Što su nuklearni motori?

4. 5. 2019.

Skeptici kažu da stvaranje nuklearnog motora nije značajan napredak u području znanosti i tehnologije, već samo "modernizacija parnog kotla", gdje uranij djeluje kao gorivo umjesto ugljena i drva, a vodik se koristi kao radni medij. Je li NRE (nuklearni mlazni motor)? Pokušajmo shvatiti.

Prve rakete

Sve zasluge čovječanstva u istraživanju blizu Zemljinog prostora mogu se sigurno pripisati kemijskim mlaznim motorima. Osnova rada takvih energetskih jedinica je pretvaranje energije kemijske reakcije sagorijevanja goriva u oksidans kinetička energija mlazne struje, a time i rakete. Goriva koja se koriste su kerozin, tekući vodik, heptan (za raketne motore na tekuće gorivo (GTRE)) i polimerizirana mješavina amonijevog perklorata, aluminija i željeznog oksida (za kruta goriva).

Poznato je da su se prve rakete za vatromet pojavile u Kini u drugom stoljeću prije Krista. Oni su se popeli na nebo zbog energije praškastih plinova. Teoretska istraživanja njemačkog oružara Konrada Haasa (1556.), poljskog generala Kazimira Semenovicha (1650.), ruskog general pukovnika Aleksandra Zasyadka, dao je značajan doprinos razvoju raketne tehnologije.

Patent za izum prve rakete iz ŽTRD-a primio je američki znanstvenik Robert Goddard. Njegov aparat, težine 5 kg i dužine oko 3 m, koji je radio na benzin i tekući kisik, 1926. za 2.5 s. letio je 56 metara.

Juri se brzina

Ozbiljni eksperimentalni rad na stvaranju serijskih kemijskih mlaznih motora započeo je 30-ih godina prošlog stoljeća. U Sovjetskom Savezu, V.P.Glushko i F.A. Zander s pravom se smatraju pionirima izgradnje raketnih motora. Uz njihovo sudjelovanje, razvijene su energetske jedinice RD-107 i RD-108, koje su SSSR-u osiguravale primat u istraživanju svemira i postavile temelje za buduće vodstvo Rusije u području kozmonautike s posadom.

Prilikom modernizacije GTRE-a postalo je jasno da teoretska maksimalna brzina mlaza ne smije prelaziti 5 km / s. Da bi se proučio prostor blizu Zemlje, to može biti dovoljno, ali letovi prema drugim planetima, a još više zvijezde, ostaju lažni san za čovječanstvo. Kao rezultat toga, projekti alternativnih (ne-kemijskih) raketnih motora počeli su se pojavljivati ​​već sredinom prošlog stoljeća. Instalacije koje koriste energiju nuklearnih reakcija izgledale su najpopularnije i obećavajuće. Prvi eksperimentalni uzorci nuklearnih svemirskih motora (YARD) u Sovjetskom Savezu i Sjedinjenim Državama prošli su testove 1970. godine. Međutim, nakon katastrofe u Černobilu, pod pritiskom javnosti, rad na ovom području je obustavljen (u SSSR-u 1988., u SAD-u od 1994.).

Nuklearni svemirski motor

Princip rada nuklearnog motora

Osnova funkcioniranja nuklearnih elektrana su ista načela kao i termokemijska. Jedina razlika je u tome što se radni medij zagrijava energijom raspadanja ili sinteze nuklearnog goriva. Energetska učinkovitost takvih motora daleko nadilazi kemijske. Primjerice, energija koju može emitirati 1 kg najboljeg goriva (mješavina berilija s kisikom) je 3 × 107 J, dok je za polonijeve izotope Po210 ta vrijednost 5 × 1011 J.

Energija koja se oslobađa u nuklearnom motoru može se koristiti na različite načine:

zagrijavanje radnog fluida koji se emitira kroz mlaznice, kao u tradicionalnom raketnom motoru, nakon pretvaranja u električnu, ionizirajuću i ubrzavajuću česticu radnog fluida, stvarajući impuls izravno proizvodima fisije ili sinteze Čak i obična voda može djelovati kao radni fluid, ali uporaba alkohola bit će mnogo učinkovitija. amonijak ili tekući vodik. Ovisno o stanju agregacije goriva za nuklearni reaktor raketni motori su podijeljeni na čvrstu, tekuću i plinsku fazu. Najrazvijeniji je NDS s poluvodičkim fisijskim reaktorom koji koristi gorivne elemente (gorivne elemente) koji se koriste kao gorivo nuklearne elektrane. Prvi takav motor u okviru američkog projekta Nerva prošao je terenske testove 1966. godine, radeći oko dva sata.

