Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Торий-233 обладает периодом полураспада в 23,5 мин, после бета-излучения переходит в изотоп протактиний-233, также склонный к бета-распаду с полупериодом в 27,4 дня, после бета-излучения протактиний переходит в устойчивый изотоп урана-233: Тьйзй+ и =т11233 Райзз 1 1йзз. й 23,5 мнн 27,4 днн Все три изотопа: уран-233, уран-235 и плутоний-239 обладают способностью к делению под воздействием медленных нейтронов, при этом плутоний-239 испускает в среднем около трех нейтронов. В процессе работы ядерного реактора расходуется первичное ядерное горючее уран-235, но если в реакторе есть запас изотопов урана-238 или тория-232 при определенных условиях возможно получение вторичного ядерного горючего. Таким образом, расход первичного горючего может компенсироваться образованием новых запасов вторичного горючего: плутония-239 или урана-233. Реактор, обеспечивающий воспроизводство вторичного горючего, называется реактором-воспроизводителем или брнддером.
Для ядерно-ракетных двигателей космических аппаратов процесс воспроизводства ядерного горючего не характерен, но может оказаться полезным в условиях длительных космических полетов. Техническое решение этого вопроса пока не получило удовлетворительной формы. В процессе работы реактора в его активной зоне будут накапливаться не только вторичное горючее, но шлаки-осколки деления урана-235. Эти шлаки-осколки обладают способностью сильно поглощать нейтроны, при этом размножение нейтронов падает, происходит так называемое «отравление» реактора и цепная реакция деления самопроизвольно прекращается.
Образующееся в процессе работы реактора большое число различных побочных продуктов — шлаков обладает разной концентрацией, различной способностью поглощать и замедлять нейтроны в активной зоне. В стационарных установках образующиеся вещества могут быть удалены из активной зоны и выделены из продуктов деления. Часть веществ может быть полезно использована в промышленности, в медицине и т. д. В ЯРД не имеет значения вид осколков-шлаков и возможность полезного использования, важно их отрицательное воздействие на рабочий процесс реактора — поглощение нейтронов и отравление рабочей зоны. Вредные последствия образования шлаков проявляются, например, при кратковременных остановках и повторных пусках реактора транспортных установок. Например, изотоп ксенона Хе-!35, обладающий высокой степенью поглощения нейтронов, образуется в реакторе в результате распада другого продукта деления — изотопа йода-135, имеющего период полураспада 6, 7 ч.
После остановки реактора процесс деления ядер прекращается, а концентрация ксенона-135 продолжает расти вследствие его образования из изотопа иода-!35, распад которого продолжается. Максимум концентрации ксенона-!35 достигается приблизительно через !2 ч после остановки реактора.
При этом концентрация ксенона-135 может в несколько раз превысить концентрацию, отвечающую стационарному режиму работы реактора. В этом случае для обеспечения надежного пуска реактора необходимо значительное увеличение избыточной реактивности. Если этих условий не будет, повторный запуск реактора будет возможен только спустя длительное время после остановки, когда концентрация ксенона-135 заметно уменьшится за счет его радиоактивного распада.
Радиоактивность изотопов ксенона-!35, криптона-91 и других радиоактивных изотопов, входящих в состав шлаков, существенно осложняет эксплуатацию ядерно-ракетных установок, так как представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала, приборов, конструкционных материалов и окружаю. щей среды. Радиоактивность шлаков вызывает усложнение конструкции двигательной установки, так как требуется устройство защиты, что увеличивает массу.
В условиях эксплуатации необходимо кроме того предусмотреть сохранение шлаков после использования установки. т.г. рдвочив твлл ярд Рабочим телом в ядерно-ракетном двигателе называют вещество, к которому подводится тепло (энергия) в камере-реакторе. С помощью рабочего тела осуществляется рабочий процесс ЯРД, а его истечение из сопла обеспечивает тягу двигателя. Таким образом, в ядерно-ракетном двигателе рабочее тело одновременно является теплоносителем, обеспечивающим тягу и теплообмен.
