Nuklearni raketni motori. nuklearni raketni motor

Čuvajte se mnogih slova.

Planirano je da se model leta svemirske letjelice s nuklearnom elektranom (NPP) u Rusiji izradi do 2025. godine. Relevantni rad je uključen u nacrt Federalnog svemirskog programa za 2016–2025. (FKP-25), koji je Roskosmos poslao ministarstvima na odobrenje.

Nuklearni energetski sistemi se smatraju glavnim obećavajućim izvorima energije u svemiru pri planiranju velikih međuplanetarnih ekspedicija. U budućnosti će nuklearne elektrane, koje trenutno razvijaju poduzeća Rosatoma, u budućnosti moći davati megavatnu snagu u svemiru.

Svi radovi na izgradnji nuklearnih elektrana teku u skladu sa planiranim rokovima. Sa velikom dozom samopouzdanja možemo reći da će posao biti završen na vreme, predviđeno ciljnim programom, - kaže Andrej Ivanov, rukovodilac projekta odeljenja za komunikacije državne korporacije Rosatom.

Per U poslednje vreme U okviru projekta protekle su dvije važne faze: kreiran je jedinstveni dizajn gorivnog elementa koji osigurava rad u uvjetima visoke temperature, veliki temperaturni gradijenti, visoke doze zračenja. Uspješno su završena i tehnološka ispitivanja reaktorske posude budućeg svemirskog bloka. U sklopu ovih ispitivanja, tijelo je podvrgnuto nadpritisku i izvršena su 3D mjerenja u područjima osnovnog metala, prstenastog zavareni spoj i konusni prelaz.

Princip rada. Istorija stvaranja.

WITH nuklearni reaktor nema fundamentalnih poteškoća za primjenu u svemiru. U periodu od 1962. do 1993. godine u našoj zemlji stečeno je bogato iskustvo u proizvodnji sličnih instalacija. Sličan posao je obavljen u SAD. Od početka 1960-ih godina u svijetu je razvijeno nekoliko tipova električnih pogonskih motora: jonski, stacionarni plazma motor, motor sa anodnim slojem, pulsni plazma motor, magnetoplazma, magnetoplazmodinamički.

Radovi na stvaranju nuklearnih motora za svemirske letjelice aktivno su vođeni u SSSR-u i SAD-u u prošlom stoljeću: Amerikanci su zatvorili projekat 1994., SSSR - 1988. godine. Zatvaranje rada uvelike je olakšala katastrofa u Černobilu, koja je negativno uticala na javno mnijenje u pogledu korištenja nuklearne energije. Osim toga, ispitivanja nuklearnih instalacija u svemiru nisu se uvijek provodila redovno: 1978. godine sovjetski satelit Kosmos-954 ušao je u atmosferu i raspao se, raspršivši hiljade radioaktivnih fragmenata na površini od 100 hiljada kvadratnih metara. km u sjeverozapadnoj Kanadi. Sovjetski savez isplatio Kanadi više od 10 miliona dolara novčane kompenzacije.

U svibnju 1988. dvije organizacije - Federacija američkih naučnika i Komitet sovjetskih naučnika za mir protiv nuklearne prijetnje - dale su zajednički prijedlog za zabranu korištenja nuklearne energije u svemiru. Taj prijedlog nije dobio formalne posljedice, ali od tada nijedna država nije lansirala svemirski brod s nuklearnim elektranama na brodu.

Velike prednosti projekta su praktično važne operativne karakteristike - dug radni vijek (10 godina rada), značajan interval remonta i dugo vrijeme rada na jednom prekidaču.

U 2010. godini formulisani su tehnički prijedlozi projekta. Dizajn je počeo ove godine.

Nuklearna elektrana sadrži tri glavna uređaja: 1) reaktorsko postrojenje sa radnim fluidom i pomoćnim uređajima (izmjenjivač topline-rekuperator i turbogenerator-kompresor); 2) električni raketni pogon; 3) frižider-emiter.

Reaktor.

Sa fizičke tačke gledišta, ovo je kompaktni plinski hlađeni brzi neutronski reaktor.
Gorivo koje se koristi je spoj (dioksid ili karbonitrid) uranijuma, ali zbog toga što dizajn mora biti vrlo kompaktan, uranijum ima veće obogaćenje izotopom 235 nego u gorivim šipkama u konvencionalnim (civilnim) nuklearnim elektranama, možda preko 20%. A njihova školjka je monokristalna legura vatrostalnih metala na bazi molibdena.

Ovo gorivo će morati da radi na veoma visokim temperaturama. Stoga je bilo potrebno odabrati materijale koji bi mogli obuzdati negativne faktore povezane s temperaturom, a istovremeno omogućiti gorivu da obavlja svoju glavnu funkciju - zagrijavanje rashladne tekućine plina, koja će se koristiti za proizvodnju električne energije.

Frižider.

Hlađenje gasom tokom rada nuklearna instalacija apsolutno neophodno. Kako izbaciti toplotu u svemir? Jedina mogućnost je radijacijsko hlađenje. Zagrijana površina u praznini se hladi, emitujući elektromagnetne valove u širokom rasponu, uključujući vidljivu svjetlost. Jedinstvenost projekta je u korištenju posebne rashladne tekućine - mješavine helij-ksenona. Instalacija obezbeđuje visoku efikasnost.

Motor.

Princip rada jonskog motora je sljedeći. Razrijeđena plazma se stvara u komori s plinskim pražnjenjem uz pomoć anoda i katodnog bloka smještenog u magnetskom polju. Jone radnog fluida (ksenona ili druge supstance) emisiona elektroda "izvlači" iz njega i ubrzava u razmaku između njega i elektrode za ubrzanje.

Za realizaciju plana obećano je 17 milijardi rubalja u periodu od 2010. do 2018. godine. Od tih sredstava, državnoj korporaciji Rosatom je za izgradnju samog reaktora izdvojeno 7,245 milijardi rubalja. Ostalo 3,955 milijardi - FSUE "Centar Keldysh" za stvaranje nuklearno pogonske elektrane. Još 5,8 milijardi rubalja ići će za RSC Energia, gdje će u istom vremenskom roku morati da se formira radna slika cjelokupnog transportnog i energetskog modula.

Planirano je da do kraja 2017. godine bude pripremljena nuklearna elektrana koja će završiti transportno-energetski modul (međuplanetarni letni modul). Do kraja 2018. godine nuklearna elektrana će biti spremna za probna leta. Projekat se finansira iz federalnog budžeta.

Nije tajna da su radovi na stvaranju nuklearnih raketnih motora započeli u SAD i SSSR-u još 60-ih godina prošlog stoljeća. dokle su stigli? I na kakve ste izazove nailazili na tom putu?

Anatolij Korotejev: Zaista, rad na korištenju nuklearne energije u svemiru započeo je i aktivno se provodio ovdje i u Sjedinjenim Državama 1960-ih i 70-ih godina.

U početku je zadatak bio da se naprave raketni motori koji bi koristili zagrevanje vodonika na temperaturu od oko 3000 stepeni umesto hemijske energije sagorevanja goriva i oksidatora. Ali pokazalo se da je takav direktan put još uvijek neefikasan. Kratko vrijeme dobivamo veliki potisak, ali istovremeno izbacujemo mlaz, koji u slučaju nenormalnog rada reaktora može biti radioaktivno kontaminiran.

Stečeno je određeno iskustvo, ali ni mi ni Amerikanci tada nismo uspjeli stvoriti pouzdane motore. Radili su, ali nedovoljno, jer je zagrijavanje vodonika na 3000 stepeni u nuklearnom reaktoru ozbiljan zadatak. Osim toga, bilo je ekoloških problema tokom zemaljskih testova takvih motora, budući da su radioaktivni mlaznici emitirani u atmosferu. Više nije tajna da su takvi radovi obavljeni na poligonu Semipalatinsk posebno pripremljenom za nuklearna testiranja, koji je ostao u Kazahstanu.

Odnosno, dva parametra su se pokazala kritičnim - previsoka temperatura i emisija zračenja?