Značajke dizajna

U središtu svakog nuklearnog svemirskog motora je reaktor koji se sastoji od jezgre i berilijevog reflektora smještenog u energetskom paketu. U aktivnoj zoni i podjeli atoma zapaljive tvari, u pravilu, uran U238 obogaćen je izotopima U235. Da bi se dobio proces raspadanja jezgara određenih svojstava, ovdje se nalaze i usporivači - vatrostalni volfram ili molibden. Ako je moderator uključen u gorivne šipke, reaktor se naziva homogenim, a ako se postavi odvojeno - heterogenim. Nuklearni motor također uključuje jedinicu za opskrbu radnog tijela, kontrole, zaštitu od zračenja u sjeni i mlaznicu. Strukturne elemente i dijelove reaktora s velikim toplinskim opterećenjima hladi radni fluid, koji se zatim ubrizgava turbopumpnim sklopom u sklopove koji stvaraju toplinu. Ovdje se zagrijava na gotovo 3000 ° C. Tekući kroz mlaznicu, radni fluid stvara mlaz mlazova.

Nuklearni motor za prostor

Tipične kontrole reaktora su kontrolne šipke i okretne bubnjeve izrađene od tvari koja apsorbira neutrone (bor ili kadmij). Šipke su postavljene izravno u aktivnoj zoni ili u posebnim nišama reflektora, a okretni bubnjevi su smješteni na periferiji reaktora. Pomicanjem šipki ili okretanjem bubnja mijenja se broj fisijskih jezgara po jedinici vremena, podešavajući razinu oslobađanja energije reaktora, a time i njegove toplinske snage.

Kako bi se smanjio intenzitet neutronskog i gama zračenja, opasnog za sva živa bića, u kućištu se postavljaju elementi primarne zaštite reaktora.

Povećajte učinkovitost

Tekuća faza nuklearnog motora s principom djelovanja i uređajem slična je čvrstoj fazi, ali tekuće stanje goriva omogućuje povećanje temperature reakcije, a time i potiska agregata. Dakle, ako za kemijske agregate (ZTRD i raketni motori na čvrsto gorivo) maksimalni specifični impuls (brzina protoka mlaza) iznosi 5 420 m / s, za nuklearnu čvrstu fazu i 10 000 m / s je daleko od granice, prosječna vrijednost ovog pokazatelja za plinsku fazu NRE 30.000 - 50.000 m / s.

Postoje projekti za dvije vrste plinskih nuklearnih motora:

Otvoreni ciklus u kojem se nuklearna reakcija odvija unutar oblaka plazme iz radnog fluida koji drži elektromagnetsko polje i apsorbira svu proizvedenu toplinu. Temperatura može doseći nekoliko desetaka tisuća stupnjeva. U tom slučaju, aktivna regija je okružena tvarima otpornim na toplinu (na primjer, kvarc) - nuklearnom svjetiljkom koja slobodno prenosi zračenu energiju.U instalacijama drugog tipa, reakcijska temperatura bit će ograničena na točku taljenja materijala u tikvici. U isto vrijeme, energetska učinkovitost nuklearnog svemirskog motora je nešto smanjena (specifični impuls je do 15.000 m / s), ali učinkovitost i radijacijska sigurnost.

Ruski nuklearni motor

Praktična postignuća

Formalno, izumitelj nuklearne elektrane smatra se američkim znanstvenikom i fizičarom Richardom Feynmanom. Početak opsežnog rada na razvoju i stvaranju nuklearnih motora za svemirske letjelice u okviru programa Rover dan je u istraživačkom centru u Los Alamosu (SAD) 1955. godine. Američki izumitelji preferirali su instalacije s homogenim nuklearnim reaktorom. Prvi eksperimentalni model "Kiwi-A" sastavljen je u tvornici u atomskom centru u Albuquerqueu (Novi Meksiko, SAD) i testiran 1959. Reaktor je smješten na postolju okomito s mlaznicom prema gore. Tijekom ispitivanja, zagrijan mlaz istrošenog vodika emitirao se izravno u atmosferu. I premda je rektor radio s niskim kapacitetom samo oko 5 minuta, uspjeh je inspirirao programere.

U Sovjetskom Savezu, sastanak "tri velike K" - osnivač atomske bombe I. Kurchatov, glavni teoretičar nacionalne kozmonautike M. V. Keldysh i glavni dizajner sovjetskih raketa S. P. Kraljica. Za razliku od američkog modela, sovjetski motor RD-0410, razvijen u projektnom birou udruge Khimavtomatika (Voronezh), imao je heterogeni reaktor. Ispitivanja požara održana su na mjestu u blizini grada Semipalatinska 1978. godine.

Treba napomenuti da je stvoreno dosta teoretskih projekata, ali nikada nije došlo do praktične provedbe. Razlozi za to bili su prisutnost velikog broja problema u znanosti o materijalima, nedostatak ljudskih i financijskih resursa.

Za bilješku: važno praktično postignuće bilo je provođenje letačkih testova zrakoplova s ​​nuklearnim motorom. U SSSR-u, najperspektivniji je bio eksperimentalni strateški bombarder Tu-95LAL, u SAD-u - B-36.

Princip rada nuklearnog motora

Projekt Orion ili Pulsed NRE

Za letove u svemiru, nuklearni motor pulsirajućeg djelovanja prvi je put predložen da se 1945. koristi američki matematičar poljskog podrijetla Stanislav Ulam. U sljedećem desetljeću tu su ideju razvili i pročistili T. Taylor i F. Dyson. Zaključak je da energija malih nuklearnih naboja, eksplodirala na određenoj udaljenosti od platforme za guranje na dnu rakete, govori o velikom ubrzanju.

