Ядерні ракети: підкорити Сонячну систему
** Реактор ківі (Ківі A ') **
Тест розпочався за планом. Реактор активувався, і рідкий водень - який одночасно служив рушієм і теплоносієм - почав протікати через активну зону. Після контакту з паливними стержнями при 2000 ° С водень раптово нагрівався. Отриманий газ буде видалятися через сопло, розташоване у верхній частині пристрою.
Випробування ядерного теплового двигуна під час програми NERVA
Однак лише через хвилину після досягнення повної потужності паливні стрижні реактора почали руйнуватися. Шматочки розщеплюваного матеріалу - діоксиду урану - та радіоактивні ізотопи, що утворюються під час поділу, викидалися в атмосферу через сопло. Тест негайно скасували.
Дизайн радянського ядерного корабля для поїздки на Марс
Тоді ніхто з присутніх не міг підозрювати, що інцидент з реактором Kiwi B1B в кінцевому підсумку стане переломним пунктом у популярності цієї силової установки. Тоді теплові ядерні двигуни обіцяли здійснити пілотоване подорож на Марс реальністю на початку 1980-х рр. Через півстоліття ми все ще знаходимося в пастці на низькій орбіті. Історія ядерного двигуна - це історія розбитих мрій про освоєння космосу.
Ядерний привід у космосі
Виведення об’єкта на орбіту вимагає багато енергії. Гравітаційна свердловина нашої планети дуже глибока і важко досягти орбітальної швидкості 8 км/с. З початку космічної ери хімічний привід використовувався у всіх пускових установках і в переважній більшості штучних космічних кораблів. Непоганий варіант вийти на орбіту Землі, але якщо ми хочемо подорожувати за Місяць, очевидно, що нам потрібно щось краще. Поряд з іншими альтернативами, ядерний привід є однією з найбільших надій на пілотоване дослідження Сонячної системи. Зіткнувшись з обмеженнями традиційних хімічних двигунів, ядерна енергетика обіцяє досягти високої тяги та специфічних імпульсів, необхідних для втілення подорожі на Марс.
** Версія пілотованого марсіанського космічного корабля з електричним ядерним рухом від РКК Енергія. Ви також можете побачити тепловий екран апарата марсіанського спуску та корабель Кліпера для повернення на Землю **
Існує два основних способи використання ядерної енергії в космічних місіях. Перший, простіший як концепція, - це тепловий ядерний двигун. Згідно з цією системою, тепло, яке утворюється реактором поділу, використовується для нагрівання пропеленту, який діє як реакційна рідина. Інший - ядерний електричний привід, що складається з використання ядерного реактора для живлення серії електродвигунів (іонних або плазмових). У цій публікації ми вивчатимемо теплову атомну енергетику.
Теплові ядерні двигуни
Випробування головного двигуна космічного човника (SSME), криогенного хімічного двигуна
Другий параметр, який впливає на ІСП, також легко засвоюється. Чим менша маса молекул, що виходять через сопло, тим вища їх швидкість, оскільки якщо ми маємо два об’єкти різної маси з однаковою кінетичною енергією, то легший матиме більшу швидкість. У хімічних двигунах ця маса продиктована типом реакції, який ми вибрали. Наприклад, у кріогенному двигуні вихлоп складається з молекул води (з масою 18 амо-одиниць атомної маси - кожна). Ось чому в цьому типі двигуна ми можемо отримати вищий Isp, якщо ввести в камеру згоряння більше водню, ніж потрібно. Хоча температура камери падає, це компенсується більшою швидкістю, яку набувають молекули водню (з молекулярною масою всього 2 аму).
Гаразд, а як щодо ядерної теплової машини? У цьому випадку ми не обмежені температурою, оскільки теоретично ми можемо досягти мільйонів градусів Цельсія всередині реактора поділу. Насправді проблема полягає в зовсім протилежному: ми повинні навчитися контролювати ці високі температури, не розплавляючи матеріали, що складають структуру двигуна.
