Jedrski raketni motorji. Jedrski raketni motor

Previdno, veliko črk.

Leta 2025 naj bi v Rusiji izdelali prototip vesoljskega plovila z jedrskim pogonom (NPP). Ustrezno delo je določeno v osnutku zveznega vesoljskega programa za obdobje 2016–2025 (FKP-25), ki ga je Roscosmos poslal v odobritev ministrstvom.

Jedrski energetski sistemi veljajo za glavne obetavne vire energije v vesolju pri načrtovanju obsežnih medplanetarnih odprav. Zagotavljanje megavatne moči v vesolju bo v prihodnosti omogočilo jedrsko elektrarno, katere ustvarjanje zdaj izvajajo podjetja Rosatoma.

Vsa dela pri izgradnji jedrske elektrarne potekajo v skladu z načrtovanimi roki. Z visoko stopnjo zaupanja lahko rečemo, da bo delo opravljeno pravočasno, kot ga določa ciljni program, «pravi Andrej Ivanov, vodja projekta oddelka za komunikacije državne korporacije Rosatom.

Per Zadnje čase v okviru projekta sta bili opravljeni dve pomembni fazi: ustvarjena je bila edinstvena zasnova gorivnega elementa, ki zagotavlja delovanje v pogojih visoke temperature, veliki temperaturni gradienti, obsevanje z visokimi odmerki. Uspešno so zaključeni tudi tehnološki preizkusi reaktorske posode bodoče vesoljske elektrarne. V okviru teh testov je bilo telo izpostavljeno nadtlaku in izvedene 3D meritve v conah navadne kovine, obročastega zvarjen spoj in stožčasti prehod.

Načelo delovanja. Zgodovina ustvarjanja.

Z jedrski reaktor za vesoljske aplikacije ni temeljnih težav. V obdobju od 1962 do 1993 je naša država nabrala bogate izkušnje s proizvodnjo podobnih inštalacij. Podobno delo je bilo opravljeno v Združenih državah. Od začetka šestdesetih let prejšnjega stoletja je bilo v svetu razvitih več vrst električnih reaktivnih motorjev: ionski, stacionarni plazemski motor, motor anodne plasti, pulzni plazemski motor, magnetoplazma, magnetoplazmodinamični.

Delo na ustvarjanju jedrskih motorjev za vesoljska plovila se je v prejšnjem stoletju aktivno izvajalo v ZSSR in ZDA: Američani so projekt zaprli leta 1994, ZSSR leta 1988. Zaprtje del je v veliki meri olajšala katastrofa v Černobilu, ki je negativno naravnala javno mnenje na uporabo jedrske energije. Poleg tega testi jedrskih naprav v vesolju niso vedno potekali rutinsko: leta 1978 je sovjetski satelit "Kosmos-954" vstopil v ozračje in se zrušil ter razpršil na tisoče radioaktivnih fragmentov na površini 100 tisoč kvadratnih metrov. km v severozahodnih regijah Kanade. Sovjetska zveza Kanadi plačal več kot 10 milijonov dolarjev odškodnine.

Maja 1988 sta dve organizaciji - Zveza ameriških znanstvenikov in Odbor sovjetskih znanstvenikov za mir proti jedrski grožnji - podali skupen predlog za prepoved uporabe jedrske energije v vesolju. Ta predlog ni dobil formalnih posledic, a od takrat nobena država ni izstrelila vesoljskih plovil z jedrskimi elektrarnami na krovu.

Velike prednosti projekta so praktično pomembne obratovalne lastnosti - dolga življenjska doba (10 let delovanja), pomemben interval remonta in dolg obratovalni čas z enim vklopom.

V letu 2010 so bili oblikovani tehnični predlogi projekta. Od letos se je začelo oblikovanje.

YaEDU vsebuje tri glavne naprave: 1) reaktorska naprava z delovno tekočino in pomožnimi napravami (toplotni izmenjevalec-rekuperator in turbogenerator-kompresor); 2) električni raketni pogonski sistem; 3) hladilnik-radiator.

Reaktor.

S fizičnega vidika gre za kompakten plinsko hlajen hitri nevtronski reaktor.
Kot gorivo se uporablja spojina (dioksid ali karbonitrid) urana, a ker mora biti zasnova zelo kompaktna, ima uran višjo obogatitev z izotopom 235 kot v gorivnih elementih v običajnih (civilnih) jedrskih elektrarnah, morda višjo od 20 %. In njihova lupina je monokristalna zlitina ognjevzdržnih kovin na osnovi molibdena.

To gorivo bo moralo delovati pri zelo visokih temperaturah. Zato je bilo treba izbrati materiale, ki bi lahko vsebovali negativne dejavnike, povezane s temperaturo, in hkrati omogočili, da gorivo opravlja svojo glavno funkcijo - segreje plinski toplotni nosilec, s pomočjo katerega bo električna energija proizvedeno.

Hladilnik.

Hlajenje plina med delovanjem jedrski objekt nujno potrebno. Kako sproščate toploto v vesolju? Edina možnost je hlajenje s sevanjem. Ogrevana površina v praznini se hladi z oddajanjem elektromagnetnih valov v širokem območju, vključno z vidno svetlobo. Edinstvenost projekta je v uporabi posebne hladilne tekočine - mešanice helija in ksenona. Namestitev zagotavlja visoko učinkovitost.

Motor.

Načelo delovanja ionskega motorja je naslednje. V plinski razelektrični komori se s pomočjo anod in katodnega bloka, ki se nahaja v magnetnem polju, ustvari redka plazma. Emisiona elektroda iz njega "izvleče" ione delovnega medija (ksenona ali druge snovi), ki se pospešujejo v reži med njim in pospeševalno elektrodo.

Za uresničitev načrta je bilo v obdobju od 2010 do 2018 obljubljenih 17 milijard rubljev. Od teh sredstev je bilo 7,245 milijarde rubljev dodeljenih državni korporaciji "Rosatom" za izdelavo samega reaktorja. Drugih 3,955 milijarde - FSUE "Keldysh Center" za izgradnjo jedrske pogonske elektrarne. Še 5,8 milijarde rubljev - za RSC Energia, kjer naj bi v istem časovnem okviru oblikoval delovni videz celotnega transportnega in energetskega modula.

Po načrtih bo do konca leta 2017 pripravljen jedrski pogonski sistem za dokončanje transportno-energetskega modula (modul za medplanetarni let). Do konca leta 2018 bo jedrska elektrarna pripravljena na preskuse načrtovanja letenja. Projekt se financira iz zveznega proračuna.

Ni skrivnost, da so se dela na ustvarjanju jedrskih raketnih motorjev začela v ZDA in ZSSR že v 60. letih prejšnjega stoletja. Kako daleč so prišli? In s kakšnimi težavami ste se morali soočiti na poti?

Anatolij Korotejev: Dejansko se je začelo delo na področju uporabe jedrske energije v vesolju in se je aktivno nadaljevalo pri nas in v Združenih državah v šestdesetih in sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Sprva je bila zastavljena naloga izdelati raketne motorje, ki bi namesto kemične energije zgorevanja goriva in oksidanta uporabljali segrevanje vodika na temperaturo okoli 3000 stopinj. Toda izkazalo se je, da je takšna neposredna pot še vedno neučinkovita. Za kratek čas dobimo visok potisk, a hkrati vržemo ven curek, ki se lahko v primeru nenormalnega delovanja reaktorja radioaktivno onesnaži.

Določene izkušnje so se nabrale, a ne mi ne Američani takrat nismo mogli ustvariti zanesljivih motorjev. Delali so, a ne veliko, saj je segrevanje vodika na 3000 stopinj v jedrskem reaktorju resna naloga. Poleg tega so se med zemeljskimi preizkusi takšnih motorjev pojavile okoljske težave, saj so se v ozračje sprostili radioaktivni curki. Ni več skrivnost, da je bilo takšno delo opravljeno na poligonu Semipalatinsk, posebej pripravljenem za jedrske poskuse, ki je ostal v Kazahstanu.

To pomeni, da sta se dva parametra izkazala za kritična - previsoka temperatura in emisije sevanja?

