Ядролық отын қазіргі кездегі отынның барлық түрлеріне қарағанда тиімдірек болғандықтан, ядролық қондырғылардың (атомдық электр станциялары, суасты қайықтары, кемелер және т.б.) көмегімен жұмыс істей алатын барлық нәрселерге үлкен артықшылық беріледі. Реакторларға арналған ядролық отын қалай өндірілетіні туралы кейінірек айтатын боламыз.
Уран екі негізгі жолмен өндіріледі:
1) уранның пайда болу тереңдігі мүмкіндік берсе, карьерлерде немесе шахталарда тікелей өндіру. Бұл әдіспен бәрі түсінікті деп үміттенемін.
2) Жерасты шаймалау. Бұл уран табылған жерде ұңғымаларды бұрғылау, оларға күкірт қышқылының әлсіз ерітіндісін айдау және ерітіндінің уранмен әрекеттесуі, онымен қосылуы. Содан кейін алынған қоспасы бетіне және одан сорылады химиялық әдістеруран бөлінеді.
Елестетіп көріңізші, біз қазірдің өзінде кеніште уран өндіріп, оны одан әрі трансформациялауға дайындадық. Төмендегі фотода - «сары торт» деп аталатын, U3O8. Әрі қарай тасымалдау үшін бөшкеде.
Барлығы жақсы болар еді, теориялық тұрғыдан бұл уранды бірден атом электр станцияларына отын өндіру үшін пайдалануға болады, бірақ өкінішке орай. Табиғат, әдеттегідей, бізге жұмыс берді. Өйткені, табиғи уран үш изотоптың қоспасынан тұрады. Бұл U238 (99,2745%), U235 (0,72%) және U234 (0,0055%). Бұл жерде бізді тек U235 қызықтырады - ол реактордағы жылу нейтрондарымен тамаша бөлінгендіктен, ол бізге тізбекті ыдырау реакциясының барлық артықшылықтарын пайдалануға мүмкіндік береді. Өкінішке орай, оның табиғи концентрациясы тұрақты және үшін жеткіліксіз ұзақ жұмысқазіргі заманғы атом электр станциясының реакторы. Менің білуімше, RBMK аппараты табиғи ураннан отынмен жұмыс істей алатындай етіп жасалған, бірақ мұндай отынның тұрақтылығына, ұзақ мерзімділігіне және қауіпсіздігіне мүлдем кепілдік берілмейді.
Бізге уранды байыту керек. Яғни, U235 концентрациясын табиғидан реакторда қолданылатынға дейін арттыру.
Мысалы, РБМК реакторы уранды 2,8% байытумен, VVER-1000 - 1,6-дан 5,0%-ға дейін байытумен жұмыс істейді. Кеме және кеме ядролық электр станциялары 20%-ға дейін байытылған отынды жеу. Кейбір зерттеу реакторлары 90% байытылған отынмен жұмыс істейді (мысалы, Томск қаласындағы IRT-T).
Ресейде уранды байыту газ центрифугаларында жүргізіледі. Яғни, бұрын фотода болған сары ұнтақ UF6 уран гексафториді газға айналады. Содан кейін бұл газ центрифугалардың тұтас каскадына өтеді. Әрбір центрифугадан шыққанда U235 және U238 ядроларының салмағының айырмашылығына байланысты біз құрамында U235 аздап жоғарылаған уран гексафторидін аламыз. Процесс бірнеше рет қайталанады және нәтижесінде бізге қажетті байыту арқылы уран гексафторидін аламыз. Төмендегі фотода сіз центрифугалар каскадының масштабын көре аласыз - олардың көпшілігі бар және олар алысқа созылады.
Содан кейін UF6 газы ұнтақ түрінде UO2-ге қайта айналады. Химия, сайып келгенде, өте пайдалы ғылым және бізге осындай кереметтерді жасауға мүмкіндік береді.
Алайда бұл ұнтақты реакторға құю оңай емес. Дәлірек айтқанда, сіз ұйықтай аласыз, бірақ одан жақсы ештеңе болмайды. Оны (ұнтақ) реакторға ұзақ, жылдар бойы түсіретіндей етіп жеткізу керек. Бұл жағдайда жанармайдың өзі салқындату сұйықтығымен байланыста болмауы керек және ядродан асып кетпеуі керек. Мұның үстіне жанармай реактор ішінде жұмыс істегенде онда пайда болатын өте, өте қатал қысым мен температураға төтеп беруі керек.
Айтпақшы, ұнтақтың да бәрібір емес екенін айтуды ұмытып кеттім - ол белгілі бір мөлшерде болуы керек, сондықтан престеу және агломерация кезінде қажетсіз бос орындар мен жарықтар пайда болмайды. Біріншіден, таблеткалар ұнтақтан ұзақ уақыт бойы басу және пісіру арқылы жасалады (технология шынымен қиын, егер ол бұзылса, жанармай таблеткалары жарамсыз болады). Төмендегі фотода мен планшеттердің нұсқаларын көрсетемін.
Планшеттердегі тесіктер мен ойықтар термиялық кеңею мен радиациялық деформацияны өтеу үшін қажет. Реакторда уақыт өте келе таблеткалар ісінеді, бүгіледі, өлшемі өзгереді, егер ештеңе болжанбаса, олар құлап кетуі мүмкін, бұл жаман.
