К вопросу о ядерных космических энергоустановках

[Татарин]

Меня давно гложет вот какая мысль (на "Авиабазе" как-то излагал её, но ни активных возражений, ни особого понимания она как-то не вызвала).

Или даже не мысль, скорее, а вопрос. Почему для космических ядерных энергоустановок не используется МГД-преобразование?

Любой стронциевый РИГ (даже капсулированый с покрытием), который непосредственно нагревает газ, даёт мощность гамма-дозы уж минимум порядка сантигрей в секунду. Это для киловаттного стронций-титанового РИГа без защиты (но капсулированого, в керамике, то есть, относительно безопасного при падении/разрушении).

При времени рекомбинации порядка миллисекунд это обеспечивает рабочих телах типа ксенона или ртути более чем достаточную для работы МГД ионизацию даже при температурах, при которых ТД-равновесная ионизация ничтожна.

Если же предположить, что мы покрыли МГД-камеру обычным таким никелерованым стронцием-90, то можно обеспечить мощность дозы порядка десятых грея в секунду. Редкоземельные магниты легко дадут десятые Тл (а то и единицы Тл) в камере без каких-либо ухищрений, что даёт очень даже приличное отношение мощность/масса, (довольно-таки спотолочно для мощности десятки кВт) порядка единиц кВт/кг.

Классический и технологически отработаный в РИТЭГах титанат стронция "работает" до 1500С (Тпл ~= 2000С), то есть при более чем интересной температуре холодильника 750С (радиационный теплоотвод более 60кВт с квадратного метра) КПД Карно подбирается к 50%.
Мощность такой машины в принципе не ограничена: она прекрасно масштабируется вверх (и вниз! но там проблемы с радиационной защитой, она масштабируется хуже).

В случае использования ртути как рабочего тела возврат рабочего тела можно осуществлять после конденсации в виде металла тем же МГД насосом.

То есть, мы имеем все плюшки, которые ожидают от машинного преобразования, но без каких-либо его недостатков. МГД очень надёжен, имеет чудовищный ресурс и в отличие от турбины или термоакустического Стирлинга будет одинаково эффективно работать при широком изменении мощности (изотопы-то распадаются). Для долгих миссий небезразлично.
Подобный генератор сам по себе примитивен, дёшев и требует минимум затрат на разработку и доводку (собссно, основные затраты составят работы с "горячими" материалами).

Проблему с излучением снаружи при постройке/наладке/запуске можно решить "поделив" топливо на "тепловую" и "ионизационную" части.
В частности, можно на заключительном этапе сборки вставить ТВЭЛ (с чем угодно, хоть с полюбившимся плутонием-238 в керамике) и герметичную защищенную капсулу с (например) цезием-137. На Земле тепло от капсулы отводится в воздух, в вакууме цезий разогревается, вскипает, рвет мембраны и попадает в рабочую полость МГД-генератора, оседая везде, где температуры рабочего тела будут меньше его Тк.

...

На земле для МГД нет места: химия не достигает нужных температур, а применение внешней ионизации радиоактивным материалом создаёт риски, от которых люди справедливо шарахаются. В мощных ядерных реакторах МГД достаточно сложно реализуется технологически, а исчезающе малую нишу маломощных РИГ полностью закрывают ТЭГ на эффекте Зеебека. На Земле довольно просто с холодильниками.

Но ведь в космосе-то - совсем другое дело!

А?

[Salo]

Идея очень интересная.

[hecata]

Насколько я знаю проблем у МГД две

1. Реальный кпд сильно хуже теоретического
2. Электроды в потоке плазмы или жидкого металла долго не стоят.

