Kaj so jedrski motorji?

Skeptiki pravijo, da ustvarjanje jedrskega motorja ni pomemben napredek na področju znanosti in tehnologije, ampak le "posodobitev parnega kotla", kjer uran deluje kot gorivo namesto na premog in drva, vodik pa se uporablja kot delovni medij. Je NRE (jedrski motor? Poskusimo ugotoviti.

Prve rakete

Vse zasluge človeštva pri raziskovanju bližnjega zemeljskega prostora je mogoče varno pripisati kemičnim reaktivnim motorjem. Osnova dela takih energetskih enot je pretvorba energije kemične reakcije gorenja goriva v oksidant kinetična energija reaktivni tok in zato rakete. Uporabljena goriva so kerozin, tekoči vodik, heptan (za raketne motorje na tekoče gorivo (GTRE)) in polimerizirana mešanica amonijevega perklorata, aluminija in železovega oksida (za trda goriva).

Znano je, da so se prve rakete, uporabljene za ognjemet, pojavile na Kitajskem v drugem stoletju pred našim štetjem. V nebo so se povzpeli zaradi energije praškastih plinov. Teoretična raziskava nemškega strelca Konrada Haasa (1556), poljskega generala Kazimira Semenoviča (1650), ruskega general-podpolkovnika Aleksandra Zasyadka, je pomembno prispevala k razvoju raketne tehnologije.

Patent za izum prve rakete iz ŽTRD je prejel ameriški znanstvenik Robert Goddard. Njegov aparat, s težo 5 kg in dolžino približno 3 m, ki je delal na bencin in tekoči kisik, je bil leta 1926 2,5 s. preletelo 56 metrov.

Preganjanje hitrosti

Resna eksperimentalna dela na ustvarjanju serijskih reaktivnih motorjev so se začela v 30-ih letih prejšnjega stoletja. V Sovjetski zvezi so V.P.Glushko in F. Zander upravičeno šteli za pionirje gradnje raketnih motorjev. Z njihovim sodelovanjem so bile razvite elektrarne RD-107 in RD-108, ki so ZSSR dobile primat v raziskovanju vesolja in postavile temelje za prihodnje vodstvo Rusije na področju kozmonavtike s posadko.

Pri posodobitvi GTRE je postalo jasno, da teoretična maksimalna hitrost curka ne sme preseči 5 km / s. Za preučevanje bližnjega zemeljskega prostora je to lahko dovolj, vendar bodo leti do drugih planetov, še bolj pa zvezde, še vedno lažni sanje za človeštvo. Zato so se projekti alternativnih (nekemičnih) raketnih motorjev začeli pojavljati že sredi prejšnjega stoletja. Naprave, ki uporabljajo energijo jedrskih reakcij, so se zdele najbolj priljubljene in obetavne. Prvi poskusni vzorci jedrskih vesoljskih motorjev (YARD) v Sovjetski zvezi in ZDA so opravili testne teste leta 1970. Vendar pa je po katastrofi v Černobilu, pod pritiskom javnosti, delo na tem področju prekinjeno (v ZSSR leta 1988, v ZDA od leta 1994).

Načelo delovanja jedrskega motorja

Osnova delovanja jedrskih elektrarn so enaka načela kot termokemična. Edina razlika je, da se delovni medij segreva z energijo razpadanja ali sinteze jedrskega goriva. Energetska učinkovitost teh motorjev daleč presega kemične. Na primer, energija, ki lahko odda 1 kg najboljšega goriva (mešanica berilija s kisikom) je 3 × 107 J, medtem ko je za polonijeve izotope Po210 ta vrednost 5 × 1011 J.

Energija, ki se sprosti v jedrskem motorju, se lahko uporablja na različne načine:

segrevanje delovne tekočine, ki se oddaja skozi šobe, kot v tradicionalnem raketnem motorju, potem ko se pretvori v električno, ionizirajoče in pospeševalne delce delovne tekočine, kar ustvarja impulz neposredno s fisijskimi ali sinteznimi produkti.Tudi navadna voda lahko deluje kot delovna tekočina, vendar je uporaba alkohola veliko bolj učinkovita. amoniaka ali tekočega vodika. Glede na agregatno stanje goriva za. T jedrski reaktor raketni motorji so razdeljeni na trdno, tekoče in plinsko fazo. Najbolj je razvit NDS s polprevodniškim fisijskim reaktorjem z gorivnimi elementi (gorivnimi elementi), ki se uporabljajo kot gorivo jedrskih elektrarn. Prvi tak motor v okviru ameriškega projekta Nerva je leta 1966 opravil zemeljske teste, ki je delal približno dve uri.