Содан кейін дайын таблеткалар металл түтіктерге (болаттан, цирконийден және оның қорытпаларынан және басқа металдардан жасалған) оралады. Түтіктер екі жағынан жабылып, тығыздалған. Жанармай бар дайын түтік отын элементі - отын элементі деп аталады.
Әртүрлі реакторлар әртүрлі дизайндағы және байытудағы отын штангаларын қажет етеді. RBMK отын штангасы, мысалы, ұзындығы 3,5 метр. Жанармай штангалары, айтпақшы, тек өзек емес. суреттегідей. Олар пластинкалы, сақиналы, әртүрлі типтегі және модификациядағы теңіз.
Содан кейін жанармай өзектері жанармай жинақтарына біріктіріледі - отын жинақтары. RBMK реакторының отын жинағы 18 жанармай өзектерінен тұрады және келесідей көрінеді:
VVER реакторының отын жинағы келесідей:
Көріп отырғанымыздай, VVER реакторының FA РБМК-ға қарағанда әлдеқайда көп жанармай өзектерінен тұрады.
Дайын арнайы өнім (FA) сақтық шараларын сақтай отырып, атом электр станциясына жеткізіледі. Неліктен сақтық шараларын қолдану керек? Ядролық отын әлі радиоактивті болмаса да, өте құнды, қымбат және өте ұқыпсыз жұмыс істеген жағдайда көптеген қиындықтар туғызуы мүмкін. Содан кейін отын тораптарының жағдайына соңғы бақылау жүргізіледі және - реакторға тиеу. Міне, уран жер астындағы кеннен ядролық реактор ішіндегі жоғары технологиялық құрылғыға дейін ұзақ жолдан өтті. Енді оның тағдыры басқаша - бірнеше жыл бойы реактордың ішіне итеріп, су (немесе кез келген басқа салқындатқыш) одан алынатын қымбат жылуды шығару.
Мысал.
D-T синтезідейтерий және тритий атомынан басталып, гелий-4 атомымен және нейтронмен аяқталады. Бастапқы массасы 2,013553 + 3,015500 = 5,029053. Соңғы масса 4,001506 + 1,008665 = 5,010171. Біріншіден екіншісін алып тастасақ, массалық ақау 0,018882 екенін табамыз. 931,494028-ге көбейтсек, 17,58847 МэВ-ке тең алынған энергияны табамыз.
Қосымша ескерту ретінде, синтез энергияны шығарады, өйткені олар темір атомдарына айналатын деңгейге дейін өскенше көбірек атомдар біріктіріледі. Осыдан кейін ауыр атомдардың қосылуы өндіргеннен гөрі көбірек энергияны тұтына бастайды.
Бөлшектер
Бұл кесте термоядролық отын ретінде пайдалануға болатын әртүрлі бөлшектердің таңбаларын береді. Бөлшектердің массалары төмендегі реакциялар үшін массалық ақауды есептегіңіз келсе және алынған энергия мөлшеріне таң қалғыңыз келсе беріледі.
Тритийдің жартылай ыдырау кезеңі небәрі 12,32 жылды құрайды, бұл оны ғарышта пайдалануды біршама қиындатады, өйткені он екі жылдан кейін ол гелий-3-ке жартылай ыдырайды. Сондықтан тритийдің табиғи кен орындары жоқ. Тритийді пайдаланатын реактор конструкцияларының көпшілігі тритий генераторларына негізделген. Олар әдетте реакторды қоршап тұрған сұйық литий цистерналары. Литий нейтрондарды сіңіріп, жаңа тритий мен гелий-4-ке ауысады.
Ғарышты зерттеудің экономикалық мотиві ретінде жиі айтылатын әйгілі гелий-3, өкінішке орай, ойлағандай жақсы емес. Біріншіден, ол Жерде жоқ, бұл кен өндіруді қиындатады. Кейбір энтузиастар оны Айда өндіргісі келеді, оның концентрациясы ондағы өте аз. Небәрі бір тонна гелий-3 алу үшін 100 миллион тонна ай реголитін өңдеу керек. Немесе оны зауыттарда жасауға болады, бірақ бұл нейтрондардың көп мөлшерін қажет етеді. Жалпы алғанда, тритийді алу керек және ол ыдырайтынша күту керек. Сатурн мен Уран атмосферасында көп мөлшерде гелий-3 бар, бірақ оны одан алу үшін тиісті инфрақұрылым қажет. Олардың атмосферасындағы гелий-3 концентрациясы миллионға он бөлікке жетуі мүмкін, бұл Айдағыдан әлдеқайда жақсы. Юпитердің атмосферасында гелий-3 де бар, бірақ оның үлкен гравитациясына байланысты оны алу өте қиын болуы мүмкін.
