Главная  Взрывная дейтериевая энергетика 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

ГЛАВА 3

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВО ВЗРЫВНЫХ КАМЕРАХ

ггель

:2060 2080

носитель

§ 3.1. Схемы взрывных камер

В мире известно несколько проектов взрывных камер, способных, по мнению авторов, выдерживать многократно ядерные взрывы. Рассмотрим часть из них. Сферическая камера для 5-килотонных взрывов 2 = 5 кт т. э. радиусом

6 3

R = 15 м и объемом V = 1,7 10 м , снабженная подвижной стальной защитной фальшстенкой, демпфирующей взрывную волну за счет перемещения на -1,5 м, защищена патентом США [48]. Легко подсчитать, что в этой камере на единицу энерговыделения взрыва - тонну тротилового эквивалента - приходится удельный объем Vq и соответствующий ему приведенный радиус Rq :

Vo = = 370 м^/т т. э.; Rq= = 44 м/(кт т. э.)

(3.1)

Отметим следующее обстоятельство, которое удобно демонстрировать на примере сферической камеры. Если камера заполнена газом, близким к идеальному, давление газа по порядку величины равно плотности энергии. Для одноатомного газа .. ..... ......

2 2Q

p=-q = --.

(3.2)

В сферической камере на любое сечение, проходящее через ее центр, действует сила F = pnR.

Эта сила распределяется на площади InRb, где 5 - толщина стенки,

1 R ... !

то есть в этом сечении возникает напряжение а = -р -. . .

Толщина стенки должна быть не меньще 5,; =-R-где а пускаемое напряжение, а масса камеры - не меньще, чем

доп

TiR Доп

а

(3.3)

доп

где р - удельный вес материала защитной стенки.



Удельная минимальная масса определяется по формуле

М р

т

(3.4)

доп

Для обычных сталей ?Яудд,; в зависимости от марки колеблется от

~4 10 до ~ 1 10 кг/Дж, или от -160 до 40 т/т т. э.

Для сферической камеры из ординарной стали (Одоп ~ 20 кг/мм ), рассчитанной на 10 кт т. э., потребовалось бы около 1,6 млн тонн стали, чтобы противостоять статическому давлению разогретого взрывом идеального газа, независимо от радиуса камеры.

Но это соображение ограничено двумя условиями. Камера не может иметь слишком малый радиус, при котором, температура газа будет столь велика, что сталь расплавится. Камера не может иметь слишком большой радиус, при котором тонкая оболочка может потерять устойчивость.

В следующем разделе мы рассмотрим третье ограничение - способность камеры противостоять импульсному воздействию взрывной волны. Пока только приведем примеры нахождения компромисса между статическими воздействиями высокой температуры и давления на стенку камеры.

В СССР первым расчетно проработанным проектом камеры можно считать предложение сотрудников ВНИИЭФ Ю.Н. Бабаева, Ю.А. Трутнева, А.В. Певницкого, относящееся к началу 1960-х годов. Стальная камера взрывного термоядерного реактора (ВТР), рассчитанная на взрывы мощностью около 20 кт, имела

удельный объем Vq ~ 65 ж'1т т. э. и приведенный радиус Rq~ 25 м/(кт т. э.) . Теплоноситель в виде газа или водяного тумана равномерно заполнял камеру перед взрывом. В предложении специалистов ВНИИЭФ расчетно показана принципиальная возможность осуществления взрывов в камере, выполненной из жаропрочной стали, несмотря на высокую плотность энергии (q ~ 60 МДж/м').

Возможно, А.Д. Сахаров [3] имел в виду именно это предложение.

Проработки сотрудников Ливерморской лаборатории США [31, 32, 34] в концепции PNE ориентируются на вытянутые в одном направлении камеры (близкие к цилиндрическим), рассчитанные на взрывы с энерговьвделением в ~2 кт т. э.

Для этих камер, Vq=\\0 у?It т. э. и Rq~ 22 м/(кт т. э.)/ . В камерах PNE в качестве теплоносителя используется соль FLiBe, состоящая из смеси фторидов лития и бериллия. Температура плавления соли около 400 °С, а после взрыва частично испаренный теплоноситель может использоваться при температуре -900 °С.

