Czym są silniki nuklearne?
Sceptycy twierdzą, że stworzenie silnika jądrowego nie jest znaczącym postępem w dziedzinie nauki i technologii, ale jedynie "modernizacją kotła parowego", gdzie uran działa jako paliwo zamiast węgla i drewna opałowego, a wodór jest wykorzystywany jako medium robocze. Czy NRE (jądrowy silnik odrzutowy)? Spróbujmy to rozgryźć.
Pierwsze rakiety
Wszystkie zalety ludzkości w eksploracji kosmicznej przestrzeni można bezpiecznie przypisać do chemicznych silników odrzutowych. Podstawą pracy takich bloków energetycznych jest zamiana energii reakcji chemicznej spalania paliwa w utleniaczu na energia kinetyczna strumień odrzutowy, a zatem rakiety. Zastosowane paliwa to nafta, ciekły wodór, heptan (dla silników rakietowych na paliwo ciekłe (GTRE)) i spolimeryzowana mieszanina nadchloranu amonu, tlenku glinu i żelaza (dla stałych materiałów pędnych (RDTT)).
Powszechnie wiadomo, że pierwsze rakiety wykorzystywane do fajerwerków pojawiły się w Chinach w drugim wieku pne. Wspięli się na niebo ze względu na energię gazów w proszku. Teoretyczne badania niemieckiego rusznikarza Konrada Haasa (1556), polskiego generała Kazimierza Siemenowicza (1650), rosyjskiego generała broni generała Aleksandra Zasyada, w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju technologii rakietowej.
Patent na wynalazek pierwszej rakiety od ZhTRD otrzymał amerykański naukowiec Robert Goddard. Jego aparat, o wadze 5 kg i długości około 3 m, który pracował na benzynie i ciekłym tlenie, w 1926 roku przez 2,5 s. przeleciał 56 metrów.
Pościg prędkości
Poważne eksperymentalne prace nad stworzeniem seryjnych chemicznych silników odrzutowych rozpoczęły się w latach 30. ubiegłego wieku. W Związku Radzieckim V.P.Glushko i F.A. Zander są słusznie uważani za pionierów budowy silników rakietowych. Z ich udziałem opracowano jednostki napędowe RD-107 i RD-108, które zapewniły ZSRR prymat w eksploracji kosmosu i położyły fundament pod przyszłe przywództwo Rosji w dziedzinie załogowej kosmonautyki.
Podczas modernizacji GTRE stało się jasne, że teoretyczna maksymalna prędkość strumienia nie może przekroczyć 5 km / s. Aby zbadać przestrzeń bliską Ziemi, może to wystarczyć, ale loty do innych planet, a tym bardziej do gwiazd, pozostaną dla ludzkości fałszywym marzeniem. W rezultacie projekty alternatywnych (nie chemicznych) silników rakietowych zaczęły pojawiać się już w połowie ubiegłego wieku. Instalacje wykorzystujące energię reakcji jądrowych wyglądały na najbardziej popularne i obiecujące. Pierwsze eksperymentalne próbki silników nuklearnych (YARD) w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych przeszły testy testowe w 1970 roku. Jednak po katastrofie w Czarnobylu, pod naciskiem opinii publicznej, prace w tym obszarze zostały zawieszone (w ZSRR w 1988 r., W USA od 1994 r.).
Zasada działania silnika jądrowego
Podstawą funkcjonowania elektrowni jądrowych są te same zasady, co termochemiczne. Jedyna różnica polega na tym, że czynnik roboczy jest ogrzewany energią rozpadu lub syntezy paliwa jądrowego. Efektywność energetyczna takich silników znacznie przewyższa sprawność chemiczną. Na przykład energia, którą może wyemitować 1 kg najlepszego paliwa (mieszanina berylu z tlenem) wynosi 3 × 107 J, natomiast dla izotopów polonowych, Po210, ta wartość wynosi 5 × 1011 J.