Anatolij Korotejev: Na splošno da. Zaradi teh in še nekaterih drugih razlogov je bilo delo pri nas in v ZDA ustavljeno ali začasno ustavljeno – to lahko ocenite na različne načine. In zdelo se nam je nesmiselno, da bi jih obnavljali na tako, bi rekel, frontalno, da bi naredili jedrski motor z vsemi že omenjenimi pomanjkljivostmi. Predlagali smo popolnoma drugačen pristop. Od starega se razlikuje na enak način, kot se hibridni avtomobil razlikuje od običajnega. Pri običajnem avtomobilu motor vrti kolesa, pri hibridnih avtomobilih pa se elektrika proizvaja iz motorja in ta elektrika vrti kolesa. Se pravi, ustvarja se nekakšna vmesna elektrarna.

Zato smo predlagali shemo, pri kateri vesoljski reaktor ne segreva curka, ki ga izvrže, ampak proizvaja električno energijo. Vroči plin iz reaktorja vrti turbino, turbina vrti električni generator in kompresor, ki kroži delovno tekočino v zaprti zanki. Generator proizvaja električno energijo za plazemski motor s specifičnim potiskom, 20-krat večjim kot pri njegovih kemičnih analogih.

Zapletena shema. V bistvu je to mini jedrska elektrarna v vesolju. In kakšne so njegove prednosti pred ramjet jedrskim motorjem?

Anatolij Korotejev: Glavna stvar je, da curek, ki prihaja iz novega motorja, ne bo radioaktiven, saj skozi reaktor prehaja popolnoma drugačna delovna tekočina, ki je v zaprti zanki.

Poleg tega nam s to shemo ni treba segrevati vodika na pretirane vrednosti: v reaktorju kroži inertna delovna tekočina, ki se segreje do 1500 stopinj. Svojo nalogo resno poenostavljamo. In posledično bomo v primerjavi s kemičnimi motorji povečali specifični potisk ne dvakrat, ampak 20-krat.

Pomembna je tudi druga stvar: ni potrebe po zapletenih terenskih preizkusih, za katere je potrebna infrastruktura nekdanjega testnega poligona Semipalatinsk, zlasti klopna baza, ki je ostala v mestu Kurchatov.

V našem primeru je mogoče vse potrebne teste izvesti na ozemlju Rusije, ne da bi se vpletli v dolga mednarodna pogajanja o uporabi jedrske energije izven svoje države.

Se zdaj podobna dela izvajajo tudi v drugih državah?

Anatolij Korotejev: Imel sem sestanek z namestnikom vodje Nase, razpravljali smo o vprašanjih, povezanih z vrnitvijo k delu na jedrski energiji v vesolju, in rekel je, da Američani za to kažejo veliko zanimanje.

Povsem možno je, da se Kitajska lahko odzove z odločnimi ukrepi, zato je treba delo opraviti hitro. Pa ne samo zato, da bi nekoga prehitel za pol koraka.

Delati moramo najprej hitro, da bomo v nastajajočem mednarodnem sodelovanju, ki se de facto oblikuje, videti vredni.

Ne izključujem možnosti, da v bližnji prihodnosti, mednarodni program na jedrski vesoljski elektrarni, podobni trenutno izvajanemu programu za nadzorovano termonuklearno fuzijo.

Vsakih nekaj let nekaj
novi podpolkovnik odkrije "Pluton".
Potem pokliče laboratorij,
da bi izvedeli nadaljnjo usodo jedrskega ramjet.

To je danes modna tema, vendar se mi zdi, da je jedrski zrak z direktnim tokom reaktivni motor, ker mu ni treba nositi s seboj delovnega telesa.
Predvidevam, da je bilo sporočilo predsednika o njem, ampak iz nekega razloga so danes vsi začeli objavljati o DVORIŠTU ???
Vse bom postavil tukaj na eno mesto. Zanimive misli, vam povem, se pojavijo, ko preberete temo. In zelo neprijetna vprašanja.

Ramjet motor (ramjet; angleški izraz je ramjet, iz ram - ram) - reaktivni motor, je oblikovno najpreprostejši v razredu zračno-reaktivnih motorjev (VRM). Nanaša se na vrsto neposredne reakcije VRM, pri kateri se potisk ustvari izključno zaradi curka, ki teče iz šobe. Povečanje tlaka, potrebno za delovanje motorja, se doseže z zaviranjem prihajajočega toka zraka. Ko je ramjet nedelujoč nizke hitrosti let, zlasti pri ničelni hitrosti, je potreben en ali drug pospeševalnik, da ga pripeljemo do obratovalne moči.

V drugi polovici petdesetih let prejšnjega stoletja, v času hladne vojne, sta ZDA in ZSSR razvila projekte ramjet z jedrskim reaktorjem.


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

Vir energije za te ramjet motorje (v nasprotju z ostalimi ramjet motorji) ni kemijska reakcija zgorevanje goriva in toplota, ki jo ustvari jedrski reaktor v grelni komori delovne tekočine. Zrak iz vstopa v tak ramjet motor prehaja skozi jedro reaktorja, ga ohladi, se segreje na delovno temperaturo (približno 3000 K) in nato izteka iz šobe s hitrostjo, primerljivo s hitrostjo iztoka pri najnaprednejših kemični raketni motorji. Možna destinacija letalo s tem motorjem:
- medcelinsko plovilo za križarjenje z jedrskim nabojem;
- enostopenjsko vesoljsko letalo.

V obeh državah so nastali kompaktni jedrski reaktorji z nizkimi viri, ki se prilegajo dimenzijam velike rakete. V Združenih državah Amerike so bili v okviru raziskovalnih programov Pluton in Tory za jedrske ramjetne rakete leta 1964 izvedeni preskusi jedrskega zračnega zračnega motorja Tory-IIC (način polne moči 513 MW pet minut s potiskom 156 kN). Preizkusi letenja niso bili izvedeni, program je bil zaprt julija 1964. Eden od razlogov za zaprtje programa je izboljšanje zasnove balističnih raket s kemičnimi raketnimi motorji, kar je v celoti zagotovilo rešitev bojnih nalog brez uporabe shem z relativno dragimi jedrskimi ramjet motorji.
V ruskih virih zdaj ni običajno govoriti o drugem ...

Projekt Pluton naj bi uporabljal taktiko letenja na majhni višini. Ta taktika je zagotovila prikritost od radarjev sistema zračne obrambe ZSSR.
Da bi dosegli hitrost, s katero bi deloval ramjet motor, je bilo treba Pluton izstreliti s tal s pomočjo paketa običajnih raketnih ojačevalcev. Izstrelitev jedrskega reaktorja se je začela šele po tem, ko je "Pluton" dosegel potovalno višino in se dovolj odmaknil od naseljenih območij. Jedrski motor, ki je dal skoraj neomejen doseg, je omogočil, da je raketa letela nad oceanom v krogih in čakala na ukaz za preklop na nadzvočno hitrost do cilja v ZSSR.

Osnutek dizajna SLAM

Sprejeta je bila odločitev za izvedbo statičnega preizkusa polnega reaktorja, ki je bil namenjen ramjet motorju.
Ker je po izstrelitvi reaktor Pluton postal izjemno radioaktiven, je bila njegova dostava na poligon izvedena po posebej zgrajeni popolnoma avtomatizirani železniški progi. Na tej progi reaktor prepotuje razdaljo približno dveh kilometrov, ki ločuje statično preskusno mizo in masivno "rušilno" zgradbo. V stavbi je bil "vroč" reaktor razstavljen za pregled z uporabo daljinsko vodene opreme. Znanstveniki iz Livermorja so spremljali postopek testiranja s pomočjo televizijskega sistema, ki je bil nameščen v pločevinastem hangarju daleč od preskusne mize. Za vsak slučaj je bil hangar opremljen s protisevalnim zavetiščem z dvotedensko zalogo hrane in vode.
Samo za dobavo betona, potrebnega za gradnjo sten stavbe za rušenje (debelina šest do osem metrov), je vlada Združenih držav pridobila celoten rudnik.
Milijoni funtov stisnjenega zraka so bili shranjeni v ceveh, ki se uporabljajo pri proizvodnji nafte, v skupni dolžini 25 milj. Ta stisnjen zrak naj bi bil uporabljen za simulacijo pogojev, v katerih se znajde ramjet motor med letom pri potovalni hitrosti.
Da bi zagotovili visok zračni tlak v sistemu, si je laboratorij izposodil velikanske kompresorje iz podmornice v Grotonu v Connecticutu.
Za izvedbo testa, med katerim je naprava delovala s polno močjo pet minut, je bilo treba skozi jeklene rezervoarje, ki so bili napolnjeni z več kot 14 milijoni jeklenih kroglic premera 4 cm, pregnati tono zraka. segreti na 730 stopinj s pomočjo grelnih elementov, v katerih je gorelo olje.

