Ядерно-взрывная электростанция
Первые предложения по использованию атомных взрывов в мирных целях появились в печати еще в начале 50-х годов. И сейчас уже накопилась масса подобных проектов. Однако среди них не так-то уж много относящихся к энергетике, да и те, что есть, отнюдь не лишены серьезных недостатков. Увлекаясь столь перспективной и актуальной проблемой многие годы, автор этой статьи разработал ряд технических устройств, аккумулирующих энергию атомных взрывов. Об одном из них — ядерно-взрывной электростанции (ЯВЭ) мы и расскажем подробно.
Представьте себе огромные шары, вложенные один в другой. Они замурованы в гигантском бетонном блоке, зарытом в землю. В центральном шаре — камере взрывается ядерный заряд. Возникающие излучения, налагаясь на пластины теплоаккумулятора, преобразуются в тепло. Оно через расположенный в среднем шаре газовый теплорегулятор нагревает воду, налитую в крайний шар — рабочую камеру, и пар выводится на поверхность — к пароэлектрогенераторам (с м. рис. на стр. 36). Такова принципиальная схема получения электроэнергии. А теперь остановимся на конструктивных особенностях основных и вспомогательных узлов ЯВЭ.
Ядерно-взрывная камера должна многократно выдерживать натиск послевзрывных излучений, не разрушаясь, превратить их энергию в тепло и временно сохранить его. (Сразу оговоримся: мы не рассматриваем влияние ударных волн на стенки камеры, ибо в ней насосом поддерживается «вакуум», а вернее, давление на 2—3 порядка ниже атмосферного. В противном случае всю конструкцию пришлось бы рассчитывать на импульсные нагрузки до нескольких тысяч атмосфер). Чтобы представить трудность решения этой задачи, достаточно привести хотя бы такой пример. При взрыве ядерного заряда мощностью 100 кт тринитротолуола суммарная энергия излучений, приходящаяся на площадь 1 см2 на расстоянии 100 м, равна примерно 105 кал, то есть удельная энергетическая нагрузка Р составляет 105 кал/см2. Ясно, что, если не принять мер, ни один материал не выдержит подобную нагрузку без интенсивного испарения или каких-либо других разрушений. Их можно свести к минимуму только тогда, когда Р не превысит 500 кал/см2. А для этого нужно либо увеличить радиус камеры, либо развернуть ее внутреннюю поверхность. Первый путь совершенно неприемлем — камера получилась бы настолько большой, что ее просто невозможно было бы построить. Так, при мощности заря-«да W=100 кт она будет полуторакилометрового радиуса! Остается второй путь, но в этом случае коэффициент развернутости Кг должен быть не меньше 200.
Если внутреннюю поверхность камеры выложить, скажем, клиньями, излучения придутся на площадь в
21/а — раз большую, то есть Кр = 21/а
(1 — высота клиньев, а — их ширина у основания).
Сферическую полость можно устлать и другими элементами (пирамидками, конструкциями типа пчелиных сотов, гофрированными пластинками, поставленными на ребро, и т. п.). Но все они обязаны обеспечивать: максимальные значения Кр , равномерное облучение развернутой поверхности, необходимую прочность стенок камеры. Кроме того, сам материал эле-ментов должен обладать высокими теплопроводностью и теплоемкостью и быть устойчивым к разрушению.
Учтя эти требования, нетрудно определить радиус камеры по формyлe:
R = \/ 4^К7′
Где Q -суммарная энергия, приходящаяся на ее внутреннюю поверхность. Приведем для наглядности пример. Предположим, что мощность заряда 100 кт.
Примем следующие параметры: Q — 10м кал, Р « 500 кал/см2, К г = 200, тогда R «* 90 м, то есть сравнительно небольшая величина.
Клинья одновременно играют роль преобразователя ядерных излучений в тепло, а также теплового аккумулятора. Действительно, излучениям (световым, тепловым, нейтронным, гамма и т. д.) не остается ничего иного, как нагревать материал клиньев. Причем их общая масса должна быть не меньше определенного предела, который подсчитывается по формуле
М = ? дт, где Cv —теплоемкость материала клиньев, ДТ — приращение их температуры.
Если клинья изготовлены из железа и после каждого взрыва их температура повышается с 500° С до 1000° С, М составит 1,82 млн. т.
