Какво представляват ядрените двигатели?
Скептиците казват, че създаването на ядрен двигател не е значителен напредък в областта на науката и технологиите, а само „модернизация на парния котел“, където уранът действа като гориво вместо въглища и дърва за огрев, а водородът се използва като работна среда. Е НРЕ (ядрен реактивен двигател)? Нека се опитаме да го разберем.
Първи ракети
Всички достойнства на човечеството в изследването на близостта до Земята могат безопасно да се отдадат на химически реактивни двигатели. В основата на работата на такива енергоблокове стои енергийното преобразуване на химическа реакция на изгаряне на гориво в окислител кинетична енергия струя и следователно ракети. Използваните горива са керосин, течен водород, хептан (за ракетни двигатели с течно гориво (GTRE)) и полимеризирана смес от амониев перхлорат, алуминий и железен оксид (за твърди ракетни горива).
Добре известно е, че първите ракети, използвани за фойерверки, се появяват в Китай през II в. Пр. Хр. Те се изкачиха в небето благодарение на енергията на праховите газове. Теоретичните изследвания на германския оръжейник Конрад Хаас (1556 г.), полският генерал Казимир Семенович (1650 г.), руският генерал-лейтенант Александър Засядко направи значителен принос за развитието на ракетната технология.
Патентът за изобретението на първата ракета от ЖТРД е получен от американския учен Робърт Годард. Неговият апарат, с тегло 5 кг и дължина около 3 м, който работи върху бензин и течен кислород, през 1926 г. за 2.5 сек. прелетя 56 метра.
Преследване на скоростта
Сериозни експериментални работи по създаването на серийни химически реактивни двигатели започнаха през 30-те години на миналия век. В Съветския съюз V.P.Glushko и F.A. Zander с право се считат за пионери в изграждането на ракетни двигатели. С тяхното участие бяха разработени енергийни блокове РД-107 и РД-108, които предоставиха на СССР предимство в изследването на космоса и положиха основите за бъдещото лидерство на Русия в областта на космонавтиката.
При модернизирането на GTRE стана ясно, че теоретичната максимална скорост на струята не може да надвишава 5 km / s. За да се изучава близостта на Земята, това може да е достатъчно, но полетите до други планети, а още повече и звездите, ще останат фалшива мечта за човечеството. В резултат на това проектите на алтернативни (нехимически) ракетни двигатели започнаха да се появяват още в средата на миналия век. Инсталациите, използващи енергията на ядрените реакции, изглеждаха най-популярни и обещаващи. Първите експериментални образци на ядрени космически двигатели (YARD) в Съветския съюз и САЩ преминаха тестовите тестове през 1970 г. Въпреки това, след катастрофата в Чернобил, под натиска на обществеността, работата в тази област бе спряна (в СССР през 1988 г., в САЩ от 1994 г.).
Принципът на действие на ядрения двигател
Основата на функционирането на атомните електроцентрали са същите принципи като на термохимичните. Единствената разлика е, че работната среда се нагрява от енергията на разпадане или синтез на ядрено гориво. Енергийната ефективност на такива двигатели далеч надхвърля химическите. Например енергията, която може да излъчи 1 kg от най-доброто гориво (смес от берилий с кислород) е 3 × 107 J, докато за изотопи с полоний Po210 тази стойност е 5 × 1011 J.
Енергията, отделена в ядрен двигател, може да се използва по различни начини:
нагряване на работния флуид, излъчван през дюзите, както при традиционните ракетни двигатели, след преобразуване в електрически, йонизиращи и ускоряващи частиците на работния флуид, създаване на импулс директно от продукти на делене или синтез. амоняк или течен водород. В зависимост от агрегираното състояние на горивото за ядрен реактор ракетните двигатели се разделят на твърда, течна и газова фаза. Най-развита е NDS с твърдотелен реактор за делене, като се използват горивни елементи (горивни елементи), използвани като гориво атомни електроцентрали. Първият такъв двигател в рамките на американския проект Nerva премина наземни изпитания през 1966 г., като е работил около два часа.
