Що таке ядерні двигуни?

Скептики стверджують, що створення ядерного двигуна – це не значний прогрес в галузі науки і техніки, а лише «модернізація парового котла», де замість вугілля і дров у якості палива виступає уран, а в якості робочого тіла – водень. Настільки безперспективний ЯРД (ядерний реактивний двигун)? Спробуємо розібратися.

Перші ракети

Всі досягнення людства в освоєнні навколоземного космічного простору можна сміливо віднести на рахунок хімічних реактивних двигунів. В основі роботи таких силових агрегатів - перетворення енергії хімічної реакції спалювання палива в окислителе в кінетичну енергію реактивного струменя, і, отже, ракети. В якості палива використовуються гас, рідкий водень, гептан (для рідкопаливних ракетних двигунів (ЖТРД)) і полимеризованная суміш перхлорату амонію, алюмінію та оксиду заліза (для твердопаливних (РДТП)).


Загальновідомо, що перші ракети, використовувані для феєрверків, з'явилися в Китаї ще в другому столітті до нашої ери. Вони піднімалися В небо завдяки енергії порохових газів. Теоретичні дослідження німецького зброяра Конрада Хааса (1556), польського генерала Казимира Семеновича (1650), російського генерал-лейтенанта Олександра Засядко внесли істотний внесок у розвиток ракетної техніки. Патент на винахід першої ракети з ЖТРД отримав американський учений Роберт Годдард. Його апарат при вазі 5 кг і довжиною близько 3 м, який працював на бензині і рідкому кисні, у 1926 році за 25 с. пролетів 56 метрів.

У гонитві за швидкістю

Серйозні експериментальні роботи по створенню серійних хімічних реактивних двигунів стартували в 30-х роках минулого століття. У Радянському Союзі піонерами ракетного двигунобудування по праву вважаються В. П. Глушко і Ф. А. Цандер. З їх участю були розроблені силові агрегати РД-107 і РД-108 забезпечили СРСР першість в освоєнні космічного простору і заклали фундамент для майбутнього лідерства Росії в області пілотованої космонавтики. При модернізації ЖТРД стало ясно, що теоретична максимальна швидкість реактивного струменя не зможе перевищити 5 км/с. Для вивчення навколоземного простору цього може бути достатньо, але от польоти до інших планет, а тим більше зірок залишаться для людства нездійсненною мрією. Як наслідок, вже в середині минулого століття стали з'являтися проекти альтернативних (нехімічних) ракетних двигунів. Найбільш популярними і перспективними виглядали установки, які використовують енергію ядерних реакцій. Перші експериментальні зразки ядерних космічних двигунів (ЯРД) в Радянському Союзі і США пройшли тестові випробування ще в 1970 році. Однак після Чорнобильської катастрофи під натиском громадськості роботи в цій області були припинені (в СРСР у 1988 році, у США – з 1994).

Принцип роботи ядерного двигуна

В основі функціонування ядерних силових установок лежать ті ж принципи, що і в термохімічних. Відмінність полягає лише в тому, що нагрівання робочого тіла здійснюється енергією розпаду або синтезу ядерного пального. Енергетична ефективність таких двигунів значно перевершує хімічні. Так, наприклад, енергія, яку може виділити 1 кг найкращого палива (суміш берилію з киснем) – 3x107 Дж, тоді як для ізотопів полонія Po210 ця величина становить 5x1011 Дж.
Вивільнена енергія в ядерному двигуні може використовуватися різними способами: нагріваючи робоче тіло, випускається через сопла, як у традиційному РРД,після перетворення в електричну, іонізуючи і розганяючи частинки робочого тіла,створення імпульсу безпосередньо продуктами поділу або синтезу.В якості робочого тіла може виступати навіть звичайна вода, але набагато ефективніше буде застосування спирту, рідкого аміаку або водню. В залежності від агрегатного стану палива для реактора ядерні двигуни ракет підрозділяють на твердо-, рідко - і газофазные. Найбільш опрацьований ЯРД з твердофазним реактором поділу, що використовує в якості палива Твели (тепловиділяючі елементи), що застосовуються на атомних електростанціях. Перший такий двигун в рамках американського проекту Nerva пройшов наземні тестові випробування в 1966 році, пропрацювавши близько двох годин.