Anatolij Korotejev: Generalno, da. Iz ovih i nekih drugih razloga, rad kod nas i u Sjedinjenim Američkim Državama je prekinut ili obustavljen - to se može ocijeniti na različite načine. I činilo nam se nerazumnim nastavljati ih na takav način, rekao bih, frontalno, kako bi se napravio nuklearni motor sa svim već navedenim nedostacima. Predložili smo potpuno drugačiji pristup. Razlikuje se od starog na isti način na koji se hibridni automobil razlikuje od konvencionalnog. U konvencionalnom automobilu motor okreće točkove, dok se u hibridnim automobilima električna energija proizvodi iz motora i ta električna energija okreće točkove. Odnosno, stvara se određena međuelektrana.

Stoga smo predložili shemu u kojoj svemirski reaktor ne zagrijava mlaz izbačen iz njega, već proizvodi električnu energiju. Vrući plin iz reaktora okreće turbinu, turbina pokreće električni generator i kompresor, koji cirkuliše radni fluid u zatvorenom krugu. Generator, s druge strane, proizvodi električnu energiju za plazma motor sa specifičnim potiskom 20 puta većim od onog kod hemijskih kolega.

Pametna šema. U suštini, ovo je mini-nuklearna elektrana u svemiru. I koje su njegove prednosti u odnosu na ramjet nuklearni motor?

Anatolij Korotejev: Glavna stvar je da mlaz koji izlazi iz novog motora neće biti radioaktivan, jer kroz reaktor prolazi potpuno drugačiji radni fluid koji se nalazi u zatvorenom krugu.

Osim toga, ne trebamo zagrijavati vodonik do ekstremnih vrijednosti ​​​sa ovom shemom: inertni radni fluid cirkulira u reaktoru, koji se zagrijava do 1500 stupnjeva. Ozbiljno pojednostavljujemo naš zadatak. I kao rezultat toga, specifični potisak ćemo povećati ne dvaput, već 20 puta u odnosu na hemijske motore.

Još jedna stvar je takođe važna: nema potrebe za složenim testovima u punom obimu, za koje je potrebna infrastruktura bivšeg poligona Semipalatinsk, posebno klupna baza koja je ostala u gradu Kurčatov.

U našem slučaju, sva potrebna ispitivanja mogu se izvršiti na teritoriji Rusije, a da se ne uvlače u dugotrajne međunarodne pregovore o korišćenju nuklearne energije van naše države.

Da li se slični radovi izvode u drugim zemljama?

Anatolij Korotejev: Imao sam sastanak sa zamenikom šefa NASA-e, razgovarali smo o pitanjima vezanim za povratak na rad na nuklearnoj energiji u svemiru i on je rekao da Amerikanci pokazuju veliko interesovanje za to.

Sasvim je moguće da i Kina može odgovoriti aktivnim djelovanjem sa svoje strane, pa je potrebno raditi brzo. I to ne samo zbog toga da nekog prestignemo za pola koraka.

Moramo raditi brzo, prije svega, da u međunarodnoj saradnji koja je u nastajanju, a ona se de facto formira, izgledamo dostojno.

Ne isključujem da bi to u bliskoj budućnosti moglo biti pokrenuto međunarodni program na nuklearnoj svemirskoj elektrani, slično programu koji se trenutno provodi o kontrolisanoj termonuklearnoj fuziji.

Svakih nekoliko godina
novi potpukovnik otkriva Pluton.
Nakon toga, on zove laboratoriju,
da saznamo sudbinu nuklearnog ramjet.

Moderna tema danas, ali čini mi se da je nuklearni direktni tok zraka mnogo zanimljiviji. mlazni motor, jer ne mora sa sobom nositi radno tijelo.
Pretpostavljam da se u poruci predsednika radilo o njemu, ali su iz nekog razloga svi danas počeli da pišu o DVORIŠTU???
Da stavim sve na jedno mesto. Kažem vam, radoznale misli se pojavljuju kada shvatite temu. I veoma neprijatna pitanja.

Ramjet motor (ramjet; engleski izraz je ramjet, od ram - ram) - mlazni motor, po uređaju je najjednostavniji u klasi vazdušno-mlaznih motora (ramjet motora). Odnosi se na tip direktne reakcije WJD, u kojoj se potisak stvara isključivo mlaznom strujom koja teče iz mlaznice. Povećanje pritiska neophodno za rad motora postiže se kočenjem nadolazećeg strujanja vazduha. ramjet je neoperabilan kada niske brzine let, posebno pri nultoj brzini, potreban je jedan ili drugi akcelerator da bi se doveo do radne snage.

U drugoj polovini 1950-ih, u doba hladnog rata, u SAD i SSSR-u razvijeni su ramjet avioni sa nuklearnim reaktorom.


Autor fotografije: Leicht modifiziert aus http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pluto1955.jpg

Izvor energije za ove ramjet motore (za razliku od drugih ramjet motora) nije hemijska reakcija sagorijevanje goriva, već toplina koju stvara nuklearni reaktor u grijaćoj komori radnog fluida. Vazduh iz ulaza u takav ramjet prolazi kroz jezgro reaktora, hladi ga, zagreva se do radne temperature (oko 3000 K), a zatim izlazi iz mlaznice brzinom koja je uporediva sa brzinama izduvnih gasova za najnaprednije hemijski raketni motori. Moguća destinacija aviona sa ovim motorom:
- interkontinentalni nosač krstarećih raketa nuklearnog punjenja;
- jednostepeni vazduhoplovni avion.

U obje zemlje stvoreni su kompaktni nuklearni reaktori niskih resursa koji se uklapaju u dimenzije velike rakete. U Sjedinjenim Državama, u okviru istraživačkih programa nuklearnog ramjet Plutona i Toryja, 1964. godine su obavljena testna paljbena ispitivanja Tory-IIC nuklearnog ramjet motora (režim pune snage 513 MW u trajanju od pet minuta sa potiskom od 156 kN). Testovi letenja nisu obavljeni, program je zatvoren u julu 1964. Jedan od razloga za zatvaranje programa je i unapređenje dizajna balističkih projektila sa hemijskim raketnim motorima, čime je u potpunosti obezbeđeno rešavanje borbenih zadataka bez upotrebe šema sa relativno skupim nuklearnim ramjet motorima.
Sada nije uobičajeno govoriti o drugom u ruskim izvorima ...

Projekat Pluton je trebao koristiti taktiku letenja na malim visinama. Ova taktika je omogućila prikrivenost radara sistema protivvazdušne odbrane SSSR-a.
Da bi se postigla brzina kojom bi radio ramjet, Pluton bi morao biti lansiran sa zemlje pomoću paketa konvencionalnih raketnih pojačivača. Lansiranje nuklearnog reaktora počelo je tek nakon što je Pluton dostigao visinu krstarenja i bio dovoljno uklonjen iz naseljenih područja. Nuklearni motor, koji je davao gotovo neograničen domet, omogućio je raketi da leti u krugovima iznad okeana, čekajući naredbu da supersonično ode do cilja u SSSR-u.

Nacrt dizajna SLAM-a

Odlučeno je da se provede statičko ispitivanje punog reaktora, koji je bio namijenjen za ramjet motor.
Budući da je reaktor Pluton nakon lansiranja postao izuzetno radioaktivan, njegovu dopremu do poligona vršila je posebno izgrađena potpuno automatizirana željeznička pruga. Duž ove linije, reaktor bi se kretao na udaljenosti od oko dvije milje, što je razdvajalo statički testni centar i masivnu zgradu za "demontažu". U zgradi je demontiran "vrući" reaktor radi ispitivanja pomoću opreme na daljinsko upravljanje. Naučnici iz Livermorea pratili su proces testiranja koristeći televizijski sistem koji se nalazio u limenoj šupi daleko od ispitne klupe. Za svaki slučaj, hangar je opremljen antiradijacionim skloništem sa dvonedeljnim zalihama hrane i vode.
Samo da bi nabavila beton potreban za izgradnju zidova zgrade za rušenje (debljine šest do osam stopa), vlada Sjedinjenih Država kupila je cijeli rudnik.
Milioni funti komprimovanog zraka pohranjeni su u 25 milja cijevi za proizvodnju nafte. Ovaj komprimovani vazduh trebalo je da se koristi za simulaciju uslova u kojima se ramjet motor nalazi tokom leta pri krstarećoj brzini.
Kako bi osigurao visok tlak zraka u sistemu, laboratorij je pozajmio gigantske kompresore iz podmornice (Groton, Connecticut).
Test, tokom kojeg je jedinica radio punom snagom pet minuta, zahtevalo je da se tona vazduha uduva kroz čelične rezervoare koji su bili napunjeni sa više od 14 miliona čeličnih kuglica, prečnika 4 cm. Ovi rezervoari su zagrejani na 730 stepeni pomoću grijaćih elemenata, gdje je sagorjelo ulje.

