Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ТЕРМОЭМИССИОННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

В СССР параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами проводились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями, имеющими более высокие технические характеристики. По сути, здесь используется тот же, что и в полупроводниковом преобразователе принцип, но вместо холодного и горячего спая применяют горячий карбидурановый катод и холодный стальной анод, а между ними находятся легко ионизирующиеся пары цезия. Эффект - электрическая разность потенциалов, то есть натуральная космическая электростанция. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить к.п.д., повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. Принцип термоионного преобразования тепловой энергии в электрическую заключается в том, что раскаленная выделяемым в реакторе теплом металлическая поверхность эффективно испускает ионы, адсорбируемые расположенной с небольшим зазором охлажденной стенкой.

В 1970-71 в СССР была создана термоэмиссионная ядерно-энергетическая установка «Топаз» (Термоэмиссионный Опытный Преобразователь в Активной Зоне), в которой использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла 31,1 кг 90% урана-235. Вес установки 1250 кг. Основой реактора были тепловыделяющие элементы – «гирлянды». Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод - "наперсток" из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод - тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650oC. Электрическая мощность 10 кВт. «Топазы» обладали кпд теплоэлектрического преобразования 5—10% против 2—4% у прежних реакторов.

Помимо урана-235 перспективен в качестве топлива реакторов космического назначения диоксид плутония-238, благодаря своему очень высокому удельному энерговыделению. В этом случае относительно низкий кпд термоэмиссионного реактора прямого преобразования компенсируется активным энерговыделением плутония-238.

Испытаны два термоэмиссионных реактора-преобразователя на промежуточных нейтронах (без замедлителя) - «Топаз-1» и «Топаз-2» электрической мощностью 5 и 10 квт соответственно. В установке «Топаз» прямое (безмашинное) преобразование энергии осуществляется во встроенных в активную зону малогабаритного теплового реактора электрогенерирующих каналов. Установка «Топаз-1» снабжена тепловым реактором-преобразователем и жидкометаллическим теплоносителем (натрий-калий или литий). Принцип прямого преобразования тепловой энергии в электрическую заключается в нагреве в вакууме катода до высокой температуры при поддержании анода относительно холодным, при этом с поверхности катода «испаряются» (эмиттируют) электроны, которые, пролетев межэлектродный зазор, «конденсируются» на аноде, и при замкнутой наружной цепи по ней идёт электрический ток. Основное преимущество такой установки по сравнению с электромашинными генераторами — отсутствие движущихся частей. Реализация концепции реактора-преобразователя на быстрых нейтронах с литиевым охлаждением в будущем возможно позволяет решить задачу создания установки электрической мощностью 500-1000 кВт и более.

Рис.9. Термоэмиссионная космическая ядерная установка «ТОПАЗ»

Ядерная энергетическая установка содержит: термоэмиссионный реактор-преобразователь с замедлителем из гидрида циркония и боковым бериллиевым отражателем, включающим поворотные органы регулирования; систему реактора-преобразователя: приводы органов регулирования  подачи цезия в электрогенерирующие каналы, скомпонованные в блок, расположенный перед реактором-преобразователем; теневую радиационную защиту из гидрида лития, обеспечивающего ослабление радиационного излучения реактора до уровней, допустимых для приборов космического аппарата; систему отвода неиспользованного тепла от реактора теплоносителем (эвтектика натрия-калия), включающая электромагнитный насос, питаемый электроэнергией от реактор-преобразователя, излучатель, для сброса тепла в космическое пространство и другие агрегаты. Мощность электрическая - 5 кВт, мощность тепловая - 150 кВт, ресурс, включая работу до 1 года на 100 кВт режиме - 7 лет, загрузка урана 235 - 11,5 кг, масса - 980 кг.