Кіріспе
Бұл мақала, бірінші көзқараста, жылдам адам басқаратын ғарыштық ұшулар үшін синтез энергиясын пайдаланудың басқа әдісін сипаттайды. Бұл жолдағы бұрынғы талпыныстар негізінен келесі екі себепке байланысты нәтижесіз болды. Біріншіден, олар термоядролық реакторлардың дизайнына негізделген. Реакторларда қолданылатын тәсілдердің тікелей қолданылуы үлкен массасы бар жүйелерге және энергияны кетіру проблемаларына әкеледі. Ең ықшам «TOKMAK» концепциясына егжей-тегжейлі талдау жасаған сфералық торус кеменің массасы 4000 тонна аймаққа шықты. Химиялық зымырандардың көмегімен төмен эталондық орбитаға шығарудың максималды массасы 200 тоннадан аспауы керек.Екінші себеп, шын мәнінде, барлық алдыңғы қозғалтқыш жүйелері, негізінен, зарядталған бөлшектерді тудыратын күрделі реакцияларды қажет етті. Бұл нейтрондар арқылы энергия шығынын азайту үшін қажет болды. Ең перспективалылары D- 3 He және P- 11 B болды. Бірақ бұл реакциялар әлдеқайда жоғары плазмалық температураны талап етеді және D-T синтезіне қарағанда қол жеткізу қиынырақ болды. Жер. Пайдасы аз болса да, олар талап етеді орасан зор сомажануды қамтамасыз ететін энергия, бұл оларды альтернативті бөліну реакцияларынан артық етпейді.
Ғарыштық қозғалыста синтез энергиясын пайдалану туралы бұрынғы идеяларды қайта қарастыру қажет. Химиялық зымыран қозғалтқыштарына мұндай артықшылықтарды не беретінін қарастырайық. Негізгі себебі жанудың химиялық реакциясынан алынатын энергия қалағандай үлкен немесе аз болуы мүмкін. Ауыр Atlas зымыран-тасығышы үшін 13 ГВт-тан жеңіл автомобиль үшін 130 кВт-қа дейін. Айта кету керек, төмен энергия кезінде жану тиімдірек болады, өйткені қарқынды жылуды кетіру қажеттілігі және ұзақ мерзімді үздіксіз жұмыс кезінде пайда болуы мүмкін термиялық зақымдану қажеттілігі туралы алаңдамай температураны арттыруға болады.
Атомдық және сутегі бомбаларының сынақтары көрсеткендей, ядролық отынның жануы бірдей Атластағыдан көп мөлшердегі энергияны өндіре алады. Мәселе ғарыштық ұшу үшін қажетті сипаттамаларға қол жеткізу үшін ядролық энергияның бөлінуін қалай басқару керек: жалынның бірнеше мегаватт, меншікті салмағы төмен α (~ 1 кг/кВт), жоғары меншікті импульсті Isp (> 20 000 м/с). Кем дегенде, ядролық ыдырау үшін қажетті энергетикалық масштабқа дейін төмендету мүмкіндігі жоқ екені белгілі болды, өйткені өзін-өзі қамтамасыз ететін реакцияны бастау үшін белгілі бір сыни масса (критикалық конфигурация) қажет. Нәтижесінде, Орион сияқты ядролық ыдырау реакцияларын қолданатын жобалар әдетте 10 7 кг және одан жоғары массасы бар ғарыш аппараттары үшін жарамды миллиондаған тонна итеру күшін өндірді.
Бақытымызға орай, термоядролық реакциялардың масштабы әлдеқайда аз болуы мүмкін және Magneto Inertial Fusion (мангито-инерциялық синтез, MIF) сияқты әдістер ғарыштық қозғалыс жүйелеріне жарамды жүйелердегі ядролық материалдан үлкен көлемде энергия алуға мүмкіндік береді. олардың мөлшері, салмағы, қуаты және құны.
Қозғалтқыш физикасы
Қозғалтқыш магнит өрісінің көмегімен FRC плазмоидінің (Өріс-кері конфигурация – инверттелген конфигурациясы бар өріс) айналасындағы металл фольганың үш өлшемді жарылуы (жарылғыш толқынмен сығу) принципіне негізделген. Бұл жоғары температура мен қысым сияқты синтезді бастау үшін қажетті жағдайларға қол жеткізу үшін қажет. Реакцияны іске қосудың бұл тәсілі инерциялық синтездің өзгеруі болып табылады. Оның қалай жұмыс істейтінін шамамен түсіну үшін инерциялық басқарылатын термоядролық синтезді (Inertial Confinement Fusion - ICF) қарастыруға болады. ICF синтезіне миллиметрлік өлшемді криогендік отынмен сфералық капсуланың 3D жарылуы арқылы қол жеткізіледі. Жарылыс капсула корпусының лазер сәулелерімен, электрондармен немесе иондармен қыздырылғаннан кейін жарылғыш булануынан болады. Капсуланың қыздырылған сыртқы қабаты сыртқа қарай жарылады, бұл капсула материалының қалған бөлігін ішке қарай жылдамдататын, оны қысатын қарсы күш тудырады. Сондай-ақ, бұл жағдайда нысананың ішінде қозғалатын соққы толқындары пайда болады. Соққы толқындарының жеткілікті күшті жиынтығымен ол орталықтағы отынды қысып, қыздыра алатыны сонша, термоядролық реакция басталады. Бұл әдіс шағын капсуланың инерциясы плазманы барлық отынның әрекеттесуі және G ~ 200 немесе одан да көп пайдалы өнім шығаруы үшін жеткілікті ұзақ ұстау үшін жеткілікті деп болжайды (G = синтез энергиясы / плазма энергиясы). ICF әдісін Ұлттық ядролық қауіпсіздік басқармасы (NNSA) ондаған жылдар бойы ұстанып келеді, өйткені бұл миниатюралық термоядролық бомба сияқты нәрсе. Кішкентай өлшемі мен салмағына байланысты капсуланы наносекундтар ішінде синтез температурасына дейін қыздыру керек. Бұл мәселені шешудің ең перспективалы шешімі D-T отыны бар капсулаға бағытталған жоғары қуатты импульстік лазерлердің массиві екені белгілі болды.Ғарышқа ұшуға келетін болсақ, негізгі көрсеткіш Δv - жылдамдықтың өсуі (м / с немесе км / с) екенін атап өткім келеді. Бұл орбиталық маневрді орындау кезінде бір траекториядан екінші траекторияға өту үшін қажет «күш» мөлшерінің өлшемі. Үшін ғарыш кемесіжанармай сыйымдылығы, максималды қашықтық немесе сияқты нәрселер жоқ максималды жылдамдық, тек Δv бар. Кеменің максималды Δv мәнін оның барлық жанармайын пайдалану арқылы алатын жылдамдығының артуы ретінде көрсетуге болады. «Миссияны» оны орындау үшін Δv қажет ететініне қарай сипаттауға болатынын білу маңызды. Мысалы, Жерден көтерілу, Марсқа Гоман траекториясы және оған қону үшін 18 км/с бюджет Δv қажет. Егер кемеде миссияның Δv мәнінен үлкен немесе оған тең Δv маржа болса, онда ол бұл тапсырманы орындай алады.
