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

§ 4.1. Вакуумированная камера

В 1976 году в журнале Техника молодежи было опубликовано предложение кандидата геолого-минералогических наук Д. Хамраева Ядерно-взрывная электростанция [54]. Возможно, это была первая публикация советского ученого в открытой печати, посвященная этой проблеме. Статья А.Д. Сахарова [3] была опубликована на год позже, в ней упоминалось предложение физиков Ю. Бабаева, Ю. Трутнева, А. Певницкого, сделанное на 15 лет раньше.

Предложение геолога сводилось к вакуумированию взрывной камеры, чтобы избежать действия взрывной волны. Физики, напротив, предлагали повысить плотность вещества в камере, чтобы избежать слишком высоких температур, , платя за это увеличением механического импульса, передаваемого корпусу. При этом предлагалось для компенсации импульса увеличить массу, на которую действует этот импульс. Способов таких немало, часть из них мы опишем ниже. Геолог полагал, что вакуум не передает воздействия.

Рассмотрим, что произойдет при взрыве в вакууме.

Предположим, что энергия взрыва бвзр =410 Дж = 2,5 10 эВ будет передана материалу энергозаряда. Если даже заряд весит 1 т и состоит в основном из железа, то в нем содержится -10 атомных ядер и 26 10 электронов, или В сумме 2,7 10 частиц. Если энергию взрыва равномерно распределить между этими частицами, каждая из них будет обладать энергией -1 кэВ, что соответствует температуре вещества энергозаряда 7 = 10 К. При радиусе (взрывающегося и разлетающегося) энергозаряда -0,5 м, площадь раскаленного шара, излучающего в ва-куум, составит Sjj3 3 м . При этом мощность излучения должна быть

изп изл

2102Вт,

где а = 5,67 10 Вт/м К - постоянная Стефана-Больцмана.

Если бы такая температура действительно возникла, то вся энергия взрыва высветилась бы за время x-Q/W ~Ю~с с энергией квантов в диапазоне

нескольких килоэлектронвольт. Фактически прогрев вещества энергозаряда затянет время излучения и снизит энергию квантов. Для наших оценок это не очень важно. Важно, что значительная доля энергии взрыва беспрепятственно достигнет облицовки взрывной камеры. Поглощаясь в тонком слое облицовки, фотоны из энергозаряда разогреют этот слой. Поверхность облицовки сама начнет излучать более мягкие фотоны и испаряться.

Вообще говоря, не очень важно, что давит на стенку: частицы, имеющие массу, или фотоны. Часто забывают, что давление полного излучения черного тела на внутреннюю поверхность полости... равно одной трети плотности энергии излучения [55]. Более подробно эти вопросы изложены в работе Я.Б. Зельдовича и Ю.П. Райзнера [52].

Таким образом, ляемое светом, а за аналогично тому, ка вается - сначала i заряда, затем в эне (с отрывом одного-ренной окажется до(

где исп - энерги установится в камер Для стальной о( совпадает с энергие при взрыве в 10 кт : облицовки в вакуум]

происходит СЛИШК01

тепло за счет теплог] ла паров - более м{ для КВС. в КВС ое щитная стенка отдел Вместе с тем н(

щитной стенки, име

взрыве испарилось i представить, что в м ванной и световое атмосферу аргона. I куумированной каме импульс будет пере ровать, что на учасп щественно меньше, i чем в вакуумной кам Будем считать, лицовку исключено.

§4.2.

Итак, чтобы yi температуры более Наиболее доступны\ тов для Снижения те меру перед взрывом:



бликовано предложе-;ва Ядерно-взрывная ция советского учено-А.Д. Сахарова [3] бы- ение физиков Ю. Ба-ньше.

зрывной камеры, что-, предлагали повысить высоких температур, редаваемого корпусу, нть массу, на которую них мы опишем ниже.

,5 10эВ будет пере-гостоит в основном из 10 электронов, или о распределить между кэБ, что соответствует (взрывающегося и раз-ipa, излучающего в ва-)лжна быть

то вся энергия взры-

квантов в диапазоне

щества энергозаряда [Я наших оценок это >1ва беспрепятственно IKOM слое облицовки, 1 облицовки сама нач-

Г. частицы, имеющие го излучения черного рети плотности энер-[ы в работе Я.Б. Зель-

Таким образом, в вакуумной камере возникает давление, вначале осуществляемое светом, а затем испаренным материалом облицовки камеры. При этом аналогично тому, как излагалось в § 3.4, значительная часть энергии замораживается - сначала в виде энергии полной ионизации атомов материала энергозаряда, затем в энергии испарения материала облицовки камеры и частичной (с отрывом одного-двух электронов) ионизации паров. В конечном счете испаренной окажется достаточно просто оцениваемая масса облицовки:

М

исп

(4.2)

где ирп - энергия испарения при том квазистатическом давлении, которое

установится в камере.