Що стосується молекулярної маси вихлопних газів, ми можемо використовувати майже будь-яку речовину як пропелент. Нам просто потрібно, щоб він безпосередньо контактував з реактором, щоб він нагрівався і викидався із сопла. Теоретично ми могли б використовувати воду, аміак, відбілювач або навіть газовану соду з супермаркету, це неважливо. Але, як ми вже бачили, ідеальним є використання речовини з мінімально можливою молекулярною масою, тому водень іноді є найкращим кандидатом для роботи в якості палива в ядерному двигуні. І ми іноді говоримо, тому що в момент істини це не так просто. Щоб утримувати водень у рідкому стані, потрібно охолодити його до -250º C, що важко, особливо якщо ми хочемо використовувати його в глибокому космосі. Крім того, починаючи з 2500 К, молекулярний водень починає дисоціювати на атомарний водень всередині камери, зменшуючи остаточний Ісп. З цих причин існують конструкції, що використовують інші речовини, такі як метан або аміак.
У будь-якому випадку, не має значення, чи будемо ми використовувати водень, метан, воду чи аміак. Коли ми робимо цифри, ми маємо, що ядерний тепловий двигун може досягати Isp на папері до 10000 секунд, тоді як криогенний хімічний двигун - близько 450 секунд. Тому показано, що теоретично ядерний тепловий привід є кращим, ніж хімія. Наступним кроком є з’ясування, чи можливо побудувати такий двигун за наявною технологією.
Побудова атомно-теплового двигуна
Ядерний тепловий двигун NERVA
Рідкий водень (або, пам’ятайте, будь-яка інша відповідна рідина) проходить через реактор, нагрівається до дуже високих температур і з високою швидкістю витісняється через сопло. Найпростішим варіантом є встановлення ракетного палива, що оточує активну зону реактора, оскільки ми могли б використовувати різні комерційні конструкції реакторів таким чином. Проблема полягає в тому, що температура, досягнута цією системою, буде дуже низькою, а Ісп не перевищуватиме 500 секунд. Хоча це може здатися дивним, але в Радянському Союзі ці конструкції були серйозно вивчені наприкінці 1950-х рр. Парадоксально, що на той час вважалося, що легше створити такий ядерний двигун, ніж розробляти кріогенні технології. Зрозуміло, що якщо ми дійсно хочемо повною мірою скористатися можливостями цієї рушійної системи, ми повинні змусити пропелент пройти через активну зону реактора.
Отже, реактор мав би циліндричну форму і складався б із стержнів з розщеплюваним матеріалом та сповільнювачем, усі з отворами, через які буде текти водень, одночасно виконуючи роль пропеленту та охолоджуючої рідини. Структура була б оточена матеріалом, здатним відображати нейтрони ділення, тим самим зменшуючи розмір реактора і маючи можливість контролювати його критичність.
Легко, правда? На жаль, ця очевидна простота вводить в оману. Існує кілька факторів, що визначають конструкцію реактора ядерного двигуна. Перший, очевидно, це розмір. Зрозуміло, що використовувати реактор вагою в тисячі тонн у космічному кораблі було б не дуже практично, оскільки ми втратили б будь-яку перевагу в Ісп, яку міг би нам запропонувати ядерний привід. Розмір реактора залежить від кількох факторів, але - спростивши це набагато - можна сказати, що він пропорційний кількості урану-235, який існує у паливі. Реактор, що використовує 90% збагаченого урану (тобто 90% урану-235 та 10% урану-238), може бути дуже малим і матиме велике відношення ваги до тяги. Тоді ми мали б швидке ділення завдяки епітермальним нейтронам, і нам практично не потрібен був би сповільнювач. Паливом може бути суміш діоксиду урану з керамікою та вогнетривким матеріалом (вольфрам, наприклад).
