Шта су нуклеарни мотори?

Скептици кажу да стварање нуклеарног мотора није значајан напредак у области науке и технологије, већ само "модернизација парног котла", где ураниј делује као гориво уместо угља и огревног дрвета, а водоник се користи као радни медијум. Је ли НРЕ (нуклеарна млазни мотор)? Покушајмо да схватимо.

Прве ракете

Све заслуге човјечанства у истраживању близу Земљиног простора могу се сигурно приписати кемијским реактивним моторима. Основа рада ових енергетских јединица је конверзија енергије хемијске реакције сагоревања горива у оксидансу кинетичка енергија млазни млаз, и стога ракете. Горива која се користе су керозин, течни водоник, хептан (за ракетне моторе на течно гориво (ГТРЕ)) и полимеризована смеша амонијум перхлората, алуминијума и оксида гвожђа (за чврста горива).

Познато је да су се прве ракете за ватромете појавиле у Кини у другом веку пре нове ере. Они су се попели на небо због енергије прашкастих гасова. Теоретска истраживања немачког оружара Конрада Хааса (1556), пољског генерала Казимира Семеновића (1650), руског генерал пуковника Александра Засјадка дао је значајан допринос развоју ракетне технологије.

Патент за проналазак прве ракете из ЖТРД примио је амерички научник Роберт Годдард. Његов апарат, тежине 5 кг и дужине око 3 м, који је радио на бензин и течни кисеоник, 1926. године за 2.5 с. прелетело је 56 метара.

Цхасинг спеед

Озбиљни експериментални рад на стварању серијских хемијских реактивних мотора почео је тридесетих година прошлог века. У Совјетском Савезу, В.П.Глусхко и Ф.А. Зандер с правом се сматрају пионирима у изградњи ракетних мотора. Њиховим учешћем развијене су енергетске јединице РД-107 и РД-108, које су СССР-у дале примат у истраживању свемира и поставиле темеље за будуће водство Русије на пољу космонаутике са људством.

Приликом модернизације ГТРЕ постало је јасно да теоретска максимална брзина млаза не може прећи 5 км / с. Да би се проучио простор близу Земље, ово може бити довољно, али летови према другим планетама, а још више звезде, ће остати лажни сан за човечанство. Као резултат тога, пројекти алтернативних (не-хемијских) ракетних мотора почели су се појављивати већ средином прошлог стољећа. Инсталације које користе енергију нуклеарних реакција изгледале су најпопуларније и обећавајуће. Први експериментални узорци нуклеарних свемирских мотора (ИАРД) у Совјетском Савезу и САД прошли су тестове 1970. године. Међутим, након чернобилске катастрофе, под притиском јавности, рад у овој области је обустављен (у СССР-у 1988, у САД-у од 1994. године).

Принцип рада нуклеарног мотора

Основа функционисања нуклеарних електрана су исти принципи као и термокемијски. Једина разлика је што се радни медијум загрева енергијом распадања или синтезе нуклеарног горива. Енергетска ефикасност таквих мотора далеко надмашује хемијске. На пример, енергија коју може да емитује 1 кг најбољег горива (мешавина берилијума са кисеоником) је 3 × 107 Ј, док је за полонијумске изотопе По210 ова вредност 5 × 1011 Ј.

Енергија која се ослобађа у нуклеарном мотору може се користити на различите начине:

загревање радног флуида који се емитује кроз млазнице, као у традиционалном ракетном мотору, након претварања у електрични, јонизујући и убрзавајући честице радног флуида, стварајући импулс директно производима фисије или синтезе Чак и обична вода може деловати као радни флуид, али употреба алкохола ће бити много ефикаснија. амонијак или течни водоник. У зависности од агрегатног стања горива за нуклеарни реактор ракетни мотори су подељени на чврсту, течну и гасну фазу. Најразвијенији је НДС са чврстим фисијским реактором, који користи горивне елементе (горивне елементе) који се користе као гориво нуклеарне електране. Први такав мотор у оквиру америчког пројекта Нерва прошао је теренске тестове 1966. године, радећи око два сата.

