Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Именно тяжелые ядра элементов обладают свойством радиоактивности, характеризующейся мощным излучением, возникающим при делении ядра. Давно известны также и искусственные ядерные реакции, связан. ные с превращением легких элементов.
Однако для получения большого и постоянного выхода энергии при ядерных реакциях необходимо искусственно возбуждать ядра, увеличивая их энергию настолько, чтобы они становились неустойчивыми и распадались с образованием новых ядер. Эта энергия воз- 217 Выход энергии я ккал1кг Тии ядерной реакции Реакция деления урана Бээ~~ 1!а+ Н4! 2Не~э 4Н! Нег 1,57 10'4 2,67 1044 1,54 104! Весьма большое количество энергии, выделяющейся при использовании ядерных реакций в технических устройствах, должно быть 218 буждения ядер аналогична энергии активации химических реакций.
Величина энергии возбуждения сама по себе должна быть значительна, так как возбуждающая частица, несущая необходимую энергию, должна проникнуть в ядро. Для интенсивного возбуждения ядер оказались непригодными заряженные частицы, так как большую часть своей энергии они теряют, не доходя до ядра, на преодоление сил электрического поля, окружающего ядро. Наиболее подходящей частицей для возбуждения ядра является не имеющий заряда нейтрон. Кроме того, для непрерывного протекания ядерной реакции надо или иметь поток нейтронов соответствующей энергии, или же сама ядерная реакция должна являться источником образования пейтроно!в, необходимых для возбуждении все новых и новых ядер.
Именно после создания таких условий стало возможным практическое использование ядерной энергии тяжелых элементов. Для возбуждения легких элементов нужно еще больше энергии. Практически она получается путем использования энергии ядерных реакций тяжелых элементов. Рассмотрим теперь количественную сторону вопроса и оценим возможности, открывающиеся при использовании ядерных реакций. Каждая ядерная реакция характеризуется своим энергетическим эффектом. За меру его принимается дефект массы, который выражается в далях 3 от первоначальной массы активного вещества.
Значение 3 очень невелико; оно, конечно, меньше относительного дефекта массы при образовании ядер элементов, так как определяется разностью дефектов массы для двух ядер. Для реакции деления ядра урана 1.1',", 3=0,000731; при реакциях с легкими атомами величина 3 значительно выше. Для реакции образования гелия из лития и водорода 1-!' + Н', -э2Неэ4 величина 3=0,00232. При реакции превращения водорода в гелий 4Н4-эНе4 величина 3=0,00715. Однако даже при таких незначительных дефектах масс ввиду огромной величины энергии, соответствующей единице массы, выход энергии К в ккал на 1 дг ядерного горючего при указанных ядерных реакциях будет сачень большим.
Данные о выходе энергии приведены в следующей таблице: воспринято другим рабочим телом в виде тепловой или химической энергии, которую затем, так же как и в обычном д~вигателе, можно использовать для создания силы тяги. Такой способ использования энергии ядерных реакций открывает очень большие возможности в выборе рабочего тела — носителя энергии в двигателе. В качестве рабочего тела, воспринимающего энергию ядерных реакций и реализующего ее в виде тепловой, может быть выбрано вещество с наилучшими термодинамическими свойствами, т. е. с малым числом атомов в молекуле и возможно более низким мо1лекулярным весом.
Веществом, возможным для использования в качестве рабочего тела, является двухатомный водород, обладающий наилучшими свойствами, так как его молекулярный вес равен всего 2, Затем идут аммлак ХНз и вода НзО, весовые теплоемкости которых сравнительно высокие, При этом, если температуры в камере атомного ЖРД будут достаточно высокими, аммиак будет разложен на Из и Нз, а вода на Оа и Нь При еще более высоких температурах в состав рабочего тела войдет значительное количество атомарных газов Н, Н и О, что приведет к дальнейшему улучшению термодинамических свойств рабочего тела.
Следует 'отметить, что явление диссоцнации, вредное при использовании химической энергии, может оказаться полезным при использовании ядерной энергии, так как при диссоциации ядерная энергия может аккумулироваться в виде химической энергии, например, в виде положительной энергии образования атомарных газов. В процессе расширения химическая энергия за счет реакций рекомбинации может выделяться и превращаться в кинетическую энергию газов. Максимальная температура рабочего тела определяется возможностью создания надежно работающей конструкции атомного двигателя, Данные о количестве тепла Кр в ккал!кг, аккумулированного в 1 кг рабочего тела, состоящего из различных веществ, при температуре 4000 и 6000' абс. (без учета диссоциации) приведены ~в табл. 1О. Там же приведены количества активного вещества О, (урана Ц," илп плутония Ри~~4),необходимого для нагревания 1 кг рабочего тела до соответствующих температур.
