ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Полный текст

1.1 Вступление

Производство электрической энергии можно условно разделить на 3 главных ветви: химически производимая энергия, энергия производимая возобновляемыми источниками энергии и энергия получаемая в ходе ядерных реакций. Первый способ получения энергии требует постоянного поступления топлива для химической реакции, поэтому неэффективен в случаях, когда нет возможности постоянного поступления реагентов. Второй способ сильно зависит от внешних условий – приливы-отливы для ГЭС, ветреность для ветряков и солнечная освещённость для солнечных панелей. Ядерная энергетика же целиком и полностью зависит только от условий подконтрольных человеку и в продолжительных интервалах не требует обновления топлива. Единственным ограничением, которое может останавливать интенсивное развитие этой области – огромные ресурсы необходимые для развития направления. Как видно из работы группы «Strata Policy» Университета Юты (табл. 1), ядерная энергетика на данный момент находится примерно на одном уровне по использованию пространства с углеводородными источниками энергии, но при этом выигрывает в запасённой энергии на килограмм: для сравнения, при сжигании 1 кг угля наилучшего качества (антрацит) выделяется энергия около 4·10⁷ Дж энергии, а при использовании 1 грамма чистого урана-235 выделяется 5,8·10⁸ Дж, то есть для получения ядерной энергии, содержащейся в 1 кг природного урана, необходимо сжечь более 10 тонн антрацита [1].

Табл.1[2]

1.2 Ядерная энергетика применительно к космическим системам

Выбор источника энергии, как тепловой, так и электрической на космическом аппарате ещё меньше. Из возобновляемых источников остаются только солнечные панели, однако энергия, получаемая ими - убывает в квадрате с увеличением расстояния до Солнца.  Итого остаются химические источники питания, которых не хватает на длительные, дальние перелёты и ядерные источники энергии. Возьмём количество вырабатываемой энергии на международной космической станции (МКС) за минимум энергии необходимый для поддержания необходимых условий для жизни на пилотируемом космическом аппарате. Это 84 - 120 КВт энергии [3]. Эта энергия на МКС вырабатывается для поддержания систем жизнеобеспечения, систему обеспечения теплового баланса и другие системы, необходимые для функционирования станции. Кроме прочего энергия тратится на разные эксперименты в условиях микрогравитации. И самое главное - в условиях пилотируемых полётов также есть несколько вариантов обеспечения необходимого импульса, но любой из них всё равно требует энергии, и количества немалого. Вся эта энергия на МКС вырабатывается солнечными панелями, но как уже было сказано выше с увеличением расстояния до Солнца их эффективность, как источника энергии стремится к нулю. На данный момент в дальних космических миссиях используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), но их эффективность ничтожно мала, чего, однако, хватает для непилотируемых космических аппаратов. Характеристики некоторых приведены в таблице 2 (табл. 2)

Табл. 2[4]

1.3 Ядерные реакторы

Принцип работы РИТЭГ основан на использовании естественного распада радиоактивного вещества для нагрева проводника и дальнейшего использования эффекта Зеебека: из-за разности температур в месте контакта разнородных последовательно соединённых проводников в них возникает электродвижущая сила (ЭДС). Пускай это и является следствием процессов ядерных, РИТЭГ не является ядерным реактором, так как использует естественную радиацию радиоактивных элементов. Ядерный реактор же вызывает контролируемый процесс ядерного распада (синтеза).

В частности – цепная ядерная реакция, в ходе которой в результате достижения критических условий в радиоактивном веществе начинается процесс высвобождения части нейтронов. Критические условия регулируются массой исходного вещества, площади поверхности нейтронных отражателей, а также среды, в которой происходит реакция. В результате такой реакции выделяются частицы с высокой кинетической энергией, которая затем поглощаются теплоносителем. В дальнейшем самое распространенное использование этой энергии – это нагрев теплоносителя до температуры кипения, дабы в результате температурного расширения вращать турбину электрогенератора. Итого получаем цикл «ядерная энергия – кинетическая энергия – внутренняя энергия – кинетическая энергия – электрическая энергия». Тепловая эффективность таких реакторов достигает около 33-37% [5]. Это означает, что около 60% энергии теряется при переходе от кинетической энергии осколков деления в внутреннюю энергию теплоносителя и затем в кинетическую энергию турбины. Это происходит в следствии ограничений, накладываемых термодинамикой. Из неё следует, что максимальное КПД тепловой машины равно отношению разницы абсолютных значений температуры нагревателя () и холодильника () к температуре нагревателя:

1.4 «Прямое» преобразование ядерной энергии в электрическую

Помимо вышеназванного и схожим с ним процессов, существуют методы прямого преобразования, минующие стадии передачи кинетической энергии теплоносителям, однако прежде чем перейти к ним, стоит также рассказать о способах, которые часто называют прямыми, которые, однако, таковыми не являются. Это термоэлектрическое и термоэмиссионное преобразование. О первом мы уже говорили выше. В его основе лежит разница температур за счёт которой образуется ЭДС. К сожалению, на данный момент эффективность такого преобразования лежит в интервале от 5% до 8% [6]. Термоэмиссия же – процесс, при котором под действием высоких температур с катода электроны приобретают достаточную кинетическую энергию и, преодолевая энергетический барьер, переносятся на анод создавая в цепи ток. Эффективность термоэмиссионных преобразователей – до 20% [7]. Однако, чтобы электроны преодолели энергетический барьер необходимо разогреть катод до высоких температур (до 1500 К [7]). В обычных условиях это не критично, однако в условиях с повышенными требованиями к системе обеспечения теплового режима, как например, на космических аппаратах это может стать проблемой. По факту вышеназванные способы преобразования ядерной энергии в электрическую не являются прямыми, напротив, они не реализуемы без поступления тепла, получаемого в ходе ядерных реакций. Однако отсутствие промежуточного звена в виде турбины и электрогенератора создало ложное представление, которое так вышло, что формально закрепилось. Если комбинировать методы термоэмиссионного, термоэлектрического преобразования с традиционными ядерными реакторами, можно повысить эффективность преобразования ядерной энергии в электрическую.

1.5 Заключение введения

Подытожить часть с описанием существующих и используемых способов преобразования ядерной энергии в электрическую хотелось бы причинами того, почему вышеперечисленным способам использования ядерной энергии стоит искать аналоги:

1. Традиционные ядерные реакторы требуют относительно большой площади. Если для Земли это вопрос оптимальности, то для космоса – пространство – это вопрос необходимости. Главным образом пространство занимает теплоноситель и схема его охлаждения.
2. Традиционные ядерные реакторы, а также термоэмиссионные преобразователи работают при высоких температурах. Это разрушает экосистемы на Земле и создаёт дополнительную проблему в космических миссиях.
3. Использование таких схем преобразования ввиду ввода преобразования в тепло неэффективно, ведь с таким вводом появляется ограничение, накладываемое термодинамикой, и максимальная эффективность определяется из формулы (1.1).
4. В ходе ядерных реакций образуются ионизированные частицы или (и) нейтроны, которые не поглощаются напрямую, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос защиты корпуса реактора от них, из-за этого многократно повышается итоговая масса реактора.

2.1 Электростатические коллекторы

Идея электростатических коллекторов простая – кроме прочего в результате ядерных реакций получаются заряженные частицы – необходимо не дать им объединиться и направить на соответствующие электроды. Таким образом мы используем напрямую результат деления (синтеза), захватывая его и повышая электрическое напряжение. Однако с реализацией такой идеи всё чуть сложнее и те модели, информацию о которых я нашёл рассматривали их как дополнение к обычным реакторам. Рассмотрим на примере схему «Venetian blinds», по которой в 1974 году вышла статья [8].

