Мы уже говорили о возможности применения ядерной энергии для силовых установок ракет. Теперь мы рассмотрим вопрос о применении этого вида энергии для энергетических установок, т. е. установок, вырабатывающих электрическую энергию на борту космического корабля.
В настоящее время для этой цели применяются некоторые радиоактивные вещества, распад которых сопровождается выделением энергии. Практический интерес представляют три так называемых радиоизотопа: плутоний-238, полоний-210 и прометей-147. Эти элементы без какого-либо на них внешнего воздействия непрерывно выделяют энергию.
Как долго радиоактивное вещество может выделять энергию? Для оценки длительности радиоактивного распада введено понятие «период полураспада». Период полураспада - это время, в течение которого распадается половина массы взятого радиоактивного вещества. Для плутония-238 период полураспада составляет 86,5 лет. Период полураспада полония-210 значительно меньше, всего лишь 138 суток, а период полураспада прометея-147 соответствует 2,7 годам. Таким образом, для космических кораблей с относительно небольшим сроком полета наиболее подходящим может оказаться полоний-210. Прометей-147 и плутоний-238 могут быть использованы как источники энергии в кораблях с более длительными сроками нахождения в космическом пространстве.
Следует иметь в виду, что, выделяя энергию в процессе радиоактивного распада, радиоактивные вещества одновременно излучают поток частиц, оказывающих вредное действие на организм человека, При распаде полония-210 и плутония-238 излучение состоит из а-частиц (ядер атомов гелия), а при распаде прометея-147 - из в-частиц (электронов). Если на борту космического корабля имеется энергетическая установка, работающая на радиоизотопах, то в нем должна быть предусмотрена соответствующая защита экипажа от действия радиоактивного излучения. Защиту можно выполнить в виде экрана из веществ, содержащих большой процент углеродных атомов, или из чистого углерода.
Каким же образом энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде вещества, превращается в электрическую энергию? В процессе радиоактивного распада происходит разогревание, т. е. выделяется энергия. Как можно превратить эту энергию в электрическую, минуя промежуточные процессы, мы уже видели на примере солнечных батарей.
В радиоизотопных установках для превращения энергии, выделяющейся при разложении радиоактивного вещества, используется иной принцип. Внутри блока, состоящего из набора металлических пластин, изолированных друг от друга электроизолирующим материалом, помещают радиоактивное вещество. Блок монтируется вне отсеков космического корабля, т. е. на его наружной поверхности, и, таким образом, находится в космическом пространстве. С помощью специального экрана вокруг блока создают тень, так что при любом положении корабля в пространстве он никогда не освещается Солнцем, и поэтому солнечные лучи его не могут нагревать. Концы металлических пластин, находящиеся внутри блока и соприкасающиеся с радиоактивным веществом, нагреваются за счет энергии, выделяющейся при его разложении. Наружные концы пластин, находящиеся в космическом пространстве, в тени охлаждаются. Таким образом создается и постоянно поддерживается разность температур между внутренними и внешними концами пластин блока, что в свою очередь приводит к созданию разности потенциалов на них. Все пластины блока соединяются в единую электрическую цепь, по которой протекает суммарный ток, образующийся на всех пластинах.
Существующие радиоизотопные установки, применяемые в космических объектах, имеют очень небольшой коэффициент полезного действия. Только 5% всей энергии, выделяющейся в процессе радиоактивного распада вещества, в такой установке превращается в электрическую энергию. В этом один из недостатков радиоизотопных энергетических установок. Второй недостаток - неуправляемость реакции распада радиоизотопа. Независимо от того, потребляется ли электрическая энергия в данный момент или нет, радиоизотопное вещество непрерывно подвергается разложению. Скорость разложения невозможно ни ослабить, ни усилить. Следовательно, экипаж космического корабля не сможет в случае необходимости получить от радиоизотопной энергетической установки большее количество энергии, как и уменьшить количество энергии, вырабатываемое ею.
Мощность радиоизотопной установки, имеющей вес, приемлемый для космического корабля, может быть 25 - 100 вт. Такие маломощные энергетические установки пригодны только для необитаемых космических аппаратов - небольших искусственных спутников Земли.
Для обитаемых космических кораблей, особенно со сложной программой полета, требуется источник электрической энергии мощностью в несколько киловатт. Для создания мощных энергетических установок, в которых внутриядерная энергия превращается в электрическую, больше подходят не радиоизотопы, а ядерное горючее.
К ядерному горючему относятся такие вещества, как уран-235 и плутоний-239. Характерной особенностью этих веществ является способность ядер их атомов при попадании в ядро извне нейтрона распадаться на два осколка с выделением одновременно двух или трех свободных нейтронов. Но, для того чтобы процесс деления ядер плутония-239 или урана-235 проходил нормально, скорость нейтрона, влетающего в их ядра, должна иметь определенную величину (около 140 км/сек).
При распаде ядер атомов урана-235 и плутония-239 образуются более быстрые нейтроны, поэтому в ядерные реакторы наряду с ядерным горючим загружают замедлитель, т. е. вещество, которое способно быстрые нейтроны превратить в медленные. Замедлителем быстрых нейтронов может служить графит или тяжелая вода.
Быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов замедлителя, превращаются в медленные нейтроны, которые, встречаясь с ядрами атомов ядерного горючего, вызовут следующий акт деления ядра и т. д. Произойдет, как говорят, цепная реакция. Таким образом, благодаря выделению при распаде ядра свободных нейтронов оказалось возможным поддерживать непрерывное горение ядерного горючего.
