книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

нанесение на поверхностях графита специального защитного слоя из подходящего материала. Необходимо учитывать и воз­ можное взаимодействие между графитом и теплоносителем. До температуры 2200°С реактор может быть выполнен и на основе окиси бериллия (температура плавления 2550°С), карбида крем,- ния (температура плавления ~ 2240°С) и др.

Для получения необходимой температуры воздуха перед тур­ биной максимальная температура стенок реактора в активной зоне должна быть выше, чем в случае непосредственного нагрева воздуха. Это объясняется неизбежным перепадом температуры в реакторе (между стенкой и теплоносителем) и в теплообменни­ ке (между теплоносителем и воздухом). Вторым недостатком рассматриваемой схемы является, как уже указывалось, наличие циркуляционной системы теплоносителя, что усложняет эксплуа­ тацию самолета и делает его менее надежным. В случае примене­ ния жидких металлов в качестве теплоносителя необходимо перед пуском отдельно подогреть металл и систему циркуляции до тем­ пературы, превышающей температуру плавления. После останов­ ки следует слить жидкий (часто радиоактивный) металл из систе­ мы и принять меры к ее полной очистке.

Большое внимание должно быть уделено герметичности си­ стемы циркуляции и полному исключению утечек. Герметичность системы имеет огромное значение и в случае газообразных тепло­ носителей.

Применение газообразных теплоносителей (гелий, углекис­ лый газ, азот и др.) имеет тот недостаток по сравнению с жидки­ ми металлами, что теплосъем в активной зоне меньше и поэтому реактор и теплообменник получаются относительно большими. Однако в эксплуатационном отношении использование газообраз­ ного теплоносителя проще, так как не требуется подогрев систе­ мы перед пуском, нет опасности затвердевания теплоносителя по­ сле остановки в отдельных местах системы. Затрата мощности на прокачку жидких металлов меньше, чем в случае газообразных теплоносителей. Прокачка газообразных теплоносителей требует около 5—10 и более процентов от полезной мощности двигателя.

Главное достоинство применения жидкометаллических тепло­ носителей заключается в большом теплосъеме с единицы поверх­ ности теплоотдачи реактора и, следовательно, в уменьшении раз­ меров реактора. Это позволяет, в свою очередь, увеличить долю делящегося вещества и еще более сократить размеры реактора. Размеры поверхности теплоотдачи реактора зависят от типа теп­ лоносителя и скорости его течения через каналы реактора, а так­ же от степени подогрева теплоносителя, максимальной допусти­ мой температуры стенки реактора и от степени равномерности нейтронного потока в активной зоне.

На графиках фиг. 14.11—14.14 приведены расчетные зависи­ мости диаметра реактора Dp от скорости v движения теплоноси-

383

теля, от коэффициента пористости ф реактора и от величины

на выходе из него.

Во всех случаях тепловая мощность реактора одна и та же; длина реактора равна его диаметру; степень неравномерности теплового потока вдоль реактора 1,4.

3 8 4

Фиг. 14.13. Зависимость диаметра реактора от величины Д и скорости дви­ жения натрия

'зная Л, определить диаметр Dp реактора по скорости v движения теплоносителя. По величине Dp, определив конструктивно коэф­ фициент пористости ф( < 0,6), можно, например, для натрия из графика фиг. 14.11, определить долю U-235, нужную для выде­ ления заданной тепловой мощности реактора. Расчеты можно вести и в другом порядке, задав А, 4* и долю U-235.

Графики 14.11—14.14 приведены для иллюстрации влияния отдельных факторов на размеры реактора, но не для пользования ими при расчетах.

В случае жидких металлов, используемых в качестве тепло­ носителей, следует назначить такое давление в системе циркуля­ ции, которое при максимальных температурах теплоносителя ис­ ключает возможность парообразования.

§ 14.6. ЯДЕРНЫИ ПВРД

Ядерный ПВРД может быть выполнен в двух принципиаль­ ных схемах: с реактором-теплообменником с непосредственным нагревом воздуха в нем и с промежуточным теплоносителем, ко­ торый нагревается в реакторе и отдает тепло воздуху в специаль­ ном теплообменнике, встроенном в ПВРД, вместо камеры сгора­ ния. Сравнительные достоинства и недостатки этих схем примерно те же, что и для ТРД.

Вслучае ПВРД возникают специальные трудности для схемы

спромежуточным теплоносителем, связанные с обеспечением не-

386

обходимой мощности для прокачки теплоносителя в системе его циркуляции.

Для самолета-снаряда или ракеты с одиночным двигателем нагрев воздуха непосредственно в реакторе представляется наи­ более подходящим решением. Для этого случая можно использо­ вать методику, изложенную в § 14.3 данной главы для расчета поверхности нагрева и лба реактора. Общими для ядерных ПВРД и ТРД приемами можно приближенно определить разме­ ры и вес реактора и его системы.

Для одинакового числа М полета и при одинаковых темпера­ турах Т3* степень подогрева воздуха в реакторе в случае ПВРД будет выше, чем для ТРД из-за более низкой начальной темпера­ туры на входе в реактор. При больших числах М полета наивы­ годнейшая максимальная температура воздуха после реактора в ПВРД будет выше, чем в ТРД, у которых температура нагрева ограничивается надежностью турбины. В этом случае степень по­ вышения температуры в реакторе будет еще выше, чем в ТРД, из-за большей величины Т3*. Вследствие этого, чтобы не допус­ тить звуковой скорости воздуха на выходе из реактора, нужнопринять значение коэффициента скорости на входе в реактор меньше, чем в ТРД. При больших числах М полета можно при­

полета, выше которой процесс ПВРД не может быть осуществлен. Для получения тяги необходимо, чтобы при от< 1 температура воздуха Тх* после входного диффузора была бы заметно ниже температуры Т3* после реактора. Если принять максимальную температуру тепловыделяющих элементов конструкции реактора 2200° абс., что, вероятно, возможно для одноразового аппарата, то температура Т3* не может быть больше 2000° абс. В этом слу­ чае максимальное число М полета аппарата с ядерным ПВРД. будет не больше М = 5—6, чему отвечают температуры Г,* = = 1225—1622° абс. При больших потерях давления во входном устройстве на М — 5—6 дополнительные потери давления при движении воздуха через реактор будут оказывать существенное влияние на удельные параметры ПВРД.