Еще одна деталь: из-за большой высоты клиньев (чтобы достигнуть максимального Кг ) даже при высоком коэффициенте теплопроводности их материала они будут передавать свое тепло в следующую камеру чрезвычайно медленно. Таким образом, увеличение Кг одновременно
означает уменьшение торцевой теплоотдачи при прочих равных условиях.
Камера газового теплорегулятора предназначена для подачи потока тепла в рабочую камеру в заданном режиме. Ее работа основана на том, что при снижении давления находящегося в ней инертного газа теплопередача уменьшается и наоборот. Внизу она соединена каналом с емкостью.
Фактически уже эта система полуавтоматическая: с повышением температуры газа увеличивается его давление, и он переходит в емкость, а при снижении температуры газ из емкости поступает в камеру, тем самым осуществляя самопроизвольную авторегуляцию. Однако такой режим может не удовлетворять идеальную программу регуляции. Вот почему между емкостью и камерой введен регулятор давления.
Рабочая камера, по сути дела, паровой котел. В нижнюю часть котла подается вода или пароводоконденсат, которые превращаются в пар под давлением 500 атмосфер и с температурой более 500° С. Дальнейший его путь такой же, как и в любой другой современной тепловой электростанции.
По верхним каналам он поступает на поверхность, сначала в парорегулирующие устройства, а оттуда в пароэлектрогенераторы, которые могут быть расположены по кругу в количестве 10—12 шт. Отработанный пар (вода или пароводоконденсат) возвращается снова в котел.
Все эти камеры держатся друг на друге с помощью прочных железобетонных стоек.
Смена ядерных зарядов для повторных взрывов происходит следующим образом. Верхняя часть центрального шара сделана в виде самостоятельного сектора, который на тросе через блок-балансир подвешен к лебедке. Сектор поднимается по шлюзу вверх, к его муфте присоединяется кабель с зарядом на конце. Затем сектор опускается (заряд оказывается в центре камеры), и по кабелю подается сигнал к очередному взрыву.
Если за сутки взрывать по 12 термоядерных бомб с W = 100 кт, то мощность электростанции будет в пределах 12—15 млн. кВт (с учетом КПД современных теплообразующих устройств).
Однако представляется целесообразным использовать ЯВЭ и для выполнения дополнительных работ. Так, ничто не мешает одновременно наладить производство алюминия или других металлов и соединений, нужных народному хозяйству. Для этого достаточно обмазать, скажем, глиноземом поверхность бомбы. После взрыва оболочка испарится и перейдет в состояние, очень удобное для ‘переработки, ибо будут полностью нарушены устойчивые молекулярные связи вещества. Расчеты показывают, что испарившиеся продукты не только не нарушат целостность корпуса, но и резко уменьшат коррозию клиньев теплового аккумулятора. Образовавшиеся частицы через нижний канал откачиваются насосом в элементосортирующую установку. Ее мощность (лри выбранных нами условиях) составит не меньше 450 млн. т в год.
ЯВЭ — не слишком безумная фантазия. Об этом свидетельствует хотя бы недавняя публикация в американском журнале «Бизнес уик». Сотрудники лосаламосской лаборатории разработали проект электростанции мощностью 2 млн. кВт, которая должна действовать на энергии, выделяющейся при подземных ядерных взрывах (рис. на стр. 37). Взрывы бомб по 50 кт предполагается производить дважды в сутки в сферической полости, заполненной водяным паром. Раскаленный пар поступает по трубам на поверхность, в теплообменник или же прямо в паровые турбины. Затем он возвращается обратно в подземную полость.
Американцы также надеются использовать взрывы для дополнительных работ. В полость можно вводить торий, который при бомбардировке нейтронами превращается в горючее для обычных атомных электростанций. Это горючее будет улавливаться из пара особыми фильтрами.
Специалисты подчеркивают: поскольку система полностью замкнута, то при нормальных условиях эксплуатации исключается вероятность радиоактивного заражения местности. Саму взрывную камеру предполагается разместить в Техасе или Луизиане под естественным пластом соли, который исключает возможность утечек.
ДЖУМА ХАМРАЕВ, кандидат геолого-минералогических наук (Т а ш к е н т)
Взято из ТМ 1997г №3
