Преобразователи энергии (стр. 4 )

Рис. 5.4.1. Схема индуктивно-емкостного электромеханического преобразователя

Простейший индуктивный ЭМП L соединен механически и имеет общую электрическую цепь с емкостным ЭМП С. Индуктивный ЭМП состоит из катушки 1, возбуждаемой постоянным током, и подвижного сердечника 2, соединенного через коромысло 4, укрепленного на опоре 3, с емкостным ЭМП, который представляет собой конденсатор 6 с движущимся диэлектриком 5. К конденсатору подводится постоянное напряжение Uв. Катушка индуктивности через сопротивление Rн соединена с конденсатором. При резонансной частоте , когда , наступает электромеханический резонанс. Частота сети и механическая частота одинаковы и ЭМП, находясь в электромеханическом резонансе, имеет наилучшие технико-экономические показатели.

В данном ЭМП органически объединены в одном агрегате индуктив-ный и емкостный ЭМП. Этот индуктивно-емкостной ЭМП, как и любая электрическая машина, обратим. Машина может работать в режиме генератора, потребляя механическую энергию Wмех, или двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую. Для этого надо подавать электрическую энергию в электрическую цепь ЭМП (рис. 5.4.1).

На рис. 5.4.2 представлена схема индуктивно-емкостного ЭМП, принцип действия которого основан на изменении линейных размеров сердечника под воздействием электромагнитного поля. Данный ЭМП состоит из магнитострикционной 1 и пьезоэлектрической 2 частей.

Рис. 5.4.2. Схема вибрационного индуктивно-емкостного электромеханического

преобразователя

В качестве магнитострикционного материала можно использовать пермендюр или чистый никель, а материалом с наилучшими пьезосвойст-вами является твердый раствор цирконатотитаната свинца.

Соединяя механически магнитострикционный и пьезоэлектрический материалы, можно настроить обе части в резонанс. В свою очередь электрическая цепь (рис. 5.4.2), которая состоит из обмотки, создающей поле с индукцией В, и внутреннего сопротивления пьезоматериала, настраивается на резонанс с механическими колебаниями стержней. При этом осуществляется электромеханическое преобразование энергии. Перспективными являются попытки создания двухфазных сегнетомагнетиков, представляющих сочетание пьезодиэлектрика и магнитострипционного материала.

Индуктивно-емкостные машины с возвратно-поступательным движением можно заменить на ЭМП с вращательным движением, соединяя их общим валом. В таком исполнении индуктивно-емкостные ЭМП дают возможность получить большие быстродействия и возможность работать без источников реактивной мощности. Возможны и другие эффективные конструктивные схемы индуктивно-емкостных ЭМП, например, с жидким ротором, совмещение в одном агрегате индуктивной и емкостной машины и т. д. Математическое описание процессов преобразования энергии в индуктивно-емкостных ЭМП состоит из системы уравнений индуктивной и емкостной машины, которая имеет вид:

(5.11)

Mэl = M( IsIr), Mэс = С(usur). (5.12)

В уравнениях (1) и (2) ul и ic – соответственно субматрицы напряжений и токов индуктивной машины; lc и uc – субматрицы токов и напряжений емкостной машины, подобные индуктивной машине; zl – матрица сопротивления индуктивной машины; zc – матрица сопротивления емкостной машины, подобная индуктивной машине; Mэl – момент индуктивной машины; Мэс – момент емкостной машины.

Система уравнений (5.11) и (5.12) совместно с уравнением движения описывает поведение индуктивно-емкостного ЭМП в переходах и установивших режимах.

Несмотря на то, что индуктивно-емкостные преобразователи с рабочими электрическими и магнитными полями являются высшим типом ЭМП, приведенные схемы ЭМП этого типа не нашли практического применения в технической электромеханике в земных условиях. В живых организмах индуктивно-емкостные преобразователи встречаются достаточно редко.

