Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Газдық ядролық реактор (немесе газбен жұмыс істейтін реактор немесе бумен жұмыс істейтін реактор) – ядролық отын сұйық немесе қатты емес, газ тәрізді болатын ядролық реактордың ұсынылған түрі. Осы типтегі реакторда температураны шектейтін жалғыз материал – реактор қабырғалары ғана болады. Қалыпты реакторлардың шектеулері қатаң, себебі отын температурасы тым жоғарыласа, реактор ядросы еріп кетуі мүмкін. Газ күйіндегі бөліну отынын магниттік, электростатикалық немесе электродинамикалық күштер арқылы реактор қабырғаларына тимеуіне (және ерімеуіне) қол жеткізу де мүмкін. Газдық реактор ядросының концепциясының потенциалды артықшылығы – дәстүрлі Ранкин немесе Брейтон айналым циклдеріне тәуелді болмай, электр энергиясын магнитогидродинамикалық жолмен немесе зарядталған бөлшектердің тікелей электростатикалық түрлендіруі арқылы алуға болады.
A gas nuclear reactor (or gas fueled reactor or vapor core reactor) is a proposed kind of nuclear reactor in which the nuclear fuel would be in a gaseous state rather than liquid or solid. In this type of reactor, the only temperature limiting materials would be the reactor walls. Conventional reactors have stricter limitations because the core would melt if the fuel temperature were to rise too high. It may also be possible to confine gaseous fission fuel magnetically, electrostatically or electrodynamically so that it would not touch (and melt) the reactor walls. A potential benefit of the gaseous reactor core concept is that instead of relying on the traditional Rankine or Brayton conversion cycles, it may be possible to extract electricity magnetohydrodynamically, or with simple direct electrostatic conversion of the charged particles.
Жұмыс істеу теориясы
Бу ядролық реакторы (ВЯР), сондай-ақ газ ядролық реакторы (ГЯР) деп аталады, біраз уақыттан бері зерттеледі. Оның құрамында уран тетрафторидінен (UF4) тұратын газ немесе бу ядросы болады, ал электр өткізгіштігін арттыру үшін аздап гелий (4He) қосылады, сондай-ақ бу ядросында UF4-тің ұсақ тамшылары болуы мүмкін. Оның жерде де, ғарышта да қолданылуы мүмкін. Ғарыштық тұжырымдама дәстүрлі мағынада экономикалық тиімді болуы міндетті емес болғандықтан, ол жердегі жүйеге қабылданатын деңгейден асып түсуге мүмкіндік береді. Бұл жердегі нұсқада UF4 пен гелийдің қатынасын тікелей түрлендірудің тиімділігін арттыру үшін, сындық деңгейді қамтамасыз ету үшін ғана жеткілікті деңгейде ұстауға болады. Жердегі нұсқасының бу ядросына кіретін температурасы шамамен 1500 К, шығатын температурасы 2500 К және UF4 пен гелийдің арақатынасы шамамен 20%-дан 60%-ға дейін болуы жоспарланған. Шығатын температураны 8000 К-ден 15000 К-ға дейін көтеруге болады, онда шығарылатын газ бөліну нәтижесінде пайда болған тепе-теңдіксіз электрондық газ болады, бұл ракета құрылымы үшін әлдеқайда маңыздырақ. ВЯР-дың жердегі ағын схемасын 2-қосымшада және екінші сыртқы сілтемедегі классикалық емес ядролық жүйелер туралы жиынтықта табуға болады. Ғарыштық тұжырымдама MHD каналының соңында тоқтатылады.
The vapor core reactor (VCR), also called a gas core reactor (GCR), has been studied for some time. It would have a gas or vapor core composed of uranium tetrafluoride (UF4) with some helium (4He) added to increase the electrical conductivity, the vapor core may also have tiny UF4 droplets in it. It has both terrestrial and space based applications. Since the space concept doesn't necessarily have to be economical in the traditional sense, it allows the enrichment to exceed what would be acceptable for a terrestrial system. It also allows for a higher ratio of UF4 to helium, which in the terrestrial version would be kept just high enough to ensure criticality in order to increase the efficiency of direct conversion. The terrestrial version is designed for a vapor core inlet temperature of about 1,500 K and exit temperature of 2,500 K and a UF4 to helium ratio of around 20% to 60%. It is thought that the outlet temperature could be raised to that of the 8,000 K to 15,000 K range where the exhaust would be a fission generated non equilibrium electron gas, which would be of much more importance for a rocket design. A terrestrial version of the VCR's flow schematic can be found in reference 2 and in the summary of non classical nuclear systems in the second external link. The space based concept would be cut off at the end of the MHD channel.
He-4 қосылуының негіздемесі
4Ол конструкцияның энергияны жинау және басқару мүмкіндігін арттыру үшін қолданылуы мүмкін. Ангей және авторлардың бірнеше сөйлемдері осы мәселені түсіндіреді:
4He may be used in increase the ability of the design to extract energy and be controlled. A few sentences from Anghaie et al. sheds light on the reasoning:
"MHD арнасындағы қуат тығыздығы электр өткізгіштігінің, жылдамдықтың квадратына және магнит өрісінің квадратына – σv²B² – пропорционалды. Сондықтан, энтальпияны алу MHD кіріс және шығыс сұйықтарының жағдайларына өте сезімтал. Бу ядролық реакторы, жеткілікті жылулық тепе-теңдік өткізгіштігі мен арна жылдамдықтарын қамтамасыз ететін, көптеген сұйықтардан артық қызған сұйықтық береді. v² × B² көбейтіндісін ескерсек, жылулық қасиеттерде жеңіл жұмыс сұйықтығы басым болуы керек және UF4 үлесі аз болуы тиіс. Қосымша электр өткізгіштігін арттыру үшін, сәйкес тұқымдық материалдардың термиялық иондануы, сондай-ақ бөліну фрагменттері мен бөліну процесінде пайда болатын басқа иондаушы сәулелердің әсерінен тепе-теңдіксіз иондану қажет болуы мүмкін."
"The power density in the MHD duct is proportional to the product of electrical conductivity, velocity squared and magnetic field squared σv²B². Therefore, the enthalpy extraction is very sensitive to the MHD input output fluid conditions. The vapor core reactor provides a hotter than most fluid with potential for adequate thermal equilibrium conductivity and duct velocities. Considering the product v² × B², it is apparent that a light working fluid should dominate the thermal properties and the UF4 fraction should be small. Additional electrical conductivity enhancement might be needed from thermal ionization of suitable seed materials, and from non equilibrium ionization by fission fragments and other ionizing radiation produced by the fissioning process."
Ғарыш кемесі
Газды бөліну реакторының ғарыш кемесі нұсқасы газ ядролық реакторлық зымыраны деп аталады. Екі тәсіл бар: ашық және жабық цикл. Ашық циклда, қозғалтқыш, көбінесе сутек, реакторға жіберіледі, реактордағы ядролық реакция арқылы қыздырылады және екінші жағынан шығады. Өкінішке орай, қозғалтқыш отынмен және бөліну өнімдерімен ластанады, және проблема реактордағы гидродинамиканы инженерлік тұрғысынан реттеу арқылы азайтылса да, бұл зымыраның конструкциясын атмосферада пайдалануға толыққанды жарамсыз етеді. Токамақтағы синтез отынына ұқсас әдіспен, бөліну отынын магниттік өріспен шектеуге тырысуға болады. Алайда, бұл құрылым отынды ұстап тұру үшін тиімді болмайды, себебі иондану мен бөлшектің импульсі арақатынасы қолайлы емес. Токамак әдетте екі немесе үш дальтондық массасы бар бір рет иондалған дейтерий немесе тритийді ұстай алады, ал уран буы 235 дальтондық массасы бар үш рет иондалған болады. Магниттік өріс бөлшектің зарядына пропорционалды күш береді, ал үдеу күші бөлшектің массасына бөлінген күшке пропорционалды болғандықтан, уран газын ұстау үшін қажетті магниттердің көлемі өте үлкен болар еді; осындай жобалардың көпшілігі отынды реакторда ұстап тұруға қатысты емес отын циклдарына бағытталған. Жабық циклда реакция қозғалтқыштан толығымен қорғалған. Реакция кварц ыдыста өтеді, ал қозғалтқыш сыртқа ағып, жанама түрде қыздырылады. Жабық цикл қозғалтқыштың ластануына жол бермейді, өйткені қозғалтқыш реактордың ішіне енбейді, бірақ бұл шешім зымыраның Isp көрсеткішіне елеулі зиян келтіреді.
The spacecraft variant of the gaseous fission reactor is called the gas core reactor rocket. There are two approaches: the open and closed cycle. In the open cycle, the propellant, most likely hydrogen, is fed to the reactor, heated up by the nuclear reaction in the reactor, and exits out the other end. Unfortunately, the propellant will be contaminated by fuel and fission products, and although the problem can be mitigated by engineering the hydrodynamics within the reactor, it renders the rocket design completely unsuitable for use in atmosphere. One might attempt to circumvent the problem by confining the fission fuel magnetically, in a manner similar to the fusion fuel in a tokamak. Unfortunately it is not likely that this arrangement will actually work to contain the fuel, since the ratio of ionization to particle momentum is not favourable. Whereas a tokamak would generally work to contain singly ionized deuterium or tritium with a mass of two or three daltons, the uranium vapour would be at most triply ionized with a mass of 235 dalton (unit). Since the force imparted by a magnetic field is proportional to the charge on the particle, and the acceleration is proportional to the force divided by the mass of the particle, the magnets required to contain uranium gas would be impractically large; most such designs have focused on fuel cycles that do not depend upon retaining the fuel in the reactor. In the closed cycle, the reaction is entirely shielded from the propellant. The reaction is contained in a quartz vessel and the propellant merely flows outside of it, being heated in an indirect fashion. The closed cycle avoids contamination because the propellant can't enter the reactor itself, but the solution carries a significant penalty to the rocket's Isp.
Энергия өндіру
Энергия өндіру үшін соленоидтің ішінде орналасқан контейнерді қолдануға болады. Контейнер газ тәрізді уран гексафторидімен толтырылады, онда уран сынақтық деңгейге жуық, бірақ одан сәл төмен деңгейге дейін байытылады. Содан кейін уран гексафториді сыртқы әдістермен қысылады, осылайша ядролық тізбектік реакция басталып, көп мөлшерде жылу пайда болады, бұл өз кезегінде уран гексафторидінің кеңеюіне әкеледі. UF6 контейнердің ішінде болғандықтан, ол сыртқа шыға алмайды және басқа жерде қысымға ұшырайды. Нәтижесінде контейнерде плазма толқыны қозғалады, ал соленоид энергиясының шамамен 20% тиімділікпен электр энергиясына айналады. Бұған қоса, контейнерді салқындату қажет, және салқындатқыш арқылы жылу алмастырғыш пен турбина жүйесінен өткезу арқылы энергияны алуға болады, бұл әдеттегі жылу электр стансасындағыдай. Дегенмен, уран гексафторидінің химиялық өте реактивтілігіне байланысты осы жүйеде коррозиямен байланысты зор мәселелер туындайды.
For energy production purposes, one might use a container located inside a solenoid. The container is filled with gaseous uranium hexafluoride, where the uranium is enriched, to a level just short of criticality. Afterward, the uranium hexafluoride is compressed by external means, thus initiating a nuclear chain reaction and a great amount of heat, which in turn causes an expansion of the uranium hexafluoride. Since the UF6 is contained within the vessel, it can't escape and thus compresses elsewhere. The result is a plasma wave moving in the container, and the solenoid converts some of its energy into electricity at an efficiency level of about 20%. In addition, the container must be cooled, and one can extract energy from the coolant by passing it through a heat exchanger and turbine system as in an ordinary thermal power plant. However, there are enormous problems with corrosion during this arrangement, as the uranium hexafluoride is chemically very reactive.