где  - термический КПД  цикла;   - КПД преобразования энергии рабочего тела (пар, газ) в механическую энергию; - КПД преобразования механической энергии в электрическую.

К 3-й группе относятся такие преобразователи, в которых используется промежуточное рабочее тело, которое совершает термодинамический цикл для повода и отвода теплоты, нагревая и охлаждая элементы устройства. При этом тепловая энергия переводится в электрическую минуя преобразования в механическую.  К этой группе преобразователей относятся МГДГ.

В МГДГ происходит преобразование части кинетической и потенциальной энергии электропроводящего потока рабочего тела, пересекающего магнитный поток,  в электрическую энергию. При этом в качестве электропроводящего потока рабочего тела  используется низкотемпературная плазма или жидкие металлы. В МГДГ возможно получение удельной мощности порядка 1000 МВт/м³ (у судовых дизель-генераторов и турбогенераторов 50…60 МВт/ м³) [7].

Особенностью МГДГ является то, что в нем для подвода теплоты используется промежуточное рабочее тело (плазма, жидкий металл), которое имеет определенным термодинамические свойства. В качестве рабочего тела используется плазма, т.е. ионизированный газ при высокой температуре (допустим гелий при температуре 2300…2800 К). Гелий нагревается от ТВЭЛ высокотемпературного ядерного реактора  до  температуры ~ 2000 К (изобарный процесс) и при давлении 0,3…0,4 МПа поступает в сопло МГДГ, разгоняется до высокой скорости (изотермический процесс).  Вышедший из МГДГ газ охлаждается в регенераторе и затем в холодильнике – отдает теплоту окружающей среде, совершая изобарный процесс. Далее газ сжимается в компрессоре по изоэнтропе и через регенератор поступает в высокотемпературный реактор. В  канале МГДГ вырабатывается электрическая энергия. Таким образом, реализуется некоторый термодинамический цикл. КПД   такого устройства (допустим К  К) будет меньше 20% [8].

При использовании низкотемпературной плазмы имеются определенные технические проблемы по обеспечению надежности устройства.  Если применить в качестве рабочего тела в МГДГ жидкий металл, то не возникает необходимости в разогреве его до высоких температур, поскольку он и так обладает хорошей проводимостью по отношению к плазме. В этом случае реализуется цикл подвода теплоты к металлу, подобный пароводяному циклу. Однако при этом КПД преобразования тепловой энергии в электрическую будет не высоким из-за больших гидравлических потерь. Так при К, К и температуры на выходе из охладителя 500 К, эффективность  преобразования тепловой энергии оценивается в 6% [8]. Электрический КПД преобразования можно оценить по формуле:

где - КПД преобразования энергии потока в МГДГ в электрическую энергию (учитывает затраты энергии на создание магнитного поля и потери в электрических преобразователях).

В работе [14] предлагается преобразовывать тепловую энергию, подводимую к системе, в электрическую при помощи термоэлектрохимического генератора (ТЭХГ). По типу преобразования тепловой энергии в электрическую данное устройство похоже на МГДГ, поскольку имеет промежуточное рабочее тело, совершающее определенный циклический процесс. ТЭХГ представляет собой емкость, заполненную натрием и его парами. Здесь создаются  анодная и катодная полости разделенные электролитом. К анодной полости подводится тепловая энергия до частичного испарения натрия, а в катодной полости тепловая энергия отводится и пары конденсируются. Электрический потенциал снимается с металлических пористых электродов. В [14] отмечается, что главным  достоинством ТЭХГ является высокая экономичность. Поскольку предложенное устройство является относительно новой идеей, поэтому необходима определенная полемика по данной проблеме.  В целом следует отметить, что устройство, предложенное в работе [14], представляет интерес с точки зрения поиска новых подходов к преобразованию тепловой энергии в электрическую, однако это пока только идея. Любая, даже самая красивая идея требует практической проверки. Для этого необходимо создать для начала хотя бы модель этого устройства. После этого можно будет говорить о реальности высокого КПД, характерного для ТЭХГ. 

Во 2-й группе преобразователей не используется промежуточное рабочее тело, совершающее термодинамический цикл, однако нагрев элементов может осуществляться подводом теплоты от реактора или организацией нагрева элементов непосредственно в реакторе.  Второй способ преобразования (ТЭГ и ТЭМГ) на сегодняшний день отличается относительно не высоким КПД преобразования, низким напряжением, однако, по мнению [7] может быть востребован для ледоколов.

Принципы работы, достоинства и недостатки  ТЭГ изложены в работах [8], [9], [13].  В основе работы ТЭГ  лежат несколько физических эффектов. Во-первых эффект Зеебека - ЭДС в цепи, образованной спаями разнородных проводников  с разными температурами пропорциональна этой разности температур, т.е. dE=k_ab(Т)dT (здесь k_ab - коэффициент термо-ЭДС проводников a и b). Во-вторых   эффект Пельтье - если пропускать ток через цепь, состоящую из двух разнородных проводников, то между контактами возникает разность температур.  Поглощаемая  в этом случае тепловая мощность пропорциональна силе тока, (количество теплоты, превращаемой в электрическую энергию) т.е.  N_э =П_a,b I , где I - сила тока; П_a,b - коэффициент Пельтье. В-третьих эффект Томсона -  если температура изменяется по длине проводника, то при протекании электрического тока в проводнике выделяется или поглощается теплота пропорциональная силе тока, т.е. dN_т =k_тI(T/x)dx, где k_т - коэффициент Томсона, зависит от температуры и свойств проводника; (T/x) - градиент температуры вдоль проводника.

КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в ТЭГ можно выразить следующим соотношением [7]:

где Т_Х , Т_Г – абсолютная температура холодных и горячих спаев (источников);  - КПД ТЭГ, связанный с принципом его работы (учитывает потери подведенной теплоты посредством теплопроводности, выделяющейся джоулевой теплоты, «теплоты Томсона», электрические и теплофизические свойства  используемых материалов и т.д.).

В соответствии с данными [8] КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в ТЭГ из теллурида свинца составляет ~ 10%. По мнению [7] при увеличении коэффициента термоэлектрической добротности материалов, образующих ТЭГ,  КПД можно поднять КПД преобразования.  В целом следует отметить низкие напряжения электрического тока, получаемые в ТЭГ.

В основе работы ТЭМГ  лежит процесс эмиссии электронов в вакууме с разогретой поверхности электрода, когда энергия свободных электронов превышает работу выхода. В результате эмиссии электронов между катодом и анодом возникает ток с плотностью определяемой по формуле Ричардсона-Дешмана: i ~ T² exp(-W/kT), где T - температура электрода; W - работа выхода электродов; k - постоянная Больцмана.

Для обеспечения эффективности и надежности ТЭМГ важен выбор материала для катода. Он должен иметь минимальную работу выхода (вольфрам 4,52 эВ, молибден 4,29 эВ, тантал 4,1эВ); высокую рабочую температуру (при которой сохраняется работоспособность элемента в течение заданного ресурса времени); минимальный пространственный отрицательный заряд между электродами (уменьшают плотность тока эмиссии). Эффективность устройства также может быть повышена при размещение между катодом и анодом  дополнительного электрода, например из цезия (имеет небольшой потенциал ионизации положительных ионов).

В отличии от ТЭГ здесь отсутствует передача теплоты по электродам путем теплопроводности, поэтому КПД термоэмиссионных преобразователей может быть несколько выше и составлять   10…14%. Если  использовать теплоту анода ТЭМГ в сочетании с паротурбинной установкой или в ТЭГ, то КПД преобразования теплоты в электрическую энергию можно увеличить до 16% (двухкаскадная установка - США).           

По данным [7] в ТЭМГ можно достичь КПД 15…20% при выходном напряжении 1…2 В.  Нужно отметить, что прошел испытание в космосе ТЭМГ с реактором типа «Топаз» мощностью около 10 кВт.

В целом следует отметить, что преобразование тепловой энергии в электрическую в ТЭГ и ТЭМГ характеризуется сегодня относительно не высокой мощностью и КПД. Разность потенциалов, которую обеспечивают эти устройства, не велика. Однако это не оставляет надежд, что данная технология по мере совершенствования может быть использована в Арктике.

В целом тенденция такова, что для получения более высоких КПД преобразования тепловой энергии в электрическую необходимо увеличить температурный диапазон между  и  в широком смысле слова.  При этом высоких температур подвода тепловой энергии можно достичь, применяя в качестве промежуточного рабочего тела газы или жидкие металлы. Минимальная нижняя температура цикла (близкая к температуре окружающей среды) может быть получена в пароводяном цикле. Таким образом, сочетая газотурбинную установку или МГДГ с паротурбинной можно получить высокий термический КПД (парогазовая установка или комбинированная МГДГ установка с пароводяной). В таких комбинированных установках можно достигать термический КПД до 55 %. Однако возможность использования ее на ледоколах необходимо доказать.

Представляют интерес также бинарные установки с жидкометаллическими МГДГ. При этом наибольшие температуры цикла реализуются в жидкометаллической МГДГ с ядерным подогревом, а низкотемпературная часть цикла обеспечивается в паротурбинной установке. При реализации такого бинарного цикла (Т_Г=1140 К на выходе МГДГ 890 К , Т_Х=300 К можно получить термический КПД   ~ 50% [8].

С точки зрения высокой экономичности наибольший интерес для энергетики будущего представляют устройства, где происходит непосредственное превращение химической или атомной энергии в электрическую – это преобразователи 1-й группы.  Поскольку химическая энергия представляет собой энергию направленного движения и принципиально может полностью превратиться в электрическую энергию . При этом если  химическая (или атомная) энергия  предварительно превращается в теплоту, т.е. , то максимально достижимая экономичность будет уже значительно меньше. Эффективность преобразования тепловой энергии  в электрическую характеризуется температурой горячего источника теплоты  и окружающей среды (холодный источник) . Максимально возможная работа при этом будет определяться из соотношения

Химический генератор электрической энергии (ХЭГ), в котором химическая энергия выделяется в результате реакции между топливом и окислителем («холодное горение»), непосредственно превращается в электрическую. Например, в качестве восстановителя может использоваться водород (анод), а окислителя кислород (катод). На поверхностях пористых электродов происходит реакция с высвобождением электронов, которые при замыкании цепи образуют электрический ток [10].
В работе [15] предложен «Холодный» ядерный реактор (ХЯРПП) с прямым преобразованием ядерной энергии в электрическую. В данном реакторе преобразование ядерной энергии в электрическую происходит посредством сбора вторичных электронов, генерируемых в веществе осколками деления. Способ преобразования основан на использовании электрогенерирующих каналов, являющихся одновременно топливными сердечниками реактора, в виде тонкопленочных многослойных (сотни тысяч слоев) структур, состоящих из делящихся и конструкционных материалов. КПД преобразования доходит до 30%.

