У нас в космическом цикле следующей статьей будет вопрос о ядерной энергетике в космосе. Вот мы и займемся ей, родимой... В смысле - совсем ядерной, да...
Итак, ядерный реактор. Что это, мать его, такое? Ребята, ядерный реактор - это тепловая машина. Еще раз для тех, кто не впетрил. Ядерный реактор - это не ядерная машина, это тепловая машина.
Ибо несмотря на весь ядерно-физический геморрой, процесс преобразования энергии проходит, как и на обычных ТЭЦ, через преобразование тепловой энергии...
Итак, ядерный реактор вырабатывает тепло, которое затем преобразуется одним из известных человечеству способов. Это может быть прямое термоэлектрическое преобразование в биметаллических или полупроводниковых термопарах. Но поскольку радиация ни разу не дружит с электронно-дырочной проводимостью, плолупроводниковые термопары с радиоактивными источниками не применяются либо применяются крайне геморройно. Это может быть испарение теплоносителя с последующим прогоном пара через турбину. Наконец, это может быть двигатель внешнего сгорания, он же двигатель Стирлинга.
Мы не будем говорить сейчас о преобразовании, мы поговорим о генерации тепла, то есть - о самом реакторе. Ядерные источники тепла бывают двух типов.
Источник первого типа - это изотопный источник. Тепло выделяется в процессе естественного распада, никак этот процесс не регулируется, и полностью подчиняется законам математики и периоду полураспада. В случае, если распад многоступенчатый, то есть один нестабильный изотоп превращается в другой нестабильный - там возникает взаимная динамика двух реакций, и график может отличаться от обычного.
Источник второго типа - это собственно реактор, то есть устройство, которое регулирует интенсивность реакции посредством достижения и удержания так называемой критичности, то есть состояния с коэффициентом размножения, близким к единице.
Изотопный источник хорош тем, что работает сам по себе, работает до упора, не требует регулировки, не взрывается. Однако он плох тем, что реакцию нельзя остановить, сами изотопы, как начальные, так возможно и конечные, очень радиоактивны. То есть, изотопный источник - это стихийное бедствие, просто маленькое. В силу чего при изготовлении изотопного источника приходится иметь дело с сильноактивными веществами, это опасно и неприятно.
Ядерный реактор хорош тем, что его можно включать и выключать, в известных (очень небольших) пределах регулировать его мощность, и мощность эта может быть - в зависимости от конструкции - очень большой. Однако, поскольку достижение критичности связано с вынужденным характером течения реакции, ядерное топливо выгорает быстро, а после него остаются те самые изотопы, которые стихийное бедствие, и с ними надо что-то делать. Кроме того, поддержание критического состояние реактора возможно только в узком диапазоне условий. После выгорания части топлива достижение критичности становится невозможным, и реактор глохнет, то есть - уже не регулируется и не может выйти на генерацию тепла в штатных параметрах. А изотопы, блин - остаются и стихийно бедствуют... Однако до запуска реактора все материалы обладают низкой активностью, и с ними приятно и безопасно работать.
Изотопные источники хороши для систем с длительным автономным функционированием, желательно - исчезающих с концами в пучине космоса. Реакторы хороши на Земле, где им может быть оказан почет и уход.
Вопрос. Можно ли создать реактор, сочетающий длительный цикл работы, не требующий регулировки, и при том - в процессе изготовления не пытающийся убить персонал высокой радиоактивностью?
Давайте вспомним историю заряда-демона. На входе мы имели субкритический заряд, с низкой естественной активностью. При накрытии бериллиевым отражателем нейтронов заряд перешел в критическое состояние, в нем началась индуцированная реакция. После снятия бериллиевого "колпака" реакция прекратилась. Попробуем преобразовать описание происходившего примерно так. Мы "включили" "реактор", при минимальном выходе тепла получили максимальный поток нейтронов, после чего реактор "выключили". При таком кратковременном "включении" ядро осталось "холодным", то есть в нем не образовалось большого количества сильноактивных короткоживущих изотопов, из которых обычно состоят изотопные источники.