Основная область, в которой функционируют индуктивно-емкост-ные ЭМП – космос. Солнце и планеты солнечной системы являются преобразователями энергии этого типа.

5.5. Принципы электромеханического преобразования с

использованием магнитного поля

В настоящее время в электромеханических преобразователях преимущественно используется магнитное электромеханическое преобразование энергии, которое в отличие от электрического электромеханического преобразования энергии имеет существенно лучшие энергетические показатели.

Среди магнитных электромеханических преобразователей энергии известно пять видов электромеханического преобразования энергии с использованием различных принципов формирования усилия и момента, различающихся основными характеристиками (табл. 5.4.1).

Таблица 5.4.1

Электромеханические преобразователи энергии с использованием

различных принципов формирования усилия и момента

Вид преобразователя	Принцип взаимодействия	Область применения
Магнитоэлектрический	проводников с токами с независимым магнитным полем	синхронные машины с магнитным возбуждением
Индукционный	проводников с токами, с наведенными токами в коротко-замкну-тых обмотках или в сплошном электропроводном теле	индукционные (асинхронные машины)
Электромагнитный	проводников с токами с ферромагнитным телом	реактивные машины
Гистерезисный	проводников с токами с перемагничиваемым или магнитотвердым (гистерезисным) полем	гистерезисные машины
Электродинамический	проводников с токами подвижной и неподвижной частей преобразователя	электродинамические вибраторы, машины постоянного тока

Из анализа известных принципов электромеханического преобразования энергии с использованием магнитного поля системы следует, что индукционный принцип в значительной степени отличается от остальных, а гистерезисный, как это отмечено в табл. 5.4.1, является универсальным, т. е. синхронно-асинхронным. У каждого принципа есть свои достоинства и недостатки, рациональная область применения.

Вместе с тем этот набор принципов позволяет выполнять их комбинационно, с целью создания электромеханических преобразователей энергии с различными принципами формирования усилий и моментов.

5.6. Классификация ЭМП магнитного поля (ЭМП-МП)

В ЭМП магнитного поля преобразование энергии может осуществляться только при изменении собственных (L) и взаимных (М) индуктивностей. В соответствии с этим ЭМП-МП по принципу действия можно разделить на три группы:

1) L-ЭМП, принцип действия которых основан на изменении собственных индуктивностей;

2) М-ЭМП, принцип действия которых основан на изменении взаимных индуктивностей;

3) LM-ЭМП, работающие при одновременном изменении собственных и взаимных индуктивностей.

К первой группе ЭМП относятся синхронные реактивные двигатели, машины постоянного тока последовательного возбуждения, некоторые типы шаговых двигателей, электромагнитные двигатели.

Ко второй группе следует отнести асинхронные и синхронные активные машины, машины постоянного тока независимого возбуждения, электродинамические двигатели.

Третья группа включает машины постоянного тока смешанного возбуждения, индукционно-динамические двигатели, некоторые типы шаговых и электромагнитных двигателей (гибридных двигателей).

В каждую из выделенных групп входят как простейшие (элементар-ные) ЭМП, имеющие одну или две обмотки, так и сложные ЭМП, имеющие более двух обмоток или секций. Последние можно рассматривать как совокупность элементарных ЭМП, работающих поочередно или одновременно.

Электромеханическое преобразование энергии может происходить непосредственно или с промежуточным преобразованием. В связи с этим ЭМП разделяются на однократные и двукратные. В однократных ЭМП двигательного режима электрическая энергия прямо преобразуется в механическую. К ним относятся М-ЭМП. В двукратных ЭМП электри-ческая энергия последовательно преобразуется в магнитную, которая в свою очередь преобразуется в механическую. К ним относятся L-ЭМП, LM-ЭМП.

