Ядерный ракетный двигатель
Следует разделять две принципиально разные установки: ядерные энергетические установки (ЯЭУ) на космических аппаратах и ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Первые предназначены для выработки энергии на борту космического корабля (когда необходимое количество энергии невозможно получить другими способами, например с помощью солнечных батарей или изотопных источников энергии). Вторые обеспечивают разгон и движение самих ракет.
Вначале кратко рассмотрим историю создания ядерных энергетических установок для использования на космических аппаратах. Первым такого рода ядерным реактором стал американский SNAP-10А, созданный компанией Boeing по заказу Комиссии по атомной энергии США по программе Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP). Тепловая мощность реактора составляла 40 кВт, а электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем энергии, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор SNAP-10А был установлен на борту аппарата Snapshot, запущенного 3 апреля 1965 года ракетой-носителем «Атлас». Планировалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор успешно проработал 43 дня — до 16 мая 1965 года. В этот день был включен установленный на борту спутника ионный двигатель, запитываемый от реактора. Но работа двигателя сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, нарушившими работу бортовой аппаратуры. SNAP-10A стал первым и последним космическим реактором США, запущенным в космос, хотя проектов и наземных опытных ЯЭУ различные группы в США наплодили очень немало, и продолжают разрабатывать их по настоящее время.
В конце 2017 года в США начали испытание демонстрационного прототипа реакторной энергетической установки Kilopower, предназначенной для выработки электроэнергии с выходной мощностью до 10 кВт с ресурсом 10 лет на поверхности Марса (NASA to test prototype Kilopower reactor. Портал World Nuclear News. 2017-11-17).
Первый в СССР термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии 14 августа 1964 года. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт (топливом служил оружейный уран) и был оснащен термоэлектрическим преобразователем энергии мощностью до 800 Вт. В планы С.П.Королева входило использовать ЯЭУ «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года, уже после смерти Королева, но реактор так никогда не побывал в космосе.
За «Ромашкой» последовала серия ядерных реакторов-преобразователей энергии «Бук» и «Топаз». «Бук» разрабатывался с 1960 года в НПО «Красная звезда» для использования на спутнике радиолокационной разведки УС-А, предназначенном для слежения за авианосцами США. Общая масса урана в реакторе составила 30 кг, обогащение по 235-му изотопу урана — до 90 %. Первый аппарат этой серии был запущен 3 октября 1970 года с Байконура («Космос-367»). На орбите находился в течение 8 лет, причем планировалось сгорание ядерных твэлов реактора при схождении с орбиты. Однако этого не произошло вследствие неудачного спуска, завершившегося ядерным заражением местности разрушившимся «Буком». Поэтому в последующих модификациях «Бука» был запланирован принудительный сброс твэлов специальным газовым исполнительным механизмом (Демидов А.С., Конструкция энергосиловых установок космических аппаратов. — М.: МАИ, 2011.).
Следующей советской космической ядерной энергетической установкой стала ТЭУ-5 «Тополь» или «Топаз-1». Работа над «Топазом» велась с 1960-х годов. Наземные испытания были начаты в 1970 году. Реактор имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество 235U в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». «Топаз» проработал на орбите более 11 месяцев.
Последний запуск советской ЯЭУ состоялся 14 марта 1988 года. И хотя полет прошел более-менее нормально, от эксплуатации аппаратов с ЯЭУ было решено отказаться. Основной причиной этого стало давление со стороны США и международных организаций, требовавших от Советского Союза «прекратить загрязнение космоса». Но немаловажным фактором стали и сравнительно низкие технические характеристики ЯЭУ.
За все годы запусков советских ЯЭУ на орбиту было отправлено 32 установки. Одна из них не долетела до космоса, две возвратились назад, а остальные до сего дня продолжают пребывать на высоте 700-800 км от Земли. Большой резонанс вызывало известное падение остатков реактора Космос-954 на территории Канады в январе 1978 года, что привело к радиоактивному заражению и международному скандалу.
