Мы ўжо казалі аб магчымасці прымянення ядзернай энергіі для сілавых установак ракет. Цяпер мы разгледзім пытанне аб прымяненні гэтага віду энергіі для энергетычных установак, г. зн. установак, якія выпрацоўваюць электрычную энергію на борце касмічнага карабля.

У цяперашні час для гэтай мэты прымяняюцца некаторыя радыеактыўныя рэчывы, распад якіх суправаджаецца вылучэннем энергіі. Практычны цікавасць уяўляюць тры так званых радиоизотопа: плутоній-238, палоній-210 і праметэй-147. Гэтыя элементы без якога-небудзь на іх вонкавага ўздзеяння бесперапынна вылучаюць энергію.

Як доўга радыёактыўнае рэчыва можа выдзяляць энергію? Для ацэнкі працягласці радыеактыўнага распаду ўведзена паняцце «перыяд паўраспаду». Перыяд паўраспаду - гэта час, на працягу якога распадаецца палова масы ўзятага радыеактыўнага рэчыва. Для плутонію-238 перыяд паўраспаду складае 86,5 гадоў. Перыяд паўраспаду палонія-210 значна менш, усяго толькі 138 дзён, а перыяд паўраспаду праметэя-147 адпавядае 2,7 гадоў. Такім чынам, для касмічных караблёў з адносна невялікім тэрмінам палёту найбольш прыдатным можа апынуцца палоній-210. Праметэй-147 і плутоній-238 могуць быць выкарыстаны як крыніцы энергіі у караблях з больш працяглымі тэрмінамі знаходжання ў касмічнай прасторы.

Варта мець на ўвазе, што, вылучаючы энергію ў працэсе радыеактыўнага распаду, радыеактыўныя рэчывы адначасова выпраменьваюць паток часціц, якія аказваюць шкоднае дзеянне на арганізм чалавека, Пры распадзе палонія-210 і плутонію-238 выпраменьванне складаецца з а-часціц (ядраў атамаў гелія), а пры распадзе праметэя-147 - з у-часціц (электронаў). Калі на борце касмічнага карабля маецца энергетычная ўстаноўка, якая працуе на радиоизотопах, то ў ім павінна быць прадугледжана адпаведная абарона экіпажа ад дзеяння радыеактыўнага выпраменьвання. Абарону можна выканаць у выглядзе экрана з рэчываў, якія змяшчаюць вялікі працэнт вугляродных атамаў, або з чыстага вугляроду.

Якім жа чынам энергія, якая вылучаецца пры радыёактыўным распадзе рэчывы, ператвараецца ў электрычную энергію? У працэсе радыеактыўнага распаду адбываецца разаграванне, г. зн. вылучаецца энергія. Як можна ператварыць гэтую энергію ў электрычную, абыходзячы прамежкавыя працэсы, мы ўжо бачылі на прыкладзе сонечных батарэй.

У радыеізатопных устаноўках для ператварэння энергіі, якая вылучаецца пры раскладанні радыеактыўнага рэчыва, выкарыстоўваецца іншы прынцып. Ўнутры блока, які складаецца з набору металічных пласцін, ізаляваных адзін ад аднаго электроизолирующим матэрыялам, якія змяшчаюць радыёактыўнае рэчыва. Блок мантуецца па-за адсекаў касмічнага карабля, г. зн. на яго вонкавай паверхні, і, такім чынам, знаходзіцца ў касмічнай прасторы. З дапамогай спецыяльнага экрана вакол блока ствараюць цень, так што пры любым становішчы карабля ў прасторы ён ніколі не асвятляецца Сонцам, і таму сонечныя прамяні яго не могуць награваць. Канцы металічных пласцін, якія знаходзяцца ўнутры блока і датыкальныя з радыеактыўным рэчывам, награваюцца за кошт энергіі, якая вылучаецца пры яго раскладанні. Вонкавыя канцы пласцін, якія знаходзяцца ў касмічнай прасторы, у цені астуджаюцца. Такім чынам ствараецца і пастаянна падтрымліваецца рознасць тэмператур паміж ўнутранымі і знешнімі канцамі пласцін блока, што ў сваю чаргу прыводзіць да стварэння рознасці патэнцыялаў на іх. Усе пласціны блока злучаюцца ў адзіную электрычную ланцуг, па якой працякае сумарны ток, які ўтвараецца на ўсіх пласцінах.

Існуючыя радыеізатопных ўстаноўкі, якія прымяняюцца ў касмічных аб'ектах, маюць вельмі невялікі каэфіцыент карыснага дзеяння. Толькі 5% усёй энергіі, якая вылучаецца ў працэсе радыеактыўнага распаду рэчывы, у такой ўсталёўцы ператвараецца ў электрычную энергію. У гэтым адзін з недахопаў радыеізатопных энергетычных установак. Другі недахоп - некіравальныя рэакцыі распаду радиоизотопа. Незалежна ад таго, спажываецца электрычная энергія ў дадзены момант ці не, радиоизотопное рэчыва бесперапынна падвяргаецца раскладанню. Хуткасць раскладання немагчыма ні аслабіць, ні ўзмацніць. Такім чынам, экіпаж касмічнага карабля не зможа ў выпадку неабходнасці атрымаць ад радиоизотопной энергетычнай устаноўкі большая колькасць энергіі, як і паменшыць колькасць энергіі, што выпрацоўваецца ёю.

Магутнасць радиоизотопной ўстаноўкі, якая мае вагу, прымальны для касмічнага карабля, можа быць 25 - 100 вт. Такія маламагутныя энергетычныя ўстаноўкі прыдатныя толькі для незаселеных касмічных апаратаў - невялікіх штучных спадарожнікаў Зямлі.

Для заселеных касмічных караблёў, асабліва са складанай праграмай палёту, патрабуецца крыніца электрычнай энергіі магутнасцю ў некалькі кілават. Для стварэння магутных энергетычных установак, у якіх внутриядерная энергія ператвараецца ў электрычную, больш падыходзяць не радиоизотопы, а ядзернае гаручае.

Да ядзернай гаручаму ставяцца такія рэчывы, як уран-235 і плутоній-239. Характэрнай асаблівасцю гэтых рэчываў з'яўляецца здольнасць ядзер іх атамаў пры трапленні ў ядро звонку нейтрона распадацца на два асколкі з вылучэннем адначасова двух або трох свабодных нейтронаў. Але, для таго каб працэс дзялення ядраў плутонію-239 або ўрану-235 праходзіў нармальна, хуткасць нейтрона, влетающего ў іх ядра, павінна мець пэўную велічыню (каля 140 км/сек).

Пры распадзе ядраў атамаў ўрану-235 і плутонію-239 ўтвараюцца больш хуткія нейтроны, таму ў ядзерныя рэактары разам з ядзерным палівам загружаюць запавольнік, г. зн. рэчыва, якое здольна хуткія нейтроны ператварыць у павольныя. Запавольвацелем хуткіх нейтронаў можа служыць графіт або цяжкая вада.

Хуткія нейтроны, сутыкаючыся з ядрамі атамаў запавольніка, ператвараюцца ў павольныя нейтроны, якія, сустракаючыся з ядрамі атамаў ядзернага гаручага, выклічуць наступны акт дзялення ядра і г. д. Адбудзецца, як кажуць, ланцуговая рэакцыя. Такім чынам, дзякуючы вылучэнню пры распадзе ядра свабодных нейтронаў аказалася магчымым падтрымліваць бесперапыннае гарэнне ядзернага гаручага.

На кожны акт дзялення ўтворыцца не адзін, а два ці тры нейтрона, таму ланцуговыя рэакцыі апынуліся не толькі самоподдерживающимися, але і самоускоряющимися. Каб зрабіць ланцуговую рэакцыю кіраванай, неабходна рэгуляваць хуткасць згарання ядзернага гаручага, а для гэтага трэба змяняць колькасць нейтронаў, якія з'яўляюцца ў адзінку часу ў зоне рэакцыі.

Рэгуляваць канцэнтрацыю нейтронаў ў зоне рэакцыі аказалася магчымым дзякуючы таму, што іх добра паглынаюць некаторыя рэчывы. Добрым паглынальнікам нейтронаў з'яўляецца метал кадмій. Калі павольны нейтрон сутыкаецца з ядром атама кадмію, то ён застаецца ў гэтым ядры і, такім чынам, выводзіцца з рэакцыі. Ядзерныя рэактары забяспечваюцца некалькімі стрыжнямі з кадмію. Апускаючы такія стрыжні ў зону рэакцыі, можна зніжаць у ёй канцэнтрацыю нейтронаў, і наадварот: вымаючы - павялічваць. Для поўнай прыпынку працы ядзернага рэактара служаць так званыя стоп-стрыжні. Стоп-стрыжні вырабляюць таксама з кадмію, але памер іх робяць значна больш, чым кіраўнікоў стрыжняў. Пры поўным апусканні стоп-стрыжняў ў зону рэакцыі яны настолькі шмат паглынаюць нейтронаў, што рэакцыя дзялення ядраў ядзернага гаручага цалкам спыняецца.

У цяперашні час вядуцца распрацоўкі энергетычных установак, якія дазволяць атрымліваць электрычны ток на борце касмічнага карабля з выкарыстаннем ядзернага гаручага. Асноўнай часткай ядзерных энергетычных установак касмічных караблёў будуць, вядома, ядзерныя рэактары, з прынцыпам працы якіх мы азнаёміліся. Ядзерныя рэактары дазволяць ствараць энергетычныя ўстаноўкі вельмі вялікай магутнасці.

Самы рацыянальны шлях ператварэння атамнай (внутриядерной) энергіі ў электрычную - гэта выкарыстанне цяпла, які ўтвараецца пры дзяленні ядраў атамнага паліва для награвання і выпарэння якога-небудзь рэчывы (працоўнага цела); пар можа прыводзіць у рух турбіну, якая круціць генератар, які выпрацоўвае электрычны ток.

