Atommotorer. Kjernefysisk rommotor

Den første fasen er fornektelse

Den tyske raketteksperten Robert Schmucker anså V. Putins uttalelser som helt usannsynlige. "Jeg kan ikke forestille meg at russerne kan lage en liten flygende reaktor," sa eksperten i et intervju med Deutsche Welle.

Det kan de, herr Schmucker. Bare se for deg.

Den første innenlandske satellitten med et atomkraftverk ("Cosmos-367") ble skutt opp fra Baikonur tilbake i 1970. 37 brenselelementer av den lille BES-5 Buk-reaktoren, inneholdende 30 kg uran, ved en temperatur i primærkretsen på 700 ° C og en varmeutgivelse på 100 kW, ga en elektrisk kraft til installasjonen på 3 kW. Vekten på reaktoren er mindre enn ett tonn, estimert driftstid er 120-130 dager.

Eksperter vil uttrykke tvil: kraften til dette kjernefysiske "batteriet" er for lav... Men! Se på datoen: det var et halvt århundre siden.

Lav effektivitet er en konsekvens av termionisk konvertering. Med andre former for energioverføring er indikatorene mye høyere, for eksempel for kjernekraftverk er effektivitetsverdien i området 32-38%. I denne forstand er den termiske kraften til en "rom"-reaktor av spesiell interesse. 100 kW er et seriøst bud på seier.

Det er verdt å merke seg at BES-5 "Buk" ikke tilhører familien av RTG-er. Radioisotop termoelektriske generatorer konverterer energien til det naturlige forfallet av atomer av radioaktive elementer og har ubetydelig kraft. Samtidig er Buk en ekte reaktor med en kontrollert kjedereaksjon.

Den neste generasjonen av sovjetiske små reaktorer, som dukket opp på slutten av 1980-tallet, ble preget av enda mindre dimensjoner og høyere energifrigjøring. Dette var den unike Topaz: sammenlignet med Buk ble mengden uran i reaktoren tredoblet (til 11,5 kg). Termisk kraft økte med 50% og utgjorde 150 kW, den kontinuerlige driftstiden nådde 11 måneder (en reaktor av denne typen ble installert om bord på rekognoseringssatellitten Cosmos-1867).

Atomromreaktorer er en utenomjordisk form for død. Hvis kontrollen gikk tapt, oppfylte ikke "stjerneskuddet" ønsker, men kunne tilgi de "heldige" sine synder.

I 1992 ble de to gjenværende kopiene av små reaktorer av Topaz-serien solgt i USA for 13 millioner dollar.

Hovedspørsmålet er: har slike installasjoner nok kraft til å brukes som rakettmotorer? Ved å føre arbeidsfluidet (luft) gjennom den varme kjernen i reaktoren og oppnå skyvekraft ved utgangen i henhold til loven om bevaring av momentum.

Svar: nei. "Buk" og "Topaz" er kompakte atomkraftverk. For å lage en atomreaktor trengs andre midler. Men den generelle trenden er synlig for det blotte øye. Kompakte atomkraftverk har lenge blitt skapt og eksisterer i praksis.

Hvilken kraft må et atomkraftverk ha for å kunne brukes som fremdriftsmotor for et kryssermissil tilsvarende størrelsen på X-101?

Finner du ikke jobb? Multipliser tiden med makt!
(Samling av universelle tips.)

Å finne kraft er heller ikke vanskelig. N=F×V.

I følge offisielle data er Kha-101 kryssermissilene, som Kalibr-familien av missiler, utstyrt med en turbofanmotor-50 med kort levetid, og utvikler en skyvekraft på 450 kgf (≈ 4400 N). Kryssermissilets marsjfart er 0,8M, eller 270 m/s. Den ideelle beregnede effektiviteten til en turbojet-bypass-motor er 30 %.

I dette tilfellet er den nødvendige kraften til cruisemissilmotoren bare 25 ganger høyere enn den termiske kraften til Topaz-reaktoren.

Til tross for tvilen til den tyske eksperten, er opprettelsen av en kjernefysisk turbojet (eller ramjet) rakettmotor en realistisk oppgave som oppfyller kravene i vår tid.

Rakett fra helvete

"Det hele er en overraskelse - et atomdrevet kryssermissil," sa Douglas Barry, seniorstipendiat ved International Institute for Strategic Studies i London. – Denne ideen er ikke ny, de snakket om den på 60-tallet, men den møtte stort beløp hindringer."

De snakket ikke bare om det. Under tester i 1964 utviklet Tori-IIC kjernefysiske ramjetmotor en skyvekraft på 16 tonn med en reaktortermisk effekt på 513 MW. Simulering av supersonisk flyvning forbrukte installasjonen 450 tonn trykkluft på fem minutter. Reaktoren ble designet for å være veldig "varm" - driftstemperaturen i kjernen nådde 1600 °C. Designet hadde svært smale toleranser: i en rekke områder var den tillatte temperaturen bare 150-200 ° C under temperaturen der rakettelementene smeltet og kollapset.

Var disse indikatorene tilstrekkelige til å bruke atomdrevne jetmotorer som motor i praksis? Svaret er åpenbart.

Kjernefysiske ramjet utviklet mer (!) skyvekraft enn turbo-ramjet-motoren til "tre-mach" rekognoseringsflyet SR-71 "Black Bird".