Здесь следует упомянуть доклад Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» от 10 декабря 1993 года, в котором где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны. К этому следует добавить ужесточающиеся требования ООН по ядерно-безопасным орбитам, которые запрещают запуск ядерных реакторов ниже орбиты в 800 км над поверхностью Земли. Параллельно происходит стремительный прогресс солнечных батарей, мощности которых увеличился с десятков ватт в начале 60-х до единиц киловатт к 1990 году. Их простота и изученность перекрывает путь ЯЭУ мощностью в единицы и даже десятки киловатт.
Упомяну также так называемый «каскадный эффект», который может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц «космического мусора». При экстраполяции существующих условий засорения низких околоземных орбит этот эффект может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального космического мусора и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса. Вклад в создание космического мусора на 2014 г. составил: Россия — 39,7 %; США — 28,9 %; Китай — 22,8 %, остальные страны — 8,6 % (Космический мусор и его коллеги — И. Черный // «Новости космонавтики», № 10, 2014 г.).
Обращаю внимание на многочисленные происшествия и аварии при работе с энергетическими установками:
25 апреля 1973 года вследствие выхода из строя двигательной установки запуск советского спутника радиолокационной разведки с ядерной энергетической установкой на борту завершился неудачей. Аппарат не был выведен на расчетную орбиту и упал в Тихий океан.
12 декабря 1975 года сразу после выхода на орбиту вышла из строя система ориентации советского спутника радиолокационной разведки «Космос-785» с ЯЭУ на борту. Началось хаотичное вращение аппарата, что грозило его падением на Землю. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.
(Под эвфемизмом «орбита захоронения» понимают орбиту искусственных космических объектов, на которую осуществляется их увод после окончания активной работы для уменьшения вероятности столкновений и освобождения места на геостационарной орбите. Хотя срок жизни ЯЭУ на этих орбитах составляет порядка 2 тысяч лет, рано или поздно начиненный оружейным ураном реактор сгорает в высших слоях атмосферы со всеми вытекающими отсюда последствиями… Следует также напомнить, что период полураспада урана-235 составляет 710 миллионов (. ) лет.)
24 января 1978 года в северо-западных районах Канады упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-954» с ядерной энергетической установкой на борту. При прохождении плотных слоёв земной атмосферы произошло разрушение спутника и поверхности Земли достигли лишь некоторые его фрагменты. Произошло радиоактивное загрязнение поверхности.
28 апреля 1981 года на советском спутнике радиолокационной разведки «Космос-1266» с ЯЭУ на борту зафиксирован выход из строя бортового оборудования. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.
7 февраля 1983 года в пустынных районах Южной Атлантики упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1402» с ЯЭУ на борту. Конструктивные доработки после предыдущей аварии позволили отделить активную зону от термостойкого корпуса реактора и предотвратить компактное падение обломков. Тем не менее, было зафиксировано заметное повышение естественного радиационного фона.
Апрель 1988 года — вышел из-под контроля советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1900» с ЯЭУ на борту. Космический аппарат медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. 30 сентября, за несколько дней до расчетного момента входа в плотные слои атмосферы, сработала аварийная защитная система, и активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения.
4 июля 2008 года, согласно данным NASA, произошла фрагментация спутника «Космос-1818» на орбите. Предположительно, отделившиеся фрагменты сферической формы в количестве около 30 — капли металлического теплоносителя из разрушившегося по какой-то причине контура охлаждения реактора.
Специалисты отмечают весьма ограниченные итоги полувековых исследований по созданию ядерных энергетических реакторов на космических аппаратах и несоизмеримость практических результатов с затраченными усилиями и колоссальными средствами. Это связано со спецификой работы реакторов в космосе, их недостаточной надежностью и значительной опасностью радиационного заражения в случае аварийного падения. Отмечу, что еще в конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками.