Конструктивні особливості

В основі будь-якого ядерного космічного двигуна лежить реактор складається з активної зони і берилієвого відбивача, розміщених у силовому корпусі. В активній зоні і відбувається розподіл атомів пального речовини, як правило, урану U238 збагаченого ізотопами U235. Для надання процесу розпаду ядер певних властивостей, тут же розташовані і сповільнювачі – тугоплавкі вольфрам або молібден. У разі якщо сповільнювач включають до складу Твелів, реактор називають гомогенним, а якщо розміщують окремо гетерогенним. До складу ядерного двигуна також входять блок подачі робочого тіла, органи управління, тіньова радіаційна захист, сопло. Конструктивні елементи і вузли реактора, що випробовують високі термічні навантаження, охолоджуються робочим тілом, яке потім турбонасосным агрегатом нагнітається в тепловиділяючі збірки. Тут відбувається його нагрівання майже до 3000?С. Стікаючи через сопло, робоче тіло створює реактивну тягу.
Типовими органами управління реактором служать регулюючі стрижні і поворотні барабани, виконані з речовини, що поглинає нейтрони (бор або кадмію). Стрижні розміщують безпосередньо в активній зоні або в спеціальних нішах відбивача, а поворотні барабани – на периферії реактора. Переміщенням стрижнів або поворотом барабанів змінюють кількість ядер, що діляться в одиницю часу, регулюючи рівень енерговиділення реактора, і, отже, його теплову потужність. Для зниження інтенсивності нейтронного і гамма-випромінювання, небезпечного для всього живого, в силовому корпусі розміщують елементи первинної реакторної захисту.

Підвищення ефективності

Жидкофазный ядерний двигун принципом роботи і пристроєм аналогічний твердофазним, але жидкообразное стан палива дозволяє збільшити температуру протікання реакції, а, отже, тягу силового агрегату. Так якщо для хімічних агрегатів (ЖТРД і РДТТ) максимальний питомий імпульс (швидкість витікання реактивного струменя) – 5420 м/с, для твердофазних ядерних і 10000м/с – далеко не межа, то середнє значення цього показника для газофазних ЯРД лежить в діапазоні 30000 – 50000 м/с. Існують проекти газофазного ядерного двигуна двох типів: Відкритого циклу, при якому ядерна реакція протікає всередині плазмового хмари з робочого тіла, утримуваного електромагнітним полем і поглинає все утворилося тепло. Температура може досягати декількох десятків тисяч градусів. У цьому випадку активну область оточує термостійке речовина (наприклад, кварц) – ядерна лампа, вільно пропускає випромінювану енергію.В установках другого типу температура протікання реакції буде обмежена температурою плавлення матеріалу колби. При цьому енергетична ефективність ядерного космічного двигуна дещо знижується (питома імпульс до 15000 м/с), але підвищується економічність і радіаційна безпека.

Практичні досягнення

Формально, винахідником силової установки на атомної енергії прийнято вважати американського вченого і фізика Річарда Фейнмана. Старт масштабних робіт по розробці і створенню ядерних двигунів для космічних кораблів в рамках програми Rover був дан в науково-дослідному центрі Лос-Аламос (США) в 1955 році. Американські винахідники віддали перевагу установок з гомогенним ядерним реактором. Перший експериментальний зразок «Ківі-А» був зібраний на заводі при атомному центрі в Альбукерке (Нью-Мексико, США) і випробуваний в 1959 році. Реактор розташовувався на стенді вертикально соплом вгору. В ході випробувань нагріта струмінь відпрацьованого водню викидалася безпосередньо в атмосферу. І хоча ректор пропрацював на малій потужності всього лише близько 5 хвилин, успіх надихнув розробників. У Радянському Союзі потужний імпульс подібних досліджень надала відбулася в 1959 році в Інституті атомної енергії зустріч «трьох великих» – творця атомної бомби В. В. Курчатова, головного теоретика вітчизняної космонавтики М. В. Келдиша та генерального конструктора радянських ракет С. П. Королева. На відміну від американського зразка радянський двигун РД-0410 розроблений в конструкторському бюро об'єднання «Хімавтоматика» (Воронеж), мав гетерогенний реактор. Вогневі випробування відбулися на полігоні поблизу р. Семипалатинська в 1978 році. Варто відзначити, що теоретичних проектів було створено досить багато, але до практичної реалізації справа так і не дійшла. Причинами тому послужило наявність величезної кількості проблем у матеріалознавстві, брак людських і фінансових ресурсів. Для замітки: важливим практичним здобутком стало проведення льотних випробувань літаків з ядерним двигуном. У СРСР найбільш перспективним був експериментальний стратегічний бомбардувальник Ту-95ЛАЛ, в США – В-36.

