Motoare de rachete nucleare. motor de rachetă nucleară

Atenție la multe litere.

Un model de zbor al unei nave spațiale cu o centrală nucleară (NPP) în Rusia este planificat să fie creat până în 2025. Lucrarea relevantă este inclusă în proiectul Programului spațial federal pentru 2016–2025 (FKP-25), care a fost trimis de Roscosmos ministerelor pentru aprobare.

Sistemele de energie nucleară sunt considerate principalele surse promițătoare de energie în spațiu atunci când se planifică expediții interplanetare la scară largă. În viitor, centralele nucleare, care sunt în prezent dezvoltate de întreprinderile Rosatom, vor putea furniza energie în spațiu în megawați în viitor.

Toate lucrările privind crearea centralelor nucleare se desfășoară în conformitate cu termenele planificate. Putem spune cu mare încredere că lucrările vor fi finalizate la timp, prevăzut de programul țintă, - spune Andrey Ivanov, manager de proiect al departamentului de comunicații al corporației de stat Rosatom.

In spate În ultima vremeÎn cadrul proiectului au fost trecute două etape importante: a fost creat un design unic al elementului de combustibil, asigurând operabilitatea în condiții temperaturi mari, gradienti mari de temperatura, iradiere cu doze mari. Testele tehnologice ale vasului reactor al viitoarei unități de putere spațială au fost, de asemenea, finalizate cu succes. În cadrul acestor teste, corpul a fost supus la suprapresiune și au fost efectuate măsurători 3D în zonele metalului de bază, inelar. îmbinare sudatași tranziție conică.

Principiul de funcționare. Istoria creației.

DIN reactor nuclear nu există dificultăți fundamentale pentru aplicațiile spațiale. În perioada 1962-1993 s-a acumulat în țara noastră o bogată experiență în producția de instalații similare. Lucrări similare au fost efectuate în SUA. De la începutul anilor 1960, în lume s-au dezvoltat mai multe tipuri de motoare de propulsie electrice: ionic, plasmă staționară, un motor cu strat anodic, motor cu plasmă pulsată, magnetoplasmă, magnetoplasmoddinamică.

Lucrările la crearea de motoare nucleare pentru nave spațiale au fost desfășurate în mod activ în URSS și SUA în ultimul secol: americanii au închis proiectul în 1994, URSS - în 1988. Închiderea lucrărilor a fost în mare măsură facilitată de dezastrul de la Cernobîl, care a afectat negativ opinia publică cu privire la utilizarea energiei nucleare. În plus, testele instalațiilor nucleare din spațiu nu au fost întotdeauna efectuate în mod regulat: în 1978, satelitul sovietic Kosmos-954 a intrat în atmosferă și s-a prăbușit, împrăștiind mii de fragmente radioactive pe o suprafață de 100 de mii de metri pătrați. km în nord-vestul Canadei. Uniunea Sovietică a plătit Canada peste 10 milioane de dolari în compensație monetară.

În mai 1988, două organizații - Federația Oamenilor de Știință Americani și Comitetul Oamenilor de Știință Sovietici pentru Pace Împotriva Amenințării Nucleare - au făcut o propunere comună de a interzice utilizarea energiei nucleare în spațiu. Acea propunere nu a primit consecințe formale, dar de atunci nicio țară nu a lansat nave spațiale cu centrale nucleare la bord.

Marile avantaje ale proiectului sunt caracteristicile operaționale practic importante - o durată de viață lungă (10 ani de funcționare), un interval semnificativ de revizie și un timp lung de funcționare pe un singur comutator.

În 2010 au fost formulate propuneri tehnice pentru proiect. Designul a început anul acesta.

Centrala nucleară conține trei dispozitive principale: 1) centrala reactorului cu un fluid de lucru și dispozitive auxiliare (schimbător de căldură-recuperator și turbogenerator-compresor); 2) sistem de propulsie rachete electrice; 3) frigider-emițător.

Reactor.

Din punct de vedere fizic, acesta este un reactor compact de neutroni rapid, răcit cu gaz.
Combustibilul folosit este un compus (dioxid sau carbonitrură) al uraniului, dar pentru că designul trebuie să fie foarte compact, uraniul are o îmbogățire mai mare în izotopul 235 decât în ​​barele de combustibil din centralele nucleare convenționale (civile), poate peste 20%. Și învelișul lor este un aliaj monocristalin de metale refractare pe bază de molibden.

Acest combustibil va trebui să funcționeze la temperaturi foarte ridicate. Prin urmare, a fost necesar să se aleagă materiale care ar putea reține factorii negativi asociați cu temperatură și, în același timp, să permită combustibilului să își îndeplinească funcția principală - să încălziți lichidul de răcire cu gaz, care va fi folosit pentru a produce energie electrică.

Frigider.

Răcire cu gaz în timpul funcționării instalatie nucleara absolut necesar. Cum să arunci căldura în spațiul cosmic? Singura posibilitate este răcirea cu radiații. Suprafața încălzită din gol este răcită prin emiterea de unde electromagnetice într-o gamă largă, inclusiv lumina vizibilă. Unicitatea proiectului constă în utilizarea unui amestec special de lichid de răcire - heliu-xenon. Instalația asigură o eficiență ridicată.

Motor.

Principiul de funcționare al motorului ionic este următorul. O plasmă rarefiată este creată în camera de descărcare în gaz cu ajutorul anozilor și a unui bloc catodic situat într-un câmp magnetic. Ionii fluidului de lucru (xenon sau altă substanță) sunt „trageți” din acesta de către electrodul de emisie și accelerați în spațiul dintre acesta și electrodul de accelerare.

Pentru punerea în aplicare a planului, au fost promise 17 miliarde de ruble în perioada 2010-2018. Dintre aceste fonduri, 7,245 miliarde de ruble au fost alocate corporației de stat Rosatom pentru a construi reactorul în sine. Alte 3,955 miliarde - FSUE „Centrul Keldysh” pentru crearea unei centrale nucleare de propulsie. Alte 5,8 miliarde de ruble vor merge către RSC Energia, unde imaginea de lucru a întregului modul de transport și energie va trebui să se formeze în același interval de timp.

Conform planurilor, până la sfârșitul anului 2017 va fi pregătită o centrală nucleară pentru a finaliza modulul de transport și energie (modul de zbor interplanetar). Până la sfârșitul anului 2018, centrala nucleară va fi pregătită pentru testele de proiectare a zborului. Proiectul este finanțat de la bugetul federal.

Nu este un secret pentru nimeni că lucrările la crearea motoarelor de rachete nucleare au fost începute în SUA și în URSS încă din anii 60 ai secolului trecut. Cât de departe au ajuns? Și ce provocări ați întâmpinat pe parcurs?

Anatoly Koroteev: Într-adevăr, lucrările privind utilizarea energiei nucleare în spațiu au început și au fost desfășurate în mod activ în țara noastră și în Statele Unite în anii 1960 și 70.

Inițial, sarcina a fost de a crea motoare de rachetă care să folosească încălzirea cu hidrogen la o temperatură de aproximativ 3000 de grade în loc de energia chimică a combustibilului și a combustiei oxidanților. Dar s-a dovedit că o astfel de cale directă este încă ineficientă. Obținem o tracțiune mare pentru o perioadă scurtă de timp, dar în același timp aruncăm un jet, care, în cazul funcționării anormale a reactorului, se poate dovedi a fi contaminat radioactiv.

S-a acumulat ceva experiență, dar nici noi, nici americanii nu am reușit să creăm motoare de încredere atunci. Au funcționat, dar nu suficient, pentru că încălzirea hidrogenului la 3000 de grade într-un reactor nuclear este o sarcină serioasă. Și, în plus, au existat probleme de mediu în timpul testelor la sol ale unor astfel de motoare, deoarece jeturi radioactive au fost emise în atmosferă. Nu mai este un secret că astfel de lucrări au fost efectuate la locul de testare de la Semipalatinsk special pregătit pentru teste nucleare, care a rămas în Kazahstan.

Adică, doi parametri s-au dovedit a fi critici - temperatura prohibitivă și emisiile de radiații?

Anatoly Koroteev: În general, da. Din aceste motive și din alte câteva motive, munca în țara noastră și în Statele Unite a fost reziliată sau suspendată - poate fi evaluată în diferite moduri. Și ni s-a părut nerezonabil să le reluăm în așa fel, aș zice, frontal, pentru a face un motor nuclear cu toate neajunsurile deja menționate. Ne-am propus o abordare complet diferită. Se deosebește de cel vechi în același mod în care o mașină hibridă diferă de una convențională. Într-o mașină convențională, motorul învârte roțile, în timp ce în mașinile hibride, electricitatea este generată din motor, iar această energie electrică întoarce roțile. Adică se creează o anumită centrală intermediară.