Десигн феатурес

У срцу сваког нуклеарног свемирског мотора је реактор који се састоји од језгра и берилијумског рефлектора који се налази у енергетском пакету. У активној зони и подели атома запаљиве материје, по правилу, уран У238, обогаћен изотопима У235. Да би се добио процес распадања језгара одређених својстава, овдје се налазе и успоривачи - ватростални волфрам или молибден. Ако је модератор укључен у горивне шипке, реактор се назива хомогеним, а ако се постави одвојено - хетерогеним. Нуклеарни мотор такође укључује јединицу за напајање радног тела, контроле, заштиту од зрачења у сенци и млазницу. Структурне елементе и компоненте реактора са великим топлотним оптерећењима хлади радни флуид, који се затим убризгава турбопумпним склопом у склопове за производњу топлоте. Овде се загрева на скоро 3.000 ° Ц. Текући кроз млазницу, радни флуид ствара млаз млазова.

Типичне контроле реактора су контролне шипке и окретне бубњеве направљене од супстанце која апсорбује неутроне (бор или кадмијум). Шипке су постављене директно у активној зони или у посебним нишама рефлектора, а окретни бубњеви су постављени на периферији реактора. Помицањем шипки или окретањем бубњева мијења се број фисијских језгара по јединици времена, подешавајући ниво ослобађања енергије реактора, а самим тим и његова топлотна снага.

Да би се смањио интензитет неутронског и гама зрачења, опасан за сва жива бића, у кућишту се постављају елементи примарне заштите реактора.

Повећајте ефикасност

Текући фазни нуклеарни мотор са принципом рада и уређајем је сличан чврстом фазном, али текуће стање горива омогућава повећање температуре реакције, а тиме и потиска агрегата. Дакле, ако је за хемијске агрегате (ЗТРД и ракетни мотори са чврстим горивом) максимални специфични импулс (брзина протока млаза) 5 420 м / с, за нуклеарну чврсту фазу и 10 000 м / с је далеко од границе, просечна вредност овог индикатора за НРЕ у гасној фази је у опсегу 30.000 - 50.000 м / с.

Постоје пројекти гасног фазног нуклеарног мотора два типа:

Отворени циклус у којем се нуклеарна реакција одвија унутар облака плазме из радног флуида који држи електромагнетно поље и апсорбује сву произведену топлоту. Температура може достићи неколико десетина хиљада степени. У овом случају, активна област је окружена супстанцом отпорном на топлоту (на пример, кварц) - нуклеарну лампу која слободно преноси зрачену енергију.У инсталацијама другог типа, температура реакције ће бити ограничена на тачку топљења материјала из боце. Истовремено, енергетска ефикасност нуклеарног свемирског мотора је донекле смањена (специфични импулс је до 15.000 м / с), али ефикасност и радијацијска сигурност.

Практична достигнућа

Формално, изумитељ нуклеарне електране сматра се америчким научником и физичаром Ричардом Фејнманом. Почетак опсежног рада на развоју и стварању нуклеарних мотора за свемирске летелице у оквиру Ровер програма дат је у истраживачком центру у Лос Аламосу (САД) 1955. године. Амерички проналазачи преферирали су инсталације с хомогеним нуклеарним реактором. Први експериментални модел "Киви-А" састављен је у постројењу у атомском центру у Албукуеркуе (Нови Мексико, САД) и тестиран 1959. Реактор је био смјештен на постољу вертикално с млазницом према горе. Током испитивања, загрејани млаз потрошеног водоника емитован је директно у атмосферу. И мада је ректор радио на ниским капацитетима само око 5 минута, успех је инспирисао програмере.

У Совјетском Савезу, састанак "три велике К" - оснивача атомске бомбе И. В. Курцхатов, главни теоретичар националне космонаутике М. В. Келдиш и генерални дизајнер совјетских ракета С. П. одржан је 1959. године у Институту за атомску енергију. Краљица. За разлику од америчког модела, совјетски мотор РД-0410, развијен у пројектном бироу удружења Химавтоматика (Воронеж), имао је хетерогени реактор. Тестови пожара одржани су на локацији у близини града Семипалатинск 1978. године.

Треба напоменути да је доста теоретских пројеката створено, али никада није дошло до практичне имплементације. Разлози за то су присуство огромног броја проблема у науци о материјалима, недостатак људских и финансијских ресурса.

За напомену: важно практично постигнуће било је провођење летачких тестова зракоплова с нуклеарним мотором. У СССР-у, најперспективнији је био експериментални стратешки бомбардер Ту-95ЛАЛ, у САД - Б-36.

Пројекат Орион или Пулсед НРЕ

За летове у свемиру, нуклеарни мотор пулсне акције је први пут предложен да се 1945. године користи амерички математичар пољског порекла Станислав Улам. У наредној деценији, идеју су развили и прерадили Т. Таилор и Ф. Дисон. Закључак је да енергија малих нуклеарних набоја, експлодирала на некој удаљености од платформе за гурање на дну ракете, говори о великом убрзању.