Postavljen na željezničku platformu, Tori-2S je spreman za uspješno testiranje. maja 1964

14. maja 1961. inženjeri i naučnici u hangaru u kojem je eksperiment bio kontrolisan zadržao je dah - prvi nuklearni ramjet motor na svijetu, postavljen na jarkocrvenu željezničku platformu, objavio je svoje rođenje uz glasnu graju. Tori-2A je lansiran na samo nekoliko sekundi, tokom kojih nije razvio svoju nominalnu snagu. Međutim, test je ocijenjen uspješnim. Najvažnije je da se reaktor nije zapalio, čega su se neki predstavnici komiteta za atomsku energiju izuzetno bojali. Gotovo odmah nakon testova, Merkle je započeo rad na stvaranju drugog Toryjevog reaktora, koji je trebao imati veću snagu uz manju težinu.
Rad na Tori-2B nije napredovao dalje od nacrta. Umjesto toga, Livermori su odmah izgradili Tory-2C, koji je prekinuo tišinu pustinje tri godine nakon što je prvi reaktor testiran. Sedmicu kasnije, ovaj reaktor je ponovo pokrenut i radio je punom snagom (513 megavata) pet minuta. Pokazalo se da je radioaktivnost izduvnih gasova mnogo manja od očekivane. Ovim testovima su prisustvovali i generali Ratnog vazduhoplovstva i zvaničnici Komiteta za atomsku energiju.

U to vrijeme kupci iz Pentagona, koji su finansirali projekat Pluton, počeli su da sumnjaju. Budući da je projektil lansiran iz Sjedinjenih Država i preletio teritoriju američkih saveznika na maloj visini kako bi izbjegao otkrivanje od strane sovjetskih sistema protuzračne odbrane, neki vojni stratezi su se zapitali hoće li projektil predstavljati prijetnju saveznicima? Čak i prije nego što projektil Pluton baci bombe na neprijatelja, prvo će omamiti, smrskati, pa čak i ozračiti saveznike. (Očekivalo se da će Pluton koji prolazi iznad glave proizvesti oko 150 decibela buke na tlu. Za poređenje, raketa koja je poslala Amerikance na Mjesec (Saturn V) pri punom potisku bila je 200 decibela.) Naravno, puknuće bubne opne bi vam bile najmanji problem da se nađete ispod golog reaktora koji vam leti iznad glave i peče vas kao pile od gama i neutronskog zračenja.

Tori-2C

Dok su kreatori rakete tvrdili da je i Pluton inherentno neuhvatljiv, vojni analitičari su izrazili zbunjenost da nešto tako bučno, vruće, veliko i radioaktivno može ostati neotkriveno tokom vremena koje je potrebno da se misija završi. Istovremeno, američko ratno vazduhoplovstvo već je počelo sa razmeštanjem balističkih raketa Atlas i Titan, koje su bile u stanju da dostignu ciljeve nekoliko sati ispred letećeg reaktora, i protivraketnog sistema SSSR-a, čiji je strah postao glavni podsticaj. za stvaranje Plutona., nikada nije postala prepreka balističkim projektilima, uprkos uspješnim testnim presretanjama. Kritičari projekta smislili su vlastito dekodiranje skraćenice SLAM - sporo, nisko i neuredno - sporo, nisko i prljavo. Nakon uspješnog testiranja rakete Polaris, flota, koja je u početku izrazila interes za korištenje projektila za lansiranje s podmornica ili brodova, također je počela da napušta projekat. I konačno, cijena svake rakete bila je 50 miliona dolara. Odjednom je Pluton bio tehnologija bez primjene, oružje bez odgovarajućih meta.

Međutim, poslednji ekser u Plutonov kovčeg bio je samo jedno pitanje. Toliko je varljivo jednostavno da se Livermorima može oprostiti što su ga namjerno ignorirali. “Gdje izvršiti letna ispitivanja reaktora? Kako uvjeriti ljude da tokom leta raketa neće izgubiti kontrolu i preletjeti Los Angeles ili Las Vegas na maloj visini? pitao je fizičar iz Livermorea Jim Hadley, koji je radio na projektu Pluton do samog kraja. Trenutno je zadužen za otkrivanje nuklearnih testova koji se izvode u drugim zemljama za diviziju Z. Prema riječima samog Hadleyja, nije bilo garancija da raketa neće izmaći kontroli i pretvoriti se u leteći Černobil.
Predloženo je nekoliko rješenja za ovaj problem. Jedan od njih je lansiranje Plutona u blizini ostrva Wake, gdje bi raketa letjela, presijecajući osmice preko dijela okeana u vlasništvu Sjedinjenih Država. "Vruće" rakete je trebalo da budu potopljene na dubini od 7 kilometara u okeanu. Međutim, čak i kada je Komisija za atomsku energiju pobuđivala umove ljudi o zračenju kao neograničenom izvoru energije, prijedlog da se dosta radioaktivno zagađenih raketa ispusti u okean bio je dovoljan da se posao obustavi.
1. jula 1964. godine, sedam godina i šest mjeseci nakon početka radova, projekat Pluton zatvorili su Komisija za atomsku energiju i zračne snage.

Svakih nekoliko godina, novi potpukovnik zračnih snaga otkrije Pluton, kaže Hadley. Nakon toga poziva laboratoriju da sazna sudbinu nuklearnog ramjet. Entuzijazam potpukovnika nestaje odmah nakon što Hadley progovori o problemima sa zračenjem i letnim testovima. Niko nije zvao Hadley više od jednom.
Ako Pluton želi nekoga da vrati u život, onda će možda uspjeti pronaći nekoliko regruta u Livermoreu. Međutim, neće ih biti mnogo. Ideju o tome šta bi moglo biti pakleno ludo oružje najbolje je ostaviti u prošlosti.

Tehničke karakteristike rakete SLAM:
Prečnik - 1500 mm.
Dužina - 20000 mm.
Težina - 20 tona.
Radijus djelovanja nije ograničen (teoretski).
Brzina na nivou mora - 3 maha.
Naoružanje - 16 termonuklearnih bombi (snaga svake 1 megaton).
Motor je nuklearni reaktor (kapaciteta 600 megavata).
Sistem navođenja - inercijski + TERCOM.
Maksimalna temperatura kože je 540 stepeni Celzijusa.
Materijal okvira je visokotemperaturni nerđajući čelik Rene 41.
Debljina plašta - 4 - 10 mm.

Ipak, nuklearni ramjet obećava kao pogonski sistem za jednostepene vazduhoplovne avione i brze interkontinentalne teške transportna avijacija. To je olakšano mogućnošću stvaranja nuklearnog ramjet sposobnog da radi pri podzvučnim i nultim brzinama leta u načinu rada raketnog motora, koristeći ugrađene zalihe radnog fluida. To je, na primjer, zrakoplovna letjelica s nuklearnim ramjetom počinje (uključujući i poletanje), opskrbljujući motore radnom tekućinom iz brodskih (ili vanbrodskih) spremnika i, nakon što je već dostigao brzine od M = 1, prelazi na korištenje atmosferskog zraka .

Kako je izjavio predsednik Ruske Federacije V.V. Putin, početkom 2018. godine „došlo je do uspešnog lansiranja krstareće rakete sa nuklearna elektrana". Istovremeno, prema njegovim riječima, domet takve krstareće rakete je "neograničen".

Pitam se u kojoj regiji su vršena testiranja i zašto su ih nadležne službe za praćenje nuklearnih testova osudile. Ili je jesenje oslobađanje rutenija-106 u atmosferu nekako povezano s ovim testovima? One. Stanovnici Čeljabinska nisu samo posuti rutenijumom, već i prženi?
A gde je pala ova raketa? Jednostavno rečeno, gdje se podijelio nuklearni reaktor? Na kom dometu? Na Novoj Zemlji?

**************************************** ********************

A sada da pročitamo malo o nuklearnim raketnim motorima, iako je ovo sasvim druga priča.