"Polygon-401", kjernefysiske ramjet-tester

Eksperimentelle installasjoner "Tori-IIA" og "-IIC" er prototyper av atommotoren til SLAM-kryssermissilet.

En djevelsk oppfinnelse, som ifølge beregninger er i stand til å gjennombore 160 000 km plass i minimumshøyde med en hastighet på 3M. Bokstavelig talt "klippe ned" alle som møttes på hennes sorgfulle vei, sjokkbølge og et tordenskrall på 162 dB (dødelig verdi for mennesker).

Reaktoren til kampflyet hadde ingen biologisk beskyttelse. De sprukket trommehinnene etter SLAM-byflukten ville virke ubetydelig sammenlignet med de radioaktive utslippene fra rakettdysen. Det flygende monsteret etterlot seg en mer enn en kilometer bred sti med en stråledose på 200-300 rad. Det er anslått at SLAM forurenset 1800 kvadratkilometer med dødelig stråling på en times flytur.

Ifølge beregninger kan lengden på flyet komme opp i 26 meter. Lanseringsvekt - 27 tonn. Kamplasten var termonukleære ladninger, som måtte slippes sekvensielt på flere sovjetiske byer langs missilets flyrute. Etter å ha fullført hovedoppgaven, skulle SLAM sirkle over Sovjetunionens territorium i flere dager, og forurense alt rundt med radioaktive utslipp.

Kanskje det dødeligste av alt mennesket har prøvd å skape. Heldigvis kom det ikke til reelle lanseringer.

Prosjektet, med kodenavnet "Pluto", ble kansellert 1. juli 1964. Samtidig, ifølge en av utviklerne av SLAM, J. Craven, angret ingen av det amerikanske militære og politiske lederskapet på avgjørelsen.

Årsaken til å forlate det "lavtflygende kjernefysiske missilet" var utviklingen av interkontinentale ballistiske missiler. I stand til å forårsake nødvendig skade på kortere tid med uforlignelig risiko for militæret selv. Som forfatterne av publikasjonen i magasinet Air&Space med rette bemerket: ICBM-er drepte i det minste ikke alle som var i nærheten av bæreraketten.

Det er fortsatt ukjent hvem, hvor og hvordan planla å teste djevelen. Og hvem ville være ansvarlig hvis SLAM gikk ut av kurs og fløy over Los Angeles. Et av de sprø forslagene foreslo å binde en rakett til en kabel og kjøre den i en sirkel over øde områder av staten. Nevada. Imidlertid oppsto et annet spørsmål umiddelbart: hva skal man gjøre med raketten når de siste restene av drivstoff brenner ut i reaktoren? Stedet hvor SLAM vil "lande" vil ikke bli nærmet på århundrer.

Liv eller død. Endelig valg

I motsetning til den mystiske "Pluto" opprinnelig fra 1950-tallet, foreslår prosjektet til en moderne kjernefysisk rakett, uttrykt av V. Putin, opprettelsen effektive midlerå bryte gjennom det amerikanske missilforsvarssystemet. Gjensidig sikret ødeleggelse er det viktigste kriteriet for kjernefysisk avskrekking.

Transformasjon av den klassiske "atomtriaden" til et djevelsk "pentagram" - med inkludering av en ny generasjon leveringskjøretøyer (atomkryssermissiler med ubegrenset rekkevidde og strategiske atomtorpedoer"status-6"), kombinert med moderniseringen av ICBM-stridshoder (manøvrerende "Avangard"), er et rimelig svar på fremveksten av nye trusler. Washingtons rakettforsvarspolitikk gir ikke Moskva noe annet valg.

"Du utvikler anti-missilsystemene dine. Utvalget av anti-missiler øker, nøyaktigheten øker, disse våpnene blir forbedret. Derfor må vi svare tilstrekkelig på dette slik at vi kan overvinne systemet ikke bare i dag, men også i morgen, når du har nye våpen.»

V. Putin i et intervju med NBC.

De avklassifiserte detaljene i eksperimentene under SLAM/Pluto-programmet beviser overbevisende at opprettelsen av et kjernefysisk kryssermissil var mulig (teknisk mulig) for seks tiår siden. Moderne teknologier lar deg ta ideen din til et nytt teknisk nivå.

Sverdet ruster av løfter

Til tross for massen av åpenbare fakta som forklarer årsakene til utseendet til "presidentens supervåpen" og fjerner enhver tvil om "umuligheten" av å lage slike systemer, er det fortsatt mange skeptikere i Russland, så vel som i utlandet. "Alle våpnene som er oppført er bare et middel for informasjonskrigføring." Og så - en rekke forslag.

Sannsynligvis bør man ikke ta karikerte "eksperter" som I. Moiseev på alvor. Lederen for Space Policy Institute (?), som sa til nettpublikasjonen The Insider: «Du kan ikke sette den på en kryssermissil kjernefysisk motor. Og det finnes ingen slike motorer.»

Forsøk på å «avsløre» presidentens uttalelser blir også gjort på et mer seriøst analytisk nivå. Slike "undersøkelser" vinner umiddelbart popularitet blant den liberalsinnede offentligheten. Skeptikere gir følgende argumenter.

Alle de annonserte systemene er knyttet til strategiske topphemmelige våpen, hvis eksistens ikke er mulig å verifisere eