В ядерных установках тепловая энергия деления преобразуется в электрическую в основном с помощью турбин, паровых или газовых, и генераторов электрического тока. Прямое преобразование тепловой энергии деления осуществляется тремя основными способами: термоэлектрическим, термоэмиссионным и магнитогидродинамическим.
РЕАКТОРЫ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
Принцип термоэлектрического способа преобразования тепловой энергии в электрическую основан на явлении, названном по имени немецкого ученого Зеебека (1821 г.). Суть явления заключается в том, что в термоэлементе, представляющем собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из разнородных материалов, возникает ЭДС, если точки контактов имеют разные температуры.
Термоэлектродвижущая сила, В, определяется разностью температур горячего и холодного контактов и свойствами материалов, составляющих термоэлемент, и равна Е=а(Тi—Г2), где а — удельная термоэлектродвижущая сила пары, В/К; Тi и Тг — температуры горячего и холодного контактов соответственно.
Термоэлементы могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми. Металлические термоэлементы нашли широкое применение для измерения температур, но они непригодны в качестве генераторов из-за высокой теплопроводности материалов цепи и связанных с этим больших потерь тепла, что не позволяет достичь высоких величин КПД (КПД металлических термоэлементов не превосходят десятых долей процента).
Прогрессивные методы изготовления полупроводников, а возникающие в них термоэлектродвижущие силы в сотни раз выше, чем в металлах и сплавах, позволили реально поставить вопрос о создании экономически выгодных генераторов. КПД термоэлементов из различных полупроводников сравним с КПД тепловых машин.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую удобно использовать цепь батарей из последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых термоэлементов. Они нашли и находят применение в ядерных энергетических установках, предназначенных для питания многочисленных приборов метеорологических станций, космических установок, навигационных служб.
Термобатареи могут быть размещены непосредственно в активной зоне ядерного реактора или вынесены за ее пределы, где горячие спаи нагреваются теплоносителем реактора. На рис. 9.1 и 9.2 показан общий вид активной зоны и термоэлектрического преобразователя ядерной установки «Ромашка» (СССР), в которой реактор и преобразователь скомпонованы в одном агрегате, и конструкция термоэлектрического реактора-преобразователя.
Реактор имеет следующие характеристики:
Электрическая мощность, Вт............................................................................................. 800
Общая загрузка 235U, кг............................................................................. 49
Плотность нейтронного потока в центре, нейтр/(м2*с) ...... 10+17
Рабочая температура, °С:
топлива.................................................................................................................... 1900
на наружной поверхности бериллиевого отражателя........................................... 980
у основания излучающих ребер............................................................................. 550
Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора при делении 235U, путем теплопроводности передается в радиальном направлении на отражатель и далее с боковой поверхности отражателя на коаксиально расположенный, примыкающий
Рис. 9.2. Термоэлектрический преобразователь реактора «Ромашка»:
Рис. 9.1. Реактор-преобразователь «Ромашка»:
а — общий вид активной зоны; б — общий вид термоэлектрического преобразователя
- — регулирующий стержень; 2 — отражатель; 3 — UC2 диски в графите; 4 — Si—Ge-модуль; 5 — медные ребра для отвода тепла
к отражателю полупроводниковый преобразователь. Реактор цилиндрической формы состоит из активной зоны и отражателя (радиального и торцевых).
Активная зона реактора по высоте набирается из тепловыделяющих элементов, каждый из которых выполнен из графитового корпуса и топливных пластин из дикарбида урана с обогащением 90% по 235U.
Радиальный отражатель реактора собран из коаксиально расположенных элементов из бериллия и графита. Торцевые отражатели изготовлены также из металлического бериллия. Для уменьшения утечки тепла через торцы реактора применяется теплоизоляция.
Рис. 9.3. Схема установки SNAP-10A:
1 — реактор; 2 — насос; 3 — поток теплоносителя; 4 — термоэлектрический преобразователь
В качестве термоэлектрического преобразователя в установке используется преобразователь на основе кремний-германиевого сплава. Термоэлементы представляют собой пару термостолбиков с n- и /7-проводимостью, соединенных по горячей стороне коммутационной пластинкой.
По холодной стороне отдельные пары термостолбиков коммутируются между собой в единую цепь. В целом термоэлектрический преобразователь установки разбит на четыре группы термоэлементов, каждая из которых имеет независимые силовые выводы. Внутри каждой из четырех
групп преобразователя термоэлементы коммутируются последовательно в четыре параллельные цепи. Сброс тепла с холодной стороны термобатареи осуществляется медным ребристым излучателем.
На рис. 9.3 приведена схема установки SNAP-10A (США). Активная зона реактора состоит из 37 стержневых твэлов диаметром 31,8 и длиной 330 мм с топливом из сплава U2rH* с 10% 235U. Оболочка твэла с толщиной стенки 0,35 мм изготовлена из хастелоя-N. Основные характеристики установки следующие:
Электрическая мощность, Вт........................................................................... 540
Общая загрузка 235U, кг............................................................................................ 4,3
Плотность нейтронного потока в центре, иейтр/(м2*с) .... 1,7* 10+15
Рабочее напряжение, В...................................................................................... 28,5
Ток, А................................................................................................................. 19
Рабочая температура, °С:
топлива.................................................................................................. 585
теплоносителя на выходе................................................................................... 545
горячей стороны термоэлементов.............................................................. 500
холодной стороны термоэлементов........................................................... 315
В отличие от установки. «Ромашка» термоэлектрический преобразователь SNAP-10A вынесен за пределы активной зоны реактора, и разогрев его горячей стороны осуществляется Na—К-теплоносителем. Термоэлементы состоят из полупроводников на основе кремний-германиевых сплавов. Общее количество термоэлементов в преобразователе 1440.
Другим примером высокотемпературного реактора-преобразователя является установка SNAP-8. Реактор содержит 211 твэлов из UZrHx с обогащением 10% 235U (содержание водорода 36* 1022 атом/см3). Полная загрузка по 235U достигает 6,56 кг. Тепловая мощность реактора составляет 600 кВт. В качестве термоэлектрического материала в установке SNAP-8 используется РЬТе вместо GeSi, что вызвано более высокой добротностью этого материала и его более высоким КПД, несмотря на почти вдвое меньшую рабочую температуру (566 °С для РЬТе, 957 °С для GeSi).
В США разрабатывается реактор-преобразователь для электропитания глубоководной аппаратуры. Мощность реактора составит 2500 кВт (т.). В качестве топлива предполагается использовать низкообогащенное ядерное топливо. В активной зоне — труба высотой 711,2 мм — находится 12 топливных блоков квадратного сечения, в каждом из которых расположено 104 твэла. Обогащение ядерного топлива UO2 достигает 8,7% 235U, общая загрузка 235U 73 кг. Для управления реактором предусмотрено четыре стержня из карбида бора. Замедлителем, отражателем и теплоносителем служит обыкновенная вода.
Термобатарея состоит из трех групп, разделенных на семь блоков. Каждый блок в свою очередь состоит из 34 комплектов параллельно соединенных пяти пар термоэлементов. Блоки и группы соединены последовательно. Термоэлементы я-типа состоят из теллурида висмута на холодном конце и сплава РЬТе — SnTc на горячем конце. Термоэлементы p-типа состоят из сплава В12Тез—Sb2Te3 на холодном конце. Полезная мощность установки составляет 10 кВт, общий КПД реактора-преобразователя 5%.
Широкое распространение получили изотопные термоэлектрические преобразователи, работающие на энергии, излучаемой радиоактивными изотопами; такие преобразователи позволяют создавать надежные, компактные, не требующие обслуживания электрические установки с полезной мощностью 2—60 Вт. Установки находят применение на автоматических метеорологических и навигационных станциях, расположенных в малонаселенных местностях, а также в космических устройствах в качестве вспомогательных источников энергии.
Таблица 9.1. Некоторые характеристики изотопов
В табл. 9.1 приведены характеристики некоторых наиболее широко используемых изотопов, получаемых очисткой продуктов деления или облучением подходящих материалов. Большинство из них сильные бета- и у-излучатели, и установки с их использованием требуют с пециальной защиты. Некоторые изотопы являются а-излучателями и не требуют мощного экранирования, что позволяет резко снижать массу установки.
При использовании изотопов с малым периодом полураспада необходимо учитывать уменьшение тепловой отдачи с течением времени. Генераторы на изотопах с большим периодом полураспада (238Ри) позволяют получать практически постоянную мощность на протяжении 10 лет.
В СССР два первых изотопных ТЭГ созданы с использованием 210Ро и 144Се.
Рис. 9.4. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-1»:
1 — механизм регулирования; 2 — свинцовая пробка; 3 — биологическая защита; 4 — система сброса тепла; 5 — тепловая изоляция; 6 — изотопный блок; 7 — тепловой блок; 8 — термобатарея
Плоская ампула с 210Ро размещена между горячими концами двух термобатарей. Материалом полупроводников служит GeSi, что обусловлено хорошими прочностными, механическими и радиационными свойствами этого материала.
Тепловая мощность ампулы составляла 200 Вт. КПД всей установки 3—3,3%.
В ТЭГ с изотопом 144Се термоэлементы изготовлены из сплавов Bi2Te3 —
Sb2Te3 (/?-тип) и Bi2Te3 — Bi2Se3 (n-тип).
Установка применялась для питания автоматической метеорологической станции, за время работы выработано 25 кВт-ч.
В установке «Бета-1» источником тепла служит 144Се. Тепло отводится внешним оребрением. Тепловыделяющая мощность составляет 257 Вт. Поверхность ребер излучения 6,5 м2 (рис. 9.4.).
В США по программе SNAP была создана серия изотопных термоэлектрических генераторов. В качестве топлива использовали 144Се, 90Sr, 238Pu. Выбор материала корпуса определялся назначением установки: в установках, предназначенных для работы под водой, используются медно-бериллиевые сплавы, генератор SNAP-7C для питания метеостанций заключен в оболочку из хастелоя-С.
В радиоизотопном обогревательном аппарате для водолазных костюмов, разработанном в США, используются изотопы 170Ти и 171Ти, помещенные в защитный пакет и вырабатывающие мощность 400 Вт (тепл.). Тепло используется для подогрева воды до 43 °С, а также для работы термобатареи мощностью 5 Вт (эл.).
Устройство изотопных блоков должно удовлетворять следующим требованиям: 1) герметичность изотопного блока в условиях эксплуатации и при возможных авариях, что обеспечивается соответствующей конструкцией и выбором материала оболочки; 2) минимальные размеры изотопного блока при обеспечении заданной тепловой мощности; 3) в случаях использования короткоживущих изотопов необходимо наличие регулировки тепловой и электрической мощности.