Energia uwolniona w silniku jądrowym może być wykorzystana na różne sposoby:
podgrzewanie płynu roboczego emitowanego przez dysze, jak w tradycyjnym silniku rakietowym, po przekształceniu w elektryczną, jonizującą i przyspieszającą cząstki płynu roboczego, wytwarzając impuls bezpośrednio przez produkty rozszczepienia lub syntezy, nawet zwykła woda może działać jako płyn roboczy, amoniak lub ciekły wodór. W zależności od stanu skupienia paliwa dla reaktor jądrowy silniki rakietowe są podzielone na fazy stałą, ciekłą i gazową. NDS z reaktorem rozszczepienia w fazie stałej jest najbardziej rozwiniętym, wykorzystującym elementy paliwowe (elementy paliwowe) używane jako paliwo elektrownie jądrowe. Pierwszy taki silnik w ramach amerykańskiego projektu Nerva przeszedł testy naziemne w 1966 r., Pracując przez około dwie godziny.
Funkcje konstrukcyjne
Sercem dowolnego silnika jądrowego jest reaktor składający się z rdzenia i odbłyśnika berylu umieszczonego w pakiecie napędowym. W strefie aktywnej i podziale atomów substancji palnej z reguły uran U238 wzbogacony jest w izotopy U235. Aby dać proces rozpadu jąder o pewnych właściwościach, znajdują się tu również zwalniacze - ogniotrwały wolfram lub molibden. Jeśli moderator jest zawarty w prętach paliwowych, reaktor nazywany jest homogenicznym, a jeśli jest umieszczony osobno - niejednorodny. Silnik jądrowy obejmuje także jednostkę zasilającą działającego ciała, elementy sterujące, ochronę przed promieniowaniem cienia i dyszę. Elementy konstrukcyjne i elementy reaktora doświadczające wysokich obciążeń cieplnych są chłodzone przez płyn roboczy, który jest następnie wtryskiwany przez zespół turbopompy do zespołów wytwarzających ciepło. Tutaj jest podgrzewany do prawie 3000 ° C. Przepływający przez dyszę płyn roboczy tworzy siłę ciągu.
Typowe elementy sterowania reaktora to pręty kontrolne i bębny obrotowe wykonane z substancji pochłaniającej neutrony (bor lub kadm). Pręty umieszczane są bezpośrednio w strefie aktywnej lub w specjalnych wnękach reflektora, a bębny obrotowe umieszcza się na obrzeżu reaktora. Przesuwanie prętów lub obracanie rolek zmienia liczbę rozszczepialnych jąder w jednostce czasu, dostosowując poziom uwalniania energii z reaktora, a w konsekwencji jego moc cieplną.
Aby zmniejszyć intensywność promieniowania neutronowego i gamma, niebezpiecznego dla wszystkich żywych istot, elementy ochrony pierwotnego reaktora są umieszczane w obudowie zasilania.
Zwiększ wydajność
Silnik jądrowy w fazie ciekłej z zasadą działania i urządzeniem jest podobny do silnika w fazie stałej, ale ciekły stan paliwa pozwala na zwiększenie temperatury reakcji, aw konsekwencji na siłę napędową jednostki napędowej. Jeśli więc dla agregatów chemicznych (ZTRD i silników rakietowych na paliwo stałe) maksymalny impuls właściwy (natężenie przepływu) wynosi 5 420 m / s, dla jądrowej fazy stałej i 10 000 m / s jest daleko od wartości granicznej, średnia wartość tego wskaźnika dla fazy gazowej NRE 30 000 - 50 000 m / s.
Istnieją projekty silnika jądrowego w fazie gazowej dwóch rodzajów:
Otwarty cykl, w którym reakcja jądrowa zachodzi wewnątrz chmury plazmy z płynu roboczego znajdującego się w polu elektromagnetycznym i pochłania całe wytwarzane ciepło. Temperatura może osiągnąć kilkadziesiąt tysięcy stopni. W tym przypadku obszar aktywny jest otoczony substancją żaroodporną (na przykład kwarcem) - lampą jądrową, która swobodnie przekazuje promieniowaną energię.W instalacjach drugiego typu temperatura reakcji będzie ograniczona do temperatury topnienia materiału w kolbie. Jednocześnie efektywność energetyczna silnika jądrowego jest nieco mniejsza (specyficzny impuls wynosi do 15 000 m / s), ale wydajność i bezpieczeństwo radiacyjne.