Кеменің Δv мәнін білу үшін Циолковский формуласын қолдануға болады. 
мұнда:
V - соңғы (барлық отынның дамуынан кейін) жылдамдық ұшақ(Ханым);
I – зымыран қозғалтқышының меншікті импульсі (қозғалтқыш күшінің отын массасының екінші шығынына қатынасы, саптамадан жұмыс сұйықтығының шығу жылдамдығы, м/с);
M 1 - әуе кемесінің бастапқы массасы (пайдалы жүк + аппарат құрылымы + отын, кг);
М 2 - ұшақтың соңғы массасы (пайдалы жүк + құрылым, кг).
Бұл өте маңызды қорытындыға әкеледі, ол бірінші көзқараста өте айқын болмауы мүмкін. Егер миссияның Δv мәні меншікті импульстен аз немесе оған тең болса, онда кеменің салыстырмалы массасы үлкен болады және үлкенірек пайдалы жүкті тасымалдау мүмкін болады. Алайда, егер миссияның Δv мәні меншікті импульстен үлкен болса, салыстырмалы масса экспоненциалды түрде төмендей бастайды, бұл кемені шағын пайдалы жүктемесі бар үлкен жанармайға айналдырады. Шын мәнінде, дәл осыған байланысты қарапайым химиялық қозғалтқыштарды қолданатын планетааралық ұшулар өте қиын.
Марсқа және кері 210 күндік ұшуды жоспарлаңыз. 
Марсқа 90 күндік миссия (ΔV = 13,5 км/с)
Мақсаты: пайдалы жүктің жалпы салмаққа қатынасын жақсарту.Артықшылықтары:
- Қосымша көлік миссияларының қажеті жоқ
- Жеңілдетілген миссия архитектурасы
- Бір миссия кезінде барлық қорларды әкелу мүмкіндігі
- Төмен миссия құны
- Жерден бір рет ұшырылғаннан кейін миссияны бастау мүмкіндігі
Марсқа 30 күндік миссия (ΔV = 40,9 км/с)
Мақсаты: Ең жылдам тапсырма.Артықшылықтары:
- төмен тәуекел
- Ең аз радиациялық әсер
- Аполлон миссиясының архитектурасы
- Марсқа үнемі барудың кілті
- Терең кеңістікті бағындыру үшін қажетті технологияларды әзірлеу
Қазіргі уақытта NASA ғарыштық ұшыру жүйесін (SLS) әзірлеуде - 70-тен 130 тоннаға дейін пайдалы жүкті төмен эталондық орбитаға шығаруға қабілетті өте ауыр зымыран тасығыш. Бұл осындай зымыран тасығышты бір рет ұшырғаннан кейін Марсқа 90 күндік миссияны бастауға мүмкіндік береді.
Екі миссияның да тікелей бас тарту және Жерге оралу мүмкіндігі бар.