Ядзернае гаручае ў мільёны разоў пераўзыходзіць па теплопроизводительности любы іншы выгляд паліва. А чаму ж энергетычныя ўстаноўкі на гэтым гаручым, нягледзячы на яго выключна высокую теплопроизводительность, маюць усё-такі вялікі вага? Бо запас паліва па вазе, нават пры вельмі працяглым тэрміне палёту, можа быць невялікі. Справа ў тым, што ядзерная энергетычная ўстаноўка пры працы вылучае вялікая колькасць выпраменьванняў, якія складаюцца галоўным чынам з пранікальных праз розныя матэрыялы нейтронаў і ў-прамянёў. У зямных умовах атамны рэактар, які з'яўляецца галоўнай часткай атамных электрастанцый, для стварэння бяспечных умоў працы абслуговаму персаналу атачаюць тоўстымі бетоннымі сценамі. Усе пульты кіравання працай атамнай электрастанцыі ўсталёўваюць за бетоннай сцяной. Бетонная абарона важыць тысячы тон. Такі выгляд абароны, вядома, не можа прымяняцца на касмічных караблях. Якая ж абарона экіпажа ад пранікальнай радыяцыі, якая ўзнікае пры працы атамнага рэактара, магчымая на касмічным караблі? Па-відаць, ядзерная энергетычная ўстаноўка падчас працы павінна знаходзіцца не на борце, а на некаторым выдаленні ад карабля. Варта памятаць, што інтэнсіўная пранікальная радыяцыя ўзнікае толькі падчас працы ядзернага рэактара, г. зн. калі ў ім адбываецца працэс дзялення ядраў атамаў ядзернага гаручага. А калі рэакцыя дзялення не ідзе, то небяспека радыеактыўнага апраменьвання ад рэактара невялікая і абараніцца ад гэтай небяспекі не ўяўляе вялікай складанасці.
 

Мал. 13. Схема ўзаемнага размяшчэння касмічнага карабля і ядзернага рэактара.

Ядзерная энергетычная ўстаноўка (ЯЭУ) да вываду касмічнага карабля на калязямную арбіту можа знаходзіцца ў непрацоўным стане. Пасля таго як карабель выйдзе на арбіту, дзе ўсё становіцца бязважкім, ядзерны кацёл, хоць ён на Зямлі важыць нямала, можна лёгка выдаліць на некаторы адлегласць ад службовых памяшканняў карабля. Для гэтага на касмічным караблі павінна быць прадугледжана прылада, якое на спецыяльнай выносны страле магло адсоўваць ЯЭУ ад карабля. На малюнку 13 паказана становішча ЯЭУ адносна службовых адсекаў карабля пасля таго, як яна была выдаленая ад апошніх.

Аднак, нягледзячы на тое, што з прычыны выдалення ядзернай энергетычнай устаноўкі ад касмічнага карабля нейтроны і ў-прамяні ў асноўным будуць рассейвацца ў касмічнай прасторы,абыходзячы корпус касмічнага карабля, усё ж якая-то частка выпраменьвання будзе трапляць на карабель, і ад яе таксама патрэбна абарона. Можна ўсталяваць перашкоду паміж ЯЗУ і корпусам карабля з тоўстага матэрыялу, які б цалкам паглынала якая ідзе ад рэактара ў бок карабля радыяцыю. Але таўшчыня - значыць вага, павелічэнне жа вагі для касмічнага карабля вельмі непажадана.

Для атрымання лёгкага і надзейнага ахоўнага экрана яго варта рабіць не з тоўстага ліста матэрыялу, а з шэрагу тонкіх лістоў, адлеглых адзін ад аднаго на некаторай адлегласці. Гэтым лістам - дыскаў надаюць пэўную форму і ўсталёўваюць іх пад пэўным вуглом так, каб усё гэта спрыяла змене кірунку руху падальных на гэтыя лісты нейтронаў і ў-прамянёў. Нейтроны і ў-прамяні, змяніўшы напрамак руху пад дзеяннем такога дыска, сыдуць у навакольную прастору, не патрапіўшы на корпус касмічнага карабля. Тая частка выпраменьвання, якая ўсё ж зможа прайсці праз першы дыск, не змяняючы кірункі руху, патрапіць на другі, затым на трэці і г. д. Кожны наступны дыск ахоўнага экрана будзе таксама адхіляць ў бок пучкі нейтронаў і ў-прамянёў. У канчатковым выніку, калі радыяцыя пройдзе ўвесь набор дыскаў, яна будзе значна аслаблена і няшкодная для экіпажа.

Мы разгледзелі магчымыя спосабы атрымання электрычнай энергіі, прыдатныя для ўжывання на борце заселенай касмічнага карабля. Хімічныя батарэі, сонечныя батарэі і радыеізатопных ўстаноўкі ўжо прымяняюцца на існуючых касмічных апаратах. Ядзерная энергетычная ўстаноўка - найбольш магутны з усіх крыніц электрычнай энергіі - пакуль знаходзіцца ў стадыі адпрацоўкі ў зямных умовах.