Tijekom projekta Orion, pokrenutog 1958. godine, planirano je da se s takvim motorom opremi raketom koja je sposobna isporučivati ​​ljude na površinu Marsa ili u orbitu Jupitera. Posada, koja se nalazi u odjeljku za nos, bila bi zaštićena od destruktivnih učinaka velikih ubrzanja pomoću naprave za prigušivanje. Rezultat detaljne inženjerske studije bio je testiranje ljestvice modela broda za proučavanje stabilnosti leta (umjesto nuklearnog naboja korišteni su konvencionalni eksplozivi). Zbog visoke cijene projekta zatvoren je 1965.

Nuklearni raketni motori

Slične ideje o stvaranju "eksplozije" izrazio je sovjetski akademik A. Sakharov u srpnju 1961. godine. Da bi brod ušao u orbitu, znanstvenik je predložio da se koristi uobičajen ŽTRD.

Alternativni projekti

Veliki broj projekata nije prošao teoretske studije. Među njima je bilo mnogo originalnih i vrlo obećavajućih. Potvrda je ideja o nuklearnoj elektrani na fisijskim fragmentima. Konstrukcijske značajke i uređaj ovog motora omogućuju uopće odvajanje radnog fluida. Iz istrošenog nuklearnog materijala nastaje mlaz koji osigurava potrebna svojstva vuče. Reaktor se temelji na rotirajućim diskovima s potkritičnom nuklearnom masom (omjer atomske podjele je manji od jedinstva). Kada se rotira u sektoru diska u aktivnoj zoni, pokreće se lančana reakcija i raspadljivi atomi visoke energije šalju se u mlaznicu motora, tvoreći mlazni tok. Preostali cijeli atomi će sudjelovati u reakciji na sljedećim skretanjima diska za gorivo.

Projekti nuklearnog motora za brodove koji obavljaju određene zadatke u blizini Zemlje, temeljeni na RTG-ovima (radioizotopni termoelektrični generatori), vrlo su učinkoviti, ali za instalacije interplanetarne, a još više međuzvjezdane, takve instalacije nisu mnogo obećavajuće.

Ogromni potencijal motora za nuklearnu fuziju. Već na sadašnjem stupnju razvoja znanosti i tehnologije, pulsirajuća instalacija je sasvim ostvariva, u kojoj će, kao i projekt Oriona, termonuklearni naboji biti potkopani ispod dna rakete. Međutim, provedba kontrolirane nuklearne fuzije, mnogi stručnjaci vjeruju rad u bliskoj budućnosti.

Princip nuklearnog motora

Prednosti i nedostaci NRE-a

Nesporne prednosti korištenja nuklearnih motora kao agregata za letjelice trebale bi uključivati ​​njihovu visoku energetsku učinkovitost, koja osigurava visok specifičan impuls i dobre vučne performanse (do tisuću tona u bezzračnom prostoru), impresivnu zalihu energije tijekom autonomnog rada. Sadašnja razina znanstvenog i tehnološkog razvoja omogućuje komparativnu kompaktnost takve instalacije.

Glavni nedostatak YARD-ova koji je uzrokovao kolaps projektnog i istraživačkog rada je visoka radijacijska opasnost. To je osobito istinito kada se provode testovi protupožarne zaštite na zemlji, kao rezultat toga, radioaktivni plinovi, spojevi urana i njegovi izotopi, kao i štetni učinci prodornog zračenja, mogu biti ispušteni u atmosferu zajedno s radnim fluidom. Iz istih razloga, lansiranje svemirske letjelice opremljene nuklearnim motorom izravno s površine Zemlje je neprihvatljivo.

Sadašnjost i budućnost

Prema uvjeravanjima akademika Ruske akademije znanosti, generalnog direktora centra Keldysh Anatolija Korotejeva, uskoro će se stvoriti temeljno novi tip nuklearnog motora u Rusiji. Suština pristupa je u tome što će energija svemirskog reaktora biti usmjerena ne na izravno zagrijavanje radnog medija i stvaranje mlaza, već na proizvodnju električne energije. Uloga motora u instalaciji daje se plazma motoru, čija je specifična sila 20 puta veća od potiska postojećih kemijskih mlaznih strojeva. Glavna tvrtka projekta je podružnica državne korporacije Rosatom NIKIET dd (Moskva).

Nuklearni mlazni motor

U 2015. godini uspješno su završeni cjeloviti testni testovi na temelju NPO Mashinostroeniya (Reutov). Datum početka testiranja leta nuklearne elektrane je studeni ove godine. Bit će potrebno testirati najvažnije elemente i sustave, uključujući i na ISS-u.

Funkcioniranje novog ruskog nuklearnog motora odvija se u zatvorenom ciklusu, koji u potpunosti eliminira ulaz radioaktivnih tvari u okolni prostor. Masovne i dimenzijske karakteristike glavnih elemenata elektrane osiguravaju njegovu primjenu s postojećim ruskim lansirnim vozilima Proton i Angara.