Изотопы, в том числе для изотопных источников, в настоящее время изготавливают в промышленных реакторах облучением мишеней. То есть, в ядерный реактор с высоким нейтронным полем засовывают стабильный изотоп, он там захватывает нейтроны и становится радиоактивным, затем радиоактивный изотоп выделяют и из него изготавливают уже источник тепла. А что если мы объединим эти процессы?
Представим себе, по аналогии с зарядом-демоном, комбинацию. Урановый (плутониевый) подкритический заряд, окруженный мишенью для изготовления топливных изотопов. Если эту байду "накрыть крышкой", то есть окружить отражателем нейтронов, урановое ядро перейдет в надкритическое состояние и начнет генерировать нейтронный поток, который приведет к образованию радиоактивных изотопов в мишени. Мишень начнет излучать тепло, как нормальный изотопный источник. После того, как мы уберем отражатель нейтронов, ядро выйдет из надкритического состояния, интенсивность нейтронного поля упадет, индуцированный распад урана прекратится. А наработавшиеся в мишени изотопы будут, как им и положено, распадаться с выделением тепла.
Фактически мы используем урановое (плутониевое) ядро в качестве "зажигалки", которая будет инициировать изотопный источник. После инициации изотопный источник будет давать тепло длительное время, но уран в ядре при этом выгорать не будет.
Обычные реакторы на одной зарядке могут работать годы. Возможно - десятки лет. Но десятки лет - этого, например для энергопитания исследовательского зонда, работающего в поясе Копейра, очень мало. Причина - в том, что критичность активной зоны очень здорово меняется при выгорании урана. Изотопные же источники - они работают долго-долго, хоть и мало энергии дают. И их способность выделять тепло не зависит от глубины выработки. То есть, если там остался хоть один атом нестабильного изотопа, и он распадается - капелька тепла обязательно будет.
Приведенная схема изотопного источника с принудительной ядерной "подзарядкой" интересна тем, что объединяет плюсы в условиях, когда минусы некритичны. На этапе монтажа и запуска с Земли такой источник низкоактивен, удобен в работе. После начала инициации он набирает изотопный заряд, и затем расходует его долго. А "зажигалка" в "выключенном" состоянии, как состоящая из долгоживущего урана, не вырабатывается, и способна повторять процесс зажигания раз за разом.
Поскольку достижение надкритического состояния в ядре-"зажигалке" у нас не связано с непременной необходимостью взрыва, параметры, допустимые по эксплуатационным условиям, у нас сохраняются значительное время. Если ядерная боеголовка "перележала", при подрыве в ней возникнет ядерная реакция, однако интенсивность процессов будет недостаточной для качественного ядерного взрыва. Нам же не нужен ядерный взрыв. Нам просто нужно, чтобы процессы распада интенсифицировались, а будет нейтронов на десять процентов меньше или больше - не важно. Более того, тот факт, что в надкритическом состоянии свободный заряд не взрывается вообще, а скорее плавится, кипит и так далее - говорит о широком диапазоне условий, в котором возможно начало ядерной реакции без разрушения ядра, и следовательно об очень долгом сроке службы такового ядра в качестве "зажигалки".
Кстати, возможно, что "зажигалка" может быть изготовлена значительно меньшим количеством урана или плутония, нежели заряд для бомбы - мы же используем нейтронный отражатель, у нас критичность достигается не массой...
Использование ядра-"зажигалки" позволит создавать "включаемые", более того - подзаряжаемые изотопные источники для длительного применения. Более того - возможно, что они будут перезаправляемы путем замены изотопной мишени-рубашки.
В общем, примерно так.
УПД. Кстати, таблетка-заэигалка может быть разнесена с мишенью, и не подвергаться нагреву.
Journal information