[Nikola]

Были у меня похожие мысли.
После раздумий пришел к следующему:
В любом случае рабочее тело должно контактировать с электродами. А у него (рабочего тела) большой запас энергии, в нем должно быть много всяких ионов-электронов. Значит либо электроды разогреются от бомбардировки атомами/ионами, либо разогреются от рекомбинации на их поверхностях. В общем беда с электродами, исследовать - непереисследовать. Быстрых путей к успеху не видно.
В принципе ядерными излучениями можно разогреть рабочее тело до немыслимых температур, но плотности газа малы, поди нагрей. Опять же надо сконструировать нагреватель так чтобы большая часть энергии выделялась в газе а не в самой грелке. Мне кажется это очень сложно.
Как довесок: Мне кажется опасно работать с изотопными генераторами на таком объемном энерговыделении, которое достаточно для МГД. Чуть что не так с охлаждением и все, расплавились.

[Татарин]

Насколько я знаю проблем у МГД две

1. Реальный кпд сильно хуже теоретического
2. Электроды в потоке плазмы или жидкого металла долго не стоят.

Именно.
Оба недостатка тесно связаны и относятся к "химическим" машинам.

Реальный КПД сильно хуже по причине низкой степени ионизации даже при температурах предельно возможных термодинамически и с "возвращаемыми" присадками. Эта же причина (низкая ионизация) заставляла расшибаться в лепёшку с созданием максимально возможного поля - вплоть до сверхпроводников.

Живучесть электродов же определялась температурой цикла, а температуру, напомню, пытались достичь максимум максиморум, ибо ниже 2000С там ловить вообще нечего, ионизация ничтожна.
Плюс: эти машины прогоняли через МГД продукты сгорания (городить теплообменники было ещё сложнее). А это и кислород, и азот с окислами и все возможные примеси для угля и нефтепродуктов. Найти материал, который бы долго стоял в таком адском компоте при высоких температурах было действительно проблемно.

Более того: перед конструкторами стояла задача парадоксальная по сути. Как устроен цикл Брайтона? Греем до максимума, при адиабате пропускаем через сопло, снимаем с холодного, но быстрого газа механическую энергию. Но в МГД-то часть, которая обязана снимать энергию и работать после сопла - принципиально работает только с плазмой! Что для химии означает "при высокой температуре".
Отсюда и куча чисто термодинамических заморок и неизбежные потери КПД.

О чем я и говорю. У нас-то - что?
У нас холодная, неравновесная плазма, где ионизация создаётся "даром" потоком излучения. В конце-то концов, можно и цезий-137 рабочим телом использовать (Тк 660С). Кто-то сомневается в невероятно высокой ионизации рабочего тела с собственной активностью 87000 кюри на килограмм? Но это даже не потребуется,  ксенон или ртуть с небольшими присадками цезия - тоже неплох.

Откуда вытекают пункты:
- номер раз: не поиск максимума температуры полностью диктует материалы и дизайн машины, а температуру выбирает конструктор. Исходя из своих соображений и имеющих материалов;
- и номер два: рабочее тело - строго определённый металл или инертный газ, обеспечить совместимость камеры с которым уже совершенно иная задача;

Можно ли найти металл, который выдержит несколько сотен С в атмосфере цезия, ртути или инертного газа?
Интуиция мне подсказывает, что можно.

[Татарин]

Были у меня похожие мысли.
После раздумий пришел к следующему:
В любом случае рабочее тело должно контактировать с электродами. А у него (рабочего тела) большой запас энергии, в нем должно быть много всяких ионов-электронов. Значит либо электроды разогреются от бомбардировки атомами/ионами, либо разогреются от рекомбинации на их поверхностях. В общем беда с электродами, исследовать - непереисследовать.

Очевидно же, что выделяемая при рекомбинации энергия - малая доля внутренней энергии газа. Иначе КПД МГД-генератора очевидно стремился бы к нулю.

Ну, от "бомбардировки" при дополнительной "упорядоченной" энергии тока ионов << kT/ион ничего не изменится, электроды и без того на полную бомбардируются газом так, как завещали нам Максвелл с Больцманом. Тут даже порядки несравнимы, это не стОит и обсуждать.

Что касается рекомбинации - а почему это важно?
Если обратиться к цифрам? Один А = 1Кл/с, 1.6Е19 ионов/с (если быть точным, то половина, вторая половина - электроны). Энергия рекомбинации - несколько эВ, то есть, каждый ампер на машине нам обходится в несколько Вт рекомбинации (из которых, замечу, лишь малая доля идёт на нагрев непосредственно электродов, а бОльшая - излучается и/или отдаётся газу).
Напряжение на ячейке - несколько вольт, первые десятки В (уже только работа выхода на отрицательном электроде даёт единицы В). На каждый ватт рекомбинации мы будем иметь несколько Вт электрической мощности. Можем ли мы отводить тепло от электродов (они же холодильник тепловой машины) с достаточной скоростью и держать их достаточно холодными при приемлимой плотности электрической мощности?

Конечно. См. кулер на процессоре: там десятки Вт/см2 (единицы МВт/м2).
А у нас - даже не процессор. Тепло отводится от металла при идеальном тепловом контакте. Да и тепловые трубки нам никто не запрещал: чай, не процессорный кулер, чтобы за 100$ дрожать...

В принципе ядерными излучениями можно разогреть рабочее тело до немыслимых температур, но плотности газа малы, поди нагрей.

Вы потеряли мысль. Мне не нужно обеспечивать нагрев именно ядерными излучениями, в целом, меня устраивает идеология ТВЭЛов. Идея же состоит в том, чтобы большой мощностью дозы обеспечить приемлимую ионизацию в рабочей камере МГД.

Опять же надо сконструировать нагреватель так чтобы большая часть энергии выделялась в газе а не в самой грелке.

Зачем это нужно?
Не, ну в принципе и это несложно, засыпаем в качестве "топлива" тот же цезий-137 и вуаля: 100% энергии выделяется в рабочем теле. Кстати, цезий - хорошее рабочее тело для МГД, по всем статьям. Тяжелый одноатомный газ, великолепная ионизация, хороший коэффициент поглощения для ИИ, в жидком состоянии - отличный проводник, который перекачивается электромагнитным насосом...

Принципиально это можно.
Не уверен, что так уж нужно.

Как довесок: Мне кажется опасно работать с изотопными генераторами на таком объемном энерговыделении, которое достаточно для МГД. Чуть что не так с охлаждением и все, расплавились.

Повторю, систему можно посчитать и организовать так, что на Земле лишнее тепло из зеркальных лабиринтов будет отводить воздух (ну или вода - не суть. Выходим в космос - и автоматически получаем идеальную теплоизоляцию, воздух улетает, вода испаряется, машина естественным для себя образом выходит на рабочий режим.

МГД не требуют больших мощностей. Они (для "химии"!) требуют высоких температур (которые есть функция тепловыделения и теплооттока). Но у нас же не химия. Да и по температурам...
Экранно-вакуумная теплоизоляция из простой такой серебряной фольги может легко дать и 1000м2*К/Вт, причём очень дёшево и по деньгам и по массе.

Залей слои из фольги легкокипящей и теплопроводной жидкостью типа дистиллированой воды, дай той жидкости хороший выход наружу - и вот: при земной атмосфере теплоотвод - киловатты, температура - десятки С. Вышли в вакуум, вода выкипела, теплоотвод упал до ватт, температура ушла куда-то под искомые полторы тысячи.

[чайник17]

Если же предположить, что мы покрыли МГД-камеру обычным таким никелерованым стронцием-90,

T плавления стронция 777С -> очень низкий КПД и/или огромные радиаторы

Редкоземельные магниты легко дадут десятые Тл (а то и единицы Тл) в камере без каких-либо ухищрений

Если ли данные по радиационной стойкости? Если ли прикидки нагрева самих магнитов как теплопередачей так и остаточной радиацией? Размеров радиатора для охлаждения магнитов (с учётом гораздо более низкой температуры)?

Классический и технологически отработаный в РИТЭГах титанат стронция "работает" до 1500С (Тпл ~= 2000С), то есть при более чем интересной температуре холодильника 750С (радиационный теплоотвод более 60кВт с квадратного метра) КПД Карно подбирается к 50%.