Tori-2C je nameščen na železniški ploščadi in je pripravljen za uspešno testiranje. maja 1964

14. maja 1961 so inženirji in znanstveniki v hangarju, kjer je bil eksperiment nadzorovan, zadrževali dih – prvi jedrski ramjet motor na svetu, nameščen na svetlo rdeči železniški ploščadi, je z glasnim ropotom naznanil svoje rojstvo. Tori-2A je bil izstreljen le za nekaj sekund, med tem pa ni razvil svoje nazivne moči. Vendar je bil test uspešen. Najpomembnejše je bilo, da se reaktor ni vžgal, česar so se nekateri predstavniki odbora za atomsko energijo zelo bali. Skoraj takoj po testih je Merkle začel delati na ustvarjanju drugega Toryjevega reaktorja, ki naj bi imel večjo moč z manjšo težo.
Delo na Tory-2B ni napredovalo dlje od risalne plošče. Namesto tega so Livermori takoj zgradili Tory-2C, ki je tri leta po testiranju prvega reaktorja prekinil tišino puščave. Teden dni pozneje so reaktor ponovno zagnali in deloval s polno močjo (513 megavatov) pet minut. Izkazalo se je, da je radioaktivnost izpuha veliko manjša od pričakovane. Teh testov so se udeležili tudi generali letalskih sil in uradniki odbora za atomsko energijo.

V tem času so stranke iz Pentagona, ki so financirale projekt "Pluton", začele premagovati dvome. Ker je bila raketa izstreljena z ozemlja Združenih držav Amerike in je preletela ozemlje ameriških zaveznikov na nizki višini, da bi se izognili odkrivanju s strani sistemov zračne obrambe ZSSR, so se nekateri vojaški strategi spraševali, ali bi raketa predstavljala grožnjo zaveznikom. ? Še preden raketa Pluton odvrže bombe na sovražnika, bo najprej omamila, zmečkala in celo obsevala zaveznike. (Pričakovali so, da bo od Plutona, ki leti nad glavo, raven hrupa na tleh približno 150 decibelov. Za primerjavo, raven hrupa rakete, ki je Američane poslala na Luno (Saturn V) pri polnem potisku, je bila 200 decibelov). Seveda bi bili počeni bobniči najmanjša težava, če bi bili pod golim reaktorjem, ki vam je letel nad glavo, ki vas je pekel kot piščanca z gama in nevtronskim sevanjem.

Tori-2C

Čeprav so ustvarjalci rakete trdili, da je Pluton sam po sebi tudi izmuzljiv, so vojaški analitiki izrazili zmedo – kako lahko nekaj tako hrupnega, vročega, velikega in radioaktivnega ostane neopaženo v času, ki je potreben za dokončanje misije. Hkrati so ameriške letalske sile že začele namestiti balistične rakete Atlas in Titan, ki so bile sposobne doseči cilje nekaj ur prej kot leteči reaktor, in protiraketni sistem ZSSR, katerega strah je bil glavni zagon. za ustvarjanje Plutona. , in kljub uspešnim poskusnim prestrezanjem ni postala ovira za balistične rakete. Kritiki projekta so prišli do lastnega dekodiranja kratice SLAM – počasi, nizko in neurejeno – počasi, nizko in umazano. Po uspešnih preizkusih rakete Polaris je projekt začela zapuščati tudi flota, ki je sprva pokazala zanimanje za uporabo raket za izstrelitve s podmornic ali ladij. Končno je bila cena vsake rakete 50 milijonov dolarjev. Nenadoma je Pluton postal tehnologija brez uporabe, orožje, ki nima ustreznih tarč.

Vendar je bil zadnji žebelj v Plutonovi krsti le eno vprašanje. To je tako varljivo preprosto, da je mogoče ljudem iz Livermoreja opravičiti, da namerno niso pozorni na to. »Kje opraviti preizkuse letenja reaktorja? Kako prepričati ljudi, da med letom raketa ne bo izgubila nadzora in preletela Los Angeles ali Las Vegas na nizki višini? " Je vprašal Jim Hadley, fizik iz laboratorija Livermore, ki je do konca delal na projektu Pluton. Trenutno se ukvarja z odkrivanjem jedrskih poskusov, ki jih izvajajo v drugih državah, za enoto Z. Kot je povedal sam Hadley, ni bilo nobenih zagotovil, da raketa ne bo ušla nadzoru in se spremenila v leteči Černobil.
Predlaganih je več možnosti za rešitev tega problema. Ena je Plutonova izstrelitev blizu otoka Wake, kjer bi raketa v osmih letela nad ameriškim delom oceana. "Vroče" rakete naj bi bile odvržene na globini 7 kilometrov v ocean. Vendar, tudi ko je Komisija za atomsko energijo ljudi prepričala, da si o sevanju razmišljajo kot o neomejenem viru energije, je bil predlog, da se veliko izstrelkov, onesnaženih s sevanjem, odvrže v ocean dovolj, da ustavijo delo.
1. julija 1964, sedem let in šest mesecev po začetku del, sta projekt Pluton zaprla Komisija za atomsko energijo in letalske sile.

Vsakih nekaj let, je dejal Hadley, nov podpolkovnik letalskih sil odkrije Pluton. Po tem pokliče laboratorij, da ugotovi nadaljnjo usodo jedrskega ramjet. Navdušenje podpolkovnikov izgine takoj, ko Hadley spregovori o težavah s sevanjem in preizkusi letenja. Nihče ni poklical Hadleyja več kot enkrat.
Če želi nekdo "Plutona" oživeti, potem bo morda v Livermoru lahko našel nekaj rekrutov. Vendar jih ne bo veliko. Zamisel o tem, kaj bi lahko postalo hudičevo noro orožje, je najbolje pustiti za seboj.

Specifikacije rakete SLAM:
Premer - 1500 mm.
Dolžina - 20.000 mm.
Teža - 20 ton.
Polmer delovanja ni omejen (teoretično).
Hitrost na morski gladini je 3 Mach.
Oborožitev - 16 termonuklearnih bomb (moč vsake 1 megaton).
Motor je jedrski reaktor (moč 600 megavatov).
Sistem vodenja - inercialni + TERCOM.
Najvišja temperatura plašča je 540 stopinj Celzija.
Material ogrodja - visokotemperaturno, nerjaveče jeklo Rene 41.
Debelina plašča - 4 - 10 mm.

Kljub temu je jedrski ramjet obetaven kot pogonski sistem za enostopenjska vesoljska letala in hitra medcelinska težka transportno letalstvo... To olajša možnost ustvarjanja jedrskega ramjet, ki lahko deluje pri podzvočni in ničelni hitrosti leta v načinu raketnega motorja z uporabo zalog delovne tekočine na krovu. To pomeni, da se na primer vesoljsko letalo z jedrskim ramjet motorjem zažene (vključno z vzleti), dovaja delovno tekočino v motorje iz rezervoarjev na krovu (ali izvenkrmnih) in, ko je že dosegla hitrost od M = 1, preklopi na uporabo atmosferski zrak.

Kot je dejal predsednik Ruske federacije V. V. Putin, se je v začetku leta 2018 "izvedla uspešna izstrelitev križarske rakete z Nuklearna elektrarna". Poleg tega je po njegovih besedah ​​doseg takšne križarske rakete "neomejen".

Sprašujem se, v kateri regiji so bili testi opravljeni in zakaj so jih pristojne službe za spremljanje jedrskih poskusov oklepale. Ali pa je jesenska emisija rutenija-106 v ozračje nekako povezana s temi testi? tiste. Prebivalci Čeljabinska niso bili samo posuti z rutenijem, ampak tudi ocvrti?
In kje je padla ta raketa, lahko ugotovite? Preprosto povedano, kje je bil razdeljen jedrski reaktor? Kateri poligon? Na Novi Zemlji?

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

Zdaj pa preberimo malo o jedrskih raketnih motorjih, čeprav je to povsem druga zgodba.