Nuklearni raketni motor (NRE) je tip raketnog motora koji koristi energiju nuklearne fisije ili fuzije za stvaranje mlaznog potiska. Oni su tekući (zagrijavanje tekućeg radnog fluida u komori za grijanje iz nuklearnog reaktora i plin se uklanja kroz mlaznicu) i pulsno-eksplozivni (nuklearne eksplozije male snage u jednakom vremenskom intervalu).
Tradicionalni NRE u cjelini je dizajn komore za grijanje s nuklearnim reaktorom kao izvorom topline, sistemom za dovod radnog fluida i mlaznicom. Radni fluid (obično vodonik) se dovodi iz rezervoara u jezgro reaktora, gdje se, prolazeći kroz kanale zagrijane reakcijom nuklearnog raspada, zagrijava na visoke temperature i zatim izbacuje kroz mlaznicu, stvarajući mlazni potisak. Postoje različiti dizajni NRE: čvrsta faza, tečna faza i gasovita faza - koji odgovaraju stanju agregacije nuklearnog goriva u jezgri reaktora - čvrsti, rastopljeni ili visokotemperaturni gas (ili čak plazma).


Istok https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1822546

RD-0410 (GRAU indeks - 11B91, poznat i kao "Irgit" i "IR-100") - prvi i jedini sovjetski nuklearni raketni motor iz 1947-78. Razvijen je u projektantski ured"Khimavtomatika", Voronjež.
U RD-0410 korišten je heterogeni reaktor termičkih neutrona. Dizajn je uključivao 37 gorivih sklopova prekrivenih toplinskom izolacijom koja ih odvaja od moderatora. ProjektPredviđeno je da tok vodonika prvo prođe kroz reflektor i moderator, održavajući njihovu temperaturu na sobnoj temperaturi, a zatim uđe u jezgro gdje se zagrije do 3100 K. Na štandu reflektor i moderator su hlađeni odvojenim protok vodonika. Reaktor je prošao kroz značajnu seriju testova, ali nikada nije testiran za cijelo vrijeme rada. Vanreaktorski čvorovi su u potpunosti razrađeni.

********************************

A ovo je američki nuklearni raketni motor. Njegov dijagram je bio na naslovnoj slici


Autor: NASA - Sjajne slike u NASA opisu, javno vlasništvo, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378

NERVA (eng. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) je zajednički program američke Komisije za atomsku energiju i NASA-e za stvaranje nuklearnog raketnog motora (NRE), koji je trajao do 1972. godine.
NERVA je demonstrirala da je NRE potpuno funkcionalan i pogodan za istraživanje svemira, a krajem 1968. godine SNPO je potvrdio da najnovija modifikacija NERVA-e, NRX/XE, ispunjava zahtjeve za let s posadom na Mars. Iako su NERVA motori bili napravljeni i testirani na najbolji mogući način i smatrani su spremnima za svemirske letjelice, Nixonova administracija je otkazala veći dio američkog svemirskog programa.

NERVA je ocijenjena kao vrlo uspješan program od strane AEC, SNPO i NASA, koji ispunjava ili čak premašuje svoje ciljeve. glavni cilj Program je bio „stvaranje tehničke baze za sisteme nuklearnih raketnih motora koji će se koristiti u projektovanju i razvoju pogonski sistemi za svemirske misije. Gotovo svi svemirski projekti koji koriste NRE bazirani su na NERVA NRX ili Pewee dizajnu.

Marsovske misije bile su uzrok NERVINE propasti. Članovi Kongresa iz obje političke stranke odlučili su da bi misija s ljudskom posadom na Mars bila prešutna obaveza Sjedinjenih Država da decenijama podržavaju skupu svemirsku trku. Svake godine, program RIFT je odgađao i NERVA-ini ciljevi postajali su složeniji. Na kraju krajeva, iako je NERVA motor prošao mnoge uspješne testove i imao snažnu podršku Kongresa, nikada nije napustio Zemlju.

U novembru 2017. godine, China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) objavila je mapu puta za razvoj kineskog svemirskog programa za period 2017-2045. Njime se posebno predviđa stvaranje broda za višekratnu upotrebu koji pokreće nuklearni raketni motor.

Našao sam zanimljiv članak. Generalno, nuklearne letjelice su me oduvijek zanimale. Ovo je budućnost istraživanja svemira. Opsežan rad na ovoj temi obavljen je iu SSSR-u. Članak je o njima.

Prostor na atomski pogon. Snovi i stvarnost.

Doktor fizičkih i matematičkih nauka Yu. Ya. Stavissky

Godine 1950. odbranio sam diplomu inženjerske fizike na Moskovskom mašinskom institutu (MMI) Ministarstva za municiju. Pet godina ranije, 1945. godine, tamo je formiran odsjek za inženjersku fiziku, koji je obučavao stručnjake za novu industriju, čiji su zadaci uključivali uglavnom proizvodnju nuklearnog oružja. Fakultet je bio bez premca. Uz fundamentalnu fiziku u okviru univerzitetskih predmeta (metode matematičke fizike, teorija relativnosti, kvantna mehanika, elektrodinamika, statistička fizika i dr.), predavali smo čitav niz inženjerskih disciplina: hemija, nauka o metalu, čvrstoća materijala , teorija mehanizama i mašina itd. Nastao od strane istaknutog sovjetskog fizičara Aleksandra Iljiča Lejpunskog, Fakultet inženjerske fizike MMI-a je vremenom prerastao u Moskovski institut za inženjersku fiziku (MEPhI). U Moskvi je formiran još jedan Fakultet za inženjerstvo i fiziku, koji se takođe kasnije spojio u MEPhI. energetski institut(MPEI), ali ako je na MMI-u glavni akcenat bio na fundamentalnoj fizici, onda na Energetskom institutu - na toploti i elektrofizici.

Učili smo kvantnu mehaniku koristeći knjigu Dmitrija Ivanoviča Blohinceva. Zamislite moje iznenađenje kada su me, tokom distribucije, poslali da radim s njim. Strastveni sam eksperimentator (kao dijete sam demontirao sve satove u kući), i odjednom dođem do poznatog teoretičara. Uhvatila me je lagana panika, ali po dolasku na mesto - "Objekat B" Ministarstva unutrašnjih poslova SSSR-a u Obninsku - odmah sam shvatio da sam uzalud zabrinut.

Do tada je glavna tema "Objekta B", koju je zapravo vodio A.I. Leipunsky, već formirana. Ovdje su stvorili reaktore s proširenom reprodukcijom nuklearnog goriva - "brze uzgajivače". Kao direktor, Blokhintsev je pokrenuo razvoj novog pravca - stvaranje motora na atomski pogon za svemirske letove. Ovladavanje prostorom bio je stari san Dmitrija Ivanoviča, čak se u mladosti dopisivao i sastajao sa K.E. Ciolkovsky. Mislim da je razumijevanje gigantskih mogućnosti nuklearne energije, sa kalorijskom vrijednošću milion puta većom od najboljih kemijskih goriva, odredilo životni put D.I. Blokhintsev.
“Ne možeš se vidjeti licem u lice”... Tih godina nismo mnogo razumjeli. Tek sada, kada je konačno postalo moguće uporediti djela i sudbine izuzetnih naučnika Fizičko-energetskog instituta (IPPE) - nekadašnjeg "Objekta B", preimenovanog 31. decembra 1966. - postoji tačna, kako se čini, za mene, razumevanje ideja koje su ih pokrenule u to vreme. Uz svu raznolikost slučajeva sa kojima se institut bavio, mogu se izdvojiti prioritetne naučne oblasti koje su se pokazale u sferi interesovanja njegovih vodećih fizičara.

Glavni interes AIL-a (kako su iza leđa u institutu zvali Aleksandra Iljiča Lejpunskog) je razvoj globalne energije zasnovane na brzim reaktorima (nuklearni reaktori koji nemaju ograničenja na resurse nuklearnog goriva). Teško je precijeniti značaj ovog istinski "kosmičkog" problema, kojem je posvetio posljednjih četvrt vijeka svog života. Leipunsky je također potrošio mnogo energije na odbranu zemlje, posebno na stvaranje atomskih motora za podmornice i teške zrakoplove.

Interesi D.I. Blokhintsev (dodijeljen mu je nadimak "DI") imali su za cilj rješavanje problema korištenja nuklearne energije za svemirske letove. Nažalost, krajem 1950-ih bio je prisiljen napustiti ovaj posao i voditi stvaranje međunarodnog naučnog centra - Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni. Tamo je radio na pulsnim brzim reaktorima - IBR. Ovo je bila posljednja velika stvar u njegovom životu.