Почему бы не написать прямо - 42.3%

На Земле тепло от капсулы отводится в воздух, в вакууме цезий разогревается, вскипает, рвет мембраны и попадает в рабочую полость МГД-генератора, оседая везде, где температуры рабочего тела будут меньше его Тк.

Цезий очень быстро унесётся в радиатор, где он совсем не нужен.

[чайник17]

Что касается рекомбинации - а почему это важно?

А не получится некоего аналога электрохимической ячейки? В ней тоже всего лишь рекомбинация, а как влияет на скорость коррозии электродов.

[чайник17]

хорошее рабочее тело для МГД, по всем статьям. Тяжелый одноатомный газ, великолепная ионизация, хороший коэффициент поглощения для ИИ, в жидком состоянии - отличный проводник, который перекачивается электромагнитным насосом...

Химически очень активен, при температурах 750-1500C будет быстро разъедать большинство материалов.

[Татарин]

T плавления стронция 777С -> очень низкий КПД и/или огромные радиаторы

Он обычно в матрице титаната стронция (2000С). Но и 500С для холодильника многих бы устроило. В общем-то это настолько неважный и легко решаемый вопрос, что по-моему, даже не стОит заморачиваться...

Если ли данные по радиационной стойкости? Если ли прикидки нагрева самих магнитов как теплопередачей так и остаточной радиацией? Размеров радиатора для охлаждения магнитов (с учётом гораздо более низкой температуры)?

Хорошие вопросы.
Честных данных по радиационной стойкости магнитов у меня нет, только косвенные - судя по тому, что такие магнитые системы спокойно работают в вигглерах и детекторах на ускорителях, к гамма-квантам у них устойчивость прекрасная.
Ну или вот (опять же косвенно) здесь -
http://www1.jinr.ru/Preprints/2003/028(P9-2003-28).pdf
- показано, что скорость деградации материала под быстрыми нейтронами определяется лишь сечением погоровых реакций (с деградацией состава материала), а не поглощенной дозой.

По температуре...
Самарий-кобальтовые магниты чуть уступая в коэрцитивной силе неодим-железо-бору держат до 300С. Ну, нам столько не нужно, но, скажем, 100С уже выглядит приемлимым. Магнитная система может быть теплоизолирована от электродов. Тогда при 100С теплоотвод от магнитов (или их холодильника) излучением будет около одного кВт/м2.
Достаточно оставить единственный вакуумный зеркальный промежуток между электродами и магнитной системой, чтобы обеспечить  куда мЕньшую равновесную температуру.
Насчет комбинации температуры и излучения... ну, честно: просто не знаю.

Почему бы не написать прямо - 42.3%

Честно? Калькулятор запускать было влом. Все равно же спотолочно видно, что дофига...

Цезий очень быстро унесётся в радиатор, где он совсем не нужен.

Не в радиатор, а в холодильник. Он же - электроды МГД-генератора. Именно там, где надо.

[Татарин]

Что касается рекомбинации - а почему это важно?

А не получится некоего аналога электрохимической ячейки? В ней тоже всего лишь рекомбинация, а как влияет на скорость коррозии электродов.

Что с чем "аналогично" должно реагировать?

Цезий при относительно небольших температурах мог бы попробовать что-нибудь восстановить. Но что? и зачем ему это - то, что можно восстановить - давать доступным на поверхности?

[Татарин]

хорошее рабочее тело для МГД, по всем статьям. Тяжелый одноатомный газ, великолепная ионизация, хороший коэффициент поглощения для ИИ, в жидком состоянии - отличный проводник, который перекачивается электромагнитным насосом...

Химически очень активен, при температурах 750-1500C будет быстро разъедать большинство материалов.

"Большинство" - это что? стекло? полиэтилен? твёрдый кислород?
Конечно, что многие кислородосодержащие стёкла или некоторые керамики он будет пробовать "есть". Но зачем нам ставить там такие материалы?

Есть такие штуки - реакторы на быстрых нейтронах. Так в них теплоносителем часто используется жидкий натрий (тоже щелочной металл, только активнее). Скажем, в БН-600 он работает при температуре  порядка 600К (совпадение в цифрах случайно .
Ничего. Работает. Долго и успешно.

