Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 57
Текст из файла (страница 57)
В табл. 7.2 показано распределение энергии при единичном акте деления для изотопов урана и плутония (24, 36]. Таблица 7, 2 Топливо Энергия, Мэн иззз иззз Рнззэ иззз 172 7,0 5,8 9,0 7,0 !82,7 1б5 7,8 4,9 9,0 7,2 158 7,0 5,0 9,0 7,0 Кинетическая энергия осколков Энергия мгновенного у-получения Энергия быстрых нейтроноп Энергия р-частиц Энергия у-излучения, испускаемого при распаде осколков деления 20! 191 Полная энергия Экспериментально доказано, что около 94о1о всей выделившейся в реакторе энергии переходит в тепло. Это происходит в результате торможения осколков и излучения на материалах активной зоны реактора. Выделившееся тепло в ЯРД используется для нагрева рабочего тела, а его истечение создает тягу. Температура в камере (реакторе) ядерно-ракетного двигателя зависит от типа реактора, в котором осуществляется реакция деления.
Для твердофазного реактЬра с керамическими тепловыделяющими элементами температура лимитируется прочностью твэлов и не должна превышать 2500 — 3000' К. Для газофазного реактора температура теоретически может быть значительно выше, до 5000 — (5000'С, но практическое решение этой схемы ЯРД пока не выходит из пределов проектных разработок[63[. В обеих схемах для получения высоких значений удельного импульса тяг необходимо использовать рабочее тело с мини.
мальным значением молекулярного веса, например водород. Это условие обеспечивает наибольшее значение газовой постоянной. Некоторые теоретические зависимости удельного импульса тяги от величины молекулярного веса и температуры в камеое (в реакторе) показаны на рис. 7.3 [50[. Из графика следует, что для реактора с твердыми твэламн и ограниченными значениями температуры, не более 3000', удельный импульс тяги топлива с водородом в качестве рабочего тела будет около 600 — 800 с. Для газофазного реактора с этими же рабочими телами и температурой до 5000 — !5000 К удельный импульс тяги может быть доведен до !500 — 5000 с [63!. Использование термоядерных реакций в ракетных двигателях принципиально также возмож- но.
По энергетическим уровням эти реакции дают в 7 — 8 раз больше энергии, чем реакции деления. В настоящее время наиболее реальным является использование реакции деления ядер, однако сравнение энергетических уровней для реакции деления и синтеза интересно и нужно для 1лз оценки энергетических возмож- 2000( ностей этих реакций. Для сравнительных подсче- 7000 мЪ тов используем методику, изло'2 женную в книге П. В. Петрова [36]. Уровень энергии реабкцнй де- 000 . =7з лепна нли синтеза можно опредеб б М ал аааа аи а а аиаг,г теза ядер. Свободная энергия Ен,„, которая может быть использована для нагрева рабочего тела, определяется как разность энергий связи конечного Е„„ и исходного вещества. Рис 7.3 Зависимость теоретичес.
кой удельной тяги от величины молекулярного веса газа и температуры в камере-реакторе: 1 — облвсть современных ЖРТ; 2 †обллсть воноронл и гелия (7. 2) (7. 3) для реакции деления Е„,„=Е„,— Е„,„, для реакции синтеза Еи„,=Е,ии,— Ен,„. В реакции деления ядер исходными являются тяжелые веще ства, с большим массовым числом, большим числом нуклонов в ядре, например уран-238, имеющий 238 нуклонов в своем ядре.
Тогда осколки деления можно считать конечными продуктами реакции. Энергия связи конечного и исходного веществ определяется как произведение удельной энергии связи го ядер данного вещества на его массовое число А: (7. 4) В общем случае энергия связи определяется как алгебраическая сумма отдельных составляющих; !) положительной энергии ядерных сил Еан 2) отрицательной энергии кулоновских сил отталкивания Е,л; 3) изотопического эффекта Е, зависящего от сочетания чисел Л и ггг — числа протонов и нейтронов в ядре; 4) спинового эффекта Е„ тогда Е„„и=Е„+ Еьы+ Еи+ Е,. (7. 5) Доля энергии связи, приходящаяся на один нуклон, определяется как удельная энергия связи ем Есвнли м= А 257 Энергия связи может быть найдена по таблицам или рассчитана по соответствующим формулам [24), для приближенных технических расчетов она может быть определена из графика го=[(А) (рис.
7.4). оэ,втв0 004тв0 70Ввв0 Деление ядер урана обычно 0 производится медленными тепло- вымн нейтронами, с энергией не 0 7 более 0,025 МэВ. При этом только изотоп урана — уран-235 обеспечивает самоподдержнвающую- 2 0 ся цепную реакцию за счет наи- 1 ив большего выхода свободных ней- 70 00 707 700 200 200 д тронов — ОТ двух до Двух с ПО- ловиной единиц на одно делеРнс.
73. Зависимость знергна свн- ние. зн на 1 нунлон от массового чнс- Деление урана-238 также возможно, но только на быстрых нейтронах. Схема реакции деления изотопа 1)-235 может быть записана в такой форме: л + ()ень 1)еве ЭА,+ЭАО+2пе. Реакция развивается следующим образом: тепловой нейтров пе сталкивается с ядром (э'-235, при этом возникает изотоп 1.1-236, который мгновенно исчезает — делится на два радиоактивных изотопа элементов ЭАт и ЭАп с близкими, но неодинаковыми массовыми числами (от 72 до !60) [24). Каждый акт деления сопровождается испусканием 2 или 2,5 нейтронов пе', гамма-квантов и ~)-частпц.