Негізгі миссия параметрлері
| Жанармай болжамдары | |
|---|---|
| Лайнер материалының ионизациясының құны | 75 МДж/кг |
| Лайнерге энергияны беру тиімділігі (қалған энергия конденсаторларға қайтарылады) | 50% |
| η t күшке түрлендіру тиімділігі | 90% |
| Салмағы кірістіру (50-ден 500-ге дейін өсуге сәйкес келеді) | 0,28-ден 0,41 кг-ға дейін |
| тұтану факторы | 5 |
| Қауіпсіздік коэффициенті (G F =G F(есептеу) /2) | 2 |
| Миссия жорамалдары | |
| Марс модулінің массасы (Design Reference Architecture 5.0 бойынша) | 61 т |
| тұруға жарамды аймақ | 31 т |
| Қайтару капсуласы | 16 т |
| Шығу жүйесі | 14 т |
| Конденсаторлардың салыстырмалы массасы (оған қажетті сымдар да кіреді) | 1 Дж/г |
| Күн элементтерінің салыстырмалы массасы | 200 Вт/кг |
| Құрылымдық фактор (цистерналар, құрылым, радиаторлар және т.б.) | 10% |
| Толық жанармай тежеу, аэротежеу қолданылмайды | |
| кеме дизайны | |
| Құрылымы (файлдар, қуат құрылымдары, байланыс арналары, автоматтандырылған басқару жүйелері, аккумуляторлар) | 6,6 т |
| Литийді сақтау жүйесі | 0,1 т |
| Плазманы генерациялау және айдау жүйесі | 0,2 т |
| Жанармай беру механизмі | 1,2 т |
| Конденсаторлық банктер | 1,8 т |
| Сығымдау катушкалары | 0,3 т |
| Электр сымдары және электр энергиясы | 1,8 т |
| Күн панельдері (200 Вт/кг 180 кВт) | 1,5 т |
| Жылу басқару жүйесі | 1,3 т |
| Магниттік саптама | 0,2 т |
| Кеме массасы | 15 т |
| Марс модулінің массасы | 61 т |
| Литий жұмыс органы | 57 т |
| жалпы салмағы | 133 т |
Зерттеу жоспары бойынша импульстің қайталану жиілігі 0,1 Гц-тен жоғары болады. Егер меншікті импульс 51400 м/с, ал жұмыс сұйықтығының массасы бір импульске 0,37 кг болатынын ескерсек, онда импульсті p = mv = 19018 кг м/с есептеуге болады. Импульстің сақталу заңы бойынша кеменің жылдамдығы p/M = 19018/133000 = 0,14 м/с артады. Егер саптаманың радиусын 1 м деп алсақ, онда кеңейетін газдар оған t = r / v = 1/51400 = 0,00002 с аймағында қысым жасайды. Демек, үдеу a = dv / dt = 0,14 / 0,00002 = 7000 м / с 2 аймағында болады. Дедал жобасындағыдай амортизаторлар немесе импульсті тегістеу үшін басқа техникалық шешім қолданылатыны анық.
Тегтер: тегтерді қосыңыз
ТНРД жұмыс істеу принципі және құрылғысы
Қазіргі уақытта TNRD дизайнының 2 нұсқасы ұсынылған:
TNRD магниттік плазмалық шектеуі бар термоядролық реакторға негізделген
Бірінші жағдайда ТНРД жұмыс принципі мен құрылғысы келесідей: қозғалтқыштың негізгі бөлігі басқарылатын термоядролық синтез реакциясы жүретін реактор болып табылады. Реактор цилиндрлік пішінді, бір жағы ашық, деп аталатын қуыс «камера». ашық тұзақты біріктіру қондырғысы (сонымен бірге магниттік бөтелке немесе корктрон деп аталады). Реактордың «камерасы» міндетті түрде (тіпті жағымсыз) толығымен тығыздалуы керек емес, бұл магниттік жүйенің катушкаларын тасымалдайтын жеңіл өлшемді тұрақты ферма болуы мүмкін. Қазіргі уақытта схема деп аталатын ең перспективалы болып саналады. «амбиполярлық қамау» немесе «магниттік айналар» (ағыл. тандемдік айналар), басқа шектеу схемалары мүмкін болса да: газ-динамикалық ұстағыштар, орталықтан тепкіш оқшаулау, кері магнит өрісі (FRC). Авторы заманауи бағалаулар, реакция «камерасының» ұзындығы диаметрі 1-3 м 100-ден 300 м-ге дейін болады.Реактор камерасында таңдалған отын жұбының компоненттерінің термоядролық синтезін бастау үшін жеткілікті жағдайлар жасалады (температуралар жүздеген миллион градустардың реті, Лоусон критерийінің факторлары). Термоядролық отын – жанармай компоненттерінің қоспасынан алдын ала қыздырылған плазма – реактор камерасына беріледі, онда тұрақты синтез реакциясы жүреді. Магнит өрісінің генераторлары (бір конструкцияның магниттік катушкалары) ядроны қоршап тұрған реактор камерасында жоғары интенсивті және күрделі конфигурациялы өрістер жасайды, олар жоғары температуралы термоядролық плазманы реактор құрылымымен жанасудан сақтайды және онда болып жатқан процестерді тұрақтандырады. Термоядролық «жану» аймағы (плазмалық факел) реактордың бойлық осі бойымен қалыптасады. Алынған плазма магниттік басқару жүйелерімен бағытталады, реактордан саптама арқылы ағып, ағынды соққы жасайды.
TNRD «көп режимді» жұмыс істеу мүмкіндігін атап өту керек. Салыстырмалы түрде салқын затты плазмалық факелдің ағынына енгізу арқылы қозғалтқыштың жалпы тартылуын күрт арттыруға болады (меншікті импульстің төмендеуіне байланысты), бұл TNR бар кемеге тиімді маневр жасауға мүмкіндік береді. үлкен планеталар сияқты массивті аспан денелерінің гравитациялық өрістері, мұнда қозғалтқыштың үлкен жалпы күші жиі қажет. Жалпы бағалаулар бойынша, мұндай схеманың TNRD 10 000 секундтан 4 миллион сек-қа дейінгі меншікті импульспен бірнеше килограммнан ондаған тоннаға дейін күш дами алады. Салыстыру үшін, ең озық химиялық зымыран қозғалтқыштарының меншікті импульсі шамамен 450 секундты құрайды.