Проект "Оріон" або імпульсні ЯРД

Для польотів у космосі ядерний двигун імпульсної дії вперше запропонував використовувати в 1945 році американський математик польського походження Станіслав Улам. У наступне десятиліття ідею розвинули і допрацювали Т. Тейлор і Ф. Дайсон. Суть зводиться до того, що енергія невеликих ядерних зарядів, які підривають на деякій відстані від штовхає платформи на днище ракети, повідомляє їй велике прискорення. В ході стартував у 1958 році проекту «Оріон» саме таким двигуном планувалося оснастити ракету, здатну доставити людей на поверхня Марса або орбіту Юпітера. Екіпаж, розміщений в носовому відсіку, був би захищений від руйнівних впливів гігантських прискорень демпфуючим пристроєм. Результатом детальної інженерної проробки стали маршові випробування масштабного макет корабля для вивчення стійкості польоту (замість ядерних зарядів використовувалася звичайна вибухівка). Через дорожнечу проект був закритий у 1965 році. Схожі ідеї створення «взрыволета» висловлював і радянський академік А. Цукрів у липні 1961 року. Для виведення корабля на орбіту вчений пропонував використовувати звичайні ЖТРД.

Альтернативні проекти

Величезна кількість проектів так і не вийшли за рамки теоретичних досліджень. Серед них було чимало оригінальних і дуже перспективних. Підтвердженням служить ідея ядерної силової установки діляться на фрагментах. Конструктивні особливості та будову цього двигуна дозволяють обходитися взагалі без робочого тіла. Реактивна струмінь, що забезпечує необхідні тягові характеристики, формується з відпрацьованого ядерного матеріалу. В основі реактора лежать обертові диски з ядерної підкритичної масою (коефіцієнт розподілу атомів менше одиниці). При обертанні в секторі диска, що знаходиться в активній зоні, запускається ланцюгова реакція і розпадаються високоенергетичні атоми подаються в сопло двигуна, утворюючи реактивний струмінь. Збереглися цілі атоми візьмуть участь у реакції при таких обертах паливного диска. Цілком працездатні проекти ядерного двигуна для кораблів, що виконують певні завдання у навколоземному просторі, на базі РИТЭГов (радіоізотопних термоелектричних генераторів), але для здійснення міжпланетних, а тим більше міжзоряних перельотів такі установки малоперспективні. Величезний потенціал у двигунів, що працюють на ядерному синтезі. Вже на сьогоднішньому етапі розвитку науки і техніки цілком реалізовується імпульсна установка, в якій, подібно проекту «Оріон», під днищем ракети будуть підривати термоядерні заряди. Втім, і здійснення керованого ядерного синтезу багато фахівців вважають справою недалекого майбутнього.

Достоїнства і недоліки ЯРД

До безперечних переваг використання ядерних двигунів в якості силових агрегатів для космічних літальних апаратів слід віднести їх високу енергетичну ефективність, забезпечує високий питомий імпульс і хороші тягові показники (до тисячі тонн у безповітряному просторі), значний енергозапас при автономній роботі. Сучасний рівень науково-технічного розвитку дозволяє забезпечити порівняльну компактність такої установки. Основний недолік ЯРД, що послужив причиною згортання проектно-дослідницьких робіт – висока радіаційна небезпека. Це особливо актуально при проведенні наземних вогневих тестів в результаті яких можливе потрапляння в атмосферу разом з робочим тілом і радіоактивних газів, сполук урану та його ізотопів, і руйнівний вплив проникаючої радіації. З цих же причин неприйнятний старт космічного корабля, обладнаного ядерним двигуном, безпосередньо з поверхні Землі.

Теперішнє і майбутнє

За запевненням академіка РАН, генерального директора «Центру Келдиша» Анатолія Коротеева, принципово новий тип ядерного двигуна в Росії буде створений вже найближчим часом. Суть підходу полягає в тому, що енергія космічного реактора буде спрямована не на безпосередній нагрівання робочого тіла і формування реактивного струменя, а для виробництва електрики. Роль рушія в установці відводиться плазмового двигуна, питома тяга якого в 20 разів перевищує тягу існуючих на сьогоднішній день хімічних реактивних апаратів. Головним підприємством проекту виступає підрозділ держкорпорації «Росатом» АТ «НДІКІЕТ» (Москва). Повномасштабні макетні тести були успішно пройдено ще в 2015 році на базі НВО «Машинобудування» (Реутов). Датою початку льотно-конструкторських випробувань ядерної енергоустановки названий листопад нинішнього року. Найважливіші елементи системи повинні будуть пройти перевірку, в тому числі і на борту МКС. Функціонування нового російського ядерного двигуна відбувається по замкнутому циклу, що повністю виключає попадання радіоактивних речовин в навколишнє простір. Масові та габаритні характеристики основних елементів енергетичної установки забезпечують її використання з існуючими вітчизняними ракетоносителями «Протон» і «Ангара».