Для стальной облицовки масса образовавшихся паров по порядку величины совпадает с энергией взрыва, если то и другое выразить в килотоннах. То есть при взрыве в 10 кт т. э. испарится около 10 кт стали. Предотвратить испарение облицовки в вакуумной камере вряд ли удастся. Процесс лучистого теплообмена происходит слишком быстро, чтобы отводить поступающее на слой облицовки тепло за счет теплопроводности. Дальнейший процесс - плавление за счет тепла паров - более медленный, его пока не обсуждаем, поскольку он не актуален для КВС. В КВС облицовка корпуса закрыта толстой защитной стенкой, а защитная стенка отделяется от энергозаряда атмосферой аргона.

Вместе с тем нетрудно оценить, что в КВС 10, вакуумированном и без за-

щитной стенки, имеющем поверхность облицовки -10 м , при номинальном

взрыве испарилось бы 5... 10 мм стальной облицовки (до 100кг/м ). Можно

представить, что в момент взрыва часть защитной стенки окажется несформиро-ванной и световое излучение энергозаряда попадет на стенку камеры через атмосферу аргона. Испаряющаяся часть облицовки будет отлетать внутрь ва-куумированной камеры, унося с собой механический импульс. Точно такой же импульс будет передан неиспаренной части облицовки. Однако можно гарантировать, что на участке, не прикрытом защитной стенкой, температура будет существенно меньше, процесс испарения пойдет медленнее и закончится раньше, чем в вакуумной камере.

Будем считать, что в КВС прямое воздействие излучения на стальную облицовку исключено.

§ 4.2. Стальная сфера, заполненная туманом

Итак, чтобы укротить взрыв, необходимо внутри камеры не допускать температуры более высокой, чем температура плавления материала стенки. Наиболее доступным материалом стенки является сталь. В большинстве проектов для снижения температуры предлагалась вода, вводимая в сферическую камеру перед взрывом в виде капель (тумана).



Масса капель должна быть такой, чтобы после испарения температура пара не превысила 500...600 °С (при больших температурах прочность стали начинает уменьшаться). Такой температуре соответствует энергосодержание воды q ~ 1 МДж/кг, или полная масса теплоносителя /И^хепл ~Ql4

Предположим, что в механическое движение передается часть энергии взрыва Г) = 0,2. Тогда механический импульс / и радиальная скорость vj, приобретенные корпусом с массой /И^корп определяются уравнениями:

(4.3)


На пределе прочности корпус из обыкновенных углеродистых сталей способен выдерживать скорость У^ред =5... 10 м/с. Это можно показать несколькими способами. Например, при максимальном растяжении потенциальная энергия корпуса равна кинетической, приобретенной им после передачи импульса взрывной волны (если, конечно, корпус не разорвался). Максимальная потенциальная энергия элемента корпуса с размером и объемом равна половине произведения допустимого напряжения (адд) на удлинение AL = Lq <5/Е

(Е - модуль упругости) и на площадь этого элемента Lq . Отсюда легко получить предельную неразрушающую плотность потенциальной энергии на единицу объема и единицу массы корпуса:

пот V -

доп

доп

2Е 2£р

Поскольку удельная кинетическая энергия единицы массы корпуса есть v/2, то условие сохранения прочности стального корпуса позволяет оценить предельную скорость

(4.4)

доп

(4.5)

Например, подставляя Сдоп 4 10 Н/м^, £ 2 1 о Н/м^, р = 7,8 10 кг/м^ , получим дрцд = 7 м/с . Для дальнейших оценок принимаем ред = 5 м/с.

Теперь можно оценить массу и удельную материалоемкость т^орп сферического корпуса:

Таким образом, и заполненная йена] тилового эквивалент; дываемой в корпус.: от радиуса камеры: ч

Поскольку нево растяжения по всем; стали на килотонну небольших взрывов, ВБР (см. § 2.6). Но , лось бы затратить Т. гое решение.

Вместе с тем об] носитель в стальной разместить не равно корпуса, то массу ва зить. Скорость сталь лась бы не столь вы нам кажется более cj кообразной.

Представленные взрывной камеры в1 скорость движения с щая необходимой пр сы. Возникает вопро( го-то более дешевоп кроме того способно сить большую часть тонкостенной. Это и

Поясним, как га массой воды. Аналог цовка которых нахол щебнем и т. п. Hanoi нием ударных (импу



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