Jedan gol - jedan tim

DI. Blokhincev, koji je predavao kasnih 1940-ih na Moskovskom državnom univerzitetu, primijetio je tamo, a zatim pozvao mladog fizičara Igora Bondarenka da radi u Obninsku, koji je doslovno divljao svemirskim brodovima na nuklearni pogon. Njegov prvi nadzornik bio je A.I. Leipunsky, a Igor se, naravno, bavio svojom temom - brzim uzgajivačima.

Pod D.I. Blokhincev, grupa naučnika formirana oko Bondarenka, koji su se ujedinili kako bi riješili probleme korištenja atomske energije u svemiru. Pored Igora Iljiča Bondarenka, u grupi su bili: Viktor Jakovlevič Pupko, Edvin Aleksandrovič Stumbur i autor ovih redova. Igor je bio glavni ideolog. Edwin je provodio eksperimentalne studije zemaljskih modela nuklearnih reaktora u svemirskim instalacijama. Uglavnom sam se bavio raketnim motorima "niskog potiska" (potisak u njima stvara svojevrsni akcelerator - "jonski pogon", koji se pokreće energijom iz svemirske nuklearne elektrane). Istražili smo procese
teče u jonskim potisnicima, na prizemnim postoljima.

O Viktoru Pupku (u budućnosti
postao je šef odjela za svemirsku tehnologiju IPPE) bilo je dosta organizacijskog posla. Igor Iljič Bondarenko bio je izvanredan fizičar. Suptilno je osjetio eksperiment, postavio jednostavne, elegantne i vrlo efektne eksperimente. Mislim da, kao nijedan eksperimentator, a možda i malo teoretičara, nije "osetio" fundamentalnu fiziku. Uvijek pristupačan, otvoren i druželjubiv, Igor je zaista bio duša instituta. Do sada FEI živi po svojim idejama. Bondarenko je živeo neopravdano kratak život. 1964. godine, u dobi od 38 godina, tragično je preminuo zbog ljekarske greške. Kao da je Bog, vidjevši koliko je čovjek učinio, odlučio da je već previše i zapovjedio: „Dosta.

Nemoguće je ne prisjetiti se još jedne jedinstvene ličnosti - Vladimira Aleksandroviča Maliha, tehnologa "od Boga", modernog Leskovskog Levše. Ako su "proizvodi" gore spomenutih naučnika uglavnom bili ideje i proračunate procjene njihove stvarnosti, onda su Malykhova djela uvijek imala izlaz "u metalu". Njegov tehnološki sektor, koji je u vrijeme procvata IPPE-a brojao više od dvije hiljade zaposlenih, mogao je, bez preterivanja, sve. Štaviše, on sam je uvijek igrao ključnu ulogu.

V.A. Malikh je počeo kao laboratorijski asistent na Istraživačkom institutu za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog univerziteta, iza sebe ima tri kursa na Odsjeku za fiziku - rat mu nije dozvolio da završi studije. Krajem 1940-ih uspio je stvoriti tehnologiju za proizvodnju tehničke keramike na bazi berilijum oksida, jedinstvenog materijala, dielektrika visoke toplotne provodljivosti. Prije Malykha, mnogi su se bezuspješno borili s ovim problemom. Gorivna ćelija zasnovana na serijski od nerđajućeg čelika a prirodni uran, koji je razvio za prvu nuklearnu elektranu, čudo je za ono vrijeme, pa i za sadašnjost. Ili termoelektrični gorivi element reaktorsko-električnog generatora koji je dizajnirao Malykh za pogon svemirskih letjelica - "vijenac". Do sada se ništa bolje nije pojavilo na ovim prostorima. Malykhove kreacije nisu bile demonstracione igračke, već elementi nuklearne tehnologije. Radili su mjesecima i godinama. Vladimir Aleksandrovič je postao doktor tehničkih nauka, dobitnik Lenjinove nagrade, heroj socijalističkog rada. 1964. godine tragično je preminuo od posljedica vojnog potresa mozga.

Korak po korak

S.P. Koroljev i D.I. Blokhincev je dugo negovao san o svemirskom letu s ljudskom posadom. Između njih su uspostavljene bliske radne veze. Ali početkom 1950-ih, na vrhuncu Hladnog rata, sredstva su šteđena samo za vojne svrhe. Raketna tehnologija se smatrala samo kao nosilac nuklearnog punjenja, a o satelitima se nije ni pomišljalo. U međuvremenu, Bondarenko je, znajući za najnovija dostignuća raketnih naučnika, uporno zagovarao stvaranje vještačkog satelita Zemlje. Kasnije se toga niko nije sjetio.

Zanimljiva je istorija stvaranja rakete koja je u svemir podigla prvog kosmonauta planete Jurija Gagarina. Povezuje se s imenom Andreja Dmitrijeviča Saharova. Kasnih 1940-ih razvio je kombinovano fisijsko-termonuklearno punjenje - "puf", očigledno nezavisno od "oca hidrogenske bombe" Edvarda Telera, koji je predložio sličan proizvod nazvan "budilnik". Međutim, Teller je ubrzo shvatio da bi nuklearno punjenje takvog dizajna imalo "ograničeni" prinos, ne više od ~ 500 kilotona vučnog ekvivalenta. Ovo nije dovoljno za „apsolutno“ oružje, pa je „budilnik“ napušten. U Uniji su 1953. digli u vazduh Sakharov puff RDS-6.

Nakon uspješnih testova i izbora Saharova za akademika, tadašnji šef Minsredmash V.A. Malyshev ga je pozvao kod sebe i postavio zadatak da odredi parametre bombe sljedeće generacije. Andrej Dmitrijevič je procijenio (bez detaljne studije) težinu novog, mnogo snažnijeg punjenja. Saharovljev izvještaj bio je osnova rezolucije Centralnog komiteta KPSS i Vijeća ministara SSSR-a, koja je obavezala S.P. Koroljov da razvije balističku lansirnu raketu za ovo punjenje. Upravo je takva raketa R-7 pod nazivom Vostok lansirala veštački Zemljin satelit 1957. godine i svemirsku letelicu sa Jurijem Gagarinom 1961. godine u orbitu. Više nije planirano da se koristi kao nosač teškog nuklearnog punjenja, jer je razvoj termonuklearnog oružja išao drugim putem.

U početnoj fazi svemirskog nuklearnog programa IPPE, zajedno sa V.N. Chelomeya je razvio krstareću atomsku raketu. Ovaj pravac se nije dugo razvijao i završio je proračunima i testiranjem elemenata motora stvorenih u odjelu V.A. Malykha. Zapravo, radilo se o nisko letećoj bespilotni letjelici s ramjet nuklearnim motorom i nuklearnom bojevom glavom (neka vrsta nuklearnog analoga "zujajuće bube" - njemačkog V-1). Sistem je lansiran pomoću konvencionalnih raketnih pojačivača. Nakon postizanja zadate brzine, potisak je stvarao atmosferski zrak, zagrijavan lančanom reakcijom fisije berilijum oksida impregniranog obogaćenim uranijumom.

Općenito govoreći, sposobnost rakete da izvrši jedan ili drugi kosmonautički zadatak određena je brzinom koju postiže nakon što potroši cjelokupnu zalihu radnog fluida (goriva i oksidatora). Izračunava se prema formuli Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, gdje je c brzina istjecanja radnog fluida, a Mn i Mk su početna i konačna masa rakete. U konvencionalnim hemijskim raketama, brzina ispuštanja je određena temperaturom u komori za sagorevanje, vrstom goriva i oksidatora i molekulskom težinom produkata sagorevanja. Na primjer, Amerikanci su koristili vodonik kao gorivo u vozilu za spuštanje za spuštanje astronauta na Mjesec. Produkt njegovog sagorevanja je voda, čija je molekulska masa relativno mala, a brzina protoka je 1,3 puta veća nego pri sagorevanju kerozina. Ovo je dovoljno da vozilo za spuštanje sa astronautima stigne do površine Mjeseca i potom ih vrati u orbitu svog umjetnog satelita. U Koroljevu je obustavljen rad sa vodoničnim gorivom zbog nesreće sa žrtvama. Nismo imali vremena da napravimo vozilo za spuštanje na Mjesec za ljude.