Praktyczne osiągnięcia
Formalnie wynalazcą elektrowni jądrowej jest amerykański naukowiec i fizyk Richard Feynman. Rozpoczęcie zakrojonych na szeroką skalę prac nad opracowaniem i stworzeniem silników nuklearnych dla statków kosmicznych w ramach programu Rover zostało przeprowadzone w Los Alamos Research Center (USA) w 1955 roku. Amerykańscy wynalazcy preferowali instalacje z jednorodnym reaktorem jądrowym. Pierwszy eksperymentalny model "Kiwi-A" został zmontowany w zakładzie w centrum atomowym w Albuquerque (Nowy Meksyk, USA) i przetestowany w 1959 roku. Reaktor umieszczono pionowo na stojaku z dyszą skierowaną do góry. Podczas testów ogrzewany strumień zużytego wodoru był emitowany bezpośrednio do atmosfery. I chociaż rektor pracował na małej pojemności zaledwie przez 5 minut, sukces zainspirował twórców.
W Związku Radzieckim spotkanie "trzech wielkich K" - założyciela bomby atomowej I. Kurchatowa, głównego teoretyka narodowej kosmonautyki M. V. Keldysza i generalnego projektanta sowieckiej rakiety S. P. Królowa. W przeciwieństwie do modelu amerykańskiego, radziecki silnik RD-0410, opracowany w biurze projektowym stowarzyszenia Himavtomatika (Woroneż), miał heterogeniczny reaktor. Testy ogniowe przeprowadzono w miejscu w pobliżu miasta Semipałatyńsk w 1978 roku.
Należy zauważyć, że powstało sporo projektów teoretycznych, ale nigdy nie doszło do praktycznej realizacji. Powodem tego była obecność ogromnej liczby problemów w materiałoznawstwie, brak zasobów ludzkich i finansowych.
Uwaga: ważnym osiągnięciem praktycznym było przeprowadzenie prób w locie samolotu wyposażonego w silnik jądrowy. W ZSRR najbardziej obiecującym był eksperymentalny bombowiec strategiczny Tu-95LAL, w USA - B-36.
Projekt Orion lub Pulsacyjny NRE
Do lotów w kosmosie zaproponowano po raz pierwszy silnik nuklearny pulsacyjnego działania w 1945 r. Amerykański matematyk polskiego pochodzenia Stanislav Ulam. W następnej dekadzie pomysł ten został opracowany i dopracowany przez T. Taylora i F. Dysona. Najważniejsze jest to, że energia małych ładunków jądrowych, eksplodowana w pewnej odległości od platformy popychającej na dnie rakiety, mówi o niej dużo przyspieszenia.
W ramach projektu Orion, rozpoczętego w 1958 r., Planowano wyposażyć taki silnik w rakietę zdolną do dostarczania ludzi na powierzchnię Marsa lub na orbitę Jowisza. Załoga, znajdująca się w przedziale nosowym, byłaby chroniona przed niszczącym wpływem gigantycznych przyspieszeń przez urządzenie tłumiące. Wynikiem szczegółowych badań inżynieryjnych były testy marszowe modelu skali statku w celu zbadania stabilności lotu (zamiast ładunków jądrowych zastosowano konwencjonalne materiały wybuchowe). Ze względu na wysokie koszty projektu został zamknięty w 1965 roku.
Podobne pomysły stworzenia "eksplozji" wyraził radziecki akademik A. Sacharow w lipcu 1961 r. Aby wprowadzić statek na orbitę, naukowiec zasugerował użycie zwykłego ZhTRD.