Характеристики на дизайна
В основата на всеки ядрен космически двигател е реактор, състоящ се от сърцевина и берилиев рефлектор, разположен в енергиен пакет. В активната зона и разделянето на атомите на запалимо вещество, като правило, уран U238 обогатен с U235 изотопи. За да се даде процес на разпадане на ядра от определени свойства, тук са разположени и забавителите - огнеупорен волфрам или молибден. Ако модераторът е включен в горивните пръти, реакторът се нарича хомогенен, а ако се постави отделно - хетерогенна. Ядреният двигател включва също така устройство за захранване на работно тяло, органи за управление, защита от лъчиста сянка и дюза. Структурните елементи и компонентите на реактора, изпитващи големи термични натоварвания, се охлаждат от работния флуид, който след това се впръсква от турбокомпресорен агрегат в топлогенериращи агрегати. Тук тя се загрява до почти 3000 ° С. Преминавайки през дюзата, работният флуид създава реактивна тяга.
Типични контроли на реактора са контролни пръти и въртящи се барабани, изработени от вещество, което абсорбира неутрони (бор или кадмий). Пръчките се поставят директно в активната зона или в специални ниши на рефлектора, а въртящите се барабани се поставят по периферията на реактора. Преместването на прътите или завъртането на барабаните променя броя на делящите се ядра на единица време, регулирайки нивото на енергийното отделяне на реактора, а оттам и неговата топлинна мощност.
За да се намали интензивността на неутронно и гама-лъчение, опасно за всички живи същества, в корпуса на захранването се поставят елементи от първичната защита на реактора.
Увеличете ефективността
Течнофазният ядрен двигател с принципа на действие и устройството е подобен на твърдофазен, но течноподобното състояние на горивото позволява да се повиши температурата на реакцията, а оттам и тягата на енергийния агрегат. Така че, ако за химичните агрегати (ZTRD и ракетните двигатели с твърдо гориво) максималният специфичен импулс (дебит на струята) е 5 420 m / s, за твърдофазните ядра и 10 000 m / s е далеч от границата, средната стойност на този индикатор за газова фаза NRE 30 000 - 50 000 m / s.
Има проекти на газово-атомни двигатели от два вида:
Отворен цикъл, в който ядрената реакция протича вътре в плазмения облак от работния флуид, държан от електромагнитното поле и поглъщащ цялата генерирана топлина. Температурата може да достигне няколко десетки хиляди градуса. В този случай активната област е заобиколена от топлоустойчиво вещество (например кварц) - ядрена лампа, която свободно предава излъчената енергия В инсталациите от втория тип реакционната температура ще бъде ограничена до точката на топене на материала на колбата. В същото време енергийната ефективност на ядрен космически двигател е малко намалена (специфичният импулс е до 15 000 m / s), но ефективността и радиационна безопасност.
Практически постижения
Официално изобретателят на атомната електроцентрала се счита за американски учен и физик Ричард Файнман. Стартът на мащабна работа по разработването и създаването на атомни двигатели за космически кораби по програмата Rover беше даден в изследователския център в Лос Аламос (САЩ) през 1955 г. Американски изобретатели предпочитаха инсталации с хомогенен ядрен реактор. Първият експериментален модел "Kiwi-A" е сглобен в завода в атомния център в Албакърки (Ню Мексико, САЩ) и е тестван през 1959 година. Реакторът се намираше на стойката вертикално с накрайника нагоре. По време на тестовете загрятата струя от отработения водород се емитира директно в атмосферата. И макар ректорът да работи с нисък капацитет само за около 5 минути, успехът вдъхнови разработчиците.
В Съветския съюз, среща на "трите големи К" - основател на атомната бомба И. Курчатов, главният теоретик на националната космонавтика М. В. Келдиш и генералният конструктор на съветските ракети С.П. Кралицата. За разлика от американския модел, съветският двигател RD-0410, разработен в конструкторското бюро на асоциацията на Химавтоматика (Воронеж), имаше хетерогенен реактор. Проведени са пожарни тестове на площадката край град Семипалатинск през 1978 година.
Трябва да се отбележи, че са създадени доста теоретични проекти, но никога не е стигнало до практическото им прилагане. Причините за това са наличието на огромен брой проблеми в материалознанието, липсата на човешки и финансови ресурси.
За бележка: важно практическо постижение е провеждането на полетни тестове на самолети с ядрен двигател. В СССР най-обещаващ е експерименталният стратегически бомбардировач Tu-95LAL, в САЩ - B-36.
Проект Orion или Pulsed NRE
За полети в космоса, ядрен двигател на пулсиращо действие за първи път е предложен за използване през 1945 г. на американския математик от полския произход Станислав Улам. През следващото десетилетие идеята е разработена и усъвършенствана от Т. Тейлър и Ф. Дайсън. Долната линия е, че енергията на малките ядрени заряди, експлодирала на известно разстояние от тласкащата платформа на дъното на ракетата, казва много ускорение.