[чайник17]

"Большинство" - это что? стекло? полиэтилен? твёрдый кислород?Конечно, что многие кислородосодержащие стёкла или некоторые керамики он будет пробовать "есть". Но зачем нам ставить там такие материалы?

А не Вы ли титанат стронция SrTiO3 предлагали? Он и есть кислородосодежащая керамика.

[чайник17]

Так в них теплоносителем часто используется жидкий натрий (тоже щелочной металл, только активнее).

Вы случаем не перепутали? Везде написано, что чем больше номер щелочного металла, тем он активнее. Да и 600К от 1500C заметно отличается...

[Татарин]

"Большинство" - это что? стекло? полиэтилен? твёрдый кислород?Конечно, что многие кислородосодержащие стёкла или некоторые керамики он будет пробовать "есть". Но зачем нам ставить там такие материалы?

А не Вы ли титанат стронция SrTiO3 предлагали? Он и есть кислородосодежащая керамика.

Так а зачем этой керамике непосредственный контакт с цезием-то? Магнетроном напыляем любой металл (никель, к примеру) и нет проблем. Ну, как лабораторные источники сделаны - никому ж не хочется пачкаться стронцием. А то он металл активный, корродирует, пылит.
Это если стронций у нас как ионизатор работает.

Если же брать "самоинизирующееся" рабочее тело - тот же цезий, но не чистый 133, а с добавкой 137 - то и ионизаторов не нужно. Ну а ТВЭЛы тогда могут быть из любого материала и с любым, любой толщины покрытием.
(Разделение на "рабочее тело"/"ионизаторы" и ТВЭЛы нужно просто из соображений безопасности: если вся эта хрень вместе с ракетой с 60км опять фигакнется на Онтарио, чтобы всё-таки основная масса материала сидела бы как можно более надёжно в матрице.)

[Татарин]

Так в них теплоносителем часто используется жидкий натрий (тоже щелочной металл, только активнее).

Вы случаем не перепутали? Везде написано, что чем больше номер щелочного металла, тем он активнее. Да и 600К от 1500C заметно отличается...

Там "цезий" было мной пропущено - виноват, утро уже у нас.

Это неважно совершенно - если нет термодинамически выгодных реакций, то реагировать ничего и не будет.

[Alexey K.]

Не, ну в принципе и это несложно, засыпаем в качестве "топлива" тот же цезий-137 и вуаля: 100% энергии выделяется в рабочем теле. Кстати, цезий - хорошее рабочее тело для МГД, по всем статьям. Тяжелый одноатомный газ, великолепная ионизация, хороший коэффициент поглощения для ИИ, в жидком состоянии - отличный проводник, который перекачивается электромагнитным насосом...

Можно не просто цезий, а цезий в возбужденном состоянии, иначе говоря ридберговское вещество, сконденсированное.

PS С гамма-источником никто связываться не будет - дистанционная сборка и свинцовый контейнер.  Поэтому в космосе без реактора не обойтись.

[Nikola]

Живучесть электродов же определялась температурой цикла, а температуру, напомню, пытались достичь максимум максиморум, ибо ниже 2000С там ловить вообще нечего, ионизация ничтожна.

Ну были попытки с присадками и с неравновесной плазмой тоже.

Если обратиться к цифрам? Один А = 1Кл/с, 1.6Е19 ионов/с (если быть точным, то половина, вторая половина - электроны). Энергия рекомбинации - несколько эВ, то есть, каждый ампер на машине нам обходится в несколько Вт рекомбинации

Ну вот, пусть на 10 Вт электричества на электродах выпадет 1 Вт тепла (у меня так, с точностью до пи ) с энергией у атомов цезия 3,9 эВ. Энергия связи в твердом теле ~0.1эВ. Так что электроды рассыпаться МОГУТ. В растворах условия мягче, и, бывает, рассыпаются.