Данные об удельной тяге, которую можно получить при использовании атомной энергии, говорят о том, что ббльшая, чем у обычных топлив, тяга может быть достигнута только при высоких температуРах в камере или, если ограничиться относительно низкими температурами, — только при использовании водорода как рабочего тела двигателя. Однако водород неудобен тем, что удельный ~вес его в жидком состоянии мал. Поэтому выигрыш в удельной тяге, получающийся прп его использовании, значительно обесценивается ухудшением весовых качеств ракеты. Повышение температуры в двигателе приведет к новым затруднениям в системе его охлаждения.
Расход активной массы на подогрев до необходимых температур р~бочего тела чрезвычайно мал. Однако действительное количество 219 ! О ! сх сх сО Я Ос СО СР \' СО СО СР О О Ос х Я О СО СС СЧ Т СО СЧ СО СЧ сх Т Ос 3 220 О с 3 О. ф О Ф х О О, О с О х х Зх хх аф х х > О х о Ох й,: С х О а М О Х О Оф аБ х О. ах Р х х ХХО с ю ХОЯ х х ч ° ~ О. а О х О О О, Ох ф х х х С х О. сО х С ОО х О О О х х х х х х с х х ОО х О х О, х х хх ах С х О,ХО О х О л х х > активной массы в двигателе будет определяться тем обстоятельством, что для протекания ядерных реакций необходима некоторая минимальная или критическая масса. Необходимость ее объясняется тем, что размеры атомного ядра малы (поперечное сечение порядка 10 '4 слта) и поэтому для обеспе.
чения достаточно большой вероятности столкновения нейтронов с ядром атома необходимо обеспечить значительную величину пути, который нейтрон .должен проходить в акттввном веществе, т. е. масса активного вещества должна быть больше некоторой минимальной величины, Величина критической массы зависКт)от вида активного вещества и условий протекания ядерных реакций» Например, для чистого вещества 1Р", 1Р" или Рп'ав критическая масса составляет шар радиусом в несколько сантиметров и весом ~в 20 — 30 кг '. Однако вряд ли можно будет использовать в ракетном двигателе активные вещества в таком виде, так как при этих условиях поверх- « " у" " ж' "Ра» л я1»лм«лм» ции и ох бысхро.
Для увеличения поверхности тепло- передачи, за~медления скорости ядерной реакции и возможности управления ею, к делящемуся веществу необходимо добавить так называемый замедлитель. Он должен обладать малой способностью поглощать нейтроны, но сильно уменьшать их скорость. В качестве замедлителя используется графит или тяжелая вода. Такая схема использования активного вещества лежит в основе всех существующих проектов применения атомной энергии для про-' мышленных целей. Величина критической м сы п и использовании замедлителя си ет и дохо ит отен килог аммов, 1огт1ттйгбб затруднение, возникающее при размещен~и' в камере двигателя пакета активной массы и замедлителя, состоит в том, что температура активного вещества для обеспечения теплопередачи рабочему телу должна быть больше, чем температура самого рабочего тела, т.
е, должна быть очень высокой. Решение этой проблемы представляет большие трудности, так как неизвестны материалы, которые остаются твердыми при температурах 4000 — 6000' або. Уран плавится при Т=1150'абс, Более тугоплавкое вещество — окись урана— плавится при Т=2!00' абс. Даже графит испаряется при температуре около 4000' або. По этим причинам следует искать такое конструктивное решение, при котором не все части пакета активного вещества подвергались бы интенсивному нагреву и более холодные участки обеспечивали бы необходимую механическую прочность пакета в целом. Размеры пакета, возможно, придется делать большими также и для получения необходимой величины поверхности, передающей тепло рабочему телу.
~ «С «Современнаи техника», Сборник рефератов № 6, Иадательство иностранной литературы, 1949, 221 Это затруднение не встречается при другом способе использования ядернцй энергии в двигателе, когда активное вещество впрыскивается 1в камеру в виде раствора или суспензии в жидкости. В этом случае ядерная реакция происходит в испаренной массе рабочего тела, т. е. в гомогенной газовой фазе. Такая схема использования атомной энергии является очень заманчивой, так как обеспечивает наилучшие условия теплопередачи в турбулентном газовом потоке. Одновременно в газообразном рабочем теле могут быть достигнуты очень высокие температуры, необходимые для получения больших удельных тяг. При этом стенки конструкции двигателя можно изолировать от воздействия высокотемпературных газовых потоков прослойкой относительного холодного газа.
Большой трудностью при использовании такой схемы является то, что размеры камеры должны быть очень большими. Величина критической массы в этом случае заменяется критическим произведением из давления в камере ре на ее радиус гтн. По некоторым подсчетам при использовании в качестве рабочего тела водорода при температуре в камере, равной 5000' або., необходимое произведение Ра1т, составляет 12 000 м. ага (произведение метров на кг/смз). Таким образом, при давлении в камере в 100 кг!смт камера должна иметь минимальный диаметр в 240 м.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
