© Oksana Viktorova/Koliažas/Ridus

Vladimiro Putino pareiškimas per savo kalbą Federalinė asamblėja, atominiu varikliu varomos sparnuotosios raketos buvimas Rusijoje sukėlė jaudulio audrą visuomenėje ir žiniasklaidoje. Tuo pačiu metu tiek plačiajai visuomenei, tiek specialistams dar visai neseniai buvo gana mažai žinoma, kas yra toks variklis ir jo panaudojimo galimybės.

„Reedus“ bandė išsiaiškinti, ką techninis prietaisas prezidentas galėjo kalbėti ir kuo jis buvo išskirtinis.

Atsižvelgiant į tai, kad pristatymas Manieže nebuvo skirtas auditorijai technikos specialistai, o „plačiajai“ visuomenei jo autoriai galėjo leisti tam tikrą sąvokų pakeitimą, neatmeta Nacionalinio mokslinių tyrimų Branduolinio universiteto MEPhI Branduolinės fizikos ir technologijos instituto direktoriaus pavaduotojas Georgijus Tikhomirovas.

„Tai, ką sakė ir parodė prezidentas, ekspertai vadina kompaktinėmis elektrinėmis, su kuriomis iš pradžių buvo eksperimentuojami aviacijos, o vėliau – giluminio kosmoso tyrinėjimai. Tai buvo bandymai išspręsti neišsprendžiamą pakankamo degalų tiekimo problemą skrendant neribotais atstumais. Šia prasme pateikimas yra visiškai teisingas: tokio variklio buvimas užtikrina savavališką energijos tiekimą raketos ar bet kurio kito įrenginio sistemoms. ilgam laikui“ – pasakė jis Reedusui.

Darbas su tokiu varikliu SSRS pradėtas lygiai prieš 60 metų, vadovaujant akademikams M. Keldyšui, I. Kurchatovui ir S. Korolevui. Tais pačiais metais panašių darbų buvo atliekami JAV, tačiau buvo nutraukti 1965 m. SSRS darbas tęsėsi dar apie dešimtmetį, kol jis taip pat buvo laikomas nereikšmingu. Galbūt todėl Vašingtonas per daug nereagavo, sakydamas, kad Rusijos raketos pristatymas jų nenustebino.

Rusijoje idėja branduolinis variklis niekada nemirė – ypač nuo 2009 m., praktinis tokios instaliacijos kūrimas vyksta. Sprendžiant iš laiko, prezidentės paskelbti testai puikiai tinka bendras projektas„Roscosmos“ ir „Rosatom“ – kadangi kūrėjai planavo atlikti variklio lauko bandymus 2018 m. Galbūt dėl ​​politinių priežasčių jie šiek tiek pasistūmėjo ir perkėlė terminus „į kairę“.

„Technologiškai jis suprojektuotas taip, kad atominis blokas šildytų dujinį aušinimo skystį. Ir šios įkaitusios dujos arba sukasi turbiną, arba sukuria reaktyvinė trauka tiesiogiai. Tam tikras gudrumas pristatant raketą, kurį girdėjome, yra tai, kad jos skrydžio nuotolis nėra begalinis: jį riboja darbinio skysčio – skystųjų dujų, kurias fiziškai galima pumpuoti į raketos bakus, tūris“, – sako specialistas.

Tuo pačiu metu kosminė raketa ir sparnuotoji raketa turi iš esmės skirtingos schemos skrydžio valdymas, nes jie turi skirtingas užduotis. Pirmasis skrenda beorėje erdvėje, jam nereikia manevruoti – užtenka duoti pradinį impulsą, o tada jis juda apskaičiuota balistine trajektorija.

Kita vertus, sparnuotoji raketa turi nuolat keisti savo trajektoriją, o tam turi turėti pakankamai degalų, kad sukurtų impulsus. Ar šį kurą uždegs atominė elektrinė, ar tradicinė, šiuo atveju nėra svarbu. Svarbu tik šio kuro tiekimas, – pabrėžia M. Tichomirovas.

„Branduolinio įrenginio prasmė skrendant į gilųjį kosmosą yra energijos šaltinio buvimas laive, kuris neribotą laiką maitina įrenginio sistemas. Šiuo atveju gali būti ne tik branduolinis reaktorius, bet ir radioizotopiniai termoelektriniai generatoriai. Bet tokios instaliacijos prasmė ant raketos, kurios skrydis truks ne ilgiau kaip kelias dešimtis minučių, man dar nėra iki galo aiški“, – prisipažįsta fizikas.

„Manege“ ataskaita pavėluota tik kelias savaites, palyginti su NASA vasario 15 d. pranešimu, kad amerikiečiai atnaujina branduolinio raketinio variklio, kurį apleido prieš pusę amžiaus, tyrimus.