Jedrski raketni motor (NRM) je vrsta raketnega motorja, ki uporablja energijo cepitve ali jedrske fuzije za ustvarjanje reaktivnega potiska. So tekoči (ogrevanje tekoče delovne tekočine v ogrevalni komori iz jedrskega reaktorja in odstranjevanje plina skozi šobo) in impulzno eksplozivni (jedrske eksplozije majhne moči v enakem časovnem intervalu).
Tradicionalni NRE kot celota je konstrukcija grelne komore z jedrskim reaktorjem kot virom toplote, sistemom za dovod delovne tekočine in šobo. Delovna tekočina (običajno vodik) se dovaja iz rezervoarja v jedro reaktorja, kjer se skozi kanale, segrete z reakcijo jedrskega razpada, segreje na visoke temperature in nato izvrže skozi šobo, pri čemer se ustvari curek. Obstajajo različne izvedbe NRE: trdna faza, tekoča faza in plinasta faza - ki ustreza agregatnemu stanju jedrskega goriva v jedru reaktorja - trdni, talini ali visokotemperaturni plin (ali celo plazma).


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

RD-0410 (indeks GRAU - 11B91, znan tudi kot "Irgit" in "IR-100") - prvi in ​​edini sovjetski jedrski raketni motor v letih 1947-78. Razvit je bil v oblikovalski biro"Khimavtomatika", Voronež.
V RD-0410 je bil uporabljen heterogeni termični reaktor. Zasnova je vključevala 37 gorivnih sklopov, pokritih s toplotno izolacijo, ki jih ločuje od moderatorja. ProjektPredvideno je bilo, da je tok vodika najprej šel skozi reflektor in moderator ter njuno temperaturo vzdrževal pri sobni temperaturi, nato pa vstopil v jedro, kjer se je segrel na 3100 K. Na stojalu sta reflektor in moderator hladila z ločen tok vodika. Reaktor je bil podvržen številnim testom, vendar še nikoli ni bil preizkušen za polni čas delovanja. Izvenreaktorske enote so bile v celoti izdelane.

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

In to je ameriški jedrski raketni motor. Njegov diagram je bil na naslovni sliki.


Avtor NASA – Odlične slike v NASA opisu, javna domena, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378

NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) je bil skupni program ameriške komisije za atomsko energijo in NASA za ustvarjanje jedrskega raketnega motorja (NRM), ki je trajal do leta 1972.
NERVA je pokazala, da je NRM v celoti delujoč in primeren za raziskovanje vesolja, konec leta 1968 pa je SNPO potrdil, da najnovejša modifikacija NERVA, NRX/XE, izpolnjuje zahteve za misijo s posadko na Mars. Čeprav so bili motorji NERVA izdelani in preizkušeni v največji možni meri in so veljali za pripravljene za namestitev na vesoljsko plovilo, je Nixonova administracija odpovedala velik del ameriškega vesoljskega programa.

AEC, SNPO in NASA so NERVA ocenili kot zelo uspešen program, ki je dosegel ali presegel svoje cilje. glavni cilj program je bil "ustvariti tehnično osnovo za jedrske raketne pogonske sisteme, ki se bodo uporabljali pri načrtovanju in razvoju pogonski sistemi za vesoljske misije«. Skoraj vsi vesoljski projekti, ki uporabljajo NRE, temeljijo na modelih NERVA NRX ali Pewee.

Misije na Mars so povzročile propad NERVE. Člani kongresa obeh političnih strank so se odločili, da bi bila misija s posadko na Mars tiha zaveza ZDA, da bodo desetletja podpirale drago vesoljsko tekmo. Vsako leto je bil program RIFT odložen in cilji NERVA so postajali vse bolj zapleteni. Čeprav je motor NERVA prestal številne uspešne teste in je imel močno podporo kongresa, ni nikoli zapustil Zemlje.

Novembra 2017 je China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) objavila načrt za razvoj vesoljskega programa LRK za obdobje 2017–2045. Zagotavlja zlasti ustvarjanje ladje za večkratno uporabo, ki jo poganja jedrski raketni motor.

Našel sem zanimiv članek. Na splošno so me atomske vesoljske ladje vedno zanimale. To je prihodnost astronavtike. Obširno delo na to temo je bilo opravljeno tudi v ZSSR. Članek govori samo o njih.

Prostor na atomski pogon. Sanje in resničnost.

Doktor fizikalno-matematičnih znanosti Yu. Ya. Stavisskiy

Leta 1950 sem zagovarjal diplomo iz inženirstva fizike na Moskovskem mehanskem inštitutu (MMI) Ministrstva za strelivo. Pet let prej, leta 1945, je bila tam ustanovljena Fakulteta za tehniko in fiziko, ki je pripravljala strokovnjake za novo industrijo, katere naloge so bile predvsem proizvodnja jedrskega orožja. Fakulteti ni bilo para. Poleg temeljne fizike v obsegu univerzitetnih predmetov (metode matematične fizike, teorije relativnosti, kvantne mehanike, elektrodinamike, statistične fizike in drugih) smo poučevali celoten spekter inženirskih disciplin: kemija, metalurgija, odpornost materialov, teorija mehanizmov in strojev itd. fizik Aleksander Iljič Lejpunski, Fakulteta za inženirstvo in fiziko MMI je sčasoma prerasla v Moskovski inštitut za inženirsko fiziko (MEPhI). V Moskvi je nastala še ena Fakulteta za tehniko in fiziko, ki se je kasneje tudi združila v MEPhI. energetski inštitut(MPEI), če pa je bil v MMI glavni poudarek na temeljni fiziki, potem v Energetiki - na toplotni in elektrofiziki.

Kvantno mehaniko smo študirali iz knjige Dmitrija Ivanoviča Blokhinceva. Predstavljajte si moje presenečenje, ko so me med nalogo poslali delat zanj. Jaz, navdušen eksperimentator (kot otrok sem razstavil vse ure v hiši) in nenadoma pridem do slavnega teoretika. Zajela me je rahla panika, a ob prihodu na kraj - "Objekt B" Ministrstva za notranje zadeve ZSSR v Obninsk - sem takoj ugotovil, da sem zaman zaskrbljen.

Do takrat je bila glavna tema "Object B", ki jo je do junija 1950 dejansko vodil A.I. Leipunsky, se je že oblikovala. Tu so ustvarili reaktorje z razširjeno reprodukcijo jedrskega goriva - "hitre rejce". Blokhintsev je kot direktor sprožil razvoj nove smeri - ustvarjanje atomskih motorjev za vesoljske polete. Obvladovanje vesolja so bile stare sanje Dmitrija Ivanoviča, že v mladosti si je dopisoval in se srečal s K.E. Tsiolkovsky. Mislim, da je razumevanje velikanskih potencialov jedrske energije, ki je milijonkrat višja od kurilne vrednosti najboljših kemičnih goriv, ​​določilo življenjsko pot D.I. Blokhincev.
»Iz oči v oči se ne vidiš« ... V tistih letih nismo veliko razumeli. Šele zdaj, ko se je končno pokazala priložnost, da primerjamo dejanja in usode izjemnih znanstvenikov Inštituta za fiziko in energetiko (IPPE) - nekdanjega "Objekta B", preimenovanega 31. decembra 1966 - pravilno, se mi zdi , se oblikuje razumevanje idej, ki so jih takrat gnale. ... Ob vsej pestrosti primerov, s katerimi se je inštitut ukvarjal, je mogoče izpostaviti prednostne znanstvene usmeritve, ki so se izkazale za področje zanimanja njegovih vodilnih fizikov.

Glavni interes AIL (kot je inštitut za hrbtom imenoval Aleksandra Iljiča Lejpunskega) je razvoj globalne energije, ki temelji na hitrih reaktorjih (jedrskih reaktorjih, ki nimajo omejitev glede virov jedrskega goriva). Težko je preceniti pomen tega resnično »kozmičnega« problema, ki mu je posvetil zadnje četrt stoletja svojega življenja. Leipunsky je vložil veliko truda v obrambo države, zlasti za ustvarjanje atomskih motorjev za podmornice in težka letala.

Interesi D.I. Blokhintsev (zanj se je oprijel vzdevek "DI") so bili namenjeni reševanju problema uporabe jedrske energije za vesoljske polete. Žal je bil v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja prisiljen zapustiti to službo in voditi ustanovitev mednarodnega znanstvenega centra - Skupnega inštituta za jedrske raziskave v Dubni. Tam se je ukvarjal z impulznimi hitrimi reaktorji - IBR. To je bila zadnja velika stvar v njegovem življenju.