Числа М полета 5—6 могут быть получены и на химической

.энергии, но при меньшей дальности полета аппарата. Конечно, аппарат с использованием ядерной энергии получается много сложнее и дороже.

Так как аппарат с ПВРД требует отдельных стартовых и разгонных средств, то радиоактивность воздуха после реактора здесь не играет роли, так как она проявится уже на больших вы­ сотах.

Мы отметили ограничение в максимальном числе М полета самолета-снаряда с ядерным ПВРД из-за допустимой температу­

§15.1. СХЕМЫ ЯДЕРНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Вракетных двигателях возможно использование ядерных ре­ акторов для нагрева подходящих рабочих тел. Рабочее тело для этой цели должно обладать следующими главными свойствами:

способность к теплосъему в реакторе должна быть высокой; для уменьшения размеров баков (и ракеты) оно должно, по возмож­ ности, иметь высокую весовую плотность. Ни одно вещество не удовлетворяет этим требованиям полностью.

В ядерных ракетных двигателях, как правило, в баках долж­ но быть одно рабочее тело, за исключением газофазного реактора и случаев, когда предполагается комбинированное использование ядерной энергии для нагрева компонентов топлива, а затем хими­ ческой энергии.

При нагреве жидкого рабочего тела в реакторе оно проходит следующие стадии: нагревание и испарение; перегрев паров и пе­ реход в газообразное состояние с диссоциацией молекул при вы­ соких температурах и с ионизацией атомов при весьма высоких температурах. Первоначальный нагрев рабочего тела до реактора осуществляется в рубашке двигателя при охлаждении его стенок.

Еслирабочее тело обладает способностью замедлять или по­ глощать нейтроны, эти его свойства должны быть учтены при расчете реактора. Расчет такого реактора сложнее, чем при на-, греве жидкого вещества или газа, так как на некоторой длине реактора меняется агрегатное состояние рабочего тела, а затем изменяется и состав продуктов нагрева из-за возможной диссоци­ ации и ионизации.

На фиг. 15.1 дан график примерной зависимости теоретиче­ ской удельной тяги ракетного двигателя от температуры нагрева

389

давлений. Преимуществом воды является ее относительно боль­ шая весовая плотность, распространенность в природе, край­ не низкая стоимость, простота и безопасность обращения с ней; эти качества не могут идти в сравнение ни с каким другим рабо­ чим телом. Эксплуатационным недостатком воды (в зимних усло­ виях) следует считать ее высокую температуру замерзания. Срав­ нительно малая величина удельной тяги ядерного ракетного дви­

*) По расчетам слушателя В: И. Левашева.

390

гателя с водой в качестве рабочего тела делает такой двигатель мало подходящим для больших ракет.

Рабочими телами в ядерных ракетных двигателях в принципе могут быть твердые, газообразные и жидкие вещества. Однако методы введения твердого тела в реактор в процессе работы дви­ гателя пока еще не разработаны, а емкости для хранения нуж-- ных количеств газообразных веществ столь велики даже при вы­

реактора-теплообменника. Поскольку в ракетах продолжитель­ ность работы реактора весьма ограничена, можно повысить мак­ симальную допустимую температуру элементов активной зоны. Наиболее тугоплавким соединением урана является двуокись урана ( tnil^ 2800°С). Тепловыделяющие элементы реактора

391

на основе двуокиси урана или уран-вольфрамовых соеди­ нений могут позволить поднять температуру в активной зоне до 2750—2800°С и обеспечить нагрев рабочего тела до 2500°С. В этом случае в качестве замедлителя для реактора на тепловых нейтро­ нах придется использовать графит, температура плавления кото­ рого 3500°С, или в крайнем случае окись бериллия, температура плавления которой равна 2520°С. Наиболее тугоплавким матери­ алом для стержней управления реактором является карбид бора В4С ( 4 Л=2550°С).

Тепловыделяющие элементы могут быть выполнены на осно­ ве керамики из карбидов гафния и тантала 3900°С). Необ­ ходимо учитывать относительно большие сечения поглощения нейтронов танталом и природны­

ми гафнием и вольфрамом.

ного двигателя, в котором жидкий карбид урана удерживается на внутренних стенках реактора благодаря вращению пори­ стогоцилиндра и возникающих вследствие этого центробеж­ ных сил. Рабочее тело (например, Н2) проходит через пористые стенки цилиндра и расплавленную массу реактора, нагре­ ваясь до нужной температуры, одновременно предохраняя ци­ линдр от перегрева. Ограничиваясь температурой расплавлен­ ной массы, существенно меньшей ее температуры кипения, можно иметь температуры нагрева рабочего тела порядка 3000—3200°С и удельные тяги на жидком водороде порядка

1000 кг.сек/сек.

Создание жидкофазного реактора представляет более слож­ ную задачу сравнительно с реактором-теплообменником с твер­ дой активной зоной.

Значительно более высокие температуры рабочего тела могут

392