Пострадиационное восстановление клеток

Многочисленные эксперименты показывают, что живые организмы способны восстанавливать, по крайней мере, какую-то часть лучевых повреждений. На это указывают следующие факты. Количество погибших клеток, организмов, случаев задержки клеточного деления, различные морфологические и биохимические эффекты облучения при определенной дозе уменьшаются, если эта доза поглощается дискретно, т.е. порциями с определенными промежутками времени. Перерывы между облучениями клетки используют для восстановления от ряда повреждений структур. Уменьшение интенсивности радиобиологического эффекта наблюдается и в том случае, если определенную дозу клетке или организму давать в течение длительного промежутка времени, т.е. облучение с малой мощностью дозы менее эффективно, чем облучение высоким мощностями дозы.

Восстановление после облучения - это процесс ликвидации явных или скрытых повреждений, которые могли бы привести тому или иному радиобиологическому эффекту. Различают летальные и потенциально-летальные (потенциальные) повреждения. Повреждения называют потенциальными, если они могут привести к гибели клетки, но в определенных условиях такие повреждения могут быть восстановлены репарационной системой клетки. Реализация потенциальных повреждений зависит от физиологического состояния клетки и от внешних условий. Влияние условий пострадиационного культивирования показано на различных живых объектах: вирусах, бактериальных клетках, клетках грибов, клетках растений и животных. Впервые такой факт был обнаружен еще в 1949 году Ф. Шерманом и К. Чейзом, в экспериментах с дрожжевыми клетками. Они показали, что выживаемость облученных дрожжей увеличивается, если клетки помещать в питательную среду не сразу после облучения, а после инкубации их в течение определенного времени в буферном растворе. Однако, тогда эти авторы не смогли дать объяснение этому явлению. 

Способность клеток к пострадиационному восстановлению впервые экспериментально показал В.И.Корогодин. В его экспериментах суспензию дрожжей облучали в дозе 1,2 кГр, затем делили суспензию на две равные части. Одну часть клеток сразу высевали на питательную среду в чашки Петри, другую часть клеток  перед посевом выдерживали в течение 2 суток в буфере без питательной среды. Оказалось, что в первом случае выжило только 0,2 % клеток, то из второй части суспензии выживало около 40 % облученных клеток. Результат этого опыта свидетельствует, что клетки обладают способностью к самовосстановлению после летального облучения, и эта способность не зависит от наличия в популяции нелетально пораженных особей. В радиобиологии принято различать медленное и быстрое восстановление облученных клеток. В описанном выше эксперименте В. Корогодина обнаружено медленное восстановление, т.е. протекание  процессов занимает несколько часов. Наряду с такими долго протекающими физиологическими реакциями в клетках при облучении появляются и другие потенциальные повреждения, которые реализуются в летальные в течение нескольких минут после облучения. Восстановление таких повреждений называют быстрым восстановлением. Явление быстрого восстановления было обнаружено в 1981 году, в экспериментах с дрожжевыми клетками. Оказалось, что понижение температуры среды после облучения с 20° С до 3° С приводит к существенному снижению выживаемости клеток. Наоборот, выдерживание клеток при температуре 28° С после их облучения при 0° С, повышает выживаемость клеток. На рисунке 9 динамика выживаемости облученных клеток, выращенных в различных питательных средах, при инкубации их в дистиллированной воде при температуре 28 °С.

Рис. 2. Динамика восстановления жизнеспособности дрожжевых клеток после облучения в дозе 40 Гр.

- клетки, выращенные на стандартной питательной  среде,

 клетки, выращенные на питательной среде с 10 % NaCl

 

Как видно, в первые 1,5 часа происходит быстрое повышение выживаемости клеток, выращенных на соленой среде, что соответствует стадии быстрого восстановления. Примерно через 2 – 25 часов после облучения показатель выживаемости клеток изменяется медленно.  В этот промежуток времени происходит репарация повреждений в клетках за счет медленного восстановления. У клеток выращенных на стандартной питательной среде наблюдали  повышение выживаемости только за счет медленного восстановления.


На главную