Beje, 2017 metų lapkritį Kinijos aviacijos ir kosmoso mokslo ir technologijų korporacija (CASC) paskelbė, kad iki 2045 metų Kinijoje bus sukurtas branduoliniu varikliu varomas erdvėlaivis. Todėl šiandien galime drąsiai teigti, kad prasidėjo pasaulinės branduolinės jėgos lenktynės.

Būkite atsargūs, yra daug raidžių.

Iki 2025 metų Rusijoje planuojama sukurti erdvėlaivio su branduoline varomąja sistema (AE) skrydžio modelį. Atitinkamas darbas yra įtrauktas į federalinį projektą kosmoso programa 2016–2025 metams (FKP-25), „Roscosmos“ išsiuntė tvirtinti ministerijoms.

Planuojant didelio masto tarpplanetines ekspedicijas, branduolinės energetikos sistemos laikomos pagrindiniais perspektyviais energijos šaltiniais erdvėje. Ateityje atominė elektrinė, kurią šiuo metu kuria „Rosatom“ įmonės, galės tiekti megavatų galią kosmose.

Visi atominės elektrinės kūrimo darbai vyksta pagal numatytus terminus. Su dideliu pasitikėjimu galime teigti, kad darbai bus atlikti laiku, numatytu tikslinėje programoje“, – sako valstybinės korporacijos „Rosatom“ komunikacijos skyriaus projektų vadovas Andrejus Ivanovas.

Už nugaros Pastaruoju metu pagal projektą du svarbius etapus: sukurtas unikalus kuro elemento dizainas, užtikrinantis veikimą esant aukštai temperatūrai, dideliems temperatūros gradientams ir didelėms radiacijos dozėms. Taip pat sėkmingai baigti būsimojo kosminio bloko reaktoriaus indo technologiniai bandymai. Atliekant šiuos bandymus, korpusas buvo veikiamas perteklinio slėgio ir buvo atlikti 3D matavimai netauriojo metalo, žiedo srityse. suvirintos jungties ir kūginis perėjimas.

Veikimo principas. Kūrybos istorija.

Su branduoliniu reaktoriumi, skirtu naudoti kosmose, nėra jokių esminių sunkumų. Laikotarpiu nuo 1962 iki 1993 metų mūsų šalyje buvo sukaupta didžiulė panašių įrenginių gamybos patirtis. Panašūs darbai buvo atlikti JAV. Nuo septintojo dešimtmečio pradžios kelių tipų elektros reaktyviniai varikliai: jonų, stacionari plazma, anodo sluoksnio variklis, impulsinis plazminis variklis, magnetoplazma, magnetoplazmodinamika.

Darbas kuriant branduolinius variklius erdvėlaivis buvo aktyviai vykdomi SSRS ir JAV praėjusiame amžiuje: amerikiečiai projektą uždarė 1994 m., SSRS – 1988 m. Darbus užbaigti labai palengvino Černobylio katastrofa, kuri neigiamai paveikė visuomenės nuomonę apie atominė energija. Be to, branduolinių įrenginių bandymai kosmose ne visada vykdavo taip, kaip planuota: 1978 metais sovietinis palydovas Kosmos-954 pateko į atmosferą ir subyrėjo, išsklaidydamas tūkstančius radioaktyvių fragmentų 100 tūkstančių kvadratinių metrų plote. km šiaurės vakarų Kanadoje. Sovietų Sąjunga sumokėta Kanadai pinigine kompensacija daugiau nei 10 mln.

1988 m. gegužę dvi organizacijos – Amerikos mokslininkų federacija ir Sovietų mokslininkų komitetas už taiką prieš branduolinę grėsmę – pateikė bendrą pasiūlymą uždrausti branduolinės energijos naudojimą kosmose. Toks pasiūlymas nesulaukė jokių formalių pasekmių, tačiau nuo to laiko nė viena šalis nepaleido erdvėlaivio su atominėmis elektrinėmis.

Dideli projekto privalumai yra praktiškai svarbūs veikimo charakteristikos- ilgas tarnavimo laikas (10 eksploatavimo metų), didelis kapitalinio remonto intervalas ir ilgas veikimo laikas vienu jungikliu.

2010 m. buvo suformuluoti techniniai projekto pasiūlymai. Dizainas prasidėjo šiais metais.

Atominėje elektrinėje yra trys pagrindiniai įrenginiai: 1) reaktoriaus įrenginys su darbiniu skysčiu ir pagalbiniais įrenginiais (šilumokaičiu-rekuperatoriumi ir turbogeneratoriumi-kompresoriumi); 2) elektrinė raketinė varomoji sistema; 3) šaldytuvas-emiteris.

Reaktorius.

Fiziniu požiūriu tai yra kompaktiškas dujomis aušinamas greitųjų neutronų reaktorius.
Naudojamas kuras yra urano junginys (dioksidas arba karbonitridas), tačiau kadangi konstrukcija turi būti labai kompaktiška, urano izotopu 235 yra didesnis sodrinimas nei įprastų (civilinių) atominių elektrinių kuro strypuose, galbūt daugiau nei 20%. O jų apvalkalas yra monokristalinis ugniai atsparių metalų lydinys molibdeno pagrindu.