Проблема полягає в тому, що збагачений уран на 90% "точно не можна купити в аптеці за кутом". Окрім дуже високої вартості, існують серйозні обмеження щодо використання цього матеріалу для запобігання розповсюдженню ядерної зброї. Плутонієвий реактор створив би ще більші проблеми безпеки та економіки, тому про це не може бути й мови. Тому необхідно досягти компромісу між ступенем збагачення урану, що використовується як паливо, та кількістю сповільнювача (зазвичай графіту або гідриду цирконію). Загалом, чим більше у нас модератора, тим більшим і важчим буде реактор.
Друге обмеження - температура. Так, ми сказали, що температура не є обмежуючим фактором в ядерному двигуні, але це лише теоретично. Будуючи його, ми повинні вибрати відповідні матеріали, які витримують температуру реактора, якщо хочемо, щоб він залишався у твердому стані. Які матеріали ми можемо використовувати? Давайте подивимось на наступну таблицю:
Переглядаючи дані, стає зрозуміло, що реактор не може складатися з чистого урану, оскільки його температура плавлення становить 1400 К, що значно нижче 3200 К, що досягається кріогенним двигуном. Якщо ми хочемо випередити хімічний рух, нам потрібні більш високі температури, щоб перевершити його ефективність. Крім того, реактор із чистим ураном надзвичайно небезпечний, оскільки ми ризикуємо плавити і накопичувати активну зону на її дні без сповільнювача, легко досягаючи критичності. Звичайним паливом для нашої мети є діоксид урану, який утримує до 3075 K у твердому стані, а також хімічно не реагує з воднем. Також серед інших варіантів можна використовувати нітрид урану, карбід урану або суміш урану з гідридом цирконію.
Ну, у нас майже готовий двигун, але нам потрібно вибрати правильного модератора. На даний момент у нас є два варіанти: вибрати реактор однорідного типу, де розщеплюється матеріал змішується із сповільнювачем, або гетерогенний, у якому паливні стрижні та сповільнювач розділені. На сьогоднішній день лише дві країни створили прототипи діючих ядерних двигунів: США та Радянський Союз. Однак кожна наддержава вибрала різну конструкцію для реакторів, що використовуються в ракетних двигунах. Давайте подивимось, якими були його характеристики.
Американський дизайн (Kiwi B/NERVA)
Але цей матеріал - який є лише однією з форм вуглецю - сильно реагує з воднем, утворюючи вуглеводні, що спричиняє знос елементів реактора та їх подальшу фрагментацію. В результаті такого зносу, що ділиться матеріал та радіоактивні ізотопи, що виникають в результаті поділу, можуть бути викинуті назовні, що спричиняє ризик. Саме це явище тестувальники Kiwi B1B та Kiwi B4A побачили в жаху на початку 1960-х.
Проектування елементів однорідного реактора Kiwi B/NERVA. Видно отвори для потоку водню
Очевидно, що розпад активної зони реактора є критичною несправністю. Рішення полягає в покритті графіту матеріалом, інертним до водню, що не суттєво змінює характеристики поділу. Для цього завдання сполуками, як правило, є карбід ніобію або карбід цирконію.
Ділянка реактора Kiwi B/NERVA
Однак цю концепцію дуже важко застосувати на практиці, і насправді це була одна з найбільших проблем, з якою стикаються американські інженери за програмами Rover та NERVA, оскільки покриття ніобію та NERVA цирконієм в елементах реактора мало неприємну тенденцію до фрагментації, оголення графітової матриці з паливом всередині.
Ядро реактора "Ядерна піч"
Щоб пропустити водень, стрижні мали містити кілька отворів. Вибір форми та розміру водневих ліній виявився надзвичайно складною задачею (динаміка рідини непроста), але достатньо сказати, що з точки зору ефективності двигуна переважно мати багато вузьких отворів, ніж мати кілька великих діаметрів.