Осколки деления U-235 при взаимодействии с веществом теряют до 90% энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды, образуя каскад электронов (вторичных). При этом вторичные электроны получают до 60% энергии. В качестве диэлектрика (Д) используется аэрогель Аl₂J₃ c пористостью  99,4%, толщиной 0,4 мкм. Эмиттер (Э) – уран с 20% обогащением по U-235, толщина 100А. Коллектор (К) – алюминий, толщина 100 А собирает электроны. Электрогенерирующий канал выполняется (ЭГК) в виде коаксильных алюминиевых трубок, между которыми располагается рулон из ленты, состоящей из ячеек Э-Д-К.

Реактор собирается из Э-Г-К. В качестве теплоносителя и замедлителя используется вода. При размерах  активной зоны  D=Н=1 м, G_u-235 =13,3 кг;  Q_p=400 кВт, КПД =25% , Q_э=100 кВт и время непрерывной работы 12 лет. При  размерах активной зоны  D=1м ; Н=1,5 м ; G_u-235=20,6 кг; Q_э=300 кВт в течение 10 лет.

При дальнейшем увеличении мощности реактора Q_p>4000 кВт необходимо специальное охлаждение ЭГК  и ресурс работы снижается до 1,2 года. Система регулирования может выполняться  в виде поворотных органов с поглощающими пластинами или в виде стержней, вводимых в активную зону.

Авторы данной публикации призывают всех заинтересованных читателей  нужного и важного журнала «Атомная стратегия XXI века» и его сайта www.proatom.ru участвовать в обсуждении поставленной проблемы. России нужна Арктика и она должна там твердо стоять. Однако одного пожелания мало. Нужно практически доказать своим техническим превосходством наше право на эти притязания и не давать повода для  экспансии АРКТИКИ другими государствами.

Литература
1.      Королев В.И., Костылев И.И., Ластовцев А.Ю., Михеев В.Л. Подготовка кадров для надводных плавучих объектах с ЯЭУ должна быть единой. Атомная стратегия XXI  века/ сайт www.proatom.ru 26.02.2008.
2.      Костылев И.И., Михеев В.Л., Ластовцев А.Ю., Королев В.И. Где и как готовить кадры для эксплуатации ядерных энергетических установок. ВЕСТНИК  СОВЕТА ФЕДЕРАЦИИ, №3, 2008 г.
3.      Королев В.И.  Будущее в настоящем, Атомная стратегия XXI  века, август 2005 г.
4.      Королев В.И., Ластовцев А.Ю., Малышев В.А. Особенности проектирования атомных ледоколов но-
вого поколения и кадровое обеспечение флота с ядерными энергетическими установками. Морской
Вестник №1(3) 2005.
5.      Королев В.И., Ластовцев А.Ю. Перспективы использования реакторов со свинцово-висмутовым теплоносителем на атомных ледоколах. Судостроение №3, 2006.
6.      Королев В.И., Костылев И.И., Ластовцев А.Ю. Особенности формирования и теплового расчета пароконденсатного цикла судов и плавучих энергоблоков с ядерной энергетической установкой. – СПб.: Бэлл, 2006.
7.      Баранов А.П. Судовые системы электродвижения с генераторами прямого преобразования теплоты Л.: Судостроение, 1990.
8.      Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М.: Высшая школа, 1975.
9.      Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968.
10.   Техническая термодинамика. Под редакцией В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1971.
11.   Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. М.: Энергоатомиздат, 1984.
12.   Жидкометаллические теплоносители/ Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Федынский О.С. М.: Атомиздат, 1976.
13.   Теплоэнергетические установки электростанций, экология и безопасность/ И.И.Фаддеев, Н.Н.Давиденко, И.З. Копп, А.И. Калютик, Т.Т. Каверзнева, А.Ф. Супрун. СПб, издательство СПБГТУ, 1998.
14.   Ворогушин В.Т., Тельнова Г.Б., Солнцев К.А. Повышение КПД преобразования тепловой и ядерной энергии в электрическую.
15.   «Холодный» ядерный реактор с прямым преобразованием ядерной энергии в электрическую на вторичных электронах в рамках проблемы нераспространения ядерных материалов/ В.Б. Ануфриенко, Г.Н. Казанцев, В.П. Ковалев, А.Г. Матков, Г.М. Пшакин, М.Я. Хмеленский. Ядерная энергетика, №2, 2001.