Šis kuras turės veikti labai aukšta temperatūra. Todėl reikėjo pasirinkti medžiagas, kurios galėtų turėti neigiamų faktorių, susijusių su temperatūra, ir tuo pačiu leisti kurui atlikti pagrindinę savo funkciją – šildyti aušinimo skysčio dujas, kurios bus naudojamos elektros gamybai.

Šaldytuvas.

Eksploatuojant branduolinį įrenginį, dujų aušinimas yra būtinas. Kaip išmesti šilumą kosmose? Vienintelė galimybė yra aušinimas spinduliuote. Įkaitęs paviršius tuštumoje atvėsta, į jį skleisdamas elektromagnetines bangas Platus pasirinkimas, įskaitant matoma šviesa. Projekto išskirtinumas – naudojamas specialus aušinimo skystis – helio-ksenono mišinys. Montavimas užtikrina aukštą efektyvumą.

Variklis.

Jonų variklio veikimo principas yra toks. Dujų išlydžio kameroje naudojant anodus ir katodo bloką, esantį magnetiniame lauke, sukuriama išretinta plazma. Iš jo darbinio skysčio (ksenono ar kitos medžiagos) jonai „ištraukiami“ emisijos elektrodu ir pagreitinami tarpe tarp jo ir greitinančio elektrodo.

Planui įgyvendinti 2010–2018 metais buvo pažadėta 17 mlrd. Iš šių lėšų 7,245 mlrd. rublių buvo skirta valstybinei „Rosatom“ korporacijai pačiam reaktoriui sukurti. Dar 3,955 mlrd. – FSUE „Keldysh Center“ atominės elektrinės varomosios jėgainės sukūrimui. Dar 5,8 milijardo rublių atiteks RSC Energia, kur per tą patį laikotarpį turės būti suformuota viso transporto ir energetikos modulio darbinė išvaizda.

Pagal planus, iki 2017 m. pabaigos bus parengta branduolinės energijos varomoji sistema transporto ir energetikos moduliui (tarpplanetiniam perdavimo moduliui) užbaigti. Iki 2018 metų pabaigos atominė elektrinė bus paruošta skrydžio bandymams. Projektas finansuojamas iš federalinio biudžeto.

Ne paslaptis, kad branduolinių raketų variklių kūrimo darbai prasidėjo JAV ir SSRS dar praėjusio amžiaus 60-aisiais. Kaip toli jie atėjo? O su kokiomis problemomis susidūrėte kelyje?

Anatolijus Korotejevas: Iš tiesų, branduolinės energijos panaudojimo kosmose darbai buvo pradėti ir aktyviai vykdomi čia ir JAV 1960–70-aisiais.

Iš pradžių buvo keliamas uždavinys sukurti raketinius variklius, kurie vietoj cheminės kuro ir oksidatoriaus degimo energijos naudotų vandenilio kaitinimą iki maždaug 3000 laipsnių temperatūros. Tačiau paaiškėjo, kad toks tiesus kelias vis tiek buvo neveiksmingas. Esame įjungę trumpam laikui Mes gauname didelę trauką, bet tuo pačiu metu išleidžiame čiurkšlę, kuri, esant nenormaliam reaktoriaus darbui, gali pasirodyti radioaktyviai užteršta.

Buvo sukaupta šiek tiek patirties, tačiau nei mes, nei amerikiečiai nesugebėjome sukurti patikimų variklių. Jie dirbo, bet nedaug, nes kaitinti vandenilį iki 3000 laipsnių branduoliniame reaktoriuje – rimta užduotis. Be to, atliekant tokių variklių antžeminius bandymus, iškilo aplinkosaugos problemų, nes į atmosferą buvo išleistos radioaktyvios srovės. Jau ne paslaptis, kad toks darbas buvo atliktas specialiai branduoliniams bandymams paruoštoje Semipalatinsko poligone, kuris liko Kazachstane.

Tai yra, du parametrai pasirodė svarbūs - ekstremali temperatūra ir radiacijos emisija?

Anatolijus Korotejevas: Apskritai, taip. Dėl šių ir kai kurių kitų priežasčių darbas mūsų šalyje ir JAV buvo sustabdytas arba sustabdytas – tai galima vertinti įvairiai. Ir mums atrodė neprotinga jas atnaujinti taip, sakyčiau, stačia galva, norint pagaminti branduolinį variklį su visais jau minėtais trūkumais. Mes pasiūlėme visiškai kitokį požiūrį. Nuo senojo jis skiriasi taip pat, kaip hibridinis automobilis skiriasi nuo įprasto. Įprastame automobilyje variklis suka ratus, tačiau hibridiniuose automobiliuose iš variklio susidaro elektra, o ši elektra suka ratus. Tai yra, kuriama kažkokia tarpinė elektrinė.