Инерциялық синтез жүйелеріне негізделген TNRD (импульстік термоядролық реактор)
Екінші типті қозғалтқыш инерциялық импульстік термоядролық қозғалтқыш болып табылады. Мұндай реакторда басқарылатын термоядролық реакция импульстік режимде (жиілігі 1-10 Гц микросекундтың фракциялары), термоядролық отыны бар микронысаналарды мерзімді қысу және қыздыру арқылы жүреді. Бастапқыда ол лазерлік-термоядролық қозғалтқышты (LTYARD) пайдалану керек еді. Мұндай LTYARD, атап айтқанда, Daedalus жобасындағы жұлдызаралық автоматты зонд үшін ұсынылды. Оның негізгі бөлігі импульстік режимде жұмыс істейтін реактор болып табылады. Термоядролық отын (мысалы, дейтерий және тритий) сфералық реактордың камерасына нысаналар түрінде беріледі - диаметрі бірнеше миллиметрлік қабықтағы мұздатылған отын компоненттерінің қоспасынан шарлардың күрделі құрылымы. Камераның сыртқы бөлігінде қуатты – жүздеген тераваттылық – лазерлер бар, олардан камераның қабырғаларындағы оптикалық мөлдір терезелер арқылы нысанаға тиетін наносекундтық сәуле импульсі. Сонымен бірге миллионға жуық атмосфералық қысымда нысана бетінде бірден 100 миллион градустан астам температура пайда болады - термоядролық реакцияны бастау үшін жеткілікті жағдайлар. Сыйымдылығы бірнеше жүз килограмм тротилді құрайтын термоядролық микрожарылыс бар. Daedalus жобасындағы камерадағы мұндай жарылыстардың жиілігі секундына шамамен 250 құрайды, бұл отын нысандарын EM зеңбірекпен 10 км / с-тан астам жылдамдықпен жеткізуді талап етті. Кеңейтетін плазма реактор камерасының ашық бөлігінен тиісті түрде жобаланған саптама арқылы ағып, ағынды соққы жасайды. Қазіргі уақытта микронысандарды сығудың/жылытудың лазерлік әдісі тұйық екені теориялық және практикалық тұрғыдан дәлелденді, оның ішінде жеткілікті ресурспен мұндай қуатты лазерлерді құру іс жүзінде мүмкін емес. Сондықтан қазіргі уақытта инерциялық синтез үшін микронысандарды ионды-сәулемен қысу/қызу нұсқасы тиімдірек, жинақы және ресурсы әлдеқайда ұзағырақ болып саналады.
Соған қарамастан, инерциялық-импульстік принцип бойынша TNRD импульстің әсерінен болатын магнитті ұстап тұруы бар TNRD-ге қарағанда, меншікті импульсі мен күші нашар, онда айналатын өте үлкен қуаттарға байланысты тым ауыр деген пікір бар. оның әрекетінің мерзімді түрі. Идеологиялық тұрғыдан алғанда, Орион жобасындағы термоядролық зарядтағы жарылғыш зымырандар ТНРД-ге инерциялық-импульстік принцип бойынша қосылады.
Реакция түрлері және термоядролық отын
TJARD пайдалана алады әртүрлі түрлеріқолданылатын отын түріне байланысты термоядролық реакциялар. Атап айтқанда, қазіргі уақытта реакциялардың келесі түрлері түбегейлі орындалады:
Дейтерий + тритий реакциясы (D-T отын)
2 H + 3 H = 4 He + n 17,6 МэВ энергия шығысында
Бұл реакция тұрғысынан ең оңай жүзеге асырылады заманауи технологиялар, энергияның айтарлықтай кірісін береді, отын компоненттері салыстырмалы түрде арзан. Оның кемшілігі - реакция қуатының көп бөлігін алып тастайтын және қозғалтқыштың тиімділігін күрт төмендететін қажетсіз (және тікелей күш салу үшін пайдасыз) нейтрондық сәулеленудің өте үлкен кірісі. Тритий радиоактивті, оның жартылай ыдырау кезеңі шамамен 12 жыл, яғни оны ұзақ сақтау мүмкін емес. Бұл ретте дейтерий-тритий реакторын құрамында литий бар қабықпен қоршауға болады: соңғысы нейтрондық ағынмен сәулеленіп, тритийге айналады, ол отын циклін белгілі бір дәрежеде жабады, өйткені реактор селекционер режимі. Осылайша, D-T реакторына арналған отын іс жүзінде дейтерий мен литий болып табылады.
Дейтерий + гелий-3 реакциясы
2 H + 3 He = 4 He + p. 18,3 МэВ энергия шығысында
Оған қол жеткізудің шарттары әлдеқайда күрделі. Гелий-3 сонымен қатар сирек кездесетін және өте қымбат изотоп болып табылады. AT өнеркәсіптік масштабқазіргі уақытта өндірілмейді. Энергияның шығуына қарамастан D-T реакцияларыЖоғарыда D- 3 He реакциясы келесі артықшылықтарға ие:
Қысқартылған нейтрон ағыны, реакцияны «нейтронсыз» деп жіктеуге болады,
Радиациядан қорғайтын массасы аз,
Реактордың магниттік катушкаларының массасы азырақ.
D- 3 He реакциясында нейтрондар түрінде қуаттың 5%-ға жуығы ғана бөлінеді (Д-Т реакциясы үшін 80%-ға қарсы).20%-ға жуығы рентген сәулелері түрінде бөлінеді. Қалған энергияның барлығын тікелей ағынның күшін жасау үшін пайдалануға болады. Осылайша, D-3He реакциясы TNRD реакторында қолдану үшін әлдеқайда перспективалы болып табылады.