Химическая активность и способность к энерговыделению для рабочего тела ЯРД не только не нужны, но в ряде случаев просто нежелательны. Энерговыделение ядерного реактора достаточно для получения тяги, а по условиям прочности в реакторах с твердофазными твэлами энерговыделение ограничивается температурой в камере реактора не более 3000' С, при более высокой температуре возможно разрушение твэлов. Химическая активность рабочего тела в данном случае опасна по условиям коррозии, и поэтому в ЯРД предпочтительны в качестве рабочего тела инертные вещества.
Получение наибольших значений удельного импульса тяги в ЯРД так же, как и в ЖРД, обеспеч чается рабочим телом, обладающим наибольшей скоростью и ечения, т. е. имеющим наибольшее значение газовой постоянной или наименьший молекулярный вес. Полная тяга двигателя в этом случае будет обеспечиваться при наибольшем значении удельной тяги рабочим телом с наибольшей плотностью. По условиям теплообмена между твэлами и рабочим телом ЯРД. наилучшим будет вещество с наибольшим предельным значением энтальпии в заданных границах температур в камере- реакторе и на срезе сопла. Это следует из условия Ут, „%'„,„91,5 ~дУ,„. Если дl=ср(Т,— Т,) =сгдТ„то в заданных пределах температур наибольшая разность энтальпии, а следовательно, и наибольший удельный импульс, будет обеспечиваться рабочим телом с наибольшим значением тепло- емкости.
В ЯРД так же, как и в ЖРД, рабочее тело, попадая в камеру-реактор при действии высокой температуры будет диссоциировать. Для химического ракетного двигателя этот процесс приведет к потере части энергии топлива и к снижению удельного импульса. В ЯРД диссоциация рабочего тела полезна, так как при этом образуются вещества нли их смеси с малым молекулярным весом, в результате чего увеличиваются скорость истечения из сопла и удельный импульс. 267 Затраты энергии на диссоциацию раоочего тела в ЯРД также имеют место, но при наличии почти неограниченных запасов ядерной энергии в реакторе эти затраты не имеют практического значения.
Следовательно, по энергетическим показателям основными критериями выбора рабочего тела для ЯРД будут минимальные: молекулярный вес истекающих продуктов, их тепло- емкость и способность к диссоциацин рабочего тела. Дополнительными условиями являются теплофизические свойства рабочего тела: плотность, скрытая теплота парообразования, теплопроводность, параметры силовой установки — ее мощность, перепады давления, продолжительность работы и конструктивный тип реактора, твердофазный или газовый.
Кроме того, для ЯРД при выборе рабочего тела необходимо учитывать специфику условий работы ядерного реактора — это действие альфа-, бета- и гамма-излучения на рабочее тело. Рабочее тело, в свою очередь, может оказаться поглотителем нейтронов, что совершенно недопустимо для ЯРД. Все сказанное выше должно быть учтено в технических требованиях к рабочим телам ЯРД. Классификация рабочих тел Учитывая главные критерии выбора рабочего тела, обеспечивающие максимальный удельный импульс — минимальный молекулярный вес, теплоемкость и способность к диссоциации, можно дать краткую классификацию рабочих тел, группируя их по нарастанию величины молекулярного веса и по определенным теплофизическим свойствам „"8, 231.
1. Элементарные вещества с минимальным молекулярным весом: водород в=2; гелий 9=4; литий в=7; бериллий ц=9. 2. Гидриды металлов вещества с малым молекулярным весом и связанным водородом в молекуле: гидрид лития (1.1Н), р = 8; гидрид бора (ВН), р =! 2. 3. Устойчивые вещества с малыми значениями молекулярного веса: вода (Н,О), 9=18; азот (Х,), ц=28; воздух, р=30. 4. Газообразные простейшие углеводороды, способные к диссоциации и образованию смесей свободного водорода — веществ с минимальным молекулярным весом: метан (СНэ), в=16.„пропа н (СзНв), ц = 44.
5. Водородные соединения азота, способные к диссоциации и образованию свободного водорода при прохождении через активную зону реактора: аммиак (ХНз), 9=17; гидразин (Х~Н,), р=32. 6. Жидкие углеводороды небольшого молекулярного веса, широко доступные в производстве, дешевые, способные к диссоциации: спирт этиловый (СдН5ОН), р=46; спирт метиловый (СНзОН), в=32 7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