На каждый акт деления образуется не один, а два или три нейтрона, поэтому цепные реакции оказались не только самоподдерживающимися, но и самоускоряющимися. Чтобы сделать цепную реакцию управляемой, необходимо регулировать скорость сгорания ядерного горючего, а для этого нужно изменять количество нейтронов, появляющихся в единицу времени в зоне реакции.
Регулировать концентрацию нейтронов в зоне реакции оказалось возможным благодаря тому, что их хорошо поглощают некоторые вещества. Хорошим поглотителем нейтронов является металл кадмий. Если медленный нейтрон сталкивается с ядром атома кадмия, то он остается в этом ядре и, таким образом, выводится из реакции. Ядерные реакторы снабжаются несколькими стержнями из кадмия. Погружая такие стержни в зону реакции, можно снижать в ней концентрацию нейтронов, и наоборот: вынимая - увеличивать. Для полной остановки работы ядерного реактора служат так называемые стоп-стержни. Стоп-стержни изготавливают также из кадмия, но размер их делают значительно больше, чем управляющих стержней. При полном погружении стоп-стержней в зону реакции они настолько много поглощают нейтронов, что реакция деления ядер ядерного горючего полностью прекращается.
В настоящее время ведутся разработки энергетических установок, которые позволят получать электрический ток на борту космического корабля с использованием ядерного горючего. Основной частью ядерных энергетических установок космических кораблей будут, конечно, ядерные реакторы, с принципом работы которых мы ознакомились. Ядерные реакторы позволят создавать энергетические установки весьма большой мощности.
Самый рациональный путь превращения атомной (внутриядерной) энергии в электрическую - это использование тепла, образующегося при делении ядер атомного горючего для нагревания и испарения какого-либо вещества (рабочего тела); пар может приводить в движение турбину, которая будет вращать генератор, вырабатывающий электрический ток.
Ядерное горючее в миллионы раз превосходит по теплопроизводительности любой другой вид топлива. А почему же энергетические установки на этом горючем, несмотря на его исключительно высокую теплопроизводительность, имеют все-таки большой вес? Ведь запас горючего по весу, даже при очень длительном сроке полета, может быть небольшой. Дело в том, что ядерная энергетическая установка при работе выделяет большое количество излучений, состоящих главным образом из проникающих через различные материалы нейтронов и у-лучей. В земных условиях атомный реактор, являющийся главной частью атомных электростанций, для создания безопасных условий работы обслуживающему персоналу окружают толстыми бетонными стенами. Все пульты управления работой атомной электростанции устанавливают за бетонной стеной. Бетонная защита весит тысячи тонн. Такой вид защиты, конечно, не может применяться на космических кораблях. Какая же защита экипажа от проникающей радиации, возникающей при работе атомного реактора, возможна на космическом корабле? По-видимому, ядерная энергетическая установка во время работы должна находиться не на борту, а на некотором удалении от корабля. Следует помнить, что интенсивная проникающая радиация возникает лишь во время работы ядерного реактора, т. е. когда в нем происходит процесс деления ядер атомов ядерного горючего. А когда реакция деления не идет, то опасность радиоактивного облучения от реактора невелика и защититься от этой опасности не представляет большой сложности.
Рис. 13. Схема взаимного расположения космического корабля и ядерного реактора.
Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) до вывода космического корабля на околоземную орбиту может находиться в нерабочем состоянии. После того как корабль выйдет на орбиту, где все становится невесомым, ядерный котел, хотя он на Земле весит немало, можно легко удалить на некоторое расстояние от служебных помещений корабля. Для этого на космическом корабле должно быть предусмотрено устройство, которое на специальной выносной стреле могло отодвигать ЯЭУ от корабля. На рисунке 13 показано положение ЯЭУ относительно служебных отсеков корабля после того, как она была удалена от последних.
Однако, несмотря на то что вследствие удаления ядерной энергетической установки от космического корабля нейтроны и у-лучи в основном будут рассеиваться в космическом пространстве,минуя корпус космического корабля, все же какая-то часть излучения будет попадать на корабль, и от нее также нужна защита. Можно установить преграду между ЯЗУ и корпусом корабля из толстого материала, который полностью бы поглощал идущую от реактора в сторону корабля радиацию. Но толщина - значит вес, увеличение же веса для космического корабля очень нежелательно.
Для получения легкого и надежного защитного экрана его следует делать не из толстого листа материала, а из ряда тонких листов, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии. Этим листам - дискам придают определенную форму и устанавливают их под определенным углом так, чтобы все это способствовало изменению направления движения падающих на эти листы нейтронов и у-лучей. Нейтроны и у-лучи, изменив направление движения под действием такого диска, уйдут в окружающее пространство, не попав на корпус космического корабля. Та часть излучения, которая все же сможет пройти через первый диск, не изменив направления движения, попадет на второй, затем на третий и т. д. Каждый последующий диск защитного экрана будет также отклонять в сторону пучки нейтронов и у-лучей. В конечном итоге, когда радиация пройдет весь набор дисков, она будет значительно ослаблена и неопасна для экипажа.
Мы рассмотрели возможные способы получения электрической энергии, пригодные для применения на борту обитаемого космического корабля. Химические батареи, солнечные батареи и радиоизотопные установки уже применяются на существующих космических аппаратах. Ядерная энергетическая установка - наиболее мощный из всех источников электрической энергии - пока находится в стадии отработки в земных условиях.