Taigi pasiūlėme schemą, pagal kurią kosminis reaktorius ne šildo iš jo išmetamą čiurkšlę, o gamina elektros energiją. Karštos dujos iš reaktoriaus suka turbiną, turbina – elektros generatorių ir kompresorių, kuris uždaru kontūru cirkuliuoja darbinį skystį. Generatorius gamina elektros energiją plazminiam varikliui, kurios specifinė trauka yra 20 kartų didesnė nei cheminių analogų.

Sudėtinga schema. Iš esmės tai yra maža atominė elektrinė kosmose. O kokie yra jo pranašumai prieš reaktyvinį branduolinį variklį?

Anatolijus Korotejevas: Svarbiausia, kad iš naujojo variklio išeinanti srovė nebus radioaktyvi, nes per reaktorių, kuris yra uždaroje grandinėje, praeina visiškai kitoks darbinis skystis.

Be to, naudojant šią schemą, mums nereikia kaitinti vandenilio iki draudžiamų verčių: reaktoriuje cirkuliuoja inertiškas darbinis skystis, kuris įkaista iki 1500 laipsnių. Mes patys viską labai palengviname. Ir dėl to savitąją trauką padidinsime ne du kartus, o 20 kartų, lyginant su cheminiais varikliais.

Svarbus ir kitas dalykas: nereikia atlikti sudėtingų pilno masto bandymų, kuriems reikalinga buvusios Semipalatinsko poligono infrastruktūra, ypač Kurchatovo mieste išlikusi bandymų stendo bazė.

Mūsų atveju visi reikalingi bandymai gali būti atlikti Rusijos teritorijoje, neįtraukiant į ilgas tarptautines derybas dėl branduolinės energijos naudojimo už savo valstybės sienų.

Ar panašūs darbai šiuo metu vyksta kitose šalyse?

Anatolijus Korotejevas: Turėjau susitikimą su NASA vadovo pavaduotoju, aptarėme klausimus, susijusius su grįžimu prie atominės energijos kosmose, ir jis sakė, kad amerikiečiai tuo labai domisi.

Visai įmanoma, kad Kinija gali atsakyti aktyvūs veiksmai iš mūsų pusės, todėl turime dirbti greitai. Ir ne tik dėl to, kad būtume ką nors puse žingsnio priekyje.

Reikia dirbti greitai, pirmiausia tam, kad besiformuojančiame tarptautiniame bendradarbiavime atrodytume padoriai, o de facto jis formuojasi.

Neatmetu, kad artimiausiu metu gali būti inicijuota tarptautinė atominės erdvės elektrinės programa, panaši į šiuo metu vykdomą valdomos termobranduolinės sintezės programą.

Branduolinis raketinis variklis – tai raketinis variklis, kurio veikimo principas pagrįstas branduoline reakcija arba radioaktyviuoju skilimu, kurio metu išsiskiria energija, kuri šildo darbinį skystį, kuris gali būti reakcijos produktai ar kokia kita medžiaga, pavyzdžiui, vandenilis.

Pažvelkime į galimybes ir veikimo principus...

Yra keli raketų variklių tipai, kuriuose naudojamas aukščiau aprašytas veikimo principas: branduolinis, radioizotopinis, termobranduolinis. Naudojant branduolinius raketų variklius, galima gauti specifinių impulsų vertes, žymiai didesnes nei tas, kurias galima pasiekti naudojant cheminius raketų variklius. Didelė specifinio impulso reikšmė paaiškinama dideliu darbinio skysčio nutekėjimo greičiu – apie 8-50 km/s. Branduolinio variklio traukos jėga prilygsta cheminių variklių traukai, todėl ateityje bus galima visus cheminius variklius pakeisti branduoliniais.

Pagrindinė kliūtis kelyje pilnas pakeitimas yra radioaktyvioji tarša aplinką, kurią sukelia branduoliniai raketų varikliai.

Jie skirstomi į du tipus – kietąją ir dujinę fazę. Pirmojo tipo varikliuose skilioji medžiaga dedama į išvystyto paviršiaus strypų mazgus. Tai leidžia efektyviai šildyti dujinį darbinį skystį, paprastai vandenilis veikia kaip darbinis skystis. Srauto greitis yra ribotas maksimali temperatūra darbinis skystis, kuris, savo ruožtu, tiesiogiai priklauso nuo maksimumo leistina temperatūra konstrukcinių elementų, o ji neviršija 3000 K. Dujinės fazės branduoliniuose raketiniuose varikliuose skiliosios medžiagos yra dujinės būsenos. Jo išlaikymas darbo zona atliekami veikiant elektromagnetiniam laukui. Šio tipo branduoliniams raketiniams varikliams konstrukciniai elementai nėra ribojantis veiksnys, todėl darbinio skysčio išmetimo greitis gali viršyti 30 km/s. Jie gali būti naudojami kaip pirmosios pakopos varikliai, nepaisant skiliųjų medžiagų nuotėkio.