En gol, ena ekipa

DI. Blokhincev, ki je poučeval na Moskovski državni univerzi v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja, je tam opazil in nato povabil k delu v Obninsk mladega fizika Igorja Bondarenka, ki je dobesedno navdušen nad vesolskimi ladjami na atomski pogon. Njen prvi znanstveni svetovalec je bil A.I. Leipunsky in Igor sta se seveda ukvarjala s svojo temo - hitrimi rejci.

Pod D.I. Blokhintsev, skupina znanstvenikov, ustanovljena okoli Bondarenka, ki se je združila za reševanje problemov uporabe atomske energije v vesolju. Poleg Igorja Iljiča Bondarenka so bili v skupini: Viktor Yakovlevich Pupko, Edwin Aleksandrovič Stumbur in avtor teh vrstic. Igor je bil glavni ideolog. Edwin je izvajal eksperimentalne študije zemeljskih modelov jedrskih reaktorjev v vesoljskih napravah. Ukvarjal sem se predvsem z raketnimi motorji z "nizkim potiskom" (potisk v njih ustvarja nekakšen pospeševalnik - "ionska pogonska naprava", ki jo poganja energija iz vesoljske jedrske elektrarne). Raziskali smo procese
teče v ionskih propelerjih, na talnih stojnicah.

O Viktorju Pupku (v prihodnosti
postal je vodja oddelka za vesoljsko tehnologijo IPPE) je bilo veliko organizacijskega dela. Igor Iljič Bondarenko je bil izjemen fizik. Prefinjeno je začutil eksperiment, postavil preproste, elegantne in zelo učinkovite eksperimente. Mislim, da je tako kot noben drug eksperimentator in morda celo nekaj teoretikov »čutil« temeljno fiziko. Vedno odziven, odprt in dobrodušen, je bil Igor resnično duša inštituta. IPPE do danes živi z njegovimi idejami. Bondarenko je živel neupravičeno kratko življenje... Leta 1964 je v starosti 38 let tragično umrl zaradi zdravniške napake. Kot da bi se Bog, ko je videl, koliko je človek naredil, odločil, da je že preveč, in ukazal: "Dovolj."

Nemogoče se je ne spomniti še ene edinstvene osebe - Vladimirja Aleksandroviča Malykha, tehnologa "od Boga", sodobnega Leskovskega levičarja. Če so bili "izdelki" zgoraj omenjenih znanstvenikov predvsem ideje in izračunane ocene njihove resničnosti, so imela Malykhova dela vedno izhod "v kovini". Njegov tehnološki sektor, ki je v času razcveta IPPE štel več kot dva tisoč zaposlenih, je zmogel brez pretiravanja vse. Poleg tega je sam vedno igral ključno vlogo.

V.A. Malykh je začel kot laboratorijski asistent na Raziskovalnem inštitutu za jedrsko fiziko na Moskovski državni univerzi, pri čemer je imel v srcu tri tečaje fizike - vojna mu ni dovolila, da bi končal študij. V poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja mu je uspelo ustvariti tehnologijo za izdelavo tehnične keramike na osnovi berilijevega oksida, edinstvenega materiala, dielektrika z visoko toplotno prevodnostjo. Pred Malykhom so se mnogi neuspešno borili zaradi tega problema. Gorivna celica, ki temelji na serijski iz nerjavnega jekla in naravni uran, ki ga je razvil za prvo jedrsko elektrarno, je za to in še danes čudež. Ali termoemisijsko gorivno celico reaktorsko-električnega generatorja, ki ga je zasnoval Malykh za napajanje vesoljskih plovil - "venec". Do sedaj se na tem področju ni pokazalo nič boljšega. Malykhove stvaritve niso bile predstavitvene igrače, ampak elementi jedrske tehnologije. Delali so mesece in leta. Vladimir Aleksandrovič je postal doktor tehničnih znanosti, dobitnik Leninove nagrade, heroj socialističnega dela. Leta 1964 je tragično umrl zaradi posledic vojaškega šoka.

Korak za korakom

S.P. Korolev in D.I. Blokhintsev že dolgo goji sanje o poletu s posadko v vesolje. Med njimi so vzpostavljene tesne delovne vezi. Toda v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja, na vrhuncu hladne vojne, so bila sredstva prihranjena le za vojaške namene. Raketna tehnologija je veljala le za nosilca jedrskih nabojev, o satelitih pa sploh niso razmišljali. Medtem je Bondarenko, ki je vedel za najnovejše dosežke raketnih znanstvenikov, vztrajno zagovarjal ustvarjanje umetnega zemeljskega satelita. Kasneje se tega ni nihče spomnil.

Zgodba o nastanku rakete, ki je v vesolje dvignila prvega kozmonavta planeta Jurija Gagarina, je radovedna. Povezan je z imenom Andreja Dmitrijeviča Saharova. V poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja je razvil kombinirani fisijsko-termonuklearni naboj - "puff", očitno neodvisno od "očeta vodikove bombe" Edwarda Tellerja, ki je predlagal podoben izdelek, imenovan "budilka". Vendar je Teller kmalu ugotovil, da bi imel jedrski naboj takšne sheme »omejeno« moč, ne več kot ~ 500 kiloton tolnega ekvivalenta. To ni dovolj za "absolutno" orožje, zato je bila "budilka" opuščena. V Sovjetski zvezi so leta 1953 razstrelili Saharovove puff RDS-6.

Po uspešnih testih in izvolitvi Saharova za akademika je takratni vodja ministrstva za srednje strojegradnjo V.A. Malyshev ga je povabil k sebi in postavil nalogo, da določi parametre bombe naslednje generacije. Andrej Dmitrijevič je cenil (brez podrobne študije) težo novega, veliko močnejšega naboja. Poročilo Saharova je bilo podlaga za odlok Centralnega komiteja CPSU in Sveta ministrov ZSSR, ki je zavezal S.P. Korolev naj razvije balistično nosilno raketo za ta naboj. Prav ta raketa R-7, imenovana Vostok, je leta 1957 v orbito izstrelila umetni zemeljski satelit in leta 1961 vesoljsko plovilo z Jurijem Gagarinom. Ni bilo več načrtovano, da bi ga uporabljali kot nosilca težkega jedrskega naboja, saj je razvoj termonuklearnega orožja šel po drugi poti.

V začetni fazi vesoljskega jedrskega programa je IPPE skupaj z oblikovalskim birojem V.N. Chelomeya je razvil jedrsko križarsko raketo. Ta smer se ni razvijala dolgo in se je končala z izračuni in testiranjem elementov motorja, ustvarjenih v oddelku V.A. Malykha. Pravzaprav je šlo za nizko leteče brezpilotno letalo z ramjet jedrskim motorjem in jedrsko bojno glavo (nekakšen jedrski analog »brenčajočega hrošča« – nemškega V-1). Sistem je bil zagnan z uporabo običajnih raketnih ojačevalcev. Po doseganju nastavljene hitrosti je potisk ustvaril atmosferski zrak, segret z verižno reakcijo cepitve berilijevega oksida, impregniranega z obogatenim uranom.

Na splošno je sposobnost rakete, da opravi določeno astronavtično nalogo, določena s hitrostjo, ki jo pridobi po uporabi celotne zaloge delovne tekočine (goriva in oksidanta). Izračuna se po formuli Tsiolkovsky: V = c × lnMn / Mk, kjer je c izstopna hitrost delovne tekočine, Mn in Mk pa začetna in končna masa rakete. Pri običajnih kemičnih raketah je hitrost pretoka določena s temperaturo v zgorevalni komori, vrsto goriva in oksidanta ter molekulsko maso produktov zgorevanja. Američani so na primer uporabili vodik kot gorivo v spuščajočem se vozilu za pristanek astronavtov na Luni. Produkt njegovega zgorevanja je voda, katere molekulska masa je relativno nizka, pretok pa je 1,3-krat večji kot pri gorenju kerozina. To je dovolj, da spuščajoče vozilo z astronavti doseže površje Lune in jih nato vrne v orbito svojega umetnega satelita. Pri Korolevu so zaradi nesreče s smrtnimi žrtvami prekinili delo z vodikovim gorivom. Nismo imeli časa ustvariti vozila za spuščanje po Luni za ljudi.

