Техника - молодёжи 1961-04, страница 26

Кривые кпд некоторых методов прямого и косвенного преобразования тепла в элект-ричество (для термоэлектрического коэффициента г«/0. 10—*). А—водоводяной ядерный реактор с термоэлектрическими тепловыделяющими элементами; В — реактор с газовым охлаждением и с внешним термоэлектрическим генератором; С — реактор с натриевым теплоносителем в первом контуре и с внешним электрическим генератором; D — реактор с органическим замедлителем и внешним термоэлектрическим генератором. В левой части графика приведены кривые, соответственно: /. Цикл Карно. 2. Паровой цикл. 3. Вероятный предел для паровой турбины. 4. Предел для пароэлектрической системы. Заштрихованная площадь показывает область работы существующих термоэлектрических материалов.

трическую энергию, вряд ли осуществима из-за низкого кпд, крайней невыгодности и высокой дороговизны всего этого мероприятия.

По сообщению зарубежной печати а противоположность атому легко спроектировать ядерный реактор, обладающий большой иэотермичностью.

Действительно, если нагретый до самой высокой возможной температуры теплоноситель, пройдя батареи термо-влементов, оказывается на выходе системы все еще очень горячим, то в противоположность любому иному виду теплового двигателя с малым перепадом температур вто не является недостатком такой системы. Неиспользованное, то есть не отданное термобатареям, тепло в данном случае не теряется — оно снова возвращается в активную зону реактора. Здесь для увеличения температуры вещества, преобразующего тепло в электрический ток, можно было бы пойти значительно дальше и наносить его непосредственно на тепловыделяющие влементы ядерного реактора: например, на оболочку, в которую заключено ядерное горючее; или, что еще лучше, можно придать термовлектрические свойства самому ядерному горючему, то есть веществу, в котором растворен или с которым смешан делящийся уран (или плутоний). В атом случае при максимальной температуре термоэлектрического материала, равной 2000°С, что не столь уже недостижимо, можно было бы ожидать получения кпд термовлек-трической системы порядка 45—55%.

ТЕРМ ОКОННЫЙ МЕТОД

Этот метод хорошо знаком тем, кто когда-либо имел дело с электронной лампой. Нить накала такой лампы, раскаленная до температуры 1800—2500°, непрерывно излучает — испаряет — со своей поверхности облако влектронов.

В лвухвлсктродной лампе, состоящей из нити накала (катода) и анода, электрический ток протекает в анодной цепи, даже если к аноду не прикладывается обычное высокое положительное напряжение. как, например, в выпрямительном диоде. Это происходит в результате того, что часть влектронов, выбрасываемых иа раскаленной нити, благодаря их большой скорости все же долетает до анода. Нить накала такой лампы можно нагревать не только влектрическим током, но каким-либо другим способом: например, пламенем. И в атом случае в анодной цепи можно наблюдать появление влек-трического тока, то есть в обоих случаях мы будем иметь дело с термоионным преобразованием тепла непосредственно в влектрическую анергию.

В момент изобретения алектронной лампы, что относится примерно к 1904 году, электрикам представился еще один случай направить развитие влек-

тровнергетики по-иному, чем принятый метод с его длинной цепью преобразований, чреватых непрерывно нарастающими. как снежный ком, потерями. Это был бы путь, который мог со временем привести к промышленному получению электроэнергии с помощью термоионных генераторов — тихих, неподвижных, удобных и надежных в работе, выгодных в эксплуатации. Однако кпд преобразования тепла в влектрический ток в то время был столь мал. что ученые еще раз проглядели возможность попытать счастья на втой, в принципе более перспективной, стезе.

В наши дни, с почти полувековым запозданием, ученые быстро наверстывают упущенное и в сравнительно короткий срок сумели довести кпд термоионного преобразователи до 15—20° о и получать мощность, снимаемую с квадратного сантиметра площади катода, до десятков ватт при напряжении 1—2 вольта.

И здесь, конечно, преимущество нового метода лежит пока еще не в достигнутых результатах. Классическая влек-тровнергетика за истекшее время продвинулась слишком далеко, и с ней бороться пока если не беэнадежно. то, во всяком случае, очень трудно. Преимущество — в большой перспективности нового способа.

И здесь можно представить себе высокотемпературный ядерный реактор, где поверхность урановых стержней выделяет огромное количество тепла. Они покрыты веществом, легко испаряющим несметные тучи влектронов. и являются катодами гигантской вакуумной «лампы». На расстоянии от них размещены охлаждаемые водой или газом полые трубки, играющие роль анодов.

Увеличение кпд термоионного прибора, так же как и термоэлектрического влемента. достигается не только за счет увеличения температуры нагретого влемента (катода) и разности температур между катодом и анодом, но и благодаря применению равных металлов, из которых они изготовляются, и за счет мак-

Рис. Ю. МАКАРЕНКО

— Теперь ты убедилась, дорогая, а удобстве и преимуществе термоэлектричества?

■it":

400 аог

I600 2000 t'

Максимальная температура термоэлектрического материала или рабочей жидкости (Со).

симально возможного уменьшения расстояния между ними (сотые доли миллиметра), однако при условии, исключающем взаимной подогрев. Это позволяет в значительной степени нейтрализовать пространственный заряд, образующийся вблизи анода вследствие усиленного оседания на нем влектронов. Этот заряд не позволяет следующим партиям влектронов следовать за своими товарищами и тем самым уменьшает ток, создаваемый прибором.

Сейчас найден более аффективный выход и из этого положения. Между электродами (пластинами) вводятся пары цезия. Эффект этой меры заключается в том, что даже при относительно низких температурах значительная часть атомов цезия расщепляется на положительные ионы и электроны Ионы концентрируются там, где имеется минимум потенциала, и нейтрализуют пространственный заряд вбливи анода.

Опыты показали, что наилучшим веществом для поверхности, испускающей алектроны. как вто ни странно, оказался карбид урана, хотя его радиоактивные и ядерные свойства в данном случае не играют никакой роли. Выходное напряжение, получаемое на одном таком диоде, обычно равняется 1—3 вольтам, а сила тока — до 100 ампер. При этом кпд устройства может достигнуть 25^§/t, что уже сопоставимо с кпд обычных тепловых влектрических установок.

Если в ближайшие годы удастся найти вещества для катодов с высокой работой выхода электронов и вещества для анодов с низкой работой выхода, а также новые способы уменьшения пространственного заряда, то есть все основания рассчитывать на весьма высокие значения кпд, достигающие 55%.

Весьма эаманчивым является и то, что если в термоионный прибор ввести третий элемент — сетку, то вместо постоянного тока можно с не меньшим успехом получать и переменный ток.

Пройдет несколько десятков лет, и с логической неизбежностью рядом с тепловыми влектростанциями, оснащенными самыми совершенными турбогенераторами. встанут более компактные, бесшумные термовлектрические и термоионные влектрические станции, вконо-мящие человечеству коммунистического завтра миллиарды тонн драгоценного сырья, которое мы слишком долго использовали только как топливо.

23