Alternatywne projekty
Ogromna liczba projektów nie wykracza poza studia teoretyczne. Wśród nich było wiele oryginalnych i bardzo obiecujących. Potwierdzeniem jest koncepcja elektrowni jądrowej na fragmentach rozszczepialnych. Cechy konstrukcyjne i urządzenie tego silnika pozwalają w ogóle zrezygnować z płynu roboczego. Strumień, który zapewnia niezbędne właściwości trakcyjne, powstaje ze zużytego materiału jądrowego. Reaktor oparty jest na wirujących dyskach o podkrytycznej masie jądrowej (stosunek podziału atomowego jest mniejszy niż jedność). Podczas obracania się w sektorze dysku w strefie aktywnej rozpoczyna się reakcja łańcuchowa, a rozkładające się wysokoenergetyczne atomy są przesyłane do dyszy silnika, tworząc strumień strumienia. Pozostałe całe atomy biorą udział w reakcji na następnych obrotach tarczy paliwowej.
Projekty silnika jądrowego dla statków wykonujących określone zadania w pobliżu Ziemi, oparte na RTG (radioizotopowych generatorach termoelektrycznych), są dość wydajne, ale w przypadku instalacji międzyplanetarnych, a nawet bardziej międzygwiazdowych, instalacje takie nie są zbyt obiecujące.
Ogromny potencjał silników syntezy jądrowej. Już na obecnym etapie rozwoju nauki i technologii możliwa jest instalacja pulsacyjna, w której, podobnie jak w projekcie Oriona, ładunki termojądrowe zostaną podminowane pod dnem rakiety. Jednak wdrożenie kontrolowanej syntezy jądrowej, wielu ekspertów uważa, że prace w najbliższej przyszłości.
Zalety i wady NRE
Niewątpliwe zalety stosowania silników nuklearnych jako jednostek napędowych dla statków kosmicznych powinny uwzględniać ich wysoką efektywność energetyczną, która zapewnia wysoki specyficzny impuls i dobre właściwości trakcyjne (do tysiąca ton w przestrzeni bezpowietrznej), imponującą rezerwę energii podczas autonomicznej eksploatacji. Obecny poziom rozwoju naukowego i technologicznego pozwala na porównywalną zwartość takiej instalacji.
Główną wadą YARD, która spowodowała załamanie się prac projektowych i badawczych, jest wysokie zagrożenie radiacyjne. Jest to szczególnie ważne w przypadku przeprowadzania naziemnych prób pożarowych, w wyniku których gazy promieniotwórcze, związki uranu i jego izotopy, a także szkodliwe oddziaływanie promieniowania przenikliwego, mogą zostać uwolnione do atmosfery wraz z płynem roboczym. Z tych samych powodów uruchomienie statku kosmicznego wyposażonego w silnik jądrowy bezpośrednio z powierzchni Ziemi jest niedopuszczalne.
Obecny i przyszły
Zgodnie z zapewnieniami akademika Rosyjskiej Akademii Nauk, dyrektora generalnego Centrum Keldysh Anatolij Koroteev, w najbliższej przyszłości powstanie całkowicie nowy rodzaj silnika jądrowego w Rosji. Istotą tego podejścia jest to, że energia reaktora kosmicznego będzie skierowana nie na bezpośrednie ogrzewanie płynu roboczego i tworzenie strumienia, ale na wytwarzanie energii elektrycznej. Rola silnika w instalacji jest przypisana do silnika plazmowego, którego specyficzny ciąg jest 20 razy większy niż ciąg istniejących obecnie chemicznych maszyn strumieniowych. Główną organizacją projektu jest pododdział Państwowej Spółki Rosatom NIKIET SA (Moskwa).
Pełne testy próbne zostały pomyślnie zakończone w 2015 r. Na podstawie NPO Mashinostroeniya (Reutov). Data rozpoczęcia prób w locie elektrowni jądrowej przypada na listopad bieżącego roku. Najważniejsze elementy i systemy będą musiały zostać przetestowane, w tym na pokładzie ISS.
Funkcjonowanie nowego rosyjskiego silnika jądrowego odbywa się w zamkniętym cyklu, który całkowicie eliminuje wnikanie substancji radioaktywnych do otaczającej przestrzeni. Masowe i wymiarowe właściwości głównych elementów elektrowni zapewniają jej wykorzystanie w istniejących rosyjskich pojazdach nośnych Proton i Angara.