70-aisiais XX amžiuje JAV ir Sovietų Sąjungoje buvo aktyviai bandomi branduoliniai raketų varikliai, kurių skiliosios medžiagos yra kietojoje fazėje. Jungtinėse Amerikos Valstijose buvo kuriama programa, skirta sukurti eksperimentinį branduolinį raketinį variklį, kuris yra NERVA programos dalis.

Amerikiečiai sukūrė grafito reaktorių, aušinamą skystu vandeniliu, kuris buvo šildomas, išgarinamas ir išmetamas per raketos antgalį. Grafitas buvo pasirinktas dėl jo atsparumo temperatūrai. Pagal šį projektą susidariusio variklio savitasis impulsas turėjo būti dvigubai didesnis nei atitinkamas cheminių variklių, kurių trauka 1100 kN, rodiklis. Reaktorius „Nerva“ turėjo veikti kaip trečiosios nešančiosios raketos „Saturn V“ pakopos dalis, tačiau dėl Mėnulio programos uždarymo ir kitų užduočių trūkumo šios klasės raketiniams varikliams reaktorius niekada nebuvo išbandytas praktiškai.

Dujinės fazės branduolinis raketinis variklis šiuo metu yra teorinėje kūrimo stadijoje. Dujų fazės branduolinis variklis apima plutonio naudojimą, kurio lėtai judantis dujų srautas yra apsuptas greitesnio aušinimo vandenilio srauto. MIR ir ISS orbitinėse kosminėse stotyse buvo atlikti eksperimentai, kurie galėtų paskatinti tolesnę dujų fazės variklių plėtrą.

Šiandien galime pasakyti, kad Rusija šiek tiek „įšaldė“ savo mokslinius tyrimus branduolinių varomųjų sistemų srityje. Rusijos mokslininkų darbas labiau orientuotas į pagrindinių atominių elektrinių komponentų ir mazgų kūrimą ir tobulinimą bei jų suvienodinimą. Prioritetinė tolesnių šios srities tyrimų kryptis yra branduolinės energijos varomųjų sistemų, galinčių veikti dviem režimais, sukūrimas. Pirmasis yra branduolinės raketos variklio režimas, o antrasis yra elektros energijos gamybos režimas, skirtas maitinti erdvėlaivyje sumontuotą įrangą.

Skeptikai teigia, kad branduolinio variklio sukūrimas nėra didelė pažanga mokslo ir technikos srityje, o tik „garo katilo modernizavimas“, kai vietoj anglies ir malkų kuro vaidmenį atlieka uranas, o vandenilis. darbinis skystis. Ar NRE (branduolinis reaktyvinis variklis) toks beviltiškas? Pabandykime tai išsiaiškinti.

Pirmosios raketos

Visus žmonijos pasiekimus tyrinėjant artimą Žemės erdvę galima drąsiai priskirti cheminiams reaktyviniams varikliams. Darbas tokių jėgos agregatai- energijos konvertavimas cheminė reakcija kuro deginimas oksidatoriuje į reaktyvinės srovės, taigi ir raketos, kinetinę energiją. Naudojamas kuras – žibalas, skystas vandenilis, heptanas (skysta kuro raketiniams varikliams (LPRE)) ir polimerizuotas amonio perchlorato, aliuminio ir geležies oksido mišinys (kietojo kuro raketiniams varikliams (SRRE)).

Visiems žinoma, kad pirmosios fejerverkams naudojamos raketos pasirodė Kinijoje antrajame amžiuje prieš Kristų. Jie pakilo į dangų dėl miltelinių dujų energijos. Vokiečių ginklanešio Konrado Haaso (1556), lenkų generolo Kazimiro Semenovičiaus (1650), rusų generolo leitenanto Aleksandro Zasjadkos teoriniai tyrimai įnešė svarų indėlį plėtojant raketų techniką.

Amerikiečių mokslininkas Robertas Goddardas gavo patentą už pirmosios skysto kuro raketos išradimą. Jo 5 kg svorio ir apie 3 m ilgio aparatas, varomas benzinu ir skystu deguonimi, 1926 m. užtruko 2,5 s. nuskrido 56 metrus.

Siekdamas greičio

Rimtas eksperimentinis darbas Serijiniai cheminiai reaktyviniai varikliai buvo pradėti kurti praėjusio amžiaus 30-aisiais. Sovietų Sąjungoje V. P. Gluško ir F. A. Tsanderis pagrįstai laikomi raketų variklių konstravimo pradininkais. Jiems dalyvaujant buvo sukurti jėgos agregatai RD-107 ir RD-108, kurie užtikrino SSRS pirmumą kosmoso tyrinėjimuose ir padėjo pagrindą būsimai Rusijos lyderystei pilotuojamo kosmoso tyrinėjimo srityje.