Реакциялардың басқа түрлері
Дейтерий ядролары арасындағы реакция (D-D, монопропеллант) D + D -> 3 He + n 3,3 МэВ энергия шығысында және
D + D -> T + p+ 4 МэВ энергия шығысында. Бұл реакциядағы нейтрон шығымы өте маңызды.
Реакциялардың кейбір басқа түрлері де мүмкін:
P + 6 Li → 4 He (1,7 МэВ) + 3 He (2,3 МэВ) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 МэВ p + 11 B → 3 4 He + 8,7 МэВ
Жоғарыда көрсетілген реакцияларда нейтрон шығымы болмайды.
Отын таңдау көптеген факторларға байланысты - оның қолжетімділігі мен төмен құны, энергия шығымы, термоядролық синтез реакциясы үшін қажетті шарттарға қол жеткізудің қарапайымдылығы (бірінші кезекте температура), реактордың қажетті конструктивтік сипаттамалары және т.б. TNRD жүзеге асыру үшін ең перспективалы деп аталады. «нейтронсыз» реакциялар, өйткені термоядролық синтез нәтижесінде пайда болатын нейтрондар ағыны (мысалы, дейтерий-тритий реакциясында) қуаттың едәуір бөлігін алып кетеді және оны итермелеу үшін пайдалану мүмкін емес. Сонымен қатар, нейтрондық сәулелену реактор мен кеменің конструкциясында индукцияланған радиоактивтілікті тудырады, бұл экипажға қауіп төндіреді. Дейтерий-гелий-3 реакциясы нейтрондық шығымдылықтың болмауына байланысты перспективалы болып табылады. Қазіргі уақытта TNRD-тің тағы бір тұжырымдамасы ұсынылды - термоядролық реакцияның катализаторы ретінде антиматерияның аз мөлшерін пайдалану.
ТНРД тарихы, қазіргі жағдайы және даму болашағы
TNRD құру идеясы алғашқы термоядролық реакцияларды (термоядролық зарядтарды сынау) жүзеге асырғаннан кейін бірден пайда болды. TNRD дамуы туралы алғашқы жарияланымдардың бірі 1958 жылы Дж. Росстың мақаласы болды. Қазіргі уақытта жүргізілуде теориялық әзірлемелерқозғалтқыштардың мұндай түрлері (атап айтқанда, лазерлік термоядролық синтез негізінде) және жалпы алғанда - кең практикалық зерттеулербасқарылатын термоядролық синтез саласында. Қозғалтқыштың бұл түрін жақын болашақта енгізу үшін берік теориялық және инженерлік алғышарттар бар. TNRE есептелген сипаттамаларына сүйене отырып, мұндай қозғалтқыштар күн жүйесін дамыту үшін жоғары жылдамдықты және тиімді планетааралық тасымалдауды құруды қамтамасыз ете алады. Дегенмен, қазіргі уақытта TNRD нақты үлгілері әлі жасалмаған (2012).
да қараңыз
Сілтемелер
- 21 ғасыр космонавтикасы: термоядролық қозғалтқыштар // «Ғылым үшін» газеті, 2003 ж.
- Жаңа Ғалым Ғарыш (23.01.2003): Ядролық синтез NASA ғарыш аппаратын қуаттай алады (ағылшынша)
- Физикалық энциклопедия, т.4, мақала «термоядролық реакциялар», 102 б., Мәскеу, «Ұлы орыс энциклопедиясы», 1994, 704 б.
| |||||||||||||||||
2011 жылы Новосибирск химиялық концентраттар зауыты литий-7 изотопын (1300 кг) әлемдік тұтынудың 70% өндіріп, өткізіп, зауыт тарихындағы жаңа рекорд орнатты. Дегенмен, NCCP негізгі өнімі - ядролық отын.
Бұл фраза Новосібір тұрғындарының санасына әсерлі және қорқынышты әсер етіп, оларды кәсіпорын туралы кез келген нәрсені елестетуге мәжбүр етеді: үш аяқты жұмысшылар мен жеке жерасты қаласынан бастап радиоактивті желге дейін.
Сонымен, қала ішінде ядролық отын өндіретін Новосібірдегі ең жұмбақ зауыттың қоршауларының артында шын мәнінде не жасырылған?
«Новосибирск химиялық концентраттар зауыты» АҚ Ресейдегі атом электр станциялары мен зерттеу реакторлары үшін ядролық отынның әлемдегі жетекші өндірушілерінің бірі болып табылады. шет елдер. Жалғыз ресейлік өндірушіметалл литий және оның тұздары. Ол «Росатом» мемлекеттік корпорациясының TVEL отын компаниясының құрамына кіреді.
Біз отын жинақтары жасалатын цехқа келдік – атомдық энергетикалық реакторларға жүктелетін отын түйіндері. Бұл атом электр станциялары үшін ядролық отын. Өндіріске кіру үшін халат, бас киім, матадан жасалған аяқ киім жамылғысын киіп, бетіңізге «Петалл» кию керек.
Құрамында уран бар материалдарға қатысты барлық жұмыстар цехта шоғырланған. Бұл технологиялық кешен NCCP үшін негізгі кешендердің бірі болып табылады (АЭС-ке арналған ТҚ «НЦСП» ААҚ сататын өнімдер құрылымында шамамен 50% құрайды).
Уран диоксиді ұнтағын өндіру процесі басқарылатын диспетчерлік пункт, одан кейін отын түйіршіктері жасалады.
