Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

212 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

сечением захвата нейтронов. Замедляющая способность вещества равна произведению микроскопического сечения рассеивания ней­

тронов на величину, пропорциональную потере энергии при одном

акте деления.

Для отражателей применяются такие же материалы, как и для замедлителя, а также тяжелые вещества, имеющие большое сече­ ние рассеивания и малое сечение захвата нейтронов.

Защитный экран, окружающий реактор, служит для следующих целей:

1)замедления быстрых нейтронов, проникающих из активной

зоны реактора через различные щели и неплотности в замедлителе

иотражателе;

2)поглощения медленных нейтронов, вылетающих из внешнего слоя отражателя;

3)ослабления гамма-излучения.

Для эффективного замедления быстрых нейтронов экран дол­ жен содержать элементы с высоким атомным номером. Нейтроны геряют свою энергию вследствие неупругих столкновений с ядрами этих элементов. Более всего для этих целей подходят железо и ба­ рий. Так как процесс неупругого рассеивания сопровождается испу­ сканием гамма-излучения, эти материалы должны быть сосредото­

чены главным образом на внутренней поверхности защиты экрана. От металлов, используемых для изготовления чехлов для ура­

новых блоков, трубопроводов для теплоносителя, трубопроводов и контейнеров для жидкого ядерного горючего и опорных конструк­ ций, требуется механическая прочность. Общие требования к кон­

струкционным материалам состоят в сохранении механической

прочности при их облучении и при воздействии высокой температу­ ры, стойкости против коррозии и малом поглощении нейтронов.

При выборе металла для чехлов урановых блоков дополнитель­ ным требованием является его большая теплопроводность, обеспе­ чивающая малый перепад температур между блоком и теплоноси­ телем. Применение разных металлов здесь недопустимо вследствие возникновения электродвижущей силы,, приводящей к усиленной

электрохимической эрозии.

Нержавеющие стали являются превосходным коррозионностой­ ким материалом. Они пригодны для изготовления труб жидкоме­ таллических систем теплообмена, труб и контейнеров для реакто­ ров на водных и металлических растворах урана. Основа нержаве­ ющей стали—железо и легирующие элементы активируются под действием нейтронов и дают долгоживущие изотопы, испускающие гамма-излучение высокой энергии. Следует иметь в виду, что не­ которые детали системы при нагревании подвергаются не только термическим напряжениям, но и тепловой ползучести.

Скорость ядерной реакции экспоненциально возрастает с тем­

пературой, и при недостаточно надежной работе системы регули­ рования процесс может затухнуть или, наоборот, перейти в разру­

шительный взрыв. Работа системы охлаждения двигателя должна быть четко увязана с системой регулирования температуры про­ цесса реакции, так как изменение величины теплоотвода от реак­ тора будет оказывать влияние на скорость реакции, и если тепло­

выделение будет превышать теплоотвод, то процесс может перейти во взрыв.

Если в реактивном двигателе, использующем химическую энер­ гию топлива, нарушение работы системы охлаждения обычно ведет к прогару камеры, почти не вызывая при этом повышения температуры продуктов реакции в дамере, то в атомном двигателе нарушение системы охлаждения реактора вызовет повышение тем­ пературы в реакторе, сопровождаемое взрывом. Если обычные

ЖРД опасны в эксплуатации в связи с некоторой вероятностью

взрыва их при запуске и работе, то атомные двигатели, отличаю­ щиеся еще большей концентрацией энергии в единице объема, усложненной регулированием процесса, протекающего при относи­ тельно высоких температурах, оказываются несравненно более взрывоопасными.

В осуществленных и проектируемых атомных реакторах регу­ лирование, контроль, сигнализация и аварийная остановка реак­ тора производятся по интенсивности нейтронного потока в реакто­ ре. Для этого используются ионизационные камеры, служащие датчиками интенсивности нейтронного потока. Режимом работы двигателя можно будет управлять путем регулирования доступа рабочего вещества в реактор.

Проблема управления работой двигателя при помощи дозиро­ вания, по-видимому, лучше всего может быть решена при подаче делящегося материала в растворе, подобно тому, как это имеет

место в гомогенных реакторах. Такой раствор можно впрыскивать

вкамеру реактора по ее периметру, чтобы получить в центре каме­ ры концентрацию, достаточную для осуществления ядерной реак­ ции. Другим способом управления реакцией является, как уже отмечено выше, подача в камеру (реактор) твердых стержней из делящегося материала подобно автоматической подаче электродов

вэлектропечь.

Безопасность термоядерного двигателя может быть обеспечена за счет размещения запаса «топлива» вне реактора, благодаря

чему оно не сможет принимать участия в реакции до ввода его в реактор и нагрева до определенной температуры. Запуск ядерно-

го двигателя возможен местным возбуждением частиц, а не атом­ ным взрывом.

Первичным ядерным горючим является изотоп урана-235. Хотя

на-235 составляет всего 0,71%, во многих случаях полезно иметь уран с повышенным содержанием изотопа урана-235, а для мало­ габаритных реакторов — даже почти чистый уран-235. Поэтому для

214 Гл. 5:. Характеристики топлив ЖРД

успешного развития ядерной энергетики необходимо концентриро­ вать (обогащать) уран-235.

Главными источниками добычи урана являются богатые ураном минералы — уранит (урановая смоляная руда) и корнотит (ком­ плексное соединение урана и ванадия). Существует также большое число минералов с незначительным содержанием урана. Не исклю­ чена также возможность применения плутония и искусственного изотопа урана U233.

Уран может применяться в виде чистого металла, а также раствора металлического урана в каком-либо легкоплавком метал­ ле и раствора солей урана в тяжелой воде. Если в качестве ядер-

ного горючего применяется металлический уран, то большое зна­ чение имеет его механическая прочность. Реакторы на металличе­ ском уране должны рассчитываться на максимальную рабочую

температуру урана ниже 660° С (при температуре ниже 660° С уран существует в виде альфа-фазы, имеющей ромбическую кристалли­ ческую решетку с пределом прочности около 28 кг/мм2). При более высокой температуре уран становится мягким и непрочным, а при более низкой температуре прочность его падает из-за радиальных повреждений; урановые блоки и стержни под влиянием облучения нейтронами и осколками деления разбухают и искривляются.

В случае применения урана в виде раствора в другом легко­ плавком металле, например висмуте или свинце, или в виде, раство­ ра солей урана в воде вопрос о механической прочности урана отпадает. Однако в последнем случае радиационное повреждение

горючего заключается в разложении воды на водород и кислород. Если применяется тяжелая вода, нельзя допускать потери этого продукта ввиду его высокой стоимости.

Основная задача при проектировании атомного двигателя для снаряда состоит в максимальном снижении его размеров и веса. Хотя объемная плотность выделения энергии в активной зоне реак­ тора достигает 10—20 тыс. квт[м\ что примерно в 100 раз превы­ шает объемную плотность выделения энергии в обычных тепловых установках, все же окончательное соотношение по объему и весу

При этом создаются те же удельные тяги, что и в тепловом ядер-