В концепции КВС первоначально предполагалось взрывы мощностью

25 кт т. э. производить в цилиндрической камере с Vo=120m/t. т. э.

и i?o ~ 22 м/(кт т. э.)/, с применением жидкометаллического теплоносителя (натрия) с температурой после взрыва 500.. .700 °С.


На рис. 3.1 из шихся для PNE и ] канской разработк давления на стенк и размещения вокр рация? Вероятно, е Тем не менее выи преобразовании эн щитной стенки и и даже конические пая часть обоснова ческих или сферич(

На рис. 3.2 1 в концепции КВС.

В качестве тег натрий-калиевую ( носителя и компон предполагается зап заполнения камерь Предпочтение отда

Температура г

520 и 620 °С, или i

мальной и составл5 вом холодный теш стенки. После взри НИКИ, в которых с (натрий-калиевая с теплоносителя (1,2 калий), в каждом i в камеру удельная ffip (табл. 3.1).

Теплоноситель

натрии-калии




(3.4)

арки колеблется от

= 20кг/мм2), рассчи-

I стали, чтобы проти-1ального газа, незави-

мера не может иметь цет столь велика, что юй радиус, при кото-

гение - способность ft волны. Пока только lecKHMH воздействия-

шеры можно считать эутнева, А.В. Певниц-взрывного термоядер-) около 20 кт, имела

Rq = 25 м/(кт т. э.)/ . рно заполнял камеру ;четно показана прин-, выполненной из жа-

ни ( = 60МДж/м^). сение.

11А[31, 32, 34]вкон-ении камеры (близкие глением в ~2 кт т. э. J камерах PNE в каче-;меси фторидов лития осле взрыва частично атуре~900°С. взрывы мощностью

Уо=120м^/т. т. э. ского теплоносителя

На рис. 3.1 изображены схемы некоторых вариантов камер, рассматривавшихся для PNE и КВС. Приведенные параметры камер отечественной и американской разработки оказались схожими. Мы их получили, оценивая характер давления на стенки, возможность обеспечения прочности, возведения камеры и размещения вокруг нее энергоагрегатов. Есть ли более экономичная конфигурация? Вероятно, есть, но вряд ли можно надеяться на значительный выигрыш. Тем не менее выигрыш в 30...50 % стоимости камеры, повышение КПД при преобразовании энергии взрыва в электричество, удобство формирования защитной стенки и тому подобное, могут диктовать переход на бочкообразные и даже конические камеры. Описание процессов в них сложнее. Поэтому основная часть обоснований в этой главе будет проводиться на примерах цилиндрических или сферических камер.

На рис. 3.2 представлены схемы взрывных камер, рассматривавшихся в концепции КВС.

В качестве теплоносителя в КВС предполагается использовать натрий или натрий-калиевую смесь. Для исключения химического взаимодействия теплоносителя и компонентов топливного цикла с атмосферой взрывной камеры, ее предполагается заполнить благородным газом. Нами рассматривались варианты заполнения камеры гелием, аргоном и их смесью при нормальном давлении. Предпочтение отдается аргону.

Температура горячего теплоносителя в камере (Гр) предполагается между

520 и 620 °С, или 800 и 900 К, поэтому плотность газа в КВС около трети нор-

мальной и составляет 0,6 кг/м для аргона и 0,06 кг/м для гелия. Перед взрывом холодный теплоноситель поступает во взрывную камеру в виде защитной стенки. После взрыва горячий теплоноситель перекачивается через теплообменники, в которых охлаждается до = 120 °С (натрий) либо до = 40 °С (натрий-калиевая смесь), в накопительные резервуары. Исходя из теплоемкости теплоносителя (1,2 Дж/(г-град) для натрия и 0,8 Дж/(гград) для смеси натрий-калий), в каждом цикле между взрывами должна перекачиваться и поступать в камеру удельная (на тонну тротилового эквивалента) масса теплоносителя rtij. (табл. 3.1).

Удельная масса теплоносителя, т/т т. э.

Таблица 3.1

Теплоноситель

Температура горячего теплоносителя 7 °С

натрий-калий

10,5



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов