Co jsou to jaderné motory?

Skeptici tvrdí, že vytvoření jaderného motoru není významným pokrokem v oblasti vědy a techniky, ale pouze "modernizace parního kotle", kde uran působí jako palivo místo uhlí a palivového dříví a vodík se používá jako pracovní médium. Je NRE (jaderné proudový motor)? Pokusíme se to na to přijít.

První rakety

Všechny zásluhy lidstva při průzkumu prostoru blízké Zemi mohou být bezpečně přičítány chemickým proudovým motorům. Základem práce těchto energetických jednotek je přeměna energie chemické reakce spalujícího paliva v oxidačním zařízení na kinetické energie jet proud, a proto rakety. Použitými palivy jsou petrolej, kapalný vodík, heptan (pro raketové motory na kapalné palivo (GTRE)) a polymerizovanou směs chloristanu amonného, ​​hliníku a oxidu železa (pro tuhé paliva (RDTT)).

Je známo, že první rakety používané pro ohňostroje se objevily v Číně ve druhém století před naším letopočtem. Vylezli do nebe díky energii prachových plynů. Teoretický výzkum německého zbrojníka Konráda Haase (1556), polského generála Kazimíra Semenoviče (1650) a ruského generálporučíka Alexandra Zasyadka významně přispěli k rozvoji raketové techniky.

Patent na vynález první rakety z ZhTRD přijal americký vědec Robert Goddard. Jeho aparát s hmotností 5 kg a délkou asi 3 m, který pracoval na benzinu a kapalném kyslíku, v roce 1926 na 2,5 s. letěl 56 metrů.

Chasing speed

Závažná experimentální práce na vytvoření sériových chemických tryskových motorů začala ve 30. letech minulého století. V Sovětském svazu se V.P.Glushko a F.A. Zander oprávněně považují za průkopníky budování raketových motorů. S jejich účastí byly vyvinuty jednotky RD-107 a RD-108, které poskytovaly SSSR primát v průzkumu vesmíru a položily základy pro budoucí ruské vedení v oblasti vesmírné kosmonautiky.

Při modernizaci GTRE bylo jasné, že teoretická maximální rychlost proudového letadla nesmí překročit 5 km / s. Pro studium blízkého prostoru na Zemi to může stačit, ale lety na jiné planety, a dokonce i hvězdy, zůstanou falešným snem lidstva. Výsledkem je, že projekty alternativních (nechemických) raketových motorů se začaly objevovat už v polovině minulého století. Instalace využívající energii jaderných reakcí vypadala nejpopulárnější a slibnější. První pokusné vzorky jaderných vesmírných motorů (YARD) v Sovětském svazu a ve Spojených státech prošli testy v roce 1970. Po černobylské katastrofě však pod tlakem veřejnosti byly práce v této oblasti pozastaveny (v roce 1988 v SSSR, v USA od roku 1994).

Princip fungování jaderného motoru

Základem fungování jaderných elektráren jsou stejné principy jako termochemické. Jediným rozdílem je, že pracovní médium je ohříváno energií rozpadu nebo syntézy jaderného paliva. Energetická účinnost těchto motorů daleko přesahuje jejich chemické vlastnosti. Například energie, která může vyvíjet 1 kg nejlepšího paliva (směs berylia s kyslíkem) je 3 × 107 J, zatímco u polonických izotopů Po210 je tato hodnota 5 × 1011 J.

Energii uvolněnou v jaderném motoru lze použít různými způsoby:

ohřev pracovní tekutiny vypouštěné tryskami, jako je tomu v případě tradičního raketového motoru, po přeměně na elektrické, ionizující a urychlující částice pracovní tekutiny, vytvářející impuls přímo štěpnými nebo syntetickými produkty. Dokonce i obyčejná voda může působit jako pracovní tekutina, ale použití alkoholu bude mnohem efektivnější. amoniaku nebo kapalného vodíku. V závislosti na stavu agregace paliva pro jaderného reaktoru raketové motory jsou rozděleny na pevnou, kapalnou a plynnou fázi. NDS s reaktorem pro štěpení v pevném stavu je nejrozvinutější, využívající palivové články (palivové články), které se používají jako palivo jaderné elektrárny. První takový motor v rámci amerického projektu Nerva absolvoval pozemní zkoušky v roce 1966, kdy pracoval asi dvě hodiny.

Návrhové prvky

V srdci každého jaderného vesmírného motoru je reaktor, který se skládá z jádra a berylliového reflektoru umístěného v energetickém obalu. V aktivní zóně a rozdělení atomů hořlavé látky je zpravidla uran U238 obohacený izotopy U235. Za účelem zpomalování jader určitých vlastností se zde nacházejí také zpomalovače - žáruvzdorný wolfram nebo molybden. Pokud je moderátor zařazen do palivových tyčí, reaktor se nazývá homogenní a pokud je umístěn odděleně - heterogenní. Jaderný motor také obsahuje napájecí jednotku pracovního těla, ovládání, ochranu stínového záření a trysku. Konstrukční prvky a součásti reaktorů, které se vyznačují vysokým tepelným zatížením, jsou chlazeny pracovní tekutinou, která je pak vstřikována sestavou turbopumpu do sestav vytvářejících teplo. Zde se zahřeje na téměř 3000 ° C. Při proudění tryskou vytváří pracovní tekutina tryskový tah.

Typické ovládací prvky reaktoru jsou řídicí tyče a otočné bubny vyrobené z látky, která absorbuje neutrony (bór nebo kadmium). Tyče jsou umístěny přímo v aktivní zóně nebo ve speciálních výklencích reflektoru a otočné bubny jsou umístěny na obvodu reaktoru. Přesunutí tyčí nebo otáčení navijáků měnit počet štěpných jader za jednotku času, nastavením úrovně uvolňování energie reaktoru a následně jeho tepelného výkonu.

Pro snížení intenzity neutrónového a gama záření, které jsou nebezpečné pro všechny živé bytosti, jsou prvky primární ochrany reaktoru umístěny v pouzdře.

Zvyšte efektivitu

Jaderný motor v kapalné fázi se zásadou provozu a zařízení je podobný jako v pevné fázi, avšak kapalný stav paliva umožňuje zvýšit teplotu reakce a následně i tah výkonové jednotky. Takže pokud je pro chemické agregáty (raketové motory ZTRD a raketové motory s pevným pohonem) maximální specifický impuls (průtok jet) 5 420 m / s, pro jadernou fázi v pevné fázi a 10 000 m / s je daleko od limitu, průměrná hodnota tohoto ukazatele pro plynovou fázi NRE 30 000 až 50 000 m / s.

Existují projekty plynového jaderného motoru dvou typů:

Otevřený cyklus, ve kterém jaderná reakce probíhá uvnitř plazmového mraku z pracovní tekutiny držené elektromagnetickým polem a absorbuje veškeré vytápené teplo. Teplota může dosáhnout několik desítek tisíc stupňů. V tomto případě je aktivní oblast obklopena tepelně odolnou látkou (např. Křemen) - jaderná lampa, která volně přenáší vyzařovanou energii. V zařízeních druhého typu bude reakční teplota omezena na teplotu tání baňkového materiálu. Současně je energetická účinnost jaderného vesmírného motoru poněkud snížena (specifický impuls je až 15 000 m / s), ale účinnost a radiační bezpečnost.

Praktické úspěchy

Formálně je vynálezcem jaderné elektrárny považován za amerického vědce a fyzika Richarda Feynmana. Zahájení rozsáhlých prací na vývoji a tvorbě jaderných motorů pro kosmické lodě v rámci programu Rover bylo vydáno v Výzkumném středisku Los Alamos (USA) v roce 1955. Američtí vynálezci upřednostňovali instalace s homogenním jaderným reaktorem. První experimentální model "Kiwi-A" byl shromážděn v závodě v atomovém centru v Albuquerque (New Mexico, USA) a testován v roce 1959. Reaktor byl umístěn na stojanu vertikálně s tryskou směrem nahoru. Během testů byl vyhřívaný proud vyčerpaného vodíku vypouštěn přímo do atmosféry. A ačkoli rektor pracoval na nízké kapacitě jen asi 5 minut, úspěch inspiroval vývojáře.

V Sovětském svazu se uskutečnilo setkání "tří velkých K" - zakladatele atomové bomby I. Kurchatova, hlavního teoretika národního kosmonautiky M. V. Keldysha a generálního designéra sovětských raket S.P. Královna. Na rozdíl od amerického modelu měl sovětský motor RD-0410 vyvinutý v projekční kanceláři sdružení Himavtomatika (Voronezh) heterogenní reaktor. Požární testy se konaly v místě v blízkosti města Semipalatinsk v roce 1978.

Je třeba poznamenat, že bylo vytvořeno spousta teoretických projektů, ale nikdy nebylo praktické. Důvodem byla přítomnost velkého množství problémů v oblasti vědy o materiálech, nedostatek lidských a finančních zdrojů.

Pro poznámku: důležitým praktickým úspěchem bylo provedení letových zkoušek letadel s jaderným motorem. V SSSR byl nejslibnější experimentální strategický bombardér Tu-95LAL, v USA - B-36.

Projekt Orion nebo Pulsed NRE

Pro lety ve vesmíru byl nejprve navržen jaderný motor impulsní akce, který v roce 1945 použil americký matematik polského původu Stanislav Ulam. V následujícím desetiletí byla myšlenka vyvinuta a vylepšena T. Taylorem a F. Dysonem. Skutečnost, že energii malých jaderných nábojů explodovala v určité vzdálenosti od tlačné plošiny na spodní straně rakety, to řekne velkou akceleraci.

Během projektu Orion, který byl vypuštěn v roce 1958, bylo plánováno vybavit takovýmto motorem raketou schopnou přivést lidi k povrchu Marsu nebo k oběžné dráze Jupitera. Posádka, nacházející se v prostoru nosu, by byla chráněna před destruktivními účinky obřích zrychlení tlumícím zařízením. Výsledkem podrobného inženýrského studie byly pochodové zkoušky modelu lodi pro měření stability letu (místo jaderných nábojů byly použity konvenční výbušniny). Vzhledem k vysokým nákladům na projekt byl uzavřen v roce 1965.

Podobné představy o vytvoření "výbuchu" vyjádřil sovětský akademik A. Sacharov v červenci 1961. Aby loď přivedla na oběžnou dráhu, vědec navrhl používat obvyklé ZhTRD.

Alternativní projekty

Velké množství projektů nepřekročilo teoretické studie. Mezi nimi bylo mnoho originálních a velmi slibných. Potvrzením je myšlenka jaderné elektrárny na štěpných úlomcích. Konstrukční vlastnosti a zařízení tohoto motoru umožňují vůbec vypustit pracovní tekutinu. Prvek, který zajišťuje potřebné trakční vlastnosti, je tvořen vyhořelým jaderným materiálem. Reaktor je založen na rotujících discích se subkritickou jadernou hmotností (atomový dělicí poměr je menší než jednota). Když se otáčí v sektoru disku v aktivní zóně, spustí se řetězová reakce a rozkládající se vysokoenergetické atomy se přivádějí do trysky motoru, čímž vzniká tryskový proud. Zbývající celé atomy se podílejí na reakci při dalším otočení palivového kotouče.

Projekty jaderného motoru pro lodě, které provádějí určité úkoly v prostoru blízko Země, založené na RTG (radioizotopových termoelektrických generátorech), jsou poměrně účinné, ale instalace meziplanetárních a dokonce i mezihvězdných zařízení nejsou příliš slibné.

Obrovský potenciál motorů jaderné syntézy. Již v současném stadiu vývoje vědy a techniky je pulzní instalace zcela realizovatelná, ve které, stejně jako v projektu Orion, budou pod raketovým dnem podkopány termonukleární náboje. Nicméně, provádění řízené jaderné fúze, mnozí odborníci věří práci v blízké budoucnosti.

Výhody a nevýhody NRE

Nepopiratelné výhody použití jaderných motorů jako pohonných jednotek pro kosmické lodě by měly zahrnovat jejich vysokou energetickou účinnost, která poskytuje vysoký specifický impuls a dobré trakční výkony (až tisíc tun v bezvzduchovém prostoru), což je impozantní zásoba energie při autonomním provozu. Současná úroveň vědeckého a technologického rozvoje umožňuje srovnatelnou kompaktnost takového zařízení.

Hlavní nevýhodou projektu YARD, která způsobila kolaps projektové a výzkumné práce, je vysoké riziko radiace. To platí zejména při provádění zkoušek požáru na zemi, v důsledku čehož mohou být radioaktivní plyny, sloučeniny uranu a jeho izotopů a škodlivé účinky pronikajícího záření uvolňovány do atmosféry společně s pracovní tekutinou. Ze stejných důvodů je vypuštění kosmické lodi vybavené jaderným motorem přímo z povrchu Země nepřijatelné.

Současnost a budoucnost

Podle ujištění akademiky ruské akademie věd, generálního ředitele Keldyshova centra Anatolie Koroteje, bude v blízké budoucnosti vytvořen zcela nový typ jaderného motoru v Rusku. Podstatou přístupu je to, že energie vesmírného reaktoru nebude směřovat k přímému ohřevu pracovní tekutiny a tvorbě trysky, ale k výrobě elektřiny. Úloha motoru v instalaci je dána plazmovému motoru, jehož specifická síla je 20krát větší než tah současných chemických tryskacích strojů. Hlavním partnerem projektu je rozdělení společnosti Rosatom State Corporation NIKIET JSC (Moskva).

Úplné měřítko testů bylo úspěšně dokončeno v roce 2015 na základě NPO Mashinostroeniya (Reutov). Datum zahájení letových zkoušek jaderné elektrárny je listopad letošního roku. Nejdůležitější prvky a systémy budou muset být testovány, včetně na palubě ISS.

Fungování nového ruského jaderného motoru probíhá v uzavřeném cyklu, který zcela eliminuje vstup radioaktivních látek do okolního prostoru. Hmotnostní a rozměrové charakteristiky hlavních prvků elektrárny zajišťují její použití s ​​existujícími ruskými nosnými motory Proton a Angara.