Жұмысшылар ағымдағы жөндеу жұмыстарын жүргізеді: белгілі бір уақыт аралығында, тіпті ең жаңа жабдық тоқтатылып, тексеріледі. Шеберхананың өзінде ауа әрқашан көп - сору желдеткіші үнемі жұмыс істейді.
Бұл бикондарда уран диоксиді ұнтағы сақталады. Олар ұнтақ пен пластификаторды араластырады, бұл планшетті жақсырақ қысуға мүмкіндік береді.
Жанармай түйіршіктерін сығымдауды шығаратын қондырғы. Балалар қалыпқа басып құмнан торт жасайтыны сияқты, мұнда да: уран түйіршіктері қысыммен басылады.
Тұнбалары бар молибденді қайық күйдіру үшін пешке жіберуді күтуде. Жасыту алдында таблеткалар жасыл реңкке және басқа өлшемге ие.
Байланыс ұнтағы, таблеткалар және қоршаған ортаминимумға дейін төмендетілді: барлық жұмыс жәшіктерде жүргізіледі. Ішіндегі бірдеңені түзету үшін қораптарға арнайы қолғаптар салынған.
Жоғарыдағы алаулар сутегіні жағуда. Таблеткалар пештерде кем дегенде 1750 градус температурада сутегіні қалпына келтіретін ортада 20 сағаттан астам уақыт бойы күйдіріледі.
Қара шкафтар сутегі жоғары температуралы пештер болып табылады, онда молибден қайығы әртүрлі температуралық аймақтардан өтеді. Амортизатор ашылып, пешке молибден қайық кіреді, ол жерден жалын шығады.
Дайын таблеткалар жылтыратылады, өйткені олар қатаң белгіленген мөлшерде болуы керек. Ал шыға берісте инспекторлар әрбір планшетті фишкалар, жарықтар, ақаулар болмайтындай етіп тексереді.
Салмағы 4,5 г бір таблетка энергияның бөлінуі бойынша 640 кг отынға, 400 кг көмірге, 360 текше метрге тең. м газ, 350 кг мұнай.
Сутегі пешінде күйдіруден кейінгі уран диоксиді таблеткалары.
Мұнда цирконий түтіктері уран диоксиді түйіршіктерімен толтырылады. Шығу кезінде біз отын элементтерін (ұзындығы шамамен 4 м) дайындадық - отын элементтері. Отын жинақтары қазірдің өзінде жанармай өзектерінен, басқаша айтқанда, ядролық отыннан құрастырылуда.
Қала көшелеріндегі мұндай газдалған сусындарды енді табу мүмкін емес, мүмкін тек НЖК-да. Ішінде болса да Кеңес заманыолар өте кең таралған.
Бұл машинада әйнекті жууға, содан кейін газдалған, газсыз немесе салқындатылған сумен толтыруға болады.
Департаменттің мәліметі бойынша табиғи ресурстаржәне 2010 жылы көрсетілген қоршаған ортаны қорғау, NCCP қоршаған ортаның ластануына айтарлықтай әсер етпейді.
Мұндай асыл тұқымды тауықтар цех аумағында орналасқан тұтас ағаш құс қорасында үнемі тіршілік етіп, жұмыртқалайды.
Жұмысшылар отын құрастыру үшін жақтауды дәнекерлейді. Отын жинақтарының модификациясына байланысты жақтаулар әртүрлі.
Зауытта 2277 адам жұмыс істейді, орта жасқызметкерлер – 44,3 жас, 58% – ер адамдар. Орташа еңбекақы 38 000 рубльден асады.
Үлкен түтіктер реакторды қорғауды басқару жүйесіне арналған құбырлар болып табылады. Содан кейін бұл жақтауда 312 жанармай штангалары орнатылады.
ЖЭО-4 НЖК жанында орналасқан. Экологтарға сілтеме жасай отырып, зауыт өкілдері бір ЖЭС жылына NCCP-ге қарағанда 7,5 есе көп радиоактивті заттарды шығаратынын хабарлады.
Слесарь Виктор Пустозеров, зауыт және атом энергетикасының ардагері, 2 Еңбек Даңқы орденінің иегері.
TVS үшін басы мен иін. Олар барлық 312 жанармай штангалары жақтауда болған кезде ең соңында орнатылады.
Қорытынды бақылау: дайын отын тораптары отын штангалары арасындағы қашықтық бірдей болуы үшін арнайы зондтармен тексеріледі. Контроллерлер көбінесе әйелдер, бұл өте қиын жұмыс.
Мұндай контейнерлерде отын жинақтары тұтынушыға жіберіледі - әрқайсысында 2 кассета. Ішінде өздерінің жайлы киіз төсегі бар.
«NCCP» АҚ өндіретін атом электр станцияларына арналған отын ресейлік атом электр станцияларында пайдаланылады және сонымен бірге Украинаға, Болгарияға, Қытайға, Үндістанға және Иранға жеткізіледі. Жанармай жинақтарының құны коммерциялық құпия болып табылады.
NCCP-де жұмыс істеу мүлде емес жұмыстан да қауіптікез келген өнеркәсіптік зауытта. Қызметкерлердің денсаулық жағдайы тұрақты бақылауда. Соңғы жылдары жұмысшылар арасында кәсіптік аурулардың бірде-бір оқиғасы анықталған жоқ.
