может быть использовано несколько режимов работы ТЭП по давлению цезия в межэлектродном пространстве: квазивакуумный режим (давление 10,2 –10,1 Па, зазор – 0,15–0,30 мм); диффузионный (давление 10,2 –10,3 Па, зазор – 1,0–1,5 мм) и дуговой режим, когда плотность тока возрастает до величины, при которой возбуждается объемная ионизация с образованием электрической дуги. Используется в основном этот режим (рис. 3.5 и 3.6).

Рис. 3.5. Схема термоэмиссионного преоразователя; К – катод, или эмиттер; А – анод, или коллектор; R – внешняя нагрузка; Qк– тепло, подводимое к катоду; QA– тепло, отводимое от анода; 1 – атомы цезия; 2 – ионы цезия; 3 – электроны.

Рис. 3.6. Схема термоэмисионного (термоэлектронного) элемента генератора: 1 – катод; 2 – межэлектродный зазор; 3 – анод; 4 – электроизоляция; 5 – теплопровод; 6 – теплоноситель; 7 – тепловыделяющий элемент.

 

Термоэлектрический генератор (ТЭГ)

Для работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) требуется источник теплоты мощностью N1 с температурой Т1 и холодильник для сброса теплоты мощностью N2 и температурой Т2. Работа ТЭГ основана на использовании эффектов Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Соприкосновение двух твердых проводников с разной работой выхода электронов приводит к обмену электронами до наступления термодинамического равновесия: потоки электронов в обоих направлениях становятся равными, так как проводники заряжаются. Проводник с меньшей работой выхода заряжается положительно, а с большей – отрицательно. Установившаяся контактная разность потенциалов равна разности работ выхода электронов из материалов проводников, отнесенной к заряду электрона. Контактная разность потенциалов может достигать нескольких вольт, она зависит от строения проводника и состояния его поверхности.

Поэтому контактную разность потенциалов можно изменять обработкой поверхностей – покрытиями, адсорбцией, сплавлением с другими металлами, а для полупроводников – введением примесей. Электрическая цепь, состоящая из двух различных проводников, называется «термоэлементом», или «термопарой». Величина термоэдс (термоэлектродвижущей силы) зависит от температур горячего Т2 контакта и материалов проводников. Примером термоэлектрического элемента является обычная термопара (рис. 3.7).

Рис. 3.8. Принципиальная схема термоэлектрического генератора: 1 – полупроводник n-типа; 2 – полупроводник p-типа; 3 – коммуникационная металлическая пластина; R – нагрузка (потребитель электроэнергии); I – ток через нагрузку 

 

Рис. 3.7. Термоэлемент

Термопара состоит из двух проводников – меди и константана (сплава меди и никеля). Один из контактов находится при температуре t 1, которую требуется измерить, а другой – при известной постоянной температуре t 0 смеси воды и льда.

По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой точностью определить величину t 1 в диапазоне температур от нескольких градусов до ~2800 К.

 

Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор)

Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) является установкой для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Этот метод преобразования тепловой энергии основан на явлении возникновения электрического тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля (так называемое явление электромагнитной индукции). В качестве проводника, движущегося в магнитном поле, используется плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. При увеличении температуры до 2700 К усиливается тепловое движение атомов (молекул) и они при столкновении друг с другом теряют свои электроны за счет кинетической энергии, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше газ ионизируется и увеличивается его электропроводность. При температуре 10 тысяч градусов любой газ ионизируется полностью и состоит из свободных электронов и ядер атомов. Чтобы плазма имела достаточную электропроводность при температуре около 2500–2700 К, в газ добавляют пары щелочных металлов (калия или цезия), которые ионизируются при более низкой температуре. Такая плазма поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения своей тепловой энергии разгоняется до скорости 2500–3000 м/с (рис. 3.9, 3.10). Протекая по каналу, электропроводящая плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую плотность магнитного потока (индукцию). 

 

Рис. 3.9. Преобразование тепловой энергии плазмы в МГД-генераторе 

 

Рис. 3.10. Схема плазменного МГД-генератора: 1 – ядерный реактор – генератор плазмы; 2 – сопло; 3 – МГД-канал; 4 – электроды с последовательно включенной нагрузкой; 5 – магнитная система; R н – нагрузка

Если направление движения потока плазмы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость ее потока и плотность магнитного потока достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном движению потока плазмы и силовым линиям магнитного поля, – от одной стенки канала к другой стенке канала, – возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Поэтому на противоположных стенках канала размещаются электроды, которые подсоединяются к нагрузке (см. рис. 3.9).

МГД-генератор состоит из ядерного реактора, в котором рабочее тело нагревается до необходимой температуры, переходит в газ и ионизуется; МГД-канала, в котором движется и разгоняется до требуемых скоростей поток ионизованной плазмы и происходит отвод генерируемой электроэнергии контактным (на электроды) или индукционным (вторичные обмотки) способом; магнитной системы, в магнитном поле которой происходит взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком, что создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу, и кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.

Основным преимуществом МГД-генератора является отсутствие движущихся деталей, и поэтому материалы, из которых сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывают значительных механических усилий. Высокотемпературные элементы конструкции охлаждаются принудительно.

На выходе из МГД-генератора рабочее тело все еще имеет высокую температуру (обычно около 2000 К). При такой температуре плазма становится недостаточно электропроводной, и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно. В то же время ее температура достаточно велика и задача использования содержащегося в ней тепла решается подключением второй ступени, включающей, например, парогенератор.

Принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике возникает электродвижущая сила. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе – поток электропроводящей плазмы. Мощность созданных и работающих МГД-установок достигает 20 МВт.

 

 

 

 

Электрические генераторы машинного типа