Jedan od načina da se značajno poveća brzina ispuha je stvaranje nuklearnih termalnih raketa. Imali smo balističke atomske rakete (BAR) dometa nekoliko hiljada kilometara (zajednički projekat OKB-1 i IPPE), Amerikanci su imali slične sisteme tipa Kiwi. Motori su testirani na poligonima u blizini Semipalatinska i Nevade. Princip njihovog rada je sljedeći: vodik se zagrijava u nuklearnom reaktoru na visoke temperature, prelazi u atomsko stanje i već u tom obliku izlazi iz rakete. U ovom slučaju, brzina izduvnih gasova se povećava za više od četiri puta u poređenju sa raketom sa hemijskim vodonikom. Pitanje je bilo otkriti do koje temperature se vodonik može zagrijati u reaktoru sa čvrstim gorivnim ćelijama. Proračuni su dali oko 3000°K.

Na NII-1, čiji je nadzornik bio Mstislav Vsevolodovič Keldysh (tada predsjednik Akademije nauka SSSR), odjel V.M. Ievleva je uz sudjelovanje IPPE-a bila angažirana na potpuno fantastičnoj shemi - reaktoru u plinskoj fazi u kojem se odvija lančana reakcija u plinovitoj mješavini uranijuma i vodonika. Iz takvog reaktora vodonik izlazi deset puta brže nego iz reaktora na čvrsto gorivo, dok se uranijum odvaja i ostaje u jezgru. Jedna od ideja je bila da se koristi centrifugalna separacija, kada se vruća plinovita mješavina uranijuma i vodonika "okreće" nadolazećim hladnim vodonikom, uslijed čega se uran i vodonik razdvajaju, kao u centrifugi. Ievlev je, zapravo, pokušao da direktno reproducira procese u komori za sagorevanje hemijske rakete, koristeći kao izvor energije ne toplotu sagorevanja goriva, već lančana reakcija divizije. Ovo je otvorilo put do punog korišćenja energetskog intenziteta atomskih jezgara. Ali pitanje mogućnosti izlivanja čistog vodonika (bez uranijuma) iz reaktora ostalo je neriješeno, a da ne spominjemo tehničke probleme povezane sa zadržavanjem visokotemperaturnih plinskih mješavina na pritiscima od stotine atmosfera.

Rad IPPE-a na balističkim atomskim projektilima završio je 1969-1970. godine "valjnim testovima" na poligonu Semipalatinsk prototipa nuklearnog raketnog motora s elementima na čvrsto gorivo. Napravio ga je IPPE u saradnji sa Voronješkim dizajnerskim biroom A.D. Konopatov, Moskva NII-1 i niz drugih tehnoloških grupa. Motor sa potiskom od 3,6 tona baziran je na nuklearnom reaktoru IR-100 sa gorivnim elementima napravljenim od čvrstog rastvora uranijum karbida i cirkonijum karbida. Temperatura vodonika dostigla je 3000°K pri snazi ​​reaktora od ~170 MW.

Nuklearni potisnici

Do sada smo govorili o raketama sa potiskom većim od njihove težine, koje bi mogle biti lansirane sa površine Zemlje. U takvim sistemima povećanje brzine ispušnih plinova omogućava smanjenje zaliha radnog fluida, povećanje nosivosti i napuštanje višestepenog procesa. Međutim, postoje načini za postizanje praktički neograničenih brzina ispušnih plinova, na primjer, ubrzanje materije elektromagnetnim poljima. Radio sam u ovoj oblasti u bliskom kontaktu sa Igorom Bondarenkom skoro 15 godina.

Ubrzanje rakete s električnim mlaznim motorom (EP) određeno je omjerom specifične snage svemirske nuklearne elektrane (KAES) instalirane na njima i brzine ispuha. U doglednoj budućnosti, specifična snaga HE KNE, po svemu sudeći, neće preći 1 kW/kg. Istovremeno, moguće je kreirati rakete sa malim potiskom, desetinama i stotinama puta manjim od težine rakete, i sa vrlo malom potrošnjom radnog fluida. Takva raketa može se lansirati samo iz orbite umjetnog satelita Zemlje i, polako ubrzavajući, postići velike brzine.

Za letove unutar Solarni sistem potrebne su nam rakete sa izduvnom brzinom od 50-500 km/s, a za letove do zvijezda su nam potrebne "fotonske rakete" koje prevazilaze našu maštu sa brzinom izduva jednakom brzini svjetlosti. Da bi se izveo svemirski let velikog dometa bilo kojeg razumnog trajanja, potrebni su nezamislivi omjeri snage i težine elektrana. Za sada je nemoguće ni zamisliti na kojim se fizičkim procesima mogu zasnivati.

Izvršeni proračuni su pokazali da je tokom Velike konfrontacije, kada su Zemlja i Mars najbliži jedan drugom, moguće letjeti nuklearnom letjelicom sa posadom na Mars za godinu dana i vratiti je u orbitu vještačkog satelita Zemlje. . Ukupna težina takvog broda je oko 5 tona (uključujući rezervu radnog fluida - cezijum, jednaku 1,6 tona). Uglavnom je određen masom KHE snage 5 MW, a reaktivni potisak određen je snopom cezijum jona od dva megavata sa energijom od 7 kiloelektronvolti*. Brod kreće iz orbite umjetnog satelita Zemlje, ulazi u orbitu satelita Marsa, a na njegovu površinu morat će se spustiti na aparatu s hidrogenskim hemijskim motorom, sličnim američkom lunarnom.

Ovaj pravac, zasnovan na tehničkim rješenjima koja su već danas moguća, bio je posvećen velikom ciklusu IPPE radova.

Ionski potisnici

Tih godina raspravljalo se o načinima stvaranja različitih električnih pogonskih sistema za svemirske letjelice, kao što su "plazma topovi", elektrostatički akceleratori "prašine" ili kapljice tekućine. Međutim, nijedna ideja nije bila jasna fizičku osnovu. Otkriće je površinska jonizacija cezijuma.

Još dvadesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar Irving Langmuir otkrio je površinsku ionizaciju alkalni metali. Kada atom cezija ispari s površine metala (u našem slučaju volframa), čija je radna funkcija elektrona veća od potencijala jonizacije cezija, on gubi slabo vezan elektron u skoro 100% slučajeva i ispada da je naelektrisani ion. Dakle, površinska jonizacija cezijuma na volframu je fizički proces koji omogućava stvaranje jonskog propulzora sa skoro 100% korišćenjem radnog fluida i sa energetskom efikasnošću bliskom jedinici.

Naš kolega Stal Yakovlevich Lebedev odigrao je važnu ulogu u kreiranju modela jonskog propulzora takve sheme. Svojom gvozdenom istrajnošću i istrajnošću savladao je sve prepreke. Kao rezultat toga, bilo je moguće reproducirati u metalu ravno troelektrodno kolo ionskog propulzora. Prva elektroda je volframova ploča veličine približno 10 × 10 cm s potencijalom +7 kV, druga je volframova mreža s potencijalom od -3 kV, a treća je torovana volframova mreža s nultim potencijalom. "Molekularni pištolj" dao je snop cezijumske pare, koja je pala kroz sve rešetke na površinu volframove ploče. Balansirana i kalibrirana metalna ploča, takozvana vaga, služila je za mjerenje "sile", odnosno potiska jonskog snopa.

Ubrzavajući napon do prve mreže ubrzava ione cezijuma do 10.000 eV, dok napon usporavanja do druge mreže usporava ih na 7.000 eV. Ovo je energija s kojom joni moraju napustiti propeler, što odgovara brzini oticanja od 100 km/s. Ali snop jona, ograničen prostornim nabojem, ne može "ići u svemir". Volumetrijski naboj jona mora biti kompenziran elektronima kako bi se formirala kvazineutralna plazma, koja se slobodno širi u prostoru i stvara reaktivni potisak. Izvor elektrona za kompenzaciju prostornog naboja jonskog snopa je treća mreža (katoda) zagrijana strujom. Druga, "zaključujuća" mreža sprečava da elektroni dođu sa katode na volframovu ploču.

Prvo iskustvo sa modelom jonskog pogona označilo je početak više od deset godina rada. Jedan od najnovijih modela - sa poroznim volframovim emiterom, kreiranim 1965. godine, davao je "potisak" od oko 20 g pri struji jonskog snopa od 20 A, imao je faktor iskorišćenja energije od oko 90% i stopu iskorišćenja materije od 95 %.