Перейдем к рассмотрению проблемы ядерных ракетных двигателей, использующих энергию деления ядер не для выработки энергии, а для создания реактивной тяги. В традиционных ЯРД рабочее тело (как правило — водород) подается из бака с сжиженным газом в активную зону реактора, где разогревается до высоких температур и затем, расширяясь, выбрасывается через сверхзвуковое сопло двигателя, создавая реактивную тягу. Удельный импульс ЯРД, по оценкам, составляет 8000-9000 и даже 15000 м/с, что гораздо выше показателей наиболее совершенных химических ракетных двигателей.
В СССР постановление по созданию ЯРД было подписано в далеком 1958 году. Руководство проектом было тогда возложено на академиков М.В.Келдыша, И.В.Курчатова и С.П.Королева, а к работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. К концу 1970-х гг в СССР был создан и активно проходил испытания на стендовой базе в районе Семипалатинска ядерный ракетный двигатель РД-0410. Основу этого двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000 К при мощности реактора
В США космические разработки с использованием ЯРД осуществлялись с 1958 года в рамках проекта «Орион» по заказу ВВС США. Программа была рассчитана на 12 лет, расчетная стоимость составила 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Американцы создали ЯРД «NERVA», двигатель которой должен был нагреваться до температуры более 2000 °C. Реактор был готов к использованию в качестве двигателя третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», однако лунную программу к этому времени закрыли, а других задач для этих ЯРД тогда не было. Космические затраты и трудности выполнения подобных проектов привели к тому, что к 1970 году подобные проекты как в США, так и в СССР, были закрыты. В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю (Даниил Ревадзе//NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Портал hightech.fm. 17 февраля 2018)
На конец 1-го десятилетия XXI в. не известно ни одного случая практического применения ядерных ракетных двигателей, несмотря на то, что основные технические проблемы создания такого двигателя были худо-бедно решены полвека тому назад. Основным препятствием на пути практического применения ЯРД являются оправданные опасения того, что авария летательного аппарата с ЯРД может создать значительное радиационное загрязнение атмосферы и некоторого участка поверхности Земли, нанеся как прямой вред, так и осложнив геополитическую ситуацию.
Здесь надо иметь в виду, что можно говорить о потенциале применении ЯРД для космолетов, где химические ракетные двигатели достигли практического предела своей эффективности и их потенциал развития весьма ограничен, то есть ЯРД представляют потенциальный интерес для создания скоростного, долговременно работающего и экономически оправданного межпланетного транспорта (скажем, при полетах на Марс). Но мне представляется безумием использовать ЯРД в ракетах военного назначения, так как сами реакторы ЯРД являются более грозным и «грязным» оружием, чем атомные заряды, поскольку разрушение реактора на земле и выброс десятков килограмм ядерного топлива далеко оставляет позади Чернобыльскую катастрофу и Фукусиму-1. (Здесь я веду речь о «крылатой ракете со сверхмощной ядерной установкой», которая, по определению, является абсурдом или плодом психопатического сознания).
В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017-2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе.
С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем. Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации «Росатом» на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд — ФГУП «Центр Келдыша» на создание ядерной энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей — для РКК «Энергия», где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля. По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, чье предприятие конструирует реакторную установку, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года проведены испытания корпуса реактора и испытания полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки. Комментируя последнее, я заявляю, что современные военные разработки РФ — это горький плач по совку, по разрушенной военной промышленности СССР. И в заключение цитата из «Дневника писателя» Ф.М.Достоевского: «Положим, мы и есть великая держава, но я только хочу сказать, что это нам слишком дорого стоит — гораздо дороже, чем другим великим державам, а это предурной признак. Так что даже оно как бы и ненатурально выходит».
Источник
Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?
NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.
Что такое ядерный ракетный двигатель?
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.
Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.
Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).
Твердофазный ядерный ракетный двигатель
В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.
Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.
Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).
Газофазный ядерный ракетный двигатель
Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.
Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).
Ядерный импульсный двигатель
Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.
Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.
В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.
По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).
Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.
Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.
В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.
Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.
Ядерная электродвигательная установка
Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.
Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.
С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.
Мощность
По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.
Ядерный двигатель опасен?
Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:
- потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
- вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
- истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.
Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.
Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.
Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.
Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.
Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?
Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.
В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.
Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.
Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.
В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)
USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.
Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.
Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.
Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.
Источник