Eden od načinov za znatno povečanje stopnje izteka je ustvarjanje jedrskih toplotnih raket. Imeli smo balistične atomske rakete (BAR) z dosegom nekaj tisoč kilometrov (skupni projekt OKB-1 in IPPE), Američani pa so imeli podobne sisteme tipa Kiwi. Motorje so testirali na poligonih blizu Semipalatinska in v Nevadi. Načelo njihovega delovanja je naslednje: vodik se v jedrskem reaktorju segreje na visoke temperature, preide v atomsko stanje in že v tej obliki izteka iz rakete. V tem primeru se hitrost iztoka poveča za več kot štirikrat v primerjavi s kemično vodikovo raketo. Vprašanje je bilo ugotoviti, na kakšno temperaturo je mogoče segreti vodik v reaktorju s trdnimi gorivnimi celicami. Izračuni so dali približno 3000 ° K.

Na NII-1, katerega znanstveni direktor je bil Mstislav Vsevolodovič Keldysh (takrat predsednik Akademije znanosti ZSSR), je oddelek V.M. Ievlev se je s sodelovanjem IPPE ukvarjal s popolnoma fantastično shemo - reaktorjem v plinski fazi, v katerem poteka verižna reakcija v plinski mešanici urana in vodika. Iz takega reaktorja vodik izteka desetkrat hitreje kot iz trdnega goriva, uran pa se loči in ostane v jedru. Ena od idej je bila uporaba centrifugalnega ločevanja, ko vročo plinsko mešanico urana in vodika "zavrti" vhodni hladni vodik, zaradi česar se uran in vodik ločita, kot v centrifugi. Ievlev je pravzaprav poskušal neposredno reproducirati procese v zgorevalni komori kemične rakete, pri čemer je kot vir energije uporabil ne toploto zgorevanja goriva, ampak verižna reakcija divizije. To je utrlo pot polni uporabi energijske intenzivnosti atomskih jeder. Toda vprašanje možnosti iztekanja čistega vodika (brez urana) iz reaktorja je ostalo nerešeno, da ne omenjamo tehničnih težav, povezanih z zadrževanjem visokotemperaturnih plinskih mešanic pri tlakih več sto atmosfer.

Delo IPPE na balističnih atomskih raketah je bilo zaključeno v letih 1969-1970 z "ognjenimi preizkusi" na poligonu Semipalatinsk prototipa jedrskega raketnega motorja s trdnimi gorivnimi celicami. Ustvaril jo je IPPE v sodelovanju z A.D. Konopatov, Moskovski raziskovalni inštitut-1 in številne druge tehnološke skupine. Osnova motorja s potiskom 3,6 tone je bil jedrski reaktor IR-100 z gorivnimi celicami iz trdne raztopine uranovega karbida in cirkonijevega karbida. Temperatura vodika je dosegla 3000 ° K pri moči reaktorja ~ 170 MW.

Jedrske rakete z nizkim potiskom

Do sedaj smo govorili o raketah s potiskom, ki presega njihovo težo, ki bi jih lahko izstrelili s površja Zemlje. V takšnih sistemih povečanje pretoka omogoča zmanjšanje zaloge delovne tekočine, povečanje nosilnosti in opustitev večstopenjskega sistema. Vendar pa obstajajo načini za doseganje praktično neomejenih stopenj pretoka, na primer pospeševanje snovi z elektromagnetnimi polji. Na tem področju delam v tesnem stiku z Igorjem Bondarenkom že skoraj 15 let.

Pospešek rakete z električnim reaktivnim motorjem (ERE) je določen z razmerjem med specifično močjo vesoljske jedrske elektrarne (KNPP), ki je nameščena na njih, in hitrostjo iztoka. V bližnji prihodnosti specifične zmogljivosti KNPP očitno ne bodo presegle 1 kW / kg. V tem primeru je mogoče ustvariti rakete z nizkim potiskom, desetine in stokrat manjšo od teže rakete, in z zelo nizko porabo delovne tekočine. Takšna raketa lahko zažene le iz orbite umetnega zemeljskega satelita in s počasnim pospeševanjem doseže visoke hitrosti.

Za lete znotraj Solarni sistem potrebujemo rakete s hitrostjo odtoka 50-500 km / s, za lete do zvezd pa - "fotonske rakete", ki presegajo našo domišljijo s hitrostjo iztoka, ki je enaka svetlobni hitrosti. Za izvedbo dolgega vesoljskega poleta, ki je nekako smiseln v času, je potrebna nepredstavljiva specifična moč elektrarn. Čeprav si je nemogoče niti predstavljati, na katerih fizičnih procesih lahko temeljijo.

Izračuni so pokazali, da je v času velikega soočenja, ko sta si Zemlja in Mars najbližje, mogoče jedrsko vesoljsko plovilo s posadko odleteti na Mars v enem letu in ga vrniti v orbito umetnega zemeljskega satelita. Skupna teža takšne ladje je približno 5 ton (vključno z zalogo delovne tekočine - cezija, ki je enaka 1,6 tone). Določa ga predvsem masa 5 MW KNPP, potisk curka pa dvomegavatni žarek cezijevih ionov z energijo 7 keV*. Vesoljsko plovilo začne iz orbite umetnega satelita Zemlje, vstopi v orbito satelita Marsa in se bo moralo spustiti na njegovo površje na napravi z vodikovim kemičnim motorjem, podobnim ameriškemu lunarnemu.

Ta smer, ki temelji na tehničnih rešitvah, ki so že danes možne, je bila predmet velike serije IPPE del.

Ionski premikalniki

V tistih letih so se pogovarjali o načinih ustvarjanja različnih elektroreaktivnih pogonskih naprav za vesoljska plovila, kot so "plazemske puške", elektrostatični pospeševalniki "prahu" ali tekočih kapljic. Vendar nobena od idej ni imela jasne fizična osnova... Najdba je bila površinska ionizacija cezija.

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je ameriški fizik Irving Langmuir odkril površinsko ionizacijo alkalijske kovine... Ko atom cezija izhlapi s površine kovine (v našem primeru volframa), pri kateri je delovna funkcija elektronov večja od ionizacijskega potenciala cezija, v skoraj 100 % primerov izgubi šibko vezan elektron in se izkaže da je enkrat nabit ion. Tako je površinska ionizacija cezija na volframu fizični proces, ki omogoča ustvarjanje ionske pogonske naprave s skoraj 100-odstotno uporabo delovne tekočine in z energetsko učinkovitostjo blizu enote.

Naš kolega Stal Yakovlevich Lebedev je imel pomembno vlogo pri ustvarjanju modelov ionske pogonske naprave takšne sheme. S svojo železno trdoživostjo in vztrajnostjo je premagal vse ovire. Kot rezultat, je bilo mogoče v kovini reproducirati ravno trielektrodno shemo ionske pogonske naprave. Prva elektroda je volframova plošča velikosti približno 10 × 10 cm s potencialom +7 kV, druga je volframova mreža s potencialom -3 kV, tretja pa mreža iz toriranega volframa z nič potencialom. "Molekularna pištola" je proizvedla žarek cezijeve pare, ki je padel skozi vse mreže na površino volframove plošče. Za merjenje »sile«, to je potiska ionskega žarka, je bila uporabljena uravnotežena in kalibrirana kovinska plošča, tako imenovana tehtnica.

Pospeševalna napetost do prve mreže pospeši cezijeve ione na 10.000 eV, pojemalna napetost do druge pa jih upočasni na 7000 eV. To je energija, s katero morajo ioni zapustiti pogonsko napravo, kar ustreza iztočni hitrosti 100 km / s. Toda ionski žarek, omejen s prostorskim nabojem, ne more "iti ven v vesolje". Volumenski naboj ionov je treba kompenzirati z elektroni, da se tvori kvazi nevtralna plazma, ki se prosto širi v prostoru in ustvarja reaktivni potisk. Tretja mreža (katoda), segreta s tokom, služi kot vir elektronov za kompenzacijo prostorskega naboja ionskega žarka. Druga, "blokirna" mreža preprečuje, da bi elektroni prišli od katode do volframove plošče.

Prve izkušnje z modelom ionskega pogona so pomenile začetek več kot desetletnega dela. Eden najnovejših modelov - s poroznim volframovim oddajnikom, ustvarjenim leta 1965, je dal "potisk" približno 20 g pri toku ionskega žarka 20 A, imel je koeficient izrabe energije približno 90% in snovi - 95% .