Direktna konverzija nuklearne topline u električnu energiju

Načini za direktno pretvaranje energije nuklearne fisije u električnu energiju još uvijek nisu pronađeni. Još uvijek ne možemo bez posredne karike - toplotnog motora. Pošto je njegova efikasnost uvijek manja od jedinice, "otpadnu" toplinu se mora negdje odložiti. Na kopnu, u vodi i u zraku s tim nema problema. U svemiru postoji samo jedan način - toplotno zračenje. Dakle, KHE ne može bez “hladnjača-emitera”. Gustina zračenja je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature, tako da temperatura radijatora-radijatora treba da bude što viša. Tada će biti moguće smanjiti površinu zračeće površine i, shodno tome, masu elektrana. Došli smo na ideju da koristimo "direktnu" konverziju nuklearne toplote u električnu energiju, bez turbine ili generatora, što se činilo pouzdanijim u dugotrajnom radu na visokim temperaturama.

Iz literature smo znali za djela A.F. Ioffe - osnivač sovjetske škole tehničke fizike, pionir u proučavanju poluprovodnika u SSSR-u. Malo se sada sjeća trenutnih izvora koje je razvio, a koji su korišteni u godinama Velikog Otadžbinski rat. U to vrijeme više od jednog partizanskog odreda imalo je vezu sa kopnom zahvaljujući "kerozinskim" TEG-ovima - Ioffeovim termoelektričnim generatorima. "Kruna" TEG-a (to je bio skup poluprovodničkih elemenata) stavljena je na kerozinsku lampu, a njene žice su bile spojene na radio opremu. „Vrući” krajevi elemenata zagrevani su plamenom kerozinske lampe, a „hladni” krajevi su hlađeni na vazduhu. Toplotni tok, prolazeći kroz poluvodič, stvorio je elektromotornu silu, koja je bila dovoljna za komunikacijsku sesiju, a u intervalima između njih TEG je punio bateriju. Kada smo, deset godina nakon Pobjede, posjetili moskovsku fabriku TEG-a, pokazalo se da i dalje imaju prodaju. Mnogi seljani su tada imali ekonomične radio prijemnike "Rodina" sa direktnim žaruljama, napajane iz baterije. Umjesto toga su se često koristili TEG.

Problem sa kerozinskim TEG je njegova niska efikasnost (samo oko 3,5%) i niska granična temperatura (350°K). Ali jednostavnost i pouzdanost ovih uređaja privukla je programere. Dakle, poluvodički pretvarači koje je razvila grupa I.G. Gverdtsiteli na Institutu za fiziku i tehnologiju Sukhumi, našli su primenu u svemirskim instalacijama tipa Buk.

Svojevremeno je A.F. Ioffe je predložio još jedan termoelektrični pretvarač - diodu u vakuumu. Princip njegovog rada je sljedeći: zagrijana katoda emituje elektrone, dio njih, prevazilazeći potencijal anode, radi. Očekivalo se da će ovaj uređaj imati znatno veću efikasnost (20-25%) sa Radna temperatura iznad 1000°K. Osim toga, za razliku od poluvodiča, vakuum dioda se ne boji neutronskog zračenja i može se kombinirati s nuklearnim reaktorom. Međutim, pokazalo se da je nemoguće realizovati ideju o "vakumskom" Ioffe pretvaraču. Kao i u ionskom pogonu, i u vakuumskom pretvaraču morate se riješiti prostornog naboja, ali ovaj put ne iona, već elektrona. A.F. Ioffe je nameravao da koristi mikronske razmake između katode i anode u vakuumskom pretvaraču, što je praktično nemoguće u uslovima visokih temperatura i termičkih deformacija. Tu cezijum dobro dolazi: jedan cezijum ion, proizveden površinskom jonizacijom na katodi, kompenzuje prostorni naboj od oko 500 elektrona! U stvari, pretvarač cezijuma je "obrnuti" jonski propulzor. Fizički procesi u njima su bliski.

"Gerlands" V.A. Malykha

Jedan od rezultata IPPE rada na termoelektronskim pretvaračima bio je stvaranje V.A. Malykha i serijska proizvodnja u njegovom odjelu gorivnih elemenata iz serijski povezanih termoelektričnih pretvarača - "vijenaca" za reaktor Topaz. Dali su do 30 V - sto puta više od jednoelementnih pretvarača koje su stvorile "konkurentske organizacije" - lenjingradska grupa M.B. Barabaša i kasnije - od strane Instituta za atomsku energiju. To je omogućilo da se iz reaktora "ukloni" desetine i stotine puta više snage. Međutim, zabrinutost je izazvala pouzdanost sistema, punjenog hiljadama termoionskih elemenata. Istovremeno, parne i plinske turbine su radile bez kvarova, pa smo pažnju usmjerili na „mašinsko“ pretvaranje nuklearne topline u električnu energiju.

Cijela poteškoća je bila u resursu, jer u svemirskim letovima velikih dometa turbogeneratori moraju raditi godinu, dvije, pa čak i nekoliko godina. Da bi se smanjilo habanje, „okreti“ (brzina turbine) treba da budu što je moguće niži. S druge strane, turbina radi efikasno ako je brzina molekula plina ili pare bliska brzini njenih lopatica. Stoga smo u početku razmatrali upotrebu najteže - živine pare. Ali uplašila nas je intenzivna korozija željeza i nehrđajućeg čelika izazvana radijacijom koja se dogodila u živom hlađenom nuklearnom reaktoru. Za dvije sedmice korozija je "pojela" gorive elemente eksperimentalnog brzog reaktora "Clementine" u laboratoriji Argon (SAD, 1949) i reaktora BR-2 u IPPE (SSSR, Obninsk, 1956).

Kalijumova para je bila primamljiva. Reaktor u kome je ključao kalijum činio je osnovu elektrane koju razvijamo za letelicu niskog potiska - kalijumova para je rotirala turbogenerator. Takav „mašinski“ način pretvaranja toplote u električnu energiju omogućavao je računati na efikasnost do 40%, dok su prave termoelektrične instalacije davale efikasnost od samo oko 7%. Međutim, termoelektrane sa "mašinskom" pretvaranjem nuklearne toplote u električnu energiju nisu razvijene. Slučaj je završio objavljivanjem detaljnog izvještaja, zapravo, "fizičke napomene" o tehničkom dizajnu svemirske letjelice niskog potiska za let s posadom na Mars. Sam projekat nikada nije razvijen.

Mislim da je u budućnosti interes za svemirske letove sa nuklearnim raketnim motorima jednostavno nestao. Nakon smrti Sergeja Pavloviča Koroljeva, podrška radu IPPE-a na ionskom pogonu i "mašinskim" nuklearnim elektranama osjetno je oslabila. OKB-1 je vodio Valentin Petrovich Glushko, koji nije bio zainteresiran za hrabre obećavajuće projekte. Dizajnerski biro Energiya koji je stvorio izgradio je snažne hemijske rakete i svemirsku letjelicu Buran koja se vraća na Zemlju.

"Buk" i "Topaz" na satelitima serije "Kosmos".

Radovi na stvaranju termoelektrane sa direktnim pretvaranjem toplote u električnu energiju, sada kao izvora energije za moćne radio satelite (svemirske radarske stanice i televizijski emiteri), nastavljeni su do početka perestrojke. Od 1970. do 1988. u svemir je lansirano oko 30 radarskih satelita s nuklearnim elektranama Buk s poluvodičkim konvertorskim reaktorima i dva s termoelektranama Topaz. Buk je, u stvari, bio TEG - Ioffeov poluvodički pretvarač, samo što je umjesto kerozinske lampe koristio nuklearni reaktor. Bio je to brzi reaktor snage do 100 kW. Puno opterećenje visoko obogaćenog uranijuma bilo je oko 30 kg. Toplotu iz jezgre prenosio je tečni metal - eutektička legura natrijuma i kalijuma na poluprovodničke baterije. Električna snaga je dostigla 5 kW.

Postrojenje Buk pod naučnim nadzorom IPPE razvili su stručnjaci OKB-670 M.M. Bondarjuk, kasnije - NPO Krasnaya Zvezda (glavni dizajner - G.M. Gryaznov). Dnjepropetrovskom dizajnerskom birou Južmaš (glavni konstruktor M.K. Yangel) je dodijeljeno da napravi raketu-nosač za lansiranje satelita u orbitu.