Modernizuojant skysčio-turbininį variklį paaiškėjo, kad teorinis Maksimalus greitis reaktyvinis srautas negalės viršyti 5 km/s. To gali pakakti tyrinėti artimą Žemės erdvę, tačiau skrydžiai į kitas planetas, o juo labiau į žvaigždes, žmonijai liks tikra svajonė. Dėl to jau praėjusio amžiaus viduryje pradėjo atsirasti alternatyvių (ne cheminių) raketinių variklių projektai. Populiariausi ir perspektyviausi buvo įrenginiai, naudojantys branduolinių reakcijų energiją. Pirmieji eksperimentiniai branduolinių kosminių variklių (NRE) pavyzdžiai Sovietų Sąjungoje ir JAV buvo išbandyti dar 1970 m. Tačiau po Černobylio katastrofa spaudžiant visuomenei, darbas šioje srityje buvo sustabdytas (SSRS 1988 m., JAV - nuo 1994 m.).

Atominių elektrinių darbas grindžiamas tais pačiais principais kaip ir termocheminės. Vienintelis skirtumas yra tas, kad darbinis skystis šildomas naudojant branduolinio kuro skilimo arba susiliejimo energiją. Tokių variklių energijos vartojimo efektyvumas gerokai lenkia cheminius. Pavyzdžiui, energija, kurią gali išskirti 1 kg geriausio kuro (berilio ir deguonies mišinio), yra 3 × 107 J, o polonio izotopų Po210 ši vertė yra 5 × 1011 J.

Branduoliniame variklyje išsiskirianti energija gali būti naudojama įvairiais būdais:

kaitinant darbinį skystį, išsiskiriantį per purkštukus, kaip ir tradiciniame skystojo kuro raketiniame variklyje, po pavertimo elektra, jonizuojančias ir greitinančias darbinio skysčio daleles, sukuriant impulsą tiesiogiai dalijimosi ar sintezės produktais Net paprastas vanduo gali veikti kaip a darbinis skystis, bet alkoholio naudojimas bus daug efektyvesnis, amoniakas arba skystas vandenilis. Priklausomai nuo kuro agregacijos reaktoriui, branduoliniai raketų varikliai skirstomi į kietąją, skystąją ir dujinę fazę. Labiausiai išvystytas branduolinis varomasis variklis yra su kietosios fazės dalijimosi reaktoriumi, kaip kurą naudojant kuro strypus (kuro elementus), naudojamus atominėse elektrinėse. Pirmasis toks variklis, kaip Amerikos Nerva projekto dalis, buvo išbandytas ant žemės 1966 m., veikė apie dvi valandas.

Dizaino elementai

Bet kurio branduolinio branduolio centre kosminis variklis yra reaktorius, sudarytas iš šerdies ir berilio reflektoriaus, esančio maitinimo korpuse. Degiosios medžiagos, dažniausiai urano U238, prisodrinto U235 izotopais, atomų dalijimasis vyksta šerdyje. Pateikti branduolinio skilimo procesą tam tikros savybės, čia taip pat įsikūrę moderatoriai – ugniai atsparus volframas arba molibdenas. Jei moderatorius yra įtrauktas į kuro strypus, reaktorius vadinamas vienalyčiu, o jei jis yra atskirai, jis vadinamas heterogeniniu. Branduoliniame variklyje taip pat yra darbinio skysčio tiekimo blokas, valdikliai, apsauga nuo šešėlinės radiacijos ir antgalis. Struktūriniai elementai o reaktoriaus komponentai, patiriantys dideles šilumines apkrovas, aušinami darbiniu skysčiu, kuris vėliau turbosiurblio bloku pumpuojamas į kuro rinkles. Čia jis įkaista iki beveik 3000˚C. Tekant pro antgalį darbinis skystis sukuria srovės trauką.

Įprasti reaktoriaus valdikliai yra valdymo strypai ir sukamosios plokštelės, pagamintos iš neutronus sugeriančios medžiagos (boro arba kadmio). Strypai dedami tiesiai į aktyviąją zoną arba specialiose reflektoriaus nišose, o sukamieji būgnai – reaktoriaus periferijoje. Judinant strypus ar sukant būgnus, keičiamas skiliųjų branduolių skaičius per laiko vienetą, reguliuojant reaktoriaus energijos išsiskyrimo lygį, taigi ir jo šiluminę galią.

Siekiant sumažinti visoms gyvoms būtybėms pavojingos neutronų ir gama spinduliuotės intensyvumą, energetikos pastate yra dedami pirminiai reaktoriaus apsaugos elementai.