Neposredna pretvorba jedrske toplote v električno energijo

Načinov neposredne pretvorbe energije jedrske cepitve v električno energijo še niso našli. Še vedno ne moremo brez vmesnega člena - toplotnega motorja. Ker je njegova učinkovitost vedno manjša od enote, je treba »odpadno« toploto nekje odložiti. Na kopnem, v vodi in v zraku to ni problem. V vesolju obstaja samo en način - toplotno sevanje. Tako KHE ne more brez »hladilnega radiatorja«. Gostota sevanja je sorazmerna s četrto potenco absolutne temperature, zato mora biti temperatura radiatorja-hladilnika čim višja. Potem bo mogoče zmanjšati površino oddajne površine in s tem maso elektrarna... Imeli smo idejo, da bi uporabili »neposredno« pretvorbo jedrske toplote v električno energijo, brez turbine in generatorja, ki se je zdela zanesljivejša pri dolgotrajnem delovanju pri visokih temperaturah.

Iz literature smo vedeli za dela A.F. Ioffe - ustanovitelj sovjetske šole tehnične fizike, pionir študija polprevodnikov v ZSSR. Le malokdo se zdaj spominja trenutnih virov, ki jih je razvil, ki so jih uporabljali v letih Velikega domovinska vojna... Potem je bilo več partizanskih odredov povezano s celino po zaslugi "kerozinskih" TEG - Ioffejevih termoelektričnih generatorjev. Na petrolejko je bila postavljena "krona" TEG (to je bil niz polprevodniških elementov), ​​njene žice pa so bile povezane z radijsko opremo. "Vroče" konce elementov so segrevali s plamenom petrolejke, "hladne" konce pa so se ohladili na zraku. Toplotni tok, ki prehaja skozi polprevodnik, je ustvaril elektromotorno silo, ki je zadostovala za komunikacijsko sejo, v intervalih med njimi pa je TEG napolnil baterijo. Ko smo deset let po zmagi obiskali moskovsko tovarno TEG-jev, se je izkazalo, da še vedno najdejo prodajo. Takrat je veliko vaščanov imelo energijsko učinkovite radijske postaje Rodina z direktno žarilno nitko in na baterije. Namesto tega so se pogosto uporabljali TEG.

Težava kerozina TEG je njegova nizka učinkovitost (le približno 3,5 %) in nizka mejna temperatura (350 ° K). Toda preprostost in zanesljivost teh naprav sta pritegnila razvijalce. Tako so polprevodniški pretvorniki, ki jih je razvila skupina I.G. Gverdtsiteles na Inštitutu za fiziko in tehnologijo Sukhumi je našel uporabo v vesoljskih instalacijah tipa Buk.

Nekoč je A.F. Ioffe je predlagal še en termoionski pretvornik - diodo v vakuumu. Načelo njegovega delovanja je naslednje: ogrevana katoda oddaja elektrone, nekateri od njih, ki premagajo potencial anode, delajo. Od te naprave so pričakovali bistveno večjo učinkovitost (20-25 %) pri delovna temperatura nad 1000°K. Poleg tega se za razliko od polprevodnika vakuumska dioda ne boji nevtronskega sevanja in jo je mogoče kombinirati z jedrskim reaktorjem. Vendar se je izkazalo, da je nemogoče uresničiti idejo o "vakuumskem" Ioffejevem pretvorniku. Kot v ionski pogonski napravi se morate tudi v vakuumskem pretvorniku znebiti prostorskega naboja, vendar tokrat ne ionov, ampak elektronov. A.F. Ioffe je predlagal uporabo mikronskih reže med katodo in anodo v vakuumskem pretvorniku, kar je v pogojih visokih temperatur in toplotnih deformacij praktično nemogoče. Tu je cezij prišel prav: en cezijev ion, pridobljen zaradi površinske ionizacije na katodi, kompenzira prostorninski naboj okoli 500 elektronov! V bistvu je cezijev pretvornik "obrnjena" ionska pogonska naprava. Fizikalni procesi v njih so podobni.

"Gerlands" avtorja V.A. Malykha

Eden od rezultatov dela IPPE na termoionskih pretvornikih je bil ustvarjanje V.A. Mala in serijska proizvodnja v svojem oddelku gorivnih elementov iz serijsko povezanih termionskih pretvornikov - "vencev" za reaktor Topaz. Dali so do 30 V - stokrat več kot enoelementni pretvorniki, ki so jih ustvarile "konkurenčne organizacije" - Leningradska skupina MB Barabash in kasneje - Inštitut za atomsko energijo. To je omogočilo "odstranitev" iz reaktorja deset in stokrat več moči. Vendar pa je zanesljivost sistema, natrpanega s tisočimi termoionskimi elementi, vzbujala pomisleke. Hkrati so parne in plinske turbinske elektrarne delovale brez prekinitev, zato smo bili pozorni na »strojno« pretvorbo jedrske toplote v električno energijo.

Vsa težava je bila v viru, saj bi morali pri poletih v globoko vesolje turbinski generatorji delovati leto, dve ali celo več let. Za zmanjšanje obrabe je treba "vrtljaje" (hitrost turbine) narediti čim nižje. Po drugi strani pa turbina deluje učinkovito, če je hitrost molekul plina ali pare blizu hitrosti njenih lopatic. Zato smo najprej razmislili o uporabi najtežje - živega srebra. Prestrašila pa nas je intenzivna s sevanjem stimulirana korozija železa in nerjavnega jekla, ki se je zgodila v jedrskem reaktorju, hlajenem z živim srebrom. V dveh tednih je korozija "požrla" gorivne elemente eksperimentalnega hitrega reaktorja Clementine v laboratoriju Argonne (ZDA, 1949) in reaktorja BR-2 v IPPE (ZSSR, Obninsk, 1956).

Kalijeva para se je izkazala za mamljivo. Reaktor s kalijevim vreliščem je bil osnova za elektrarno vesoljskega plovila z nizkim potiskom, ki smo ga razvijali - kalijeva para je vrtela turbogenerator. Ta »strojni« način pretvarjanja toplote v električno energijo je omogočal računati na izkoristek do 40 %, medtem ko so prave termoelektrične naprave dale izkoristek le okoli 7 %. Vendar pa KHE s »strojno« pretvorbo jedrske toplote v električno energijo niso bile razvite. Primer se je končal z objavo podrobnega poročila, pravzaprav "fizične beležke" k tehničnemu projektu vesoljskega plovila z nizkim potiskom za let s posadko na Mars. Sam projekt ni bil nikoli razvit.

Mislim, da je v prihodnosti zanimanje za vesoljske polete z jedrskimi raketnimi motorji preprosto izginilo. Po smrti Sergeja Pavloviča Koroljeva je podpora delu IPPE na ionskih pogonskih sistemih in "strojnih" jedrskih elektrarnah opazno oslabljena. OKB-1 je vodil Valentin Petrovič Glushko, ki ni imel interesa za drzne obetavne projekte. OKB Energia, ki jo je ustvaril, je zgradil močne kemične rakete in vesoljsko plovilo Buran, ki bi se vrnila na Zemljo.

"Buk" in "Topaz" na satelitih serije "Cosmos".

Do začetka prestrukturiranja so se nadaljevala dela na vzpostavitvi NEK z neposredno pretvorbo toplote v električno energijo, ki je zdaj kot vir energije za močne radiotehnične satelite (vesoljske radarske postaje in TV-oddajnike). Od leta 1970 do 1988 je bilo v vesolje izstreljenih okoli 30 radarskih satelitov z jedrskimi elektrarnami Buk s polprevodniškimi pretvorniki in dva s termoemisijskimi elektrarnami Topaz. "Buk" je bil pravzaprav TEG - polprevodniški Ioffejev pretvornik, le da je namesto kerozinske sijalke uporabljal jedrski reaktor. Šlo je za hitri reaktor z močjo do 100 kW. Polna obremenitev visoko obogatenega urana je bila približno 30 kg. Toploto iz jedra je prenašala tekoča kovina - evtektična zlitina natrija in kalija na polprevodniške baterije. Električna moč je dosegla 5 kW.

Instalacijo "Buk" pod znanstvenim nadzorom IPPE so razvili strokovnjaki iz OKB-670 MM. Bondarjuk, kasneje - NPO Krasnaya Zvezda (glavni oblikovalec - GM Gryaznov). Dnepropetrovski oblikovalski biro Yuzhmash (glavni oblikovalec - MK Yangel) je dobil navodilo za izdelavo nosilne rakete za izstrelitev satelita v orbito.