из которых, замечу, лишь малая доля идёт на нагрев непосредственно электродов, а бОльшая - излучается и/или отдаётся газу

А с чего бы это вдруг? Слишком много факторов чтобы это утверждать. Мне вот мощные МГД нравяться на р=10МПа, n=10:18. Кстати при отдаче энергии газу температура его возле электродов вырастет, что частично нивелирует преимущества неравновесности. Мне то все равно что там в ядре потока, мне интересно чтобы возле электродов холодно было.
В любом случае: больше ионов - больше удельная мощность установки - тяжелее электродам. Значит материал/конструкция электродов лимитирует мощность. Насколько - экспериментировать прийдется, это чтобы не получился маломощный гигант.

Можем ли мы отводить тепло от электродов (они же холодильник тепловой машины) с достаточной скоростью и держать их достаточно холодными при приемлимой плотности электрической мощности?

Бабушка надвое гадала. Зависит от верхней температуры источника. А она достаточно высока (3,9эВ). У кулера много ниже . Кстати электроды не холодильник.

Не, ну в принципе и это несложно, засыпаем в качестве "топлива" тот же цезий-137 и вуаля: 100% энергии выделяется в рабочем теле. Кстати, цезий - хорошее рабочее тело для МГД, по всем статьям. Тяжелый одноатомный газ, великолепная ионизация, хороший коэффициент поглощения для ИИ, в жидком состоянии - отличный проводник, который перекачивается электромагнитным насосом...

Цикл замкнут, значит надо поднять давление саморазогревающегося рабочего тела, чтобы засунуть его в МГД трубу. Классический путь - охладить цезий, чтобы насос съел меньше энергии. В нашем случае это временное замыкание нагревателя на холодильник. Это дико снизит КПД и приведет в резкому росту отбросного тепла. Это очень некрасиво.
Чего это Cs одноатомный?

Повторю, систему можно посчитать и организовать так, что на Земле лишнее тепло из зеркальных лабиринтов будет отводить воздух (ну или вода - не суть. Выходим в космос - и автоматически получаем идеальную теплоизоляцию, воздух улетает, вода испаряется, машина естественным для себя образом выходит на рабочий режим.

И в рабочем режиме при малейшей заминке охладителя плавиться. Для теплотехники при больших удельных мощностях это слишком тонкие вещи.

Вышли в вакуум, вода выкипела, теплоотвод упал до ватт, температура ушла куда-то под искомые полторы тысячи.

Пугает как раз куда-то. Конечно соорудить можно, но это будет вещь в себе.

МГД не требуют больших мощностей. Они (для "химии"!) требуют высоких температур (которые есть функция тепловыделения и теплооттока)

Нет! Чтобы получить приемлимую выходную мощность от МГД в рабочий объем надо тоже вкачать достаточно много. Сколько - надо, естественно, считать. Ну а метод вкачки - химия, разряд, излучения и тд и тп.
К чему я все это. Проблема нагревателя и электродов остается, хотя при такой схеме при серьезной разработке может что-то и выгореть.

[Nikola]

А я вот такое безумие предлагаю: Бочка с пульсирующей цепной реакцией, замедлитель кидает туда-сюда. Можно же такое соорудить на акустической частоте? Пульсации давления преобразовать - дело техники. КПД конечно паршивый, зато просто как валенок.
Можно и пострашнее - замедлитель с делящимся в газовой фазе, подобрать параметры так чтобы реакция шла только в скачке плотности. :shock:  Тогда эти скачки плотности, считай плазму, можно заставить бродить по объему, глядиш и можно будет с них энергию вытащить.

[Alexey K.]

А я вот такое безумие предлагаю: Бочка с пульсирующей цепной реакцией, замедлитель кидает туда-сюда. Можно же такое соорудить на акустической частоте? Пульсации давления преобразовать - дело техники. КПД конечно паршивый, зато просто как валенок.

Собственно вот.
Средняя мощность 2 МВт, но мощность в импульсе 1,5ГВт. Можно и больше. По сути это бомба, которой механически не дают взорваться.