Столкновение ядра ()-235 с нейтроном пе не всегда приводит к делению. Экспериментально установлено, что примерно 1Π— 15е1о образующихся ядер (1-236 теряют избыточную энергию возбуждения через излучение гамма-квантов и остаются в основном состоянии [36). В случае деления ядра ()-235 наиболее вероятное среднее статистическое массовое число осколков получается равным 95 для легкого и 139 для тяжелого элементов. Это могут быть стронций 8г [А-95) и ксенон Хе [А-!39], но среди ссколков деления можно встретить атомы более 30 различных элементов.
Среднее значение энергии связи возможных осколков можно оценить в 8,35 МэВ, а полная энергия связи ядра урана-235 считается равной 7,5 МэВ. Тогда разность полной энергии связи ядра урана-235 и суммарной энергии связи двух образующихся на одно деление осколков будет равна: Ьм=2 8,35 — 7,5 235=(8,35 — 7,5) 235=200 МэВ. - 95 + 139 258 Если учесть, что в процессе деления всегда образуется некоторое количество нейтронов, которые не взаимодействуют с веществом и конструктивными материалами реактора и обычно уносят с собой около 3 — 5а/а выделившейся энергии, то полное энерговыделение на один акт деления ()-235 принято оценивать и 195-~-5 МэВ. Еа~ — — 195~5 МэВ.
Дальнейшие расчеты энерговыделения в реакторе обычно производят с учетом количества вещества, участвующего в реакции деления за определенное (заданное) время. Определим энерговыделение при полном делении одного килограмма Б-235. В соответствии с законом Авогадро в одном грамме урана-235 содержится 1ч = ' ' =2,563 10еа атомов. 6,0225.10м 235 Тогда полное количество энергии при делении 1 кг урана-235 будет равно: 2,563 1Ом 1Оз 195=50 1Ога МэВ.
Так как ! МэВ равен 3,83 10-" ккал, то Е,=50 10"3,85 10 "=19,1 10' ккзл, или 79,95 10" кД к. Если принять, что 1 кг керосина, сжигаемого с кислородом, обеспечивает энерговыделеиие (теплопроизводительиость) в 2250 ккал/кг топл. (9418,5 кДж/кг топл.), то энергия, полученная при делении ! кг урана-235 будет эквивалентна энергии 8500 1 керосинкислородного ракетного топлива. Деление урана-233 или урана-238, или плутония-239 обеспечивает примерно такое же выделение энергии, как и уран-235. Задаваясь количеством разделившегося урана-235 (например ! кг) за определенное время работы силовой установки (например 1 ч или 1 сут), можно подсчитать ее энергетическую мощность.
Задачу можно решить и в обратном порядке: зная потребную мощность за определенное время, можно найти количество урана-235, которое должно разделиться за зто время. В этом случае необходимо учитывать величину коэффициента теплоиспользования выделившейся при делении энергии. Для стационарных установок его обычно принимают равным 0,3— 0,35, для ракетных двигателей его значения окончательно еще не определились, но оно, вероятно, близко к единице.
В реакциях синтеза исходными являются легкие, точнее— легчайшие вещества, с малыми массовыми числами, малым числом нуклонов в ядре, например, дейтерий или тритий. 259 Пользуясь схемой оценки энергетических запасов, принятой в предыдущем примере, рассмотрим синтез гелия из 2 ядер дейтерия. Схема расчета: в соответствии с графиком (см. рис. 7.4) энергия конечного синтезируемого вещества Ееее=Ене= ~нее~не=7,ОХ4,6=28Л МэВ. Энергия исходных продуктов — дейтерия: Е„,„=Еэв,=!,09)(2)~2=4,36 МЭВ.
Свободная энергия одной реакции синтеза Е„=Ен,— Езв,=28,0 — 4,36= — 23,64 МЭВ. Сравнивая энергию, полученную на одну синтезированную молекулу гелия„ с энергией деления одного ядра урана-235, заметим, что полученная энергия весьма невелика. Однако, ядра гелия легкие и в 1 кг синтезированного вещества их будет много. В соответствии с законом Авогадро 6 0228.!Оез И = ' ' =1,5 1Оее-атомов. 4,0 Тогда количество энергии, выделившейся в процессе синтеза ! кг гелия, будет равно: 23,64.1,5 10" 10'=3,55 1Оет МэВ, 3,55 10ее 3,83 10 м=13,6 1Охе ккал. нли Если перевести эту энергию на энергию химического керосин- кислородного ракетного топлива с теплопроизводительностью 2250 ккал/кг топл, то энергия синтеза ! кг гелия будет эквивалентна !8,6 шев =6 ОВ 1О4 т. 2250 1Ое Сравнение полученного количества топлива с топливом, эквивалентным энергии деления 1 кг урана, показывает, что реакция синтеза обеспечивает энерговыделение приблизительно в 7 раз большее, чем реакция деления: 60800 т =7,1 раза.
8500 т Однако не следует забывать, что практическое использование реакции синтеза в настоящее время еще невозможно, пока не решены условия ее организации и не найдены пути управления ходом реакции. В то же время для начала реакции деления необходимо только:количество делящегося вещества, незначи- 260 тельно превышающее так называемую «критическую массу». Реакция деления в этом случае приобретает цепной характер, является самоподдерживающейся, ее энерговыделение довольно легко поддается регулированию. Используемые материалы и ядерное сырье В реакторостроении ядерно-ракетных двигателей используется большое количество различных материалов. Их можно разделить на семь основных групп 18, 14, 22, 43~: 1. Ядерное сырье — представляет собой вещества, самопроизвольно не дающие реакции деления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