Электромеханические преобразователи могут быть преобразова-телями непрерывного и импульсного (дискретного) действия. Традиционные электрические машины обычно совершают длительное вращательное движение, т. е. непрерывный процесс обмена энергией между электрической и механической системами. В специальных электрических машинах (линейных, возвратно-поступательных, ударных генераторов и др.) взаимодействие между источником питания, электрическими и механическими системами машины осуществляется импульсно, часто при ограниченном механическом перемещении.

5.7. Сравнительный анализ электромеханических преобразователей

В любом ЭМП без потерь энергия W, запасенная в рабочем поле, полностью преобразуется в механическую или электрическую энергию за половину оборота. Тогда мощность преобразователя , где Т – период вращения; n – число оборотов в единицу времени.

Следует отметить, что, кроме основной функции – служить преобразователем энергии, ЭМП является концентратором электромагнитного и тепловых полей. Главным критерием, определившим преимущественное практическое использование индуктивных ЭМП является плотность энергии, сосредоточенной в его зазоре.

Плотность энергии электромагнитного поля определяется выражением:

,

где Е и Н – напряженность электрического и магнитного полей; ε и µ – относительные электрические и магнитные проницаемости; ε0 и µ0 – электрические и магнитные постоянные.

В емкостном преобразователе удастся достичь напряженности поля свыше 600 кВ/см, что соответствует плотности энергии электрического поля:

кДж/м3.

Плотность энергии магнитного поля при индукции В = 2 Тл в 50 раз превышает плотность энергии индуктивного ЭМП по сравнению с емкостным ЭП.

кДж/м3.

Таким образом, исходя из критерия плотности энергии, индуктивные ЭМП лучше емкостных. Приведенные значения плотностей энергии можно считать предельными, так как определяются предельными значениями величин Е и Н для современных материалов, используемых в ЭМП.

Существует и другой подход к сравнению индуктивных и емкостных ЭМП. Согласно ему предлагается сравнивать не плотности энергии магнитного и электрического полей в зазоре ЭМП, а отношение энергии, запасенной в рабочем объеме машин, к объему всей машины.

В индуктивных ЭМП значительную часть их объема занимает ферромагнитный потокопровод, служащий для замыкания непрерывного магнитного поля. Поток же вектора смещения прерывен, начинается и кончается на заряженных проводниках. Поэтому емкостный ЭМП не имеет потокопровода и рабочий объем между взаимодействующими поверхностями составляет значительную долю всего объема ЭМП. Таким образом, даже при меньшей плотности энергии электрического поля, емкостный ЭМП может не уступать индуктивному ЭМП по величине энергии и мощности, приходящейся на единицу полного объема машины.

Несмотря на более чем трехвековую историю развития емкостных ЭМП, они как силовые ЭМП не получили широкого применения. Теория емкостных ЭМП также не получила достаточного развития.

Одной из причин отсутствия применения емкостных ЭМП в промышленности является копирование индуктивных ЭМП, которые при вращательном движении нельзя заменить емкостными. Надо создавать емкостные ЭМП для тех применений, где индуктивные ЭМП имеют плохие технико-экономические показатели. Это, в первую очередь, ЭМП с возвратно-поступательным движением, ЭМП, обеспечивающие точные, перемещения в трехмерном пространстве. В настоящее время, исходя из того, что емкостные ЭМП являются ЭМП высокого напряжения (сотни и тысячи киловольт) и малых токов, а индуктивные ЭМП работают при невысоких напряжениях и больших токах, наметились и рациональные области их применения. Индуктивные ЭМП широко используются во всех отраслях техники. Емкостные ЭМП, получившие сравнительно узкую область использования, применяются при исследовании атомного ядра, для окраски в электрическом поле, в электронно-ионной технике и т. п.

В индуктивно-емкостных ЭМП концентрация и преобразование энергии происходит в электромагнитном поле. Поэтому следует предположить, что их предельные показатели по удельным силовым и энергетическим показателям находятся между одноименными показателями индуктивных и емкостных ЭМП, приближаясь больше к показателям индуктивных ЭМП.