Oblikovne značilnosti

V središču vsakega jedrskega vesoljskega motorja je reaktor, sestavljen iz jedra in berilijevega reflektorja, ki se nahaja v energetskem paketu. V aktivni coni in delitvi atomov gorljive snovi, praviloma uran U238 obogaten z izotopi U235. Da bi dali proces razpadanja jeder določenih lastnosti, se tukaj nahajajo tudi retarderji - volfram ali molibden. Če je moderator vključen v gorivne palice, se reaktor imenuje homogena in če je ločeno - heterogena. Jedrski motor vključuje tudi enoto za oskrbo delovnega telesa, krmilne elemente, zaščito pred senčnim sevanjem in šobo. Strukturne elemente in komponente reaktorja, ki se soočajo z visokimi toplotnimi obremenitvami, ohladi delovna tekočina, ki jo nato turbopumpirni sklop vbrizga v toplotne agregate. Tu se segreje na skoraj 3000 ° C. Delovna tekočina, ki teče skozi šobo, ustvarja potisno silo.

Tipične kontrole v reaktorju so kontrolne palice in obračalni bobni iz snovi, ki absorbirajo nevtrone (bor ali kadmij). Palice so nameščene neposredno v aktivni coni ali v posebnih nišah reflektorja, vrtljivi bobni pa na obodu reaktorja. Premikanje palic ali obračanje kolutov spreminja število cepljivih jeder na enoto časa, prilagajajo raven sproščanja energije v reaktorju in posledično njegovo toplotno moč.

Za zmanjšanje intenzivnosti nevtronskega in gama sevanja, nevarnega za vse živo bitje, se v ohišje napajajo elementi primarne zaščite reaktorja.

Povečajte učinkovitost

Jedrski motor s tekočo fazo z načelom delovanja in napravo je podoben trdni fazi, vendar tekočinsko stanje goriva omogoča povečanje temperature reakcije in posledično potiska agregata. Torej, če je za kemične agregate (ZTRD in raketni motorji na trdno gorivo) največji specifični impulz (pretok curka) 5 420 m / s, za trdno fazno jedro in 10 000 m / s je daleč od meje, je povprečna vrednost tega kazalnika za plinsko fazo NRE. 30.000 - 50.000 m / s.

Obstajajo projekti plinske faze jedrskega motorja dveh vrst:

Odprt cikel, v katerem jedrska reakcija poteka znotraj plazemskega oblaka iz delovne tekočine, ki jo zadržuje elektromagnetno polje in absorbira vso proizvedeno toploto. Temperatura lahko doseže nekaj deset tisoč stopinj. V tem primeru je aktivno območje obdano s snovjo, odporno na toploto (npr. Kremen) - jedrsko svetilko, ki prosto prenaša sevano energijo, pri napravah drugega tipa pa bo reakcijska temperatura omejena na tališče materiala iz bučke. Hkrati je energetska učinkovitost jedrskega vesoljskega motorja nekoliko zmanjšana (specifični impulz je do 15.000 m / s), vendar je učinkovitost in varnosti sevanja.

Praktični dosežki

Formalno je izumitelj jedrske elektrarne ameriški znanstvenik in fizik Richard Feynman. Začetek obsežnega dela na razvoju in izdelavi jedrskih motorjev za vesoljska plovila v okviru programa Rover je bil leta 1955 v raziskovalnem centru Los Alamos (ZDA). Ameriški izumitelji so raje imeli instalacije s homogenim jedrskim reaktorjem. Prvi poskusni model "Kiwi-A" je bil sestavljen v tovarni v atomskem centru v Albuquerque (Nova Mehika, ZDA) in testiran leta 1959. Reaktor je bil nameščen na stojalu navpično s šobo navzgor. Med preskusi se je segreti curek izrabljenega vodika oddajal neposredno v ozračje. In čeprav je rektor delal z nizko zmogljivostjo le približno 5 minut, je uspeh navdihnil razvijalce.

V Sovjetski zvezi, srečanje "tri velike K" - ustanovitelj atomske bombe I. Kurchatov, glavni teoretik nacionalne kozmonautike M. V. Keldysh in generalni oblikovalec sovjetskih raket S. P. Kraljica. Za razliko od ameriškega modela je sovjetski motor RD-0410, ki je bil razvit v oblikovalskem biroju združenja Khimavtomatika (Voronezh), imel heterogeni reaktor. Požarni testi so bili opravljeni na mestu v bližini mesta Semipalatinsk leta 1978.

Omeniti je treba, da je bilo ustvarjenih kar precej teoretičnih projektov, vendar nikoli ni prišlo do praktičnega izvajanja. Razlogi za to so bili prisotnost velikega števila problemov v znanosti o materialih, pomanjkanje človeških in finančnih virov.

Za opombo: pomemben praktični dosežek je bil izvedba testov letenja z jedrskim motorjem. V ZSSR je bil najbolj obetaven poskusni strateški bombnik Tu-95LAL, v ZDA - B-36.

Projekt Orion ali impulzni NRE

Za lete v vesolju je bil jedrski motor pulzirajočega ukrepa prvič predlagan, da se leta 1945 uporabi ameriški matematik poljskega porekla Stanislav Ulam. V naslednjem desetletju so jo razvili in izpopolnili T. Taylor in F. Dyson. Skratka, energija majhnih jedrskih nabojev, ki je eksplodirala na oddaljenosti od potisne platforme na dnu rakete, pove veliko pospeševanja.

Med projektom Orion, ki se je začel leta 1958, je bilo načrtovano, da se s takim motorjem opremi raketa, ki bo sposobna dostavljati ljudi na površino Marsa ali na Jupitrovo orbito. Posadka, ki se nahaja v predelu za nos, bi bila zaščitena pred uničujočimi učinki ogromnih pospeškov z dušilno napravo. Rezultat podrobne inženirske študije so bili testni preskusi lestvice modela ladje za preučevanje stabilnosti leta (namesto jedrskih nabojev so bili uporabljeni klasični eksplozivi). Zaradi visokih stroškov projekta je bil zaključen leta 1965.

Podobne zamisli o ustvarjanju "eksplozije" je julija 1961 izrazil sovjetski akademik A. Saharov. Da bi ladjo pripeljal v orbito, je znanstvenik predlagal uporabo običajne ŽTRD.

Alternativni projekti

Veliko število projektov ni preseglo teoretičnih študij. Med njimi je bilo veliko izvirnih in zelo obetajočih. Potrditev je ideja o jedrski elektrarni na cepljivih delcih. Konstrukcijske značilnosti in naprava tega motorja omogočajo sploh odpravo delovne tekočine. Iz izrabljenega jedrskega materiala nastane curek, ki zagotavlja potrebne vlečne lastnosti. Reaktor temelji na rotirajočih diskih s podkritično jedrsko maso (razmerje atomske delitve je manjše od enote). Ko se vrti v sektorju diska v aktivni coni, se začne verižna reakcija in razpadajoči visokoenergetski atomi se pošljejo v šobo motorja, tako da tvorijo reaktivni tok. Preostali celotni atomi bodo sodelovali v reakciji pri naslednjih obratih diska za gorivo.

Projekti jedrskega motorja za ladje, ki opravljajo določene naloge v bližnjem zemeljskem prostoru, temeljijo na RTG (radioizotopni termoelektrični generatorji), so precej učinkoviti, toda za instalacije medplanetarne in še bolj medzvezdne, takšne naprave niso zelo obetavne.

Ogromen potencial motorjev za jedrsko fuzijo. Že na sedanji stopnji razvoja znanosti in tehnologije je impulzna instalacija povsem uresničljiva, v kateri bodo, podobno kot projekt Orion, termonuklearni naboji spodkopani pod raketnim dnom. Vendar pa izvajanje nadzorovane jedrske fuzije, mnogi strokovnjaki menijo, delo v bližnji prihodnosti.

Prednosti in slabosti NRE

Nesporne prednosti uporabe jedrskih motorjev kot agregatov za vesoljska plovila bi morale vključevati njihovo visoko energetsko učinkovitost, ki zagotavlja visok specifični impulz in dobre vlečne zmogljivosti (do tisoč ton v brezzračnem prostoru), impresivno energetsko rezervo pri avtonomnem delovanju. Trenutna raven znanstvenega in tehnološkega razvoja omogoča primerljivo kompaktnost takšne naprave.

Glavna pomanjkljivost YARD, ki je povzročila propad projektiranja in raziskovalnega dela, je velika nevarnost sevanja. To še posebej velja pri izvajanju zemeljskih požarnih preizkusov, zaradi katerih se radioaktivni plini, spojine urana in njegovih izotopov ter škodljivi učinki prodirajočega sevanja lahko skupaj z delovno tekočino izpustijo v ozračje. Iz istih razlogov je nesprejemljivo izstrelitev vesoljskega plovila, opremljenega z jedrskim motorjem neposredno s površine Zemlje.

Sedanjost in prihodnost

Glede na zagotovila akademika Ruske akademije znanosti, generalnega direktorja Keldyshovega centra Anatolija Korotejeva, bo v bližnji prihodnosti v Rusiji ustvarjen popolnoma nov tip jedrskega motorja. Bistvo pristopa je, da bo energija vesoljskega reaktorja usmerjena ne k neposrednemu segrevanju delovne tekočine in nastajanju curka, ampak za proizvodnjo električne energije. Vloga motorja v napravi je namenjena plazemskemu motorju, katerega posebna sila je 20-krat večja od potiska trenutno obstoječih strojev za kemijsko čiščenje. Glavna družba projekta je podružnica državne korporacije Rosatom NIKIET JSC (Moskva).

Leta 2015 so bili na podlagi NPO Mashinostroeniya (Reutov) uspešno zaključeni simulacijski testi. Datum začetka testiranja letenja jedrske elektrarne je novembra letos. Preskusiti je treba najpomembnejše elemente in sisteme, tudi na krovu ISS.

Delovanje novega ruskega jedrskega motorja poteka v zaprtem krogu, ki popolnoma odpravi vdor radioaktivnih snovi v prostor. Masne in dimenzijske značilnosti glavnih elementov elektrarne zagotavljajo njegovo uporabo z obstoječimi ruskimi nosilnimi napravami Proton in Angara.