Padidėjęs efektyvumas

Skystosios fazės branduolinis variklis pagal veikimo principą ir konstrukciją yra panašus į kietosios fazės variklius, tačiau skysta kuro būsena leidžia padidinti reakcijos temperatūrą, taigi ir maitinimo bloko trauką. Taigi, jei cheminių agregatų (skysto turboreaktyvinių variklių ir kietojo kuro raketų variklių) didžiausias savitasis impulsas (reaktyvinio srauto greitis) yra 5 420 m/s, kietosios fazės branduoliniams varikliams ir 10 000 m/s yra toli nuo ribos, tada vidutinė šio rodiklio reikšmė dujinės fazės branduolinio kuro varikliams svyruoja nuo 30 000 iki 50 000 m/s.

Yra dviejų tipų dujų fazės branduolinių variklių projektai:

Atviras ciklas, kurio metu branduolinė reakcija vyksta plazmos debesyje iš laikomo darbinio skysčio elektromagnetinis laukas ir sugeria visą generuojamą šilumą. Temperatūra gali siekti kelias dešimtis tūkstančių laipsnių. Šiuo atveju aktyvioji sritis yra apsupta karščiui atsparios medžiagos (pavyzdžiui, kvarco) - branduoline lempa, kuri laisvai perduoda skleidžiamą energiją Antrojo tipo įrenginiuose reakcijos temperatūra bus apribota lydymosi temperatūra kolbos medžiagos. Tuo pačiu šiek tiek sumažinamas branduolinio kosminio variklio energetinis efektyvumas (savitasis impulsas iki 15 000 m/s), tačiau padidėja efektyvumas ir radiacinė sauga.

Praktiniai pasiekimai

Formaliai elektrinės išradėjas ant atominė energija yra laikomas amerikiečių mokslininkas ir fizikas Richardas Feynmanas. 1955 metais Los Alamos tyrimų centre (JAV) buvo pradėtas plataus masto darbas, susijęs su erdvėlaivių branduolinių variklių kūrimu ir kūrimu pagal Rover programą. Amerikiečių išradėjai pirmenybę teikė įrenginiams su vienalyčiu branduoliniu reaktoriumi. Pirmasis eksperimentinis „Kiwi-A“ pavyzdys buvo surinktas gamykloje branduolinio centro Albukerke (Naujoji Meksika, JAV) ir išbandytas 1959 m. Reaktorius buvo pastatytas vertikaliai ant stovo su antgaliu į viršų. Bandymų metu į atmosferą buvo paleistas įkaitintas panaudoto vandenilio srautas. Ir nors rektorius dirbo mažai energijos tik apie 5 minutes, sėkmė įkvėpė kūrėjus.

Sovietų Sąjungoje galingą postūmį tokiems tyrimams davė 1959 m. Atominės energetikos institute įvykęs „trijų didžiųjų C“ susitikimas – kūrėjas. atominė bomba I. V. Kurchatovas, vyriausiasis Rusijos kosmonautikos teoretikas M. V. Keldysh ir generalinis sovietinių raketų konstruktorius S. P. Korolevas. Skirtingai nuo amerikietiško modelio, sovietinis variklis RD-0410, sukurtas asociacijos Khimavtomatika projektavimo biure (Voronežas), turėjo nevienalytį reaktorių. Ugnies bandymai buvo atlikti poligone netoli Semipalatinsko 1978 m.

Verta paminėti, kad buvo sukurta gana daug teorinių projektų, tačiau anksčiau praktinis įgyvendinimas tai niekada nepasiteisino. To priežastys buvo daugybė medžiagų mokslo problemų ir žmogiškųjų bei finansinių išteklių trūkumas.

Pastaba: svarbus praktinis laimėjimas buvo branduolinių lėktuvų skrydžio bandymai. SSRS perspektyviausias buvo eksperimentinis strateginis bombonešis Tu-95LAL, JAV – B-36.

Projektas „Orion“ arba impulsiniai branduolinių raketų varikliai

Skrydžiams kosmose impulsinį branduolinį variklį pirmą kartą 1945 metais pasiūlė panaudoti amerikiečių matematikas. lenkų kilmės Stanislavas Ulamas. Kitą dešimtmetį idėją plėtojo ir išgrynino T. Taylor ir F. Dyson. Esmė ta, kad mažų branduolinių užtaisų energija, detonuota tam tikru atstumu nuo stūmimo platformos raketos apačioje, suteikia jai didelį pagreitį.

1958 metais pradėto projekto „Orion“ metu buvo planuota raketą aprūpinti būtent tokiu varikliu, galinčiu nugabenti žmones į Marso paviršių arba Jupiterio orbitą. Laivapriekio skyriuje esančią įgulą nuo destruktyvaus milžiniškų pagreičių poveikio apsaugotų amortizatorius. Detalaus inžinerinio darbo rezultatas – didelio masto laivo maketo žygio bandymai skrydžio stabilumui tirti (vietoj branduolinių užtaisų buvo naudojami įprasti sprogmenys). Dėl didelių sąnaudų projektas buvo uždarytas 1965 m.

Panašias idėjas sukurti „sprogstamą orlaivį“ 1961 m. liepą išsakė sovietų akademikas A. Sacharovas. Norėdami paleisti laivą į orbitą, mokslininkas pasiūlė naudoti įprastus skystojo kuro raketų variklius.

Alternatyvūs projektai

Puiki suma projektai niekada neapsiribojo teoriniais tyrimais. Tarp jų buvo daug originalių ir daug žadančių. Pasitvirtina branduolinės elektrinės, paremtos skiliaisiais fragmentais, idėja. Dizaino elementai o šio variklio konstrukcija leidžia apsieiti visai be darbinio skysčio. Reaktyvinis srautas, užtikrinantis reikiamas traukos charakteristikas, susidaro iš panaudotos branduolinės medžiagos. Reaktorius yra pagrįstas besisukančiais diskais, kurių branduolinė masė yra subkritinė (atominio dalijimosi koeficientas). mažiau nei vienas). Kai sukasi disko sektoriuje, esančiame aktyvioje zonoje, jis paleidžiamas grandininė reakcija o irstantys didelės energijos atomai nukreipiami į variklio antgalį, suformuojant srovės srovę. Išsaugoti nepažeisti atomai dalyvaus reakcijoje per kitus kuro disko apsisukimus.

Branduolinių variklių projektai eksploatuojantiems laivams konkrečias užduotisŽemės artimoje erdvėje, remiantis RTG (radioizotopu termoelektriniai generatoriai), tačiau tokie įrenginiai yra neperspektyvūs tarpplanetiniams, o juo labiau tarpžvaigždiniams skrydžiams.

Branduolinės sintezės varikliai turi didžiulį potencialą. Jau dabartiniame mokslo ir technologijų vystymosi etape visiškai įmanomas impulsinis įrenginys, kuriame, kaip ir Oriono projekte, po raketos dugnu bus detonuojami termobranduoliniai užtaisai. Tačiau daugelis ekspertų mano, kad valdomos branduolių sintezės įgyvendinimas yra artimiausios ateities reikalas.

Branduolinių variklių privalumai ir trūkumai

Neginčijami branduolinių variklių, kaip erdvėlaivių jėgos agregatų, naudojimo pranašumai apima jų aukštus energijos vartojimo efektyvumą, užtikrinantis didelį specifinį impulsą ir geras traukos charakteristikas (iki tūkstančio tonų beorėje erdvėje), įspūdingas energijos rezervas baterijos veikimo laikas. Dabartinis mokslo ir technologijų išsivystymo lygis leidžia užtikrinti palyginamąjį tokio įrenginio kompaktiškumą.

Pagrindinis branduolinių varomųjų variklių trūkumas, dėl kurio buvo apribotas projektavimas ir moksliniai tyrimai, yra didelis radiacijos pavojus. Tai ypač aktualu atliekant antžeminius gaisro bandymus, dėl kurių kartu su darbiniu skysčiu į atmosferą gali patekti radioaktyviosios dujos, urano junginiai ir jo izotopai bei destruktyvus prasiskverbiančios spinduliuotės poveikis. Dėl tų pačių priežasčių pradžia nepriimtina erdvėlaivis, aprūpintas branduoliniu varikliu, tiesiai iš Žemės paviršiaus.

Dabartis ir ateitis

Pasak Rusijos mokslų akademijos akademiko, generalinis direktorius„Keldyšo centras“ Anatolijus Korotejevas, artimiausiu metu Rusijoje bus sukurtas iš esmės naujo tipo branduolinis variklis. Požiūrio esmė ta, kad kosminio reaktoriaus energija bus nukreipta ne tiesiogiai šildyti darbinį skystį ir formuoti reaktyvinį srautą, o gaminti elektros energiją. Varomosios jėgos vaidmuo instaliacijoje priskiriamas plazminiam varikliui, kurio savitoji trauka yra 20 kartų didesnė nei šiandien egzistuojančių cheminių reaktyvinių prietaisų trauka. Pagrindinė projekto įmonė yra valstybinės korporacijos „Rosatom“ padalinys UAB „NIKIET“ (Maskva).

Viso masto prototipų bandymai buvo sėkmingai atlikti dar 2015 m., NPO Mashinostroeniya (Reutov) pagrindu. Atominės elektrinės skrydžio bandymų pradžios data – šių metų lapkritis. Esminiai elementai ir sistemos turės būti išbandytos, taip pat ir TKS.

Naujasis rusiškas branduolinis variklis veikia pagal uždara kilpa, kuris visiškai pašalina radioaktyviųjų medžiagų patekimą į supančią erdvę. Mišios ir bendrosios charakteristikos pagrindiniai elementai elektrinė užtikrinti jo naudojimą su esamomis vietinėmis nešančiomis raketomis „Proton“ ir „Angara“.