Сравнение ЭМП энергии L и C типа при одной и той же развиваемой мощности и реально достигнутых значениях напряженности (индукции) магнитного поля и напряженности электрического поля свидетельствует о гораздо меньших геометрических размерах активной зоны преобразова-теля L типа. Покажем это на примере синхронного генератора.

Превращение механической энергии в электрическую происходит в воздушном зазоре между ротором и статором. При этом величина окружной скорости ротора, выбранная из конструктивных соображений, составляет 100 м/с.

Тангенциальные силы взаимодействия между статором и ротором будут определяться энергией магнитного поля .

В данном случае эти силы будут противодействующими силами первичного двигателя, например, турбины.

Коэффициент α зависит от конструкции генератора и характеризу-ется косинусом угла, образованного силой со скоростью ротора ω. Обычно α имеет величину, равную нескольким десятым долей единицы.

Напряженность магнитного поля Н определяется насыщением железа и не превышает 2·106 А/м. Для поставленных условий удельная мощность в этом случае составит 1 кВт/см2. Поэтому для синхронного генератора мощностью 100 МВт ротор должен иметь рабочую поверхность около 10 м2, что соответствует реальным размерам ротора на практике.

Для генератора С-типа, работающего на электрическом поле, энергия его будет иметь вид: , где Е – напряженность электрического поля, которая ограничивается диэлектрической прочностью воздуха и не превышает 3·106 В/м. Поэтому, чтобы получить ту же мощность 100 МВт, потребуется ротор с поверхностью 4·104 раз больше, т. е. равной 0,5 км2. На практике генератор с нашими размерами представляется неосуществимым.

5.8. Области применения ЭМП

На рис. 5.8.1 в координатах Е, Н показана область применения емкостных машин (большие значения Е и небольшие Н), область индуктивных ЭМП (большие значения Н и малые Е) и область индуктивно-емкостных машин (большие значения Е и Н). В комбинированных ЭМП возможны более высокие удельные показатели и большие концентрации энергии.

Рис. 5.8.1. Области применения ЭМП

Область применения индуктивных ЭМП – это вращательное и линейное движение, сравнительно низкие частоты и напряжения. Емкостные ЭМП должны применяться при возвратно-поступательном движении при высокой частоте и напряжении. Индуктивно-емкостные ЭМП объединяют лучшие качества обоих классов ЭМП.

Хотя еще нет промышленных применений индуктивно-емкостных ЭМП, в природе они распространены широко. К ним, по-видимому, относятся биологические двигатели, в которых также происходит электромеханическое преобразование энергии.

Создание робототехники (копирование биодвигателей) должно идти по пути индуктивно-емкостных ЭМП с возвратно-поступательным движением (ВПД).

В настоящее время преимущественно в технике используются индуктивные ЭМП. Это объясняется их высокими удельными энергетическими показателями. Использование материалов в них доходит до 1,5 кг/кВт.

Если представить шкалу мощностей от нуля до бесконечности и на ней выделить предпочтительные области, в которых применяются индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные ЭМП, то емкостные ЭМП займут область от нуля примерно до несколько ватт, а индуктивные ЭМП господствуют в области больших мощностей: от долей ватта до 1024 и выше (рис. 5.8.2).

Рис. 5.8.2. Области распространения ЭМП: 1 – емкостные, 2 – индуктивно-емкостные,

3 – индуктивные. Диапазон мощностей ЭМП 10-17–109 Вт

На шкале мощностей можно отметить две характерные точки: 109 Вт – это мощность турбогенератора, самой мощной индуктивной электрической машины, созданной человеком, и 10-17 Вт – мощность самого маленького биологического двигателя – ворсинки бактерии (самой маломощной машины, создаваемой природой).

6. Преобразователи электромагнитной (фотонной) энергии

6.1. Преобразование солнечной энергии в тепло

Гелиоэнергетика – это область энергетики, занимающаяся поиском путей более полного и эффективного использования энергии Солнца, приходящей на Землю в виде солнечных лучей.

