Современная научно-техническая революция сделала науку, слившуюся с производством, ведущим фактором прогресса. Поэтому будущий специалист еще в студенческой аудитории должен быть ориентирован на скорую встречу с совершенно новыми процессами, новой техникой, настроен на оригинальное поисковое решение научных и технических задач.
Еще до 1750 года было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неизвестной вплоть до 1880-х годов. В ряде экспериментов, проведенных в период 1882–1889, немецкие физики-экспериментаторы Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха металлическая поверхность, раскаленная добела, приобретает положительный заряд. Об аналогичных наблюдениях упоминалось в патентной заявке Томаса Эдисона.
Процесс термоэлектронной эмиссии (см. рисунок 1) по принципу действия аналогичен процессу испарения жидкости, и его иногда называют «испарением электронов», чтобы поближе ознакомиться с ним и его применением в технике, для начала рассмотрим его физическую основу.
Микроструктура металла представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой расположены ионы, совершающие колебательное движение, и свободные электроны, движущиеся совершенно хаотично с различными по величине скоростями.
На перемещение электронов влияют как заряды ионов, так и заряды свободных электронов. Данное воздействие ближайших частиц заставляет электрон менять его направление и величину скорости. Таким образом, на поверхности металла электроны, выходящие из него, и ионы, расположенные на поверхности, образуют тонкий двойной слой положительных и отрицательных зарядов. Этот слой препятствует вылету электронов из металла. На электрон, попавший в двойной слой, действуют с одной стороны силы притяжения ионов, с другой — силы отталкивания электронов. Под действием равнодействующей данных сил электроны возвращаются в металл.
Работа, которую должен совершить электрон для преодоления сил притяжения к металлу, называется работой выхода электрона. При невысоких температурах число электронов, вылетающих из металла незначительно так, как большинство электронов обладает энергией недостаточной для совершения работы выхода. При повышении температуры металла увеличивается количество электронов, способных совершить работу выхода. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов может вылететь из него. Следовательно, ток эмиссии возрастет с увеличением температуры.
Рис. 1. Термоэлектронная эмиссия
Математически данное явление сформулировал О.Ричардсон в 1902.
,
где k — постоянная Больцмана, А — постоянный множитель, а W — работа выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла.
Рассмотрим применение данного процесса в технике.
Рис. 2. Схема термоэмиссионного генератора
Термоэмиссионный генератор (ТЭмГ) (см. рисунок 1) представляет собой два плоских электрода, разделенных небольшим промежутком d= 0,1 до 0,001 мм и включенных в цепь с нагрузочным резистором. Подогреваемый (до 1500–3000К) электрод называют катодом, а холодный анодом.
Термические циклы термоэмиссионного генератора осуществляются при наличии не менее двух источников теплоты разной температуры, замкнутой электрической цепи и при соблюдении условий поддержания интенсивной термоэлектронной эмиссии.
Подвод и отвод теплоты в циклах происходит в твердых телах, то есть практически с постоянной теплоемкостью и изотермически. На процессы перехода с одного температурного уровня на другой в реальных условиях влияет множество факторов, однако теоретически коэффициент полезного действия получившегося цикла будет приближаться к коэффициенту полезного действия цикла Карно.
Обсудим недостатки термоэмиссионных генераторов.
Главным недостатком является то, что они вырабатывают ток большой силы и низкого напряжения. Например при мощности в 1кВт получается ток напряжение в 1В и силой 1000 А, что дает величину нагрузочного сопротивления 10 в -3 степени Ом, которая для большинства областей неприемлема. Из этого положения есть лишь один выход — соединение большого числа элементов в батарею, либо применение преобразователей, повышающих напряжение.
Также проблемой является подбор материалов по величине работы выхода, температуре плавления, антикоррозионности.
Следующим недостатком является внутренне магнитное поле, возникающее как результат движения электронов, которое накладывает ограничения на мощность, размер и коэффициент полезного действия термоэмиссионного генератора. Оно зависит от геометрии электронов и нейтрализуется наводимыми извне полями.
Однако помимо недостатков термоэмиссионные генераторы обладают и рядом преимуществ. Важнейшее из них — термоэмиссионный генератор, по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями, имеет меньшие габаритные показатели, высокую надёжность, отсутствие в них движущихся частей, возможность эксплуатации без систематического обслуживания.
Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе термоэмиссионных генераторов в космосе на спутниках.
В Советском Союзе параллельно с работами по созданию ЯЭУ (ядерная энергетическая установка) с термоэлектрическими генераторами проектировались ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить коэффициент полезного действия, повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. В 1970–1973 гг. были созданы три прототипа термоэмиссионной ядерной энергетической установки, которые прошли наземные испытания первые. Эти испытания непосредственно подтвердили возможность стабильного получения удовлетворительных выходных параметров реактора-преобразователя. Работы шли по ядерным энергетическим установкам двух типов: ТЭУ-5 «Тополь» (Топаз-1) и «Енисей» (Топаз-2). Летные испытания двух образцов ЯЭУ «Тополь» были проведены в 1987–1988 гг. на космическом аппарате (КА) «Плазма-А» разработки конструкторского бюро «Арсенал» («Космос-1818» и «Космос-1867»). ЯЭУ на КА «Космос-1818» проработала в течение 142 суток, а ЯЭУ на «Космос-1867» — в течение 342 суток. В обоих случаях окончание работы ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия, используемого при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя. [1]
Рассмотрим пример мощной установки, основанной на термоэмиссионном преобразовании. Реактор ТОПАЗ (см. рисунок 2) был первым в мире реактором, основанным на термоэмиссионном преобразовании, пущенным в СССР в 1970 году.
В качестве источника теплоты использовалось ядерное топливо. Сам преобразователь состоял из молибденового катода с вольфрамовым покрытием, нагретым до высокой температуры, испускающим электроны, которые преодолевают промежуток, заполненный ионами цезия под низким давлением, и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку. Данный реактор содержал 79 таких элементов.
Его генерируемая мощность — от 5 до 10 кВт. Было сконструировано два таких реактора, которые проработали 1500 часов и 6000 часов, соответственно.
Рис. 2. Реактор ТОПАЗ
В данный момент мы можем наблюдать настоящий ренессанс космической ядерной энергетики — для решения энергоемких задач на околоземной орбите и в дальнем космосе требуется огромное количество энергии, выработать которую в настоящее время способны только ядерные энергетические установки. Я считаю, что при должном финансировании и внимании мирового ученого сообщества к этой технологии человечество уже в ближайшем будущем будет способно подойти к промышленному освоению космоса, пилотируемому полету на Марс и исследованию дальних планет.
Литература:
- Про атом. Ядерные энергетические установки в космосе. П. А. Карасев. www.proatom.ru
- Алексеев Г. Н. Общая теплотехника: Уч. Пособие. — М.: Высшая школа, 1980. — 552 с.
- Энциклопедия кругосвет. Термоэлектронная эмиссия. http://www.krugosvet.ru
- Ушаков Б. А., Никитин В. Д., Емельянов И. Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. — М.: Атомиздат, 1979–288 с.