У току пројекта Орион, покренутог 1958. године, планирано је да се са таквим мотором опреми ракетом која је способна да испоручује људе на површину Марса или у орбиту Јупитера. Посада, која се налази у одељку за нос, била би заштићена од деструктивних ефеката огромних убрзања помоћу уређаја за пригушивање. Резултат детаљне инжењерске студије био је марширање тестова на моделу брода за проучавање стабилности лета (умјесто нуклеарног набоја коришћени су конвенционални експлозиви). Због високих трошкова пројекта затворен је 1965.

Сличне идеје о стварању "експлозије" изразио је совјетски академик А. Сакхаров у јулу 1961. године. Да би брод довео у орбиту, научник је предложио да се користи уобичајен ЖТРД.

Алтернативни пројекти

Велики број пројеката није отишао даље од теоријских студија. Међу њима је било много оригиналних и врло обећавајућих. Потврда је идеја о нуклеарној електрани на распадљивим фрагментима. Конструктивне карактеристике и уређаји овог мотора омогућавају уопште ослобађање радног флуида. Из истрошеног нуклеарног материјала формира се млаз који обезбеђује потребне вучне карактеристике. Реактор је базиран на ротирајућим дисковима са субкритичном нуклеарном масом (омјер атомске подјеле је мањи од јединства). Када се ротира у сектору диска у активној зони, започиње ланчана реакција и распадни атоми високе енергије се шаљу у млазницу мотора, формирајући млазни ток. Преостали цели атоми ће учествовати у реакцији на наредним завојима диска за гориво.

Пројекти нуклеарног мотора за бродове који обављају одређене задатке у близини Земље, базирани на РТГ-овима (радиоизотопни термоелектрични генератори), прилично су ефикасни, али за инсталације међупланетарне, а још више међузвездане, такве инсталације нису много обећавајуће.

Огромни потенцијал мотора за нуклеарну фузију. Већ у садашњој фази развоја науке и технологије, пулсна инсталација је сасвим остварива, у којој ће, као и пројекат Ориона, термонуклеарни набоји бити поткопани испод дна ракете. Међутим, имплементација контролисане нуклеарне фузије, многи стручњаци вјерују у рад у блиској будућности.

Предности и недостаци НРЕ

Неоспорне предности коришћења нуклеарних мотора као агрегата за летилице требало би да укључују њихову високу енергетску ефикасност, која обезбеђује висок специфичан импулс и добре вучне перформансе (до хиљаду тона у безваздушном простору), импресивну резерву енергије током аутономног рада. Садашњи ниво научног и технолошког развоја омогућава компаративну компактност такве инсталације.

Главни недостатак ИАРД-ова који су проузроковали колапс пројектовања и истраживачког рада је велика опасност од зрачења. Ово је посебно тачно када се спроводе тестови пожара на земљи, због чега се радиоактивни гасови, једињења уранијума и његових изотопа, као и штетни ефекти продорног зрачења, могу испуштати у атмосферу заједно са радним флуидом. Из истих разлога, лансирање летелице опремљене нуклеарним мотором директно са површине Земље је неприхватљиво.

Садашњост и будућност

Према уверавањима академика Руске академије наука, генералног директора Центра Келдисх Анатолија Коротејева, ускоро ће се створити фундаментално нови тип нуклеарног мотора у Русији. Суштина приступа је да ће енергија свемирског реактора бити усмерена не на директно загревање радног флуида и формирање млаза, већ на производњу електричне енергије. Улога мотора у инсталацији је дата плазма мотору, чија је специфична сила 20 пута већа од потиска тренутно постојећих машина са хемијским млазом. Главна компанија пројекта је подружница државне корпорације Росатом НИКИЕТ АД (Москва).

На основу НПО Масхиностроенииа (Реутов) 2015. године успјешно су завршени комплетни тестни тестови. Датум почетка тестирања лета нуклеарне електране је новембар ове године. Најважнији елементи и системи морају бити тестирани, укључујући и на ИСС-у.

Функционисање новог руског нуклеарног мотора одвија се у затвореном циклусу, који у потпуности елиминише улаз радиоактивних материја у околни простор. Масовне и димензионалне карактеристике главних елемената електране осигуравају његову употребу са постојећим руским лансирним возилима Протон и Ангара.