Delovni čas "Buk" - 1-3 mesece. Če namestitev ni uspela, je bil satelit prenesen v dolgoročno orbito z višino 1000 km. V skoraj 20 letih izstrelitev so bili trije primeri padca satelita na Zemljo: dva - v ocean in eden - na kopno, v Kanadi, v bližini Velikega sužnjevskega jezera. Tja je padel Space-954, izstreljen 24. januarja 1978. Delal je 3,5 meseca. Uranovi elementi satelita so v ozračju popolnoma zgoreli. Na tleh so našli le ostanke berilijevega reflektorja in polprevodniških baterij. (Vsi ti podatki so navedeni v skupnem poročilu ameriške in kanadske atomske komisije o operaciji Morning Light.)

V termoemisioni jedrski elektrarni Topaz je bil uporabljen toplotni reaktor z močjo do 150 kW. Polna obremenitev urana je bila približno 12 kg - bistveno manj kot pri Buku. Jedro reaktorja so bili gorivni elementi - "venci", ki jih je razvila in izdelala skupina Malykh. Bili so veriga termoelementov: katoda je bil "naprstnik" iz volframa ali molibdena, napolnjen z uranovim oksidom, anoda pa tankostenska niobijeva cev, ohlajena s tekočim natrijem-kalijem. Temperatura katode je dosegla 1650 ° C. Električna moč naprave je dosegla 10 kW.

Prvi prototip letenja, satelit Kosmos-1818 z inštalacijo Topaz, je v orbito vstopil 2. februarja 1987 in je brez odpovedi deloval šest mesecev, dokler niso bile izčrpane zaloge cezija. Drugi satelit, Cosmos-1876, je bil izstreljen leto pozneje. V orbiti je deloval skoraj dvakrat dlje. Glavni razvijalec "Topaza" je bil OKB MMZ "Soyuz", ki ga vodi S.K. Tumansky (nekdanji oblikovalski biro konstruktorja letalskih motorjev A.A.Mikulina).

To je bilo v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko smo mi delali ionski pogonski sistem, on pa motor tretje stopnje, namenjen raketi, ki naj bi obletela luno in pristala na njej. Spomini na Melnikov laboratorij so sveži do danes. Nahajal se je v Podlipki (danes mesto Korolev), na lokaciji št. 3 OKB-1. Ogromna delavnica s površino okoli 3000 m2, obložena z desetinami pisalnih miz z zančnimi osciloskopi, ki snemajo na 100 mm rolo papirja (to je bilo še preteklo obdobje, danes eno osebni računalnik). Ob sprednji steni delavnice je stojalo, kjer je nameščena zgorevalna komora "lunarnega" raketnega motorja. Osciloskopi so povezani na tisoče žic iz senzorjev hitrosti, tlaka, temperature in drugih parametrov plina. Dan se začne ob 9.00 z vžigom motorja. Deluje nekaj minut, nato pa ga takoj po ustavitvi ekipa mehanikov prve izmene razstavi, natančno pregleda in izmeri zgorevalno komoro. Hkrati se analizirajo trakovi osciloskopa in dajejo priporočila za spremembe dizajna. Druga izmena - oblikovalci in delavci v delavnicah naredijo priporočene spremembe. V tretji izmeni na stojnici vgrajujejo novo zgorevalno komoro in diagnostični sistem. Dan kasneje, točno ob 9.00, bo naslednja seja. In tako brez prostih dni tedne, mesece. Več kot 300 možnosti motorja na leto!

Tako so nastali motorji kemičnih raket, ki so morali delovati le 20-30 minut. Kaj lahko rečemo o preizkusih in modifikacijah jedrskih elektrarn - izračun je bil, da bi morale delovati več kot eno leto. To je zahtevalo res velikanski napor.

© Oksana Viktorova / Kolaž / Ridus

Izjava Vladimirja Putina med sporočilom Zvezni skupščini o prisotnosti križarske rakete v Rusiji, ki jo poganja jedrski motor, je povzročila buren razburjenje v družbi in medijih. Hkrati pa je bilo do nedavnega malo znanega o tem, kaj je tak motor in o možnostih njegove uporabe, tako širši javnosti kot strokovnjakom.

"Reedus" je poskušal ugotoviti, kateri tehnično napravo predsednik bi lahko govoril in v čem je njegova edinstvenost.

Glede na to, da predstavitev v Manežu ni bila namenjena občinstvu tehničnih strokovnjakov, temveč "širši" javnosti, bi lahko njeni avtorji dovolili določeno zamenjavo konceptov, Georgij Tihomirov, namestnik direktorja Inštituta za jedrsko fiziko in Tehnologija NRNU MEPhI, ne izključuje.

»Kar je predsednik povedal in pokazal, strokovnjaki imenujejo kompaktne elektrarne, poskuse s katerimi so sprva izvajali v letalstvu, nato pa med raziskovanjem globokega vesolja. To so bili poskusi reševanja nerešljiv problem zadostna zaloga goriva pri letenju na neomejene razdalje. V tem smislu je predstavitev povsem pravilna: prisotnost takšnega motorja zagotavlja napajanje sistemov rakete ali katerega koli drugega aparata za poljubno dolgo časa,« je povedal za Reedus.

Delo s takšnim motorjem v ZSSR se je začelo pred natanko 60 leti pod vodstvom akademikov M. Keldysha, I. Kurchatova in S. Korolev. V istih letih je bilo podobno delo opravljeno v Združenih državah, vendar so ga leta 1965 postopno ukinili. V ZSSR se je delo nadaljevalo približno desetletje, preden je bilo tudi priznano kot nepomembno. Morda zato Washington ni kaj dosti izkrivljal, češ da jih predstavitev ruske rakete ni presenetila.

V Rusiji ideja o jedrskem motorju ni nikoli umrla - zlasti od leta 2009 poteka praktični razvoj takšne naprave. Sodeč po času, so se testi, ki jih je napovedal predsednik, dobro ujemali s tem skupnim projektom Roscosmosa in Rosatoma - saj so razvijalci načrtovali, da bodo leta 2018 izvedli terenske preizkuse motorja. Morda so se zaradi političnih razlogov nekoliko potegnili in premaknili izraze »na levo«.

»Tehnološko je urejeno tako, da jedrska enota ogreva plinsko hladilno tekočino. In ta segreti plin bodisi vrti turbino bodisi neposredno ustvarja potisk curka. Nekaj ​​zvitosti v predstavitvi rakete, ki smo jo slišali, je, da doseg njenega leta še vedno ni neskončen: omejen je s prostornino delovne tekočine - tekočega plina, ki ga je mogoče fizično črpati v rezervoarje rakete. raketa, «pravi specialist.

Hkrati imata vesoljska raketa in križarska raketa bistveno različne sheme nadzora letenja, saj imata različne naloge... Prvi leti v brezzračnem prostoru, ni mu treba manevrirati - dovolj mu je dati začetni impulz, nato pa se premika po izračunani balistični poti.

Po drugi strani pa mora križarska raketa nenehno spreminjati svojo pot, za kar mora imeti zadostno zalogo goriva za ustvarjanje impulzov. Ali bo to gorivo vžigala jedrska elektrarna ali tradicionalna, v tem primeru ni pomembno. Bistvena je le dobava tega goriva, poudarja Tihomirov.

»Pomen jedrske naprave med poleti v globoko vesolje je prisotnost vira energije na krovu, ki napaja sisteme vozila za neomejen čas. V tem primeru lahko obstaja ne le jedrski reaktor, temveč tudi radioizotopni termoelektrični generatorji. In pomen takšne namestitve na raketi, katere let ne bo trajal več kot nekaj deset minut, mi še ni povsem jasen, «priznava fizik.

Poročilo Manege zamuja le nekaj tednov v primerjavi z Nasino napovedjo 15. februarja, da Američani nadaljujejo z raziskavami jedrskih raketnih motorjev, ki so jih opustili pred pol stoletja.

Mimogrede, novembra 2017 je kitajska korporacija za vesoljsko znanost in tehnologijo (CASC) objavila, da bo na Kitajskem do leta 2045 ustvarjeno vesoljsko plovilo na jedrski pogon. Zato lahko danes mirno rečemo, da se je začela svetovna dirka jedrskega pogona.