Пименяются два метода преобразования – термоэлектрический и фотоэлектрический.

При фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии используется явление фотоэффекта, возникающее в результате воздействия солнечного излучения на поверхностные слои полупроводника толщиной 2–3 мкм, высвобождая при этом некоторое количество электронов. Если в полупроводнике присутствуют свободные электроны и разность потенциалов, то возникнет электрический ток. Разность потенциалов возникает между облучаемой поверхностью и его «теневой» стороной.

Чистый кремний (или германий), показатели которого хуже, является диэлектриком и разность потенциалов в нем возникнуть не может. Она появляется за счет внедрения в его поверхность слоя специальных добавок. Донор (мышьяк, фосфор) наносится тонким слоем на облучаемую наружную поверхность, образует дополнительные электроны и, следовательно, отрицательный заряд. Акцептор (бор, бром) наносится на внутреннюю поверхность, способствует появлению дефицита электронов и, следовательно, положительного заряда. Положительный и отрицательный заряды создают разность электронов. Приборы, основанные на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами.

Фотоэлектрические преобразователи имеют высокую стоимость, низкий КПД и применяются в малых масштабах в специальных целях.

Термоэлектрический способ заключается в идее фокусирования в нужной точке солнечного излучения, собираемого с некоторой поверхности. Например, использование большого параболического зеркала или параболической поверхности, покрытой большим количеством маленьких зеркал. Все остальное оборудование такое же, как у тепловой электростанции. При использовании достаточно больших концентраторов такие электростанции могут иметь КПД до 30 %. Стоимость энергии солнечных электростанций будет достаточно высока. Сами по себе концентраторы сложны и дороги. Кроме того, они должны иметь еще систему слежения за Солнцем. Так, например, на сооруженной в Крыму солнечной электростанции мощностью 5 МВт стоимость электроэнергии в сотни раз дороже, чем на тепловых и атомных электростанциях. Но строительство таких станций необходимо для приобретения опыта строительства и эксплуатации подобных установок. Упрощенная технологическая схема солнечной электростанции башенного типа (паротурбинный метод) представлена на рис. 6.1.1.

Рис. 6.1.1. Схема солнечной электростанции башенного типа: 1 – улавливатель солнечных лучей; 2 – приемник; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – теплообменник; 5 – паровая турбина; 6 – конденсатный насос; 7 – конденсатор; 8 – генератор

 

6.2. Фотоэлектрическое преобразование энергии

Фотоэлектропреобразователь (ФЭП) преобразует в электрическую энергию электромагнитные излучения. Исходное излучение может иметь как тепловую, так и не тепловую природу. В большинстве случаев ФЭП использует электромагнитные излучения (свет) от Солнца, природа которого считается тепловой.

Принцип работы ФЭП основан на фотоэффекте, который получил объяснение в работах Энштейна в 1905 г. Сущность фотоэффекта состоит в том, что электроны, содержащиеся в материале катода ФЭП, под действием поглощающего электромагнитного излучения изменяют свое энергетическое состояние.

Успехи в развитии ФЭП были достигнуты при переходе на преобразователи с запирающем слоем, основанные на внутреннем или вентильном фотоэффекте. Запирающий слой образуется при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Схема образования запирающего слоя показана на рис. 6.2.1. Поскольку в п-полупроводнике имеются в избытке свободные электроны (с отрицательными зарядами), а в р-полупроводнике дырки (с положительным зарядом), то при контакте двух полупроводников электроны начинают диффундировать в р-полупроводник, а дырки – навстречу в п-полупроводник. Этот процесс продолжается до тех пор, пока избыточная концентрация отрицательных и положительных зарядов в запирающем слое толщиной d не создает разности потенциалов, которая уравновесит диффузию зарядов. Эта контактная разность потенциалов в большинстве случаев несколько десятых вольта при толщине запирающего слоя 10-4–10-5 см. Контактная разность потенциалов не может быть использована для создания тока, т. к. при замыкании цепи она будет уравновешена такой же разностью, но противоположного знака.

Рис. 6.2.1. Схема запирающего слоя при контакте полупроводников п - и р-типа

Положение меняется, когда на границу между п- и р- полупроводниками падает свет. Действие света состоит в том, что в обоих полупроводниках появляются дополнительные пары электрон – дырка. Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются: электроны – в п-полупроводник, заряжая его отрицательно, а дырки в р-полупроводник, заряжая его положительно. Эта дополнительная разность потенциалов, поддерживаемая дополнительным освещением контактной поверхности, при замыкании внешней цепи создает электрический ток. При прекращении освещения ток прекращается.

Освещение поверхности контакта технически обеспечивается тем, что на р-полупроводник наносится практически прозрачная пленка п-полупроводника, через которую свет достигает контактной поверхности.

Изготавливаемые в настоящее время ФЭП создаются на основе кремния или германия. Эти элементы IV группы периодической системы Менделеева в чистом виде представляют собой диэлектрики. Однако за счет легирования соответствующими малыми примесями из них можно создать полупроводники п- и р- типа, обладающие нужными для ФЭП свойствами.

Под КПД ФЭП понимается отношение выработанной им электроэнергии к используемой лучистой энергии. На основе законов Эйнштейна можно показать, что если полупроводниковый элемент с некоторой шириной запрещенной зоны W, находящийся при температуре Т2, освещается светом от абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т1, причем из общего потока излучения выделены частоты, которые находятся в интервале от до , то предельный теоретический КПД такого фотопреобразователя оказывается равным

,

т. е. равным КПД цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур. При этом предполагается, что излучение во всех других частотах отражается обратно к горячему источнику.

В действительности за счет джоулевских потерь в самом ФЭП электроэнергия, которая может быть отдана во внешнюю цепь, меньше, чем произведенная электроэнергия, в связи с чем максимальный КПД равен:

,

где – КПД цикла Карно; – электрический КПД, который в режиме максимальной мощности имеет различные значения для разных ФЭП в зависимости от вида их вольт-амперной характеристики.

В случае расчета КПД солнечного ФЭП (именно такие ФЭП интересны с точки зрения энергетики) он оказывается еще меньшим:

,

где учитывает, что Солнце является не монохроматическим источником излучения и что отражать не использованную в ФЭП энергию, лежащую в диапазоне частот и , обратно на Солнце бессмысленно.

В последнее время ФЭП получили достаточное развитие в качестве бортовых источников электроэнергии для космических аппаратов. Для основного типа кремниевых ФЭП достигнуто в эксплуатации значение КПД около 15 %. ФЭП на базе арсенида галлия в лабораторных условиях имеет КПД до 20 %. Сегодня ФЭП очень дороги из-за высокой стоимости чистых полупроводниковых материалов.

7. Преобразователи ядерной энергии

7.1. Преобразователи на тепловых нейтронах

В настоящее время применяется несколько типов ядерных преобразователей: ядерные батареи (источники электрического тока), ядерные двигатели и электростанции, в которых ядерный преобразователь (реактор) используется как источник тепла – теплогенератор. Ядерные теплогенераторы применяются и непосредственно – для обеспечения теплом промышленных объектов и отопительных систем.

Ядерная энергия освобождается при делении тяжелых ядер и синтезе легких ядер. Например, используется деление ядер урана и слияние ядер водорода.

Деление ядер тяжелых элементов может происходить естественно, без создания специальных условий, обеспечивающих протекание соответству-ющей реакции, и искусственно – в реакторах. Вещества, у которых ядра атомов способны делиться естественно, в большинстве своем относятся к группе искусственных радиоактивных изотопов, получающихся в процессе осуществления реакции деления ядерного топлива в реакторе.