Așa că am propus o schemă în care reactorul spațial nu încălzește jetul scos din el, ci generează electricitate. Gazul fierbinte din reactor rotește turbina, turbina întoarce generatorul electric și compresorul, care circulă fluidul de lucru într-un circuit închis. Generatorul, pe de altă parte, generează energie electrică pentru un motor cu plasmă cu o forță specifică de 20 de ori mai mare decât cea a omologilor chimici.

Schema inteligentă. În esență, aceasta este o minicentrală nucleară în spațiu. Și care sunt avantajele acestuia față de un motor nuclear ramjet?

Anatoly Koroteev: Principalul lucru este că jetul care iese din noul motor nu va fi radioactiv, deoarece un fluid de lucru complet diferit trece prin reactor, care este conținut într-un circuit închis.

În plus, nu trebuie să încălzim hidrogenul la valori extreme cu această schemă: un fluid de lucru inert circulă în reactor, care se încălzește până la 1500 de grade. Ne simplificăm serios sarcina. Și, ca rezultat, vom crește forța specifică nu de două ori, ci de 20 de ori în comparație cu motoarele chimice.

Un alt lucru este, de asemenea, important: nu este nevoie de teste complexe la scară largă, care necesită infrastructura fostului loc de testare Semipalatinsk, în special, baza de banc care a rămas în orașul Kurchatov.

În cazul nostru, toate testele necesare pot fi efectuate pe teritoriul Rusiei, fără a fi implicate în lungi negocieri internaționale privind utilizarea energiei nucleare în afara statului nostru.

Se fac lucrări similare în alte țări?

Anatoly Koroteev: Am avut o întâlnire cu șeful adjunct al NASA, am discutat chestiuni legate de revenirea la lucrul la energia nucleară în spațiu și a spus că americanii sunt interesați de acest lucru.

Este foarte posibil ca China să poată răspunde și cu acțiuni active din partea sa, așa că este necesar să se lucreze rapid. Și nu doar de dragul de a trece înaintea cuiva cu jumătate de pas.

Trebuie să lucrăm rapid, în primul rând, pentru ca în cooperarea internațională în curs de dezvoltare, și de facto se formează, să parăm demni.

Nu exclud ca în viitorul apropiat să fie inițiat program international pe o centrală nucleară spațială, similar cu programul implementat în prezent privind fuziunea termonucleară controlată.

La câțiva ani unii
un nou locotenent colonel îl descoperă pe Pluto.
După aceea, sună la laborator,
pentru a afla soarta ramjetului nuclear.

Un subiect la modă astăzi, dar mi se pare că fluxul de aer cu flux direct nuclear este mult mai interesant. motor turboreactor, pentru că nu are nevoie să poarte cu el un corp de lucru.
Presupun că în mesajul Președintelui era vorba despre el, dar din anumite motive toată lumea a început să posteze despre YARD astăzi ???
Lasă-mă să pun totul într-un singur loc. Gândurile curioase, vă spun, apar atunci când înțelegeți subiectul. Și întrebări foarte incomode.

Un motor ramjet (ramjet; termenul englezesc este ramjet, de la ram - ram) - un motor cu reacție, este cel mai simplu din clasa motoarelor cu reacție cu aer (motoare ramjet) din punct de vedere al dispozitivului. Aparține tipului de reacție directă WJE, în care forța este generată numai de curentul de jet care curge din duză. Creșterea presiunii necesară funcționării motorului se realizează prin frânarea fluxului de aer care se apropie. ramjet este inoperabil când viteze mici zbor, mai ales la viteză zero, este nevoie de unul sau altul accelerator pentru a-l aduce la putere de operare.

În a doua jumătate a anilor 1950, în perioada Războiului Rece, în SUA și URSS au fost dezvoltate ramjet-uri cu reactor nuclear.


Fotografie de: Leicht modifiziert aus http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pluto1955.jpg

Sursa de energie pentru aceste motoare ramjet (spre deosebire de alte motoare ramjet) nu este reactie chimica arderea combustibilului, ci căldura generată de un reactor nuclear în camera de încălzire a fluidului de lucru. Aerul de la intrarea într-un astfel de ramjet trece prin miezul reactorului, îl răcește, se încălzește până la temperatura de funcționare (aproximativ 3000 K) și apoi curge din duză cu o viteză comparabilă cu vitezele de evacuare pentru cele mai avansate. motoare cu rachete chimice. Destinație posibilă aeronave cu acest motor:
- purtătorul de rachete de croazieră intercontinental cu încărcătură nucleară;
- aeronave aerospațiale cu o singură etapă.

În ambele țări, au fost create reactoare nucleare compacte, cu resurse reduse, care se potrivesc cu dimensiunile unei rachete mari. În Statele Unite, în cadrul programelor de cercetare cu ramjet nuclear Pluto și Tory, în 1964 au fost efectuate teste de foc ale motorului nuclear ramjet Tory-IIC (modul de putere maximă 513 MW timp de cinci minute cu o forță de 156 kN). Testele de zbor nu au fost efectuate, programul a fost închis în iulie 1964. Unul dintre motivele închiderii programului este îmbunătățirea proiectării rachetelor balistice cu motoare de rachete chimice, care a asigurat complet soluționarea misiunilor de luptă fără utilizarea schemelor cu motoare nucleare ramjet relativ scumpe.
Acum nu este obișnuit să vorbim despre al doilea în sursele rusești ...

Proiectul Pluto urma să folosească tactici de zbor la joasă altitudine. Această tactică a furnizat ascuns de la radarul sistemului de apărare aeriană URSS.
Pentru a atinge viteza cu care ar funcționa un ramjet, Pluto ar trebui să fie lansat de la sol folosind un pachet de rachete de propulsie convenționale. Lansarea unui reactor nuclear a început abia după ce Pluto a atins altitudinea de croazieră și a fost suficient îndepărtat din zonele populate. Motorul nuclear, care a oferit o rază de acțiune practic nelimitată, a permis rachetei să zboare în cerc deasupra oceanului, așteptând ordine de a merge supersonic la o țintă din URSS.

Proiect de proiect SLAM

S-a decis să se efectueze un test static al unui reactor la scară largă, care a fost destinat unui motor ramjet.
Deoarece reactorul Pluton a devenit extrem de radioactiv după lansare, livrarea lui la locul de testare a fost efectuată de o linie de cale ferată complet automatizată special construită. De-a lungul acestei linii, reactorul s-ar deplasa pe o distanță de aproximativ două mile, care despărțea instalația de testare statică și clădirea masivă „demontată”. În clădire, reactorul „fierbinte” a fost demontat pentru examinare folosind echipamente controlate de la distanță. Oamenii de știință de la Livermore au urmărit procesul de testare folosind un sistem de televiziune care se afla într-o magazie de tablă departe de bancul de testare. Pentru orice eventualitate, hangarul a fost echipat cu un adăpost antiradiații cu o aprovizionare de două săptămâni cu hrană și apă.
Doar pentru a furniza betonul necesar pentru construirea pereților clădirii de demolare (șase până la opt picioare grosime), guvernul Statelor Unite a achiziționat o mină întreagă.
Milioane de kilograme de aer comprimat au fost depozitate în 25 de mile de conducte de producție de petrol. Acest aer comprimat trebuia folosit pentru a simula condițiile în care se găsește un motor ramjet în timpul zborului la viteza de croazieră.
Pentru a asigura o presiune mare a aerului în sistem, laboratorul a împrumutat compresoare gigantice de la baza submarină (Groton, Connecticut).
Testul, în timpul căruia unitatea a funcționat la putere maximă timp de cinci minute, a necesitat să fie suflată o tonă de aer prin rezervoare de oțel umplute cu peste 14 milioane de bile de oțel, cu diametrul de 4 cm. Aceste rezervoare au fost încălzite la 730 de grade folosind elemente de încălzire, unde a fost ars uleiul.

Instalat pe o platformă feroviară, Tori-2S este pregătit pentru testare cu succes. mai 1964

Pe 14 mai 1961, inginerii și oamenii de știință din hangarul în care a fost controlat experimentul și-au ținut respirația - primul motor nuclear ramjet din lume, montat pe o platformă de cale ferată roșu aprins, și-a anunțat nașterea cu un vuiet puternic. Tori-2A a fost lansat doar pentru câteva secunde, timp în care nu și-a dezvoltat puterea nominală. Cu toate acestea, testul a fost considerat a fi de succes. Cel mai important lucru a fost că reactorul nu s-a aprins, de care unii reprezentanți ai comitetului de energie atomică se temeau foarte mult. Aproape imediat după teste, Merkle a început să lucreze la crearea celui de-al doilea reactor Tory, care trebuia să aibă mai multă putere cu o greutate mai mică.
Lucrările la Tori-2B nu au progresat dincolo de planșa de desen. În schimb, cei de la Livermore au construit imediat Tory-2C, care a rupt tăcerea deșertului la trei ani după ce primul reactor a fost testat. O săptămână mai târziu, acest reactor a fost repornit și funcționat la putere maximă (513 megawați) timp de cinci minute. S-a dovedit că radioactivitatea eșapamentului este mult mai mică decât se aștepta. La aceste teste au participat și generali ai Forțelor Aeriene și oficiali din cadrul Comitetului pentru Energie Atomică.

În acest moment, clienții de la Pentagon, care au finanțat proiectul Pluto, au început să aibă îndoieli. Deoarece racheta a fost lansată din Statele Unite și a zburat deasupra teritoriului aliaților americani la altitudine joasă pentru a evita detectarea de către sistemele sovietice de apărare aeriană, unii strategi militari s-au întrebat dacă racheta ar reprezenta o amenințare pentru aliați? Chiar înainte ca racheta Pluto să arunce bombe asupra inamicului, va uimi, va zdrobi și chiar iradia aliații. (Pluto, care trecea deasupra capului, era de așteptat să producă aproximativ 150 de decibeli de zgomot pe sol. Prin comparație, racheta care i-a trimis pe americani pe Lună (Saturn V) cu tracțiunea maximă a fost de 200 de decibeli.) Desigur, timpanele rupte ar fi cea mai mică dintre problemele tale dacă te-ai găsi sub un reactor gol care zboară deasupra capului tău, prăjindu-te ca un pui cu radiații gamma și neutroni.

Tori-2C

În timp ce creatorii rachetei au susținut că și Pluto era în mod inerent evaziv, analiștii militari și-au exprimat nedumerirea că ceva atât de zgomotos, fierbinte, mare și radioactiv ar putea rămâne nedetectat pentru perioada de timp necesară pentru a finaliza misiunea. În același timp, Forțele Aeriene ale SUA începuseră deja desfășurarea rachetelor balistice Atlas și Titan, care au reușit să atingă ținte cu câteva ore înaintea reactorului zburător, și sistemul antirachetă al URSS, a cărui teamă a devenit principalul impuls. pentru crearea lui Pluto. , nu a devenit niciodată un obstacol pentru rachetele balistice, în ciuda interceptărilor de testare cu succes. Criticii proiectului au venit cu propria lor decodare a abrevierei SLAM - slow, low, and messy - slow, low and dirty. În urma testării cu succes a rachetei Polaris, flota, care și-a exprimat inițial interesul de a folosi rachete pentru lansări de pe submarine sau nave, a început să abandoneze proiectul. Și, în cele din urmă, costul fiecărei rachete a fost de 50 de milioane de dolari. Dintr-o dată Pluto a fost o tehnologie fără aplicații, o armă fără ținte potrivite.

Cu toate acestea, ultimul cui din sicriul lui Pluto a fost doar o întrebare. Este atât de înșelător de simplu încât Livermores pot fi scuzați pentru că l-au ignorat în mod deliberat. „Unde să efectuăm testele de zbor ale reactorului? Cum să convingi oamenii că în timpul zborului racheta nu va pierde controlul și va zbura deasupra Los Angeles sau Las Vegas la altitudine joasă? a întrebat fizicianul Livermore Jim Hadley, care a lucrat la proiectul Pluto până la capăt. În prezent, el se ocupă de detectarea testelor nucleare care se desfășoară în alte țări pentru divizia Z. Potrivit lui Hadley însuși, nu existau garanții că racheta nu va scăpa de sub control și nu se va transforma într-un Cernobîl zburător.
Au fost propuse mai multe soluții la această problemă. Una dintre ele este lansarea lui Pluto lângă Insula Wake, unde racheta ar zbura, tăind în opt cifre peste partea de ocean deținută de Statele Unite. Rachetele „fierbinte” trebuiau să fie scufundate la o adâncime de 7 kilometri în ocean. Cu toate acestea, chiar și atunci când Comisia pentru Energie Atomică legăna mintea oamenilor cu privire la radiații ca o sursă nelimitată de energie, propunerea de a arunca o mulțime de rachete poluate radioactiv în ocean a fost suficientă pentru a pune munca în așteptare.
La 1 iulie 1964, la șapte ani și șase luni de la începerea lucrărilor, proiectul Pluto a fost închis de Comisia pentru Energie Atomică și Forțele Aeriene.

La fiecare câțiva ani, un nou locotenent colonel al Forțelor Aeriene descoperă Pluto, spune Hadley. După aceea, sună la laborator pentru a afla soarta ramjetului nuclear. Entuziasmul locotenent-colonelilor dispare imediat după ce Hadley vorbește despre probleme cu radiațiile și testele de zbor. Nimeni nu l-a sunat pe Hadley de mai multe ori.
Dacă Pluto vrea să readucă pe cineva la viață, atunci poate că va putea găsi câțiva recruți în Livermore. Totuși, nu vor fi mulți. Ideea a ceea ce ar putea fi o armă nebună infernală este cel mai bine lăsată în trecut.

Caracteristicile tehnice ale rachetei SLAM:
Diametru - 1500 mm.
Lungime - 20000 mm.
Greutate - 20 de tone.
Raza de acțiune nu este limitată (teoretic).
Viteza la nivelul mării - Mach 3.
Armament - 16 bombe termonucleare (puterea fiecărei 1 megaton).
Motorul este un reactor nuclear (capacitate 600 megawați).
Sistem de ghidare - inerțial + TERCOM.
Temperatura maximă a pielii este de 540 de grade Celsius.
Materialul corpului aeronavei este oțel inoxidabil Rene 41 la temperatură înaltă.
Grosimea învelișului - 4 - 10 mm.

Cu toate acestea, un ramjet nuclear este promițător ca sistem de propulsie pentru aeronavele aerospațiale cu o singură etapă și grele intercontinentale de mare viteză. aviație de transport. Acest lucru este facilitat de posibilitatea de a crea un ramjet nuclear capabil să funcționeze la viteze de zbor subsonice și zero în modul motor rachetă, folosind stocurile de lichid de lucru la bord. Adică, de exemplu, o aeronavă aerospațială cu un ramjet nuclear pornește (inclusiv decolări), furnizează motoarele cu fluid de lucru din rezervoarele de la bord (sau din afara bordului) și, după ce a atins deja viteze de la M = 1, trece la utilizarea aerului atmosferic. .

După cum a declarat președintele Federației Ruse, V.V. Putin, la începutul anului 2018, „a avut loc o lansare cu succes a unei rachete de croazieră cu centrală nucleară". În același timp, potrivit acestuia, raza de acțiune a unei astfel de rachete de croazieră este „nelimitată”.

Mă întreb în ce regiune au fost efectuate testele și de ce au fost respinse de serviciile relevante de monitorizare a testelor nucleare. Sau eliberarea de ruteniu-106 din toamnă în atmosferă are cumva legătură cu aceste teste? Acestea. Locuitorii din Chelyabinsk nu au fost doar stropiți cu ruteniu, ci și prăjiți?
Și unde a căzut această rachetă? Mai simplu spus, unde a fost împărțit reactorul nuclear? La ce interval? Pe Pământul Nou?

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

Și acum să citim puțin despre motoarele de rachete nucleare, deși aceasta este o poveste complet diferită.

Un motor de rachetă nucleară (NRE) este un tip de motor de rachetă care utilizează energia fisiunii nucleare sau a fuziunii pentru a crea tracțiune cu reacție. Acestea sunt lichide (încălzirea unui fluid de lucru lichid într-o cameră de încălzire dintr-un reactor nuclear și gazul este îndepărtat printr-o duză) și explozive în impuls (explozii nucleare de mică putere la un interval de timp egal).
NRE tradițională în ansamblu este un design al unei camere de încălzire cu un reactor nuclear ca sursă de căldură, un sistem de alimentare cu fluid de lucru și o duză. Fluidul de lucru (de obicei hidrogen) este furnizat din rezervor către miezul reactorului, unde, trecând prin canalele încălzite prin reacția de descompunere nucleară, este încălzit la temperaturi ridicate și apoi ejectat prin duză, creând tracțiunea jetului. Există diferite modele NRE: fază solidă, fază lichidă și fază gazoasă - corespunzătoare stării de agregare a combustibilului nuclear în miezul reactorului - gaz solid, topit sau la temperatură înaltă (sau chiar plasmă).


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

RD-0410 (indice GRAU - 11B91, cunoscut și sub numele de „Irgit” și „IR-100”) - primul și singurul motor de rachetă nuclear sovietic din anii 1947-1978. A fost dezvoltat în birou de proiectare„Khimavtomatika”, Voronezh.
În RD-0410, a fost folosit un reactor cu neutroni termici eterogen. Designul a inclus 37 de ansambluri de combustibil acoperite cu izolație termică care le separă de moderator. ProiectS-a avut în vedere ca fluxul de hidrogen să treacă mai întâi prin reflector și moderator, menținându-le temperatura la temperatura camerei, și apoi să intre în miez, unde a fost încălzit până la 3100 K. La stand, reflectorul și moderatorul au fost răcite printr-un dispozitiv separat. fluxul de hidrogen. Reactorul a trecut printr-o serie semnificativă de teste, dar nu a fost niciodată testat pe toată durata de funcționare. Nodurile extra-reactorului au fost complet elaborate.

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

Și acesta este un motor de rachetă nuclear american. Diagrama lui era în poza de titlu


Autor: NASA - Great Images in NASA Description, Public domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378

NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) este un program comun al Comisiei pentru Energie Atomică a SUA și NASA pentru a crea un motor nuclear de rachetă (NRE), care a durat până în 1972.
NERVA a demonstrat că NRE era pe deplin funcțional și potrivit pentru explorarea spațiului, iar la sfârșitul anului 1968, SNPO a confirmat că cea mai recentă modificare a NERVA, NRX / XE, îndeplinea cerințele pentru un zbor cu echipaj pe Marte. Deși motoarele NERVA au fost construite și testate cât mai bine și au fost considerate pregătite pentru nave spațiale, o mare parte din programul spațial american a fost anulat de administrația Nixon.

NERVA a fost evaluat ca un program de mare succes de către AEC, SNPO și NASA, atingând sau chiar depășind obiectivele sale. obiectivul principal programul a fost să „creeze o bază tehnică pentru sistemele de motoare de rachete nucleare care vor fi utilizate în proiectare și dezvoltare sisteme de propulsie pentru misiuni spațiale. Practic, toate proiectele spațiale care utilizează NRE se bazează pe design-urile NERVA NRX sau Pewee.

Misiunile marțiane au fost cauza dispariției lui NERVA. Membrii Congresului din ambele partide politice au decis că o misiune cu echipaj pe Marte ar fi un angajament tacit al Statelor Unite de a sprijini cursa spațială costisitoare timp de decenii. În fiecare an, programul RIFT a fost amânat, iar obiectivele NERVA au devenit mai complexe. La urma urmei, deși motorul NERVA a trecut prin multe teste de succes și a avut un sprijin puternic din partea Congresului, nu a părăsit niciodată Pământul.

În noiembrie 2017, China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) a publicat o foaie de parcurs pentru dezvoltarea programului spațial al Chinei pentru perioada 2017-2045. Acesta prevede, în special, crearea unei nave reutilizabile alimentată de un motor de rachetă nucleară.

Am gasit un articol interesant. În general, navele spațiale nucleare m-au interesat întotdeauna. Acesta este viitorul explorării spațiale. Lucrări ample pe această temă au fost efectuate și în URSS. Articolul este despre ei.

Spațiu alimentat cu energie atomică. Vise și realitate.

Doctor în științe fizice și matematice Yu. Ya. Stavissky

În 1950, mi-am susținut diploma în inginerie fizică la Institutul Mecanic din Moscova (MMI) al Ministerului Munițiilor. Cu cinci ani mai devreme, în 1945, acolo s-a înființat un departament de inginerie fizică, care a pregătit specialiști pentru o nouă industrie, ale cărei sarcini includeau în principal producția de arme nucleare. Facultatea a fost pe măsură. Alături de fizica fundamentală în sfera cursurilor universitare (metode de fizică matematică, teoria relativității, mecanică cuantică, electrodinamică, fizică statistică și altele), am fost predate o gamă completă de discipline de inginerie: chimie, știința metalelor, rezistența materialelor. , teoria mecanismelor și mașinilor etc. Creată de un fizician sovietic remarcabil Alexander Ilici Leipunsky, Facultatea de Inginerie Fizică a MMI a crescut de-a lungul timpului în Institutul de Fizică Ingineriei din Moscova (MEPhI). O altă Facultate de Inginerie și Fizică, care a fuzionat mai târziu în MEPhI, a fost înființată la Moscova. institut energetic(MPEI), dar dacă la MMI accentul principal a fost pe fizica fundamentală, atunci la Institutul de Energie - pe căldură și electrofizică.

Am studiat mecanica cuantică folosind cartea lui Dmitri Ivanovici Blokhintsev. Imaginează-ți surpriza mea când, în timpul distribuției, am fost trimis să lucrez cu el. Sunt un pasionat experimentator (în copilărie am demontat toate ceasurile din casă), și deodată ajung la un teoretician cunoscut. Am fost cuprins de o ușoară panică, dar la sosirea la loc – „Obiectul B” al Ministerului Afacerilor Interne al URSS din Obninsk – mi-am dat seama imediat că sunt îngrijorat degeaba.

Până în acest moment, subiectul principal al „Obiectului B”, care era de fapt condus de A.I. Leipunsky, sa format deja. Aici au creat reactoare cu reproducere extinsă a combustibilului nuclear - „producători rapidi”. În calitate de director, Blokhintsev a inițiat dezvoltarea unei noi direcții - crearea de motoare cu propulsie atomică pentru zborurile spațiale. Stăpânirea spațiului a fost un vis vechi al lui Dmitri Ivanovici, chiar și în tinerețe a corespondat și s-a întâlnit cu K.E. Ciolkovski. Cred că înțelegerea posibilităților gigantice ale energiei nucleare, cu o putere calorică de milioane de ori mai mare decât a celor mai buni combustibili chimici, a determinat calea de viață a D.I. Blokhintsev.
„Nu poți vedea o față față în față”... În acei ani, nu înțelegeam mare lucru. Abia acum, când în sfârșit a devenit posibilă compararea faptelor și a destinelor remarcabililor oameni de știință ai Institutului Fizico-Energie (IPPE) - fostul „Obiect B”, redenumit la 31 decembrie 1966 - există o corectă, după cum se pare. pentru mine, înțelegerea ideilor care i-au mișcat în acel moment. Cu toată varietatea de cazuri cu care a trebuit să se ocupe institutul, este posibil să se evidențieze domenii științifice prioritare care s-au dovedit a fi în sfera de interese ale fizicienilor săi de frunte.

Principalul interes al AIL (cum era numit Alexander Ilici Leipunsky pe spate la institut) este dezvoltarea energiei globale bazată pe reactoare de reproducere rapidă (reactoare nucleare care nu au restricții privind resursele de combustibil nuclear). Este greu de supraestimat semnificația acestei probleme cu adevărat „cosmice”, căreia i-a dedicat ultimul sfert de secol al vieții sale. Leipunsky a cheltuit multă energie și pentru apărarea țării, în special pentru crearea de motoare atomice pentru submarine și avioane grele.

Interese D.I. Blokhintsev (i-a fost atribuită porecla „D.I.”) au avut ca scop rezolvarea problemei utilizării energiei nucleare pentru zborurile spațiale. Din păcate, la sfârșitul anilor 1950, a fost forțat să părăsească acest loc de muncă și să conducă crearea unui centru științific internațional - Institutul Comun pentru Cercetări Nucleare din Dubna. Acolo a lucrat la reactoare rapide pulsate - IBR. Acesta a fost ultimul lucru important din viața lui.

Un gol - o echipă

DI. Blokhintsev, care a predat la sfârșitul anilor 1940 la Universitatea de Stat din Moscova, a remarcat acolo și apoi l-a invitat pe tânărul fizician Igor Bondarenko să lucreze la Obninsk, care a fost literalmente entuziasmat de navele spațiale cu propulsie nucleară. Primul său supraveghetor a fost A.I. Leipunsky și Igor, desigur, s-au ocupat de subiectul său - crescătorii rapizi.

Sub D.I. Blokhintsev, un grup de oameni de știință format în jurul lui Bondarenko, care s-au unit pentru a rezolva problemele de utilizare a energiei atomice în spațiu. Pe lângă Igor Ilici Bondarenko, grupul a inclus: Viktor Yakovlevich Pupko, Edvin Alexandrovich Stumbur și autorul acestor rânduri. Igor a fost principalul ideolog. Edwin a efectuat studii experimentale ale modelelor de sol ale reactoarelor nucleare din instalațiile spațiale. Am fost implicat în principal în motoare de rachete „de tracțiune joasă” (împingerea lor este creată de un fel de accelerator - „propulsie ionică”, care este alimentată de energia dintr-o centrală nucleară spațială). Am explorat procesele
curgând în propulsoare ionice, pe standuri de pământ.

Pe Victor Pupko (în viitor
a devenit șeful departamentului de tehnologie spațială a IPPE) a fost multă muncă organizatorică. Igor Ilici Bondarenko a fost un fizician remarcabil. A simțit subtil experimentul, a pus la cale experimente simple, elegante și foarte eficiente. Cred că, ca niciun experimentator, și poate chiar câțiva teoreticieni, au „simțit” fizica fundamentală. Întotdeauna receptiv, deschis și prietenos, Igor a fost cu adevărat sufletul institutului. Până acum, FEI trăiește după ideile sale. Bondarenko a trăit nejustificat viata scurta. În 1964, la vârsta de 38 de ani, a murit tragic din cauza unei erori medicale. Parcă Dumnezeu, văzând cât de multe făcuse omul, a decis că deja era prea mult și a poruncit: „Destul”.

Este imposibil să nu ne amintim o altă personalitate unică - Vladimir Alexandrovich Malykh, un tehnolog „de la Dumnezeu”, modernul Leskovsky Levsha. Dacă „produsele” oamenilor de știință menționați mai sus au fost în principal idei și estimări calculate ale realității lor, atunci lucrările lui Malykh au avut întotdeauna o ieșire „în metal”. Sectorul său de tehnologie, care la vremea de glorie a IPPE număra peste două mii de angajați, putea face, fără exagerare, totul. Mai mult, el însuși a jucat întotdeauna un rol cheie.

V.A. Malykh a început ca asistent de laborator la Institutul de Cercetare pentru Fizică Nucleară al Universității de Stat din Moscova, având trei cursuri în departamentul de fizică în spatele sufletului său - războiul nu l-a lăsat să-și termine studiile. La sfârșitul anilor 1940, a reușit să creeze o tehnologie de fabricare a ceramicii tehnice pe bază de oxid de beriliu, un material unic, un dielectric cu conductivitate termică ridicată. Înainte de Malykh, mulți s-au luptat fără succes cu această problemă. O celulă de combustibil bazată pe serial din oțel inoxidabil iar uraniul natural, pe care l-a dezvoltat pentru prima centrală nucleară, este un miracol pentru cei și chiar și astăzi. Sau elementul de combustibil termoionic al reactorului-generator electric proiectat de Malykh pentru a alimenta navele spațiale - „ghirlanda”. Până acum nu a apărut nimic mai bun în acest domeniu. Creațiile lui Malykh nu erau jucării demonstrative, ci elemente de tehnologie nucleară. Au lucrat luni și ani. Vladimir Alexandrovici a devenit doctor în științe tehnice, laureat al Premiului Lenin, erou al muncii socialiste. În 1964, a murit tragic din cauza unei comoții militare.

Pas cu pas

S.P. Korolev și D.I. Blokhintsev a cultivat de mult visul zborului spațial cu echipaj. S-au stabilit legături strânse de lucru între ei. Dar la începutul anilor 1950, în apogeul Războiului Rece, fondurile au fost cruțate doar în scopuri militare. Tehnologia rachetelor era considerată doar un purtător de încărcături nucleare, iar la sateliți nici măcar nu s-a gândit. Între timp, Bondarenko, știind despre cele mai recente realizări ale oamenilor de știință în rachete, a susținut cu insistență crearea unui satelit artificial al Pământului. Ulterior, nimeni nu și-a amintit asta.

Istoria creării rachetei care l-a ridicat în spațiu pe primul cosmonaut al planetei, Yuri Gagarin, este curioasă. Este asociat cu numele lui Andrei Dmitrievich Saharov. La sfârșitul anilor 1940, el a dezvoltat o sarcină combinată de fisiune-termonuclear - „puf”, aparent independent de „părintele bombei cu hidrogen” Edward Teller, care a propus un produs similar numit „ceasul alarmă”. Cu toate acestea, Teller și-a dat seama curând că o încărcătură nucleară cu un astfel de design ar avea un randament „limitat”, nu mai mult de ~ 500 de kilotone echivalent de câlți. Acest lucru nu este suficient pentru arma „absolută”, așa că „ceasul cu alarmă” a fost abandonat. În Uniune, în 1953, au aruncat în aer RDS-6-urile Saharov.

După teste reușite și alegerea lui Saharov ca academician, șeful de atunci al Minsredmash V.A. Malyshev l-a invitat la locul lui și a stabilit sarcina de a determina parametrii bombei de generație următoare. Andrei Dmitrievich a estimat (fără un studiu detaliat) greutatea unei încărcături noi, mult mai puternice. Raportul lui Saharov a stat la baza rezoluției Comitetului Central al PCUS și a Consiliului de Miniștri al URSS, care a obligat S.P. Korolev va dezvolta un vehicul de lansare balistică pentru această încărcare. Era o astfel de rachetă R-7 numită Vostok care a lansat un satelit artificial Pământen în 1957 și o navă spațială cu Yuri Gagarin în 1961 pe orbită. Nu mai era planificat să-l folosească ca purtător al unei încărcături nucleare grele, deoarece dezvoltarea armelor termonucleare a mers pe o altă cale.

În stadiul inițial al programului nuclear spațial IPPE, împreună cu V.N. Chelomeya a dezvoltat o rachetă atomică de croazieră. Această direcție nu s-a dezvoltat pentru mult timp și s-a încheiat cu calcule și testare a elementelor de motor create în departamentul V.A. Malykha. De fapt, era o aeronavă fără pilot cu zbor joasă, cu un motor nuclear ramjet și un focos nuclear (un fel de analog nuclear al „buzing bug” - V-1 german). Sistemul a fost lansat folosind rachete booster convenționale. După atingerea unei viteze date, împingerea a fost creată de aerul atmosferic, încălzit printr-o reacție în lanț de fisiune a oxidului de beriliu impregnat cu uraniu îmbogățit.

În general, capacitatea unei rachete de a îndeplini una sau alta sarcină cosmonautică este determinată de viteza pe care o dobândește după consumarea întregii surse de fluid de lucru (combustibil și oxidant). Se calculează după formula Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, unde c este viteza de curgere a fluidului de lucru, iar Mn și Mk sunt masa inițială și finală a rachetei. În rachetele chimice convenționale, viteza de evacuare este determinată de temperatura din camera de ardere, tipul de combustibil și oxidant și greutatea moleculară a produselor de ardere. De exemplu, americanii au folosit hidrogen ca combustibil în vehiculul de coborâre pentru a ateriza astronauții pe Lună. Produsul arderii sale este apa, a cărei greutate moleculară este relativ mică, iar debitul este de 1,3 ori mai mare decât la arderea kerosenului. Acest lucru este suficient pentru ca vehiculul de coborâre cu astronauți să ajungă la suprafața Lunii și apoi să-i readucă pe orbita satelitului său artificial. La Korolev, munca cu hidrogen a fost suspendată din cauza unui accident cu victime. Nu am avut timp să creăm un vehicul de coborâre lunară pentru oameni.

Una dintre modalitățile de a crește semnificativ viteza de evacuare este crearea de rachete termice nucleare. Aveam rachete atomice balistice (BAR) cu o rază de acțiune de câteva mii de kilometri (un proiect comun al OKB-1 și IPPE), americanii aveau sisteme similare de tip Kiwi. Motoarele au fost testate la locurile de testare de lângă Semipalatinsk și în Nevada. Principiul funcționării lor este următorul: hidrogenul este încălzit într-un reactor nuclear la temperaturi ridicate, trece într-o stare atomică și deja expiră în această formă dintr-o rachetă. În acest caz, viteza de evacuare crește de peste patru ori în comparație cu o rachetă cu hidrogen chimic. Întrebarea a fost să aflăm la ce temperatură poate fi încălzit hidrogenul într-un reactor cu celule de combustie solidă. Calculele au dat aproximativ 3000°K.

La NII-1, al cărui supraveghetor era Mstislav Vsevolodovich Keldysh (pe atunci președintele Academiei de Științe URSS), departamentul V.M. Ievleva, cu participarea IPPE, a fost angajat într-o schemă complet fantastică - un reactor în fază gazoasă în care o reacție în lanț are loc într-un amestec gazos de uraniu și hidrogen. Hidrogenul curge dintr-un astfel de reactor de zece ori mai repede decât dintr-unul cu combustibil solid, în timp ce uraniul este separat și rămâne în miez. Una dintre idei a fost aceea de a folosi separarea centrifugală, atunci când un amestec gazos fierbinte de uraniu și hidrogen este „filat” de către hidrogenul rece care intră, în urma căruia uraniul și hidrogenul sunt separate, ca într-o centrifugă. Ievlev a încercat, de fapt, să reproducă direct procesele din camera de ardere a unei rachete chimice, folosind ca sursă de energie nu căldura de ardere a combustibilului, ci reacție în lanț Divizia. Aceasta a deschis calea spre utilizarea deplină a intensității energetice a nucleelor ​​atomice. Dar întrebarea posibilității ieșirii hidrogenului pur (fără uraniu) din reactor a rămas nerezolvată, ca să nu mai vorbim de problemele tehnice asociate cu reținerea amestecurilor de gaze la temperaturi înalte la presiuni de sute de atmosfere.

Lucrările IPPE privind rachetele atomice balistice s-au încheiat în 1969-1970 cu „testele de foc” la locul de testare de la Semipalatinsk a unui prototip de motor de rachetă nucleară cu elemente de combustibil solid. A fost creat de IPPE în cooperare cu Biroul de proiectare Voronezh A.D. Konopatov, Moscova NII-1 și o serie de alte grupuri tehnologice. Motorul cu o tracțiune de 3,6 tone a fost bazat pe reactorul nuclear IR-100 cu elemente de combustibil realizate dintr-o soluție solidă de carbură de uraniu și carbură de zirconiu. Temperatura hidrogenului a atins 3000°K la o putere a reactorului de ~170 MW.

Propulsoare nucleare

Până acum, am vorbit despre rachete cu o forță mai mare decât greutatea lor, care ar putea fi lansate de pe suprafața Pământului. În astfel de sisteme, o creștere a ratei de evacuare face posibilă reducerea stocului de fluid de lucru, creșterea sarcinii utile și abandonarea procesului în mai multe etape. Cu toate acestea, există modalități de a obține viteze de evacuare practic nelimitate, de exemplu, accelerarea materiei prin câmpuri electromagnetice. Am lucrat în acest domeniu în strânsă legătură cu Igor Bondarenko timp de aproape 15 ani.

Accelerația unei rachete cu motor electric cu reacție (EP) este determinată de raportul dintre puterea specifică a centralei nucleare spațiale (KAES) instalată pe acestea și viteza de evacuare. În viitorul previzibil, puterea specifică a KNPP, aparent, nu va depăși 1 kW/kg. În același timp, este posibil să se creeze rachete cu tracțiune scăzută, de zeci și sute de ori mai mică decât greutatea rachetei și cu un consum foarte mic de fluid de lucru. O astfel de rachetă poate fi lansată doar de pe orbita unui satelit artificial al Pământului și, accelerând încet, atinge viteze mari.

Pentru zboruri în interior sistem solar avem nevoie de rachete cu o viteză de evacuare de 50-500 km/s, iar pentru zborurile către stele avem nevoie de „rachete fotonice” care să depășească imaginația noastră cu o viteză de evacuare egală cu viteza luminii. Pentru a efectua un zbor spațial pe distanță lungă de orice durată rezonabilă, sunt necesare rapoarte putere-greutate inimaginabile ale centralelor electrice. Până acum, este imposibil chiar să ne imaginăm pe ce procese fizice se pot baza.

Calculele efectuate au arătat că, în timpul Marii Confruntări, când Pământul și Marte sunt cel mai aproape unul de celălalt, este posibil să zburați o navă spațială nucleară cu un echipaj pe Marte într-un an și să o returnați pe orbita unui satelit artificial al Pământului. . Greutatea totală a unei astfel de nave este de aproximativ 5 tone (inclusiv rezerva fluidului de lucru - cesiu, egală cu 1,6 tone). Este determinată în principal de masa KNPP cu o putere de 5 MW, iar forța reactivă este determinată de un fascicul de ioni de cesiu de doi megawați cu o energie de 7 kiloelectronvolți*. Nava pleacă de pe orbita unui satelit artificial al Pământului, intră pe orbita unui satelit al lui Marte și va trebui să coboare la suprafața sa pe un aparat cu motor chimic pe hidrogen, similar celui lunar american.

Această direcție, bazată pe soluții tehnice care sunt deja posibile astăzi, a fost dedicată unui ciclu amplu de lucrări IPPE.

Propulsoare de ioni

În acei ani, s-au discutat modalități de a crea diverse sisteme de propulsie electrică pentru nave spațiale, precum „tunuri cu plasmă”, acceleratoare electrostatice de „praf” sau picături de lichid. Cu toate acestea, niciuna dintre idei nu avea un clar baza fizica. Descoperirea a fost ionizarea suprafeței cesiului.

În anii 20 ai secolului trecut, fizicianul american Irving Langmuir a descoperit ionizarea suprafeței Metale alcaline. Când un atom de cesiu se evaporă de pe suprafața unui metal (în cazul nostru, wolfram), a cărui funcție de lucru a electronilor este mai mare decât potențialul de ionizare a cesiuului, acesta pierde un electron slab legat în aproape 100% din cazuri și se dovedește a fi un singur electron. ion încărcat. Astfel, ionizarea de suprafață a cesiului pe wolfram este procesul fizic care face posibilă crearea unui propulsor ionic cu utilizarea aproape 100% a fluidului de lucru și cu o eficiență energetică apropiată de unitate.

Colegul nostru Stal Yakovlevich Lebedev a jucat un rol important în crearea modelelor unui propulsor ionic al unei astfel de scheme. Cu perseverența și perseverența lui de fier, a depășit toate obstacolele. Ca rezultat, a fost posibil să se reproducă în metal un circuit plat cu trei electrozi al unui propulsor ionic. Primul electrod este o placă de wolfram cu dimensiunea de aproximativ 10 × 10 cm cu un potențial de +7 kV, al doilea este o rețea de tungsten cu un potențial de -3 kV, iar al treilea este o rețea de tungsten toriată cu potențial zero. „Pistolul molecular” a dat un fascicul de vapori de cesiu, care a căzut prin toate grilele pe suprafața plăcii de wolfram. O placă de metal echilibrată și calibrată, așa-numita balanță, a servit la măsurarea „forței”, adică a împingerii fasciculului de ioni.

O tensiune de accelerare către prima rețea accelerează ionii de cesiu la 10.000 eV, în timp ce o tensiune de decelerare către a doua rețea îi încetinește până la 7.000 eV. Aceasta este energia cu care ionii trebuie să părăsească elicea, ceea ce corespunde unei viteze de scurgere de 100 km/s. Dar un fascicul de ioni, limitat de o sarcină spațială, nu poate „ieși în spațiul cosmic”. Sarcina volumetrică a ionilor trebuie compensată de electroni pentru a forma o plasmă cvasi-neutră, care se propagă liber în spațiu și creează forță reactivă. Sursa de electroni pentru compensarea încărcăturii spațiale a fasciculului de ioni este a treia grilă (catod) încălzită de curent. A doua grilă „blocată” împiedică electronii să treacă de la catod la placa de tungsten.

Prima experiență cu modelul cu propulsie ionică a marcat începutul a peste zece ani de muncă. Unul dintre cele mai recente modele - cu un emițător de wolfram poros, creat în 1965, a dat o „împingere” de aproximativ 20 g la un curent al fasciculului ionic de 20 A, a avut un factor de utilizare a energiei de aproximativ 90% și o rată de utilizare a materiei de 95 %.

Conversia directă a căldurii nucleare în energie electrică

Modalități de a transforma direct energia fisiunii nucleare în energie electrică nu au fost încă găsite. Încă nu ne putem lipsi de o legătură intermediară - un motor termic. Întrucât eficiența sa este întotdeauna mai mică decât unitatea, căldura „risipă” trebuie pusă undeva. Pe uscat, în apă și în aer, nu există probleme cu asta. În spațiu, există o singură cale - radiația termică. Astfel, KNPP nu se poate lipsi de un „emițător-frigider”. Densitatea radiației este proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute, astfel încât temperatura radiatorului-radiator trebuie să fie cât mai mare posibil. Apoi va fi posibil să se reducă aria suprafeței radiante și, în consecință, masa centrală electrică. Ne-a venit ideea de a folosi conversia „directă” a căldurii nucleare în energie electrică, fără turbină sau generator, ceea ce părea mai fiabil pentru funcționarea pe termen lung la temperaturi ridicate.

Din literatură, știam despre lucrările lui A.F. Ioffe - fondatorul școlii sovietice de fizică tehnică, un pionier în studiul semiconductorilor în URSS. Puțini își amintesc acum sursele actuale pe care le-a dezvoltat, care au fost folosite în anii Marelui Războiul Patriotic. Pe atunci, mai mult de un detașament de partizani avea o legătură cu continentul datorită TEG-urilor „kerosen” – generatoarele termoelectrice ale lui Ioffe. „Coroana” TEG-urilor (era un set de elemente semiconductoare) a fost pusă pe o lampă cu kerosen, iar firele acesteia au fost conectate la echipamente radio. Capetele „fierbinți” ale elementelor au fost încălzite de flacăra unei lămpi cu kerosen, iar capetele „reci” au fost răcite în aer. Fluxul de căldură, care trece prin semiconductor, a generat o forță electromotoare, care a fost suficientă pentru o sesiune de comunicare, iar în intervalele dintre ele, TEG-ul a încărcat bateria. Când, la zece ani după Victorie, am vizitat uzina de TEG din Moscova, s-a dovedit că încă mai găsesc vânzări. Mulți săteni aveau atunci radioreceptoare economice „Rodina” cu lămpi cu incandescență directă, alimentate de o baterie. TEG-urile au fost adesea folosite în schimb.

Problema cu kerosenul TEG este eficiența sa scăzută (doar aproximativ 3,5%) și temperatura de limitare scăzută (350°K). Dar simplitatea și fiabilitatea acestor dispozitive au atras dezvoltatorii. Deci, convertoarele semiconductoare dezvoltate de grupul I.G. Gverdtsiteli de la Institutul de Fizică și Tehnologie Sukhumi și-au găsit aplicații în instalațiile spațiale de tip Buk.

La un moment dat, A.F. Ioffe a propus un alt convertor termoionic - o diodă în vid. Principiul funcționării sale este următorul: un catod încălzit emite electroni, o parte dintre ei, depășind potențialul anodului, funcționează. Acest dispozitiv era de așteptat să aibă o eficiență semnificativ mai mare (20-25%) cu Temperatura de Operare peste 1000°K. În plus, spre deosebire de un semiconductor, o diodă în vid nu se teme de radiația neutronică și poate fi combinată cu un reactor nuclear. Cu toate acestea, s-a dovedit că a fost imposibil de realizat ideea convertorului Ioffe „în vid”. Ca și în propulsia ionică, în convertorul de vid, trebuie să scapi de încărcătura spațială, dar de data aceasta nu ionii, ci electronii. A.F. Ioffe a intenționat să folosească spații de microni între catod și anod într-un convertor de vid, ceea ce este practic imposibil în condiții de temperaturi ridicate și deformații termice. Acesta este locul în care cesiul este util: un ion de cesiu, produs prin ionizarea suprafeței la catod, compensează încărcătura spațială de aproximativ 500 de electroni! De fapt, convertorul de cesiu este un propulsor ionic „inversat”. Procesele fizice din ele sunt apropiate.

„Girlande” V.A. Malykha

Unul dintre rezultatele lucrărilor IPPE privind convertoarele termoionice a fost crearea V.A. Malykh și producția în serie în departamentul său de elemente de combustibil din convertoare termoionice conectate în serie - „ghirlande” pentru reactorul Topaz. Au dat până la 30 V - de o sută de ori mai mult decât convertoarele cu un singur element create de „organizații concurente” - grupul Leningrad al M.B. Barabash și mai târziu - de către Institutul de Energie Atomică. Acest lucru a făcut posibilă „eliminarea” de zeci și sute de ori mai multă putere din reactor. Cu toate acestea, fiabilitatea sistemului, umplut cu mii de elemente termoionice, a provocat îngrijorare. În același timp, turbinele cu abur și gaz au funcționat fără defecțiuni, așa că ne-am îndreptat atenția către conversia „mașină” a căldurii nucleare în energie electrică.

Întreaga dificultate constă în resursă, deoarece în zborurile spațiale cu rază lungă de acțiune, turbogeneratoarele trebuie să funcționeze timp de un an, doi sau chiar câțiva ani. Pentru a reduce uzura, „revoluțiile” (turația turbinei) trebuie menținute cât mai scăzute posibil. Pe de altă parte, o turbină funcționează eficient dacă viteza moleculelor de gaz sau abur este apropiată de viteza palelor sale. Prin urmare, la început am luat în considerare utilizarea celor mai grei - vapori de mercur. Dar ne-a speriat coroziunea intensă indusă de radiații a fierului și a oțelului inoxidabil care a avut loc într-un reactor nuclear răcit cu mercur. În două săptămâni, coroziunea a „mâncat” elementele combustibile ale reactorului rapid experimental „Clementine” din laboratorul Argon (SUA, 1949) și al reactorului BR-2 de la IPPE (URSS, Obninsk, 1956).

Aburul de potasiu era tentant. Reactorul cu potasiu care fierbe în el a stat la baza centralei pe care o dezvoltăm pentru o navă spațială cu forță redusă - aburul de potasiu a rotit turbogeneratorul. O astfel de metodă „mașină” de transformare a căldurii în energie electrică a făcut posibil să se mizeze pe o eficiență de până la 40%, în timp ce instalațiile termoionice reale au dat o eficiență de doar aproximativ 7%. Cu toate acestea, KNPP-urile cu conversia „mașină” a căldurii nucleare în electricitate nu au fost dezvoltate. Cazul s-a încheiat cu publicarea unui raport detaliat, de fapt, o „notă fizică” la proiectarea tehnică a unei nave spațiale cu tracțiune joasă pentru un zbor cu un echipaj către Marte. Proiectul în sine nu a fost niciodată dezvoltat.

În viitor, cred că, interesul pentru zborurile spațiale folosind motoare cu rachete nucleare a dispărut pur și simplu. După moartea lui Serghei Pavlovici Korolev, sprijinul pentru activitatea IPPE privind propulsia ionică și centralele nucleare „mașini” s-a slăbit vizibil. OKB-1 era condus de Valentin Petrovici Glushko, care nu era interesat de proiecte promițătoare îndrăznețe. Biroul de proiectare Energiya creat de el a construit rachete chimice puternice și nava spațială Buran care s-a întors pe Pământ.

„Buk” și „Topaz” pe sateliții din seria „Cosmos”.

Lucrările la crearea unui KNPP cu conversia directă a căldurii în energie electrică, acum ca surse de energie pentru sateliți radio puternici (stații radar spațiale și radiodifuzori de televiziune), au continuat până la începutul perestroikei. Din 1970 până în 1988, aproximativ 30 de sateliți radar au fost lansați în spațiu cu centrale nucleare Buk cu reactoare convertoare cu semiconductor și doi cu instalații termoionice Topaz. Buk, de fapt, era un TEG - un convertor semiconductor Ioffe, doar că în loc de o lampă cu kerosen folosea un reactor nuclear. Era un reactor rapid cu o putere de până la 100 kW. Încărcătura completă de uraniu foarte îmbogățit a fost de aproximativ 30 kg. Căldura din miez a fost transferată de metal lichid - un aliaj eutectic de sodiu și potasiu către bateriile semiconductoare. Puterea electrică a ajuns la 5 kW.

Instalația Buk sub supravegherea științifică a IPPE a fost dezvoltată de specialiștii OKB-670 M.M. Bondaryuk, mai târziu - NPO Krasnaya Zvezda (designer șef - G.M. Gryaznov). Biroul de proiectare Dnepropetrovsk Yuzhmash (designer-șef M.K. Yangel) a fost desemnat să creeze un vehicul de lansare pentru lansarea satelitului pe orbită.

Timpul de funcționare al Buk este de 1-3 luni. Dacă instalarea a eșuat, satelitul a fost transferat pe o orbită pe termen lung cu o înălțime de 1000 km. De aproape 20 de ani de lansări, au fost înregistrate trei cazuri de cădere a unui satelit pe Pământ: două în ocean și unul pe uscat, în Canada, în vecinătatea Marelui Lac al Sclavilor. Cosmos-954, lansat pe 24 ianuarie 1978, a căzut acolo. A lucrat 3,5 luni. Elementele de uraniu ale satelitului au ars complet în atmosferă. La sol au fost găsite doar rămășițele unui reflector de beriliu și baterii semiconductoare. (Toate aceste date sunt date în raportul comun al comisiilor nucleare americane și canadiane privind operațiunea Morning Light.)

În centrala nucleară termoionică Topaz a fost folosit un reactor termic cu o putere de până la 150 kW. Sarcina completă de uraniu a fost de aproximativ 12 kg - semnificativ mai mică decât cea a Buk. Baza reactorului a fost elementele de combustibil - „ghirlande”, dezvoltate și fabricate de grupul lui Malykh. Erau un lanț de termoelemente: catodul era un „degetar” din wolfram sau molibden umplut cu oxid de uraniu, anodul era un tub cu pereți subțiri de niobiu răcit cu sodiu-potasiu lichid. Temperatura catodului a ajuns la 1650°C. Puterea electrică a instalației a ajuns la 10 kW.

Primul model de zbor, satelitul Kosmos-1818 cu instalația Topaz, a intrat pe orbită pe 2 februarie 1987 și a funcționat fără cusur timp de șase luni, până la epuizarea rezervelor de cesiu. Al doilea satelit, Cosmos-1876, a fost lansat un an mai târziu. A lucrat pe orbită aproape de două ori mai mult. Dezvoltatorul principal al Topaz a fost OKB MMZ Soyuz, condus de S.K. Tumansky (fostul birou de proiectare al designerului de motoare de aeronave A.A. Mikulin).

Era la sfârșitul anilor 1950, când lucram la propulsia ionică, iar el era pe un motor din treapta a treia pentru o rachetă care ar zbura în jurul Lunii și ar ateriza pe ea. Amintirile din laboratorul lui Melnikov sunt proaspete până astăzi. A fost situat în Podlipki (acum orașul Korolev), pe locul 3 al OKB-1. Un atelier uriaș cu o suprafață de aproximativ 3000 m2, căptușit cu zeci de birouri cu osciloscoape bucle care înregistrează pe rola de hârtie de 100 mm (aceasta era încă o epocă apuse, astăzi ar fi suficient unul calculator personal). La peretele frontal al atelierului se afla un stand unde este montata camera de ardere a motorului racheta "lunar". Mii de fire merg la osciloscoape de la senzori pentru viteza gazului, presiune, temperatură și alți parametri. Ziua incepe la ora 9.00 cu aprinderea motorului. Funcționează câteva minute, apoi imediat după ce este oprit, echipa de mecanici din primul schimb îl demontează, inspectează și măsoară cu atenție camera de ardere. În același timp, sunt analizate benzile de osciloscop și se fac recomandări pentru modificări de design. A doua tură - proiectanții și lucrătorii atelierelor fac modificările recomandate. În al treilea schimb, o nouă cameră de ardere și un sistem de diagnosticare sunt montate pe suport. O zi mai tarziu, exact la 9.00, urmatoarea sedinta. Și așa fără zile libere săptămâni, luni. Peste 300 de opțiuni de motorizare pe an!

Așa au fost create motoarele de rachete chimice, care trebuiau să funcționeze doar 20-30 de minute. Ce putem spune despre testarea și rafinarea centralelor nucleare - calculul a fost că ar trebui să funcționeze mai mult de un an. A necesitat un efort cu adevărat uriaș.

© Oksana Viktorova/Collage/Ridus

Declarația făcută de Vladimir Putin în timpul discursului său la Adunarea Federală cu privire la prezența în Rusia a unei rachete de croazieră cu propulsie nucleară a făcut mare vâlvă în societate și în mass-media. În același timp, se știa puțin despre ce este un astfel de motor și despre posibilitățile de utilizare a acestuia, atât pentru publicul larg, cât și pentru specialiști.

„Reedus” a încercat să-și dea seama ce dispozitiv tehnic ar putea vorbi președintele și care este unicitatea lui.

Având în vedere că prezentarea de la Manege a fost făcută nu pentru o audiență de specialiști tehnici, ci pentru publicul „general”, autorii acestuia ar putea permite o anumită substituire a conceptelor, Georgy Tikhomirov, director adjunct al Institutului de Fizică și Tehnologie Nucleară din Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI, nu exclude.

„Ceea ce a spus și a arătat președintele, experții numesc centrale electrice compacte, experimente cu care au fost efectuate inițial în aviație, iar apoi în timpul explorării spațiului adânc. Acestea au fost încercări de rezolvare problema de nerezolvat o aprovizionare suficientă cu combustibil pentru zborurile pe distanțe nelimitate. În acest sens, prezentarea este absolut corectă: prezența unui astfel de motor oferă energie sistemelor unei rachete sau oricărui alt aparat pentru o perioadă arbitrar de lungă”, a spus el pentru Reedus.

Lucrarea cu un astfel de motor în URSS a început cu exact 60 de ani în urmă sub îndrumarea academicienilor M. Keldysh, I. Kurchatov și S. Korolev. În aceiași ani, lucrări similare au fost efectuate în Statele Unite, dar au fost reduse în 1965. În URSS, munca a continuat timp de aproximativ un deceniu înainte ca acestea să fie, de asemenea, recunoscute ca irelevante. Poate de aceea Washingtonul nu a tresărit prea mult, spunând că nu au fost surprinși de prezentarea rachetei rusești.

În Rusia, ideea unui motor nuclear nu a murit niciodată - în special, din 2009, dezvoltarea practică a unei astfel de instalații a fost în curs. Judecând după calendar, testele anunțate de președinte se încadrează exact în acest proiect comun al Roscosmos și Rosatom, deoarece dezvoltatorii plănuiau să efectueze teste pe teren ale motorului în 2018. Poate, din motive politice, s-au tras puțin și au mutat termenele „la stânga”.

„Tehnologic, este aranjat în așa fel încât centrala nucleară să încălzească lichidul de răcire cu gaz. Și acest gaz încălzit fie rotește turbina, fie creează direct împingerea jetului. O anumită viclenie în prezentarea rachetei, despre care am auzit-o, este că raza de zbor a acesteia nu este încă infinită: este limitată de volumul fluidului de lucru - gaz lichid, care poate fi pompat fizic în rezervoarele rachetei, ” spune specialistul.

În același timp, o rachetă spațială și o rachetă de croazieră au scheme de control al zborului fundamental diferite, deoarece au sarcini diferite. Primul zboară în spațiu fără aer, nu trebuie să manevreze - este suficient să-i dea un impuls inițial și apoi se deplasează de-a lungul traiectoriei balistice calculate.

O rachetă de croazieră, dimpotrivă, trebuie să-și schimbe continuu traiectoria, pentru care trebuie să aibă suficient combustibil pentru a crea impulsuri. Dacă acest combustibil va fi aprins de o centrală nucleară sau de una tradițională nu este important în acest caz. Doar furnizarea acestui combustibil este importantă, subliniază Tikhomirov.

„Semnificația unei instalații nucleare în timpul zborurilor în spațiul profund este prezența unei surse de energie la bord pentru a alimenta sistemele aparatului pentru un timp nelimitat. În acest caz, poate exista nu numai un reactor nuclear, ci și generatoare termoelectrice cu radioizotopi. Și semnificația unei astfel de instalări pe o rachetă, al cărei zbor nu va dura mai mult de câteva zeci de minute, nu este încă complet clar pentru mine ”, admite fizicianul.

Raportul de la Manezh a întârziat doar câteva săptămâni în comparație cu anunțul NASA din 15 februarie că americanii reiau cercetările privind propulsia rachetelor nucleare, pe care le-au abandonat în urmă cu jumătate de secol.

Apropo, în noiembrie 2017, China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) a anunțat deja că înainte de 2045 va fi creată o navă spațială cu propulsie nucleară în China. Prin urmare, astăzi putem spune cu siguranță că cursa mondială de propulsie nucleară a început.