В хода на проекта "Орион", стартиран през 1958 г., е планирано да се оборудва с такъв двигател ракета, способна да доставя хора до повърхността на Марс или до орбитата на Юпитер. Екипажът, разположен в носовото отделение, ще бъде защитен от разрушителното въздействие на гигантски ускорения от амортизиращо устройство. Резултатът от подробното инженерно проучване е тестването на мащабния модел на кораба за изследване на стабилността на полета (вместо ядрени заряди са използвани конвенционални експлозиви). Поради високата цена на проекта е закрит през 1965 година.
Подобни идеи за създаване на „експлозия“ бяха изразени от съветския академик А. Сахаров през юли 1961 г. За да вкара кораба в орбита, ученият предложи да се използва обичайната ЖТРД.
Алтернативни проекти
Огромен брой проекти не са излезли отвъд теоретичните изследвания. Сред тях са много оригинални и много обещаващи. Потвърждението е идеята за атомна електроцентрала върху делящи се фрагменти. Конструктивните характеристики и устройството на този двигател дават възможност изобщо да се освободи от работната течност. От отработения ядрен материал се образува струя, която осигурява необходимите характеристики на теглене. Реакторът се основава на въртящи се дискове с подкритична ядрена маса (коефициентът на атомно деление е по-малък от единица). Когато се върти в сектора на диска в активната зона, започва верижна реакция и разлагащите се високоенергийни атоми се изпращат към дюзата на двигателя, образувайки струен поток. Останалите цели атоми ще участват в реакцията при следващите завои на горивния диск.
Проекти на ядрен двигател за кораби, изпълняващи определени задачи в околоземно пространство, базирани на RTG (радиоизотопни термоелектрически генератори), са доста ефикасни, но за инсталации от междупланетен, а още повече и междузвезден, такива инсталации не са много обещаващи.
Огромният потенциал на двигателите за ядрен синтез. Вече на настоящия етап на развитие на науката и технологията, пулсираща инсталация е напълно реализуема, в която, подобно на проекта Орион, термоядрените заряди ще бъдат подкопани под дъното на ракетата. Въпреки това, прилагането на контролиран ядрен синтез, много експерти смятат, че работата на близко бъдеще.
Предимства и недостатъци на NRE
Неоспоримите предимства на използването на ядрени двигатели като енергийни единици за космически кораби трябва да включват тяхната висока енергийна ефективност, която осигурява висок специфичен импулс и добри показатели на сцепление (до хиляда тона в безвъздушно пространство), впечатляващ енергиен резерв при автономна работа. Сегашното ниво на научно и технологично развитие позволява сравнителна компактност на такава инсталация.
Основният недостатък на ДВС, който е довел до срив на проектирането и изследователската работа, е висок радиационен риск. Това е особено вярно при провеждане на наземни пожарни изпитвания, в резултат на което радиоактивни газове, съединения на уран и неговите изотопи, както и вредните ефекти на проникваща радиация, могат да бъдат изпуснати в атмосферата заедно с работния флуид. По същите причини пускането на космически кораб, оборудван с ядрен двигател директно от повърхността на Земята, е неприемливо.
Настояще и бъдеще
Според уверенията на академика на Руската академия на науките, генерален директор на центъра Келдиш Анатолий Коротеев, в близко бъдеще ще бъде създаден фундаментално нов тип ядрен двигател в Русия. Същността на подхода е, че енергията на космическия реактор ще бъде насочена не към пряко загряване на работния флуид и образуването на струя, а за производство на електроенергия. Ролята на задвижващия агрегат в инсталацията се дава на плазмения двигател, чиято специфична тяга е 20 пъти по-голяма от тягата на съществуващите в момента химически струйни машини. Главното дружество на проекта е подразделение на държавната корпорация „Росатом“ НИКИЕТ АД (Москва).
Пълномащабните макетни тестове бяха успешно завършени през 2015 г. на базата на НПО Машиностроения (Реутов). Датата на започване на летателните изпитания на атомна електроцентрала е ноември тази година. Най-важните елементи и системи ще трябва да бъдат тествани, включително на борда на МКС.
Функционирането на новия руски ядрен двигател се осъществява в затворен цикъл, който напълно елиминира проникването на радиоактивни вещества в околното пространство. Масовите и габаритни характеристики на основните елементи на централата осигуряват използването му със съществуващите руски ракети-носители Протон и Ангара.