Поток частиц, исходящих от термоядерного реактора, сначала проходит фильтрацию на нейтроны – по пути прямого хода частиц расположен поглотитель нейтронов. Заряженные же частицы под действием магнитного поля отклоняются от прямой траектории и спокойно проходят далее в камеру расширения. В ней частицы проходят некоторую дистанцию, за счёт чего объёмный заряд распределяется в большем объёме. Это было необходимо для того, чтобы в дальнейшем решить вопрос с высоким тепловыделением в следствии большого заряда. Затем в конце камеры расширения располагаются поверхности сбора заряда – металлическая ленточная решётка (рис. 1). Сначала поток заряженных частиц просеивается на электроны. Это необходимо для поддержания разности потенциалов - пара электрон-ион не должна образовать нейтральную частицу. Ионы, как более энергетически выгодные частицы собирают и они продолжают движение, встречая первую преграду в виде положительно заряженных металлических лент. Часть наименее заряженных ионов захватывается на первом этапе, часть пройдёт дальше, но из-за электрического поля отклонится обратно по параболической траектории и за счёт формы поверхностей сбора не смогут уйти, тем самым поглощаясь. Часть же наиболее энергетически заряженных частиц уйдёт до вторых металлических лент и будет поглощена ими.

Эффективность такого преобразования достигает 60%, то есть 40% уходит на нагрев ленточных решёток. При таких условиях их температура достигает 1080 ℃, это большие значения и с ними нужно считаться. Так как в камере расширения вакуум – было решено использовать излучение, как переносчик излишнего тепла.

Рис. 1 Коллектор и массив ленточных решёток [9]  

2.2 Индукционные схемы

В 1973 была изучена возможность преобразования энергии термоядерного синтеза в электрическую с помощью индукционной схемы преобразования [10]. Её принцип схож с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сначала производится впрыск топлива в камеру реакции, затем производится адиабатическое сжатие плазмы топлива (в данном случае дейтериево-тритиевого) внешними магнитными катушками. Когда плазмой достигается необходимое для реакции давление – начинается термоядерный синтез. В результате синтеза образуется более плотный элемент, который из-за изобарности процесса начинает расширение плазмы против магнитного поля катушек. Это приводит к тому, что энергия, затраченная на сжатие топлива кроме того, что восполняется, так ещё и дополняется из-за природы термоядерного синтеза. Эффективность системы на 1973 год оценивалась в 62%, а идеальное КПД – 75%.

2.3 Наноматериалы

В своей работе Ливия Попа-Симил[11] представила свои исследования на тему использования метаматериалов¹ и наноструктур в целом для преобразования ядерной энергии в электрический ток. Принцип работы такого устройства можно увидеть на рисунке 2.

Рис. 2 Процесс преобразования энергии на метаматериале [12]

Процесс таков:

• Начинается реакция ядерного распада
• Нейтроны, как продукты реакции, имея много кинетической энергии, проходят через материал с повышенной плотностью электронов и ударяется об стенку-отражатель, тем самым возбуждая атомы вокруг себя
• Возбуждённые атомы начинают испускать электроны, которые направляются в сторону материала с пониженной плотностью электронов
• Материал с пониженной плотностью электронов поляризуется отрицательно

Рассчитанная эффективность такого способа – 85%. При этом мощность такой схемы – от 1 МВт/см³, а тепловое преобразование минимально.

3. Заключение

Помимо рассмотренных существует множество других способов использования прямого преобразования: использование возбуждения атомов вызываемого продуктами распада для люминесценции, схемы, основанные на магнитогидродинамических установках и так далее. В статье я рассмотрел самые на мой взгляд интересные и более развитые способы прямого преобразования. Все они не лишены своих недостатков, главным из которых является их технологическая сложность проектирования и создания. Однако несмотря на это, использование наиболее эффективных способов преобразования энергии предупредит нехватку электроэнергии, пространства, а также катастроф, связанных с тепловым характером нынешнего преобразования ядерной энергии в электрическую.

Помимо эффективности важно развивать эту область уже сейчас, чтобы также предупредить строительство и использование реакторов с традиционным способом преобразования энергии, ведь вывод из эксплуатации и замена, часто обходятся сложнее и затратнее, чем создание и постройка нового.

¹ Мета-материалы – искусственные композитные наноструктуры, с уникальными свойствами взаимодействия с электромагнитными волнами

Об авторах

Денис Игоревич Стефанишин

Автор, ответственный за переписку.
Email: kosmelf98@gmail.com
Россия

Светлана Олеговна Давыдова

Email: davidova.so@ssau.ru

Список литературы

Дополнительные файлы