Vrijeme rada Buka je 1-3 mjeseca. Ako instalacija nije uspjela, satelit je prebačen u dugoročnu orbitu visine 1000 km. Za skoro 20 godina lansiranja, dogodila su se tri slučaja pada satelita na Zemlju: dva u okean i jedan u kopno, u Kanadi, u blizini Velikog robovskog jezera. Tu je pao Kosmos-954, lansiran 24. januara 1978. godine. Radio je 3,5 mjeseca. Uranijumski elementi satelita potpuno su izgorjeli u atmosferi. Na tlu su pronađeni samo ostaci berilijumskog reflektora i poluprovodničkih baterija. (Svi ovi podaci dati su u zajedničkom izvještaju američke i kanadske nuklearne komisije o operaciji Morning Light.)

U termoelektrani Topaz korišten je termički reaktor snage do 150 kW. Puno opterećenje uranijuma bilo je oko 12 kg - znatno manje od Buka. Osnova reaktora bili su gorivni elementi - "vijenci", koje je razvila i proizvela Malykhova grupa. Oni su bili lanac termoelemenata: katoda je bila „naprstak“ od volframa ili molibdena ispunjen uranijum oksidom, anoda je bila tankozidna niobijumska cijev hlađena tečnim natrijum-kalijumom. Temperatura katode dostigla je 1650°C. Električna snaga instalacije dostigla je 10 kW.

Prvi model leta, satelit Kosmos-1818 sa instalacijom Topaz, ušao je u orbitu 2. februara 1987. godine i radio je besprekorno šest meseci, sve dok nisu iscrpljene rezerve cezijuma. Drugi satelit, Kosmos-1876, lansiran je godinu dana kasnije. Radio je u orbiti skoro duplo duže. Glavni programer Topaza bio je OKB MMZ Soyuz, na čelu sa S.K. Tumansky (bivši konstruktorski biro konstruktora avionskih motora A.A. Mikulin).

Bilo je to kasnih 1950-ih, kada smo radili na jonskom pogonu, a on je bio na motoru trećeg stepena za raketu koja bi letjela oko Mjeseca i sletjela na njega. Sjećanja na Melnikovljev laboratorij svježa su do danas. Nalazio se u Podlipkiju (danas grad Koroljev), na lokaciji broj 3 OKB-1. Ogromna radionica površine oko 3000 m2, poredana sa desetinama stolova sa loop osciloskopom koji snimaju na rol papiru od 100 mm (ovo je još bilo prošlo doba, danas bi jedan bio dovoljan PC). Na prednjem zidu radionice nalazi se postolje na kojem je montirana komora za sagorevanje raketnog motora "lunar". Hiljade žica ide do osciloskopa od senzora za brzinu gasa, pritisak, temperaturu i druge parametre. Dan počinje u 9.00 paljenjem motora. Radi nekoliko minuta, a zatim odmah nakon zaustavljanja, mehaničarski tim prve smjene ga demontira, pažljivo pregleda i mjeri komoru za sagorijevanje. Istovremeno se analiziraju trake osciloskopa i daju preporuke za promjene dizajna. Druga smjena - dizajneri i radnici u radionici vrše preporučene promjene. U trećoj smjeni na postolju se montira nova komora za sagorijevanje i dijagnostički sistem. Dan kasnije, tačno u 9.00, sledeća sednica. I tako bez slobodnih dana, sedmicama, mjesecima. Više od 300 opcija motora godišnje!

Tako su nastali hemijski raketni motori, koji su morali da rade svega 20-30 minuta. Što tek reći o ispitivanju i doradi nuklearnih elektrana - računalo se da bi one trebale raditi više od godinu dana. To je zahtijevalo zaista ogroman napor.

© Oksana Viktorova/Kolaž/Ridus

Izjava Vladimira Putina tokom obraćanja Saveznoj skupštini o prisustvu krstareće rakete na nuklearni pogon u Rusiji izazvala je veliku pometnju u društvu i medijima. Istovremeno, malo se znalo o tome šta je takav motor i o mogućnostima njegove upotrebe, kako za širu javnost tako i za specijaliste.

"Reedus" je pokušao da shvati šta tehnički uređaj da li predsednik može da govori i šta je njegova posebnost.

S obzirom na to da prezentacija u Manježu nije bila za publiku tehničkih stručnjaka, već za „širu“ javnost, njeni autori su mogli dozvoliti izvesnu zamenu koncepata, rekao je Georgij Tihomirov, zamenik direktora Instituta za nuklearnu fiziku i tehnologiju Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet MEPhI, ne isključuje.

“Ono što je predsjednik rekao i pokazao stručnjaci nazivaju kompaktnim elektranama, eksperimenti s kojima su se u početku izvodili u avijaciji, a potom i tokom istraživanja dubokog svemira. To su bili pokušaji rješavanja nerešiv problem dovoljna zaliha goriva za letove na neograničenim udaljenostima. U tom smislu, prezentacija je apsolutno tačna: prisustvo takvog motora obezbjeđuje energiju sistemima rakete ili bilo kojeg drugog aparata na proizvoljno dugo vrijeme”, rekao je Reedus.

Rad s takvim motorom u SSSR-u započeo je prije tačno 60 godina pod vodstvom akademika M. Keldysha, I. Kurchatova i S. Korolev. Iste godine, sličan posao je obavljen u Sjedinjenim Državama, ali je prekinut 1965. godine. U SSSR-u se rad nastavio oko deceniju prije nego što su i oni prepoznati kao irelevantni. Možda se zato Vašington nije mnogo trgnuo rekavši da nije iznenađen predstavljanjem ruskog projektila.

U Rusiji ideja o nuklearnom motoru nikada nije umrla - posebno, od 2009. godine, u toku je praktični razvoj takve instalacije. Sudeći po tajmingu, testovi koje je najavio predsjednik upravo su se uklapali u ovaj zajednički projekat Roskosmosa i Rosatoma, budući da su programeri planirali provesti terenska ispitivanja motora 2018. godine. Možda su se iz političkih razloga malo povukli i pomaknuli rokove “ulijevo”.

“Tehnološki je uređeno tako da nuklearni blok zagrijava rashladno sredstvo na plin. I ovaj zagrijani plin ili rotira turbinu ili direktno stvara mlazni potisak. Određena lukavština u predstavljanju rakete, koju smo čuli, jeste da domet njenog leta još uvek nije beskonačan: ograničen je zapreminom radnog fluida - tečnog gasa, koji se fizički može upumpavati u rezervoare rakete, “, kaže specijalista.

Istovremeno, svemirska raketa i krstareća raketa imaju fundamentalno različite šeme kontrole leta, budući da imaju različite zadatke. Prvi leti u bezzračnom prostoru, ne treba mu manevrirati - dovoljno mu je dati početni impuls, a zatim se kreće po proračunatoj balističkoj putanji.

Krstareća raketa, naprotiv, mora kontinuirano mijenjati svoju putanju, za što mora imati dovoljno goriva za stvaranje impulsa. Da li će ovo gorivo zapaliti nuklearna elektrana ili tradicionalna, u ovom slučaju nije bitno. Bitna je samo nabavka ovog goriva, naglašava Tihomirov.

„Značenje nuklearne instalacije tokom letova u duboki svemir je prisustvo izvora energije na brodu koji napaja sisteme aparata na neograničeno vrijeme. U ovom slučaju može postojati ne samo nuklearni reaktor, već i radioizotopni termoelektrični generatori. A značenje takve instalacije na raketi, čiji let neće trajati duže od nekoliko desetina minuta, još mi nije potpuno jasno “, priznaje fizičar.

Izvještaj na Manežu kasnio je samo nekoliko sedmica u poređenju sa NASA-inim saopštenjem od 15. februara da Amerikanci nastavljaju istraživanje nuklearnog raketnog pogona koje su napustili prije pola stoljeća.

Inače, u novembru 2017. godine Kineska aerospace Science and Technology Corporation (CASC) je već objavila da će prije 2045. godine u Kini biti stvorena svemirska letjelica na nuklearni pogon. Stoga danas možemo sa sigurnošću reći da je počela svjetska trka nuklearnog pogona.