Синтез ядер легких элементов в естественных условиях на Земле не встречается. Однако излучение Солнца целиком основано на реакциях термоядерного синтеза. Как показали исследования, для поддержания деятельности такого естественного термоядерного реактора достаточно, чтобы в течение года одному ядру из миллиона удалось принять участие в реакции слияния ядер.

Реакции деления и синтеза ядер могут идти как цепные самопод-держивающиеся реакции, т. е. после затраты некоторого начального количества подведенной извне энергии – энергии активации Еа (рис. 7.1.1) – они протекают самостоятельно с выделением энергии, возбуждая ядерные реакции в соседних ядрах за счет энергии части осколков деления. Число столкновений между частицами с энергией больше Еа, приводящее к превращениям – пропорционально (к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура). Тогда и скорость превращений можно предста-вить в виде произведения , в котором первый множитель учитывает геометрические условия встречи, а второй – энергетическую сторону.

Количество выделяющейся при ядерных реакциях энергии будет равно разности энергий связи начальных и конечных продуктов реакции.

Вещества, поддающиеся делению или синтезу ядер, называют по аналогии с химическими топливами ядерными топливами.

Ядерными топливами деления являются два: уран-235 и плутоний-239. Только у них вследствие особого соотношения между силами отталкивания и силами притяжения между нуклонами имеются условия для энергетически выгодного деления под действием освобождающихся в его процессе нейтронов.

Рис. 7.1.1. Энергия активации: Еа – энергия активации; Есв – освобождающаяся энергия

Практически все действующие ядерные энергетические установки используют в качестве источника питания изотоп урана уран-235, ядра которого делятся при бомбардировке тепловыми нейтронами, т. е. нейтронами, средняя кинетическая энергия которых соответствует температуре в реакторе.

Природный уран состоит из изотопа уран-238 и содержит лишь 0,7 % урана-235. Разложение этих изотопов представляет собой сложный и энергоемкий процесс. В обычных энергетических реакторах используется слабообогащенный природный уран, в котором содержание уран-235 повышено до 3–4,5 %.

Схема ядерной реакции, происходящей на тепловых нейтронах, сводится к следующему. При делении ядра уран-235, помимо ядер других элементов – осколков деления, образуется в среднем на каждое деление 2,5 нейтрона, средняя энергия которых очень велика – 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией практически не захватываются ядрами уран-235, но поглощаются ядрами уран-238. В то же время тепловой нейтрон может быть захвачен ядром уран-235 и вызывает его деление, которое дает 2,5 новых нейтрона. Для того чтобы в реакторе могла существовать непрерывная самоподдерживающаяся реакция, необходимо, чтобы из образующихся при каждом делении 2,5 нейтронов хотя бы один вновь вызвал деление ядра уран-235. Для этого образующиеся при делении быстрые нейтроны надо замедлить до того, как они поглотятся ураном-238 и другими материалами, имеющимися в реакторе.

Ядра урана-238, поглотившие нейтрон, после ряда промежуточных реакций превращаются в новый химический трансурановый элемент плутоний-239 с порядковым номером 94. Этот элемент по ядерным свойствам похож на уран-235. По мере того, как в процессе работы в нем накапливается плутоний-239, он начинает частично захватывать тепловые нейтроны и делиться с выделением новых нейтронов и энергии.

В результате освобождения ядерной энергии радиоактивных веществ энергия освобождается тоже в виде кинетической энергии электронов -частицы), ядер гелия -частицы), -квантов. Если энергия этих частиц поглощается веществом, то она вызывает тепловое движение, т. е. происходит переход кинетической (или механической) энергии в тепловую.

Однако при освобождении ядерной энергии деления возникают и новые возможности, связанные с тем, что среди образующихся частиц имеются электрозаряженные. Это позволяет проектировать и строить преобразователи ядерной энергии непосредственно в электрическую.

Рассмотрим преобразователи ядерной энергии в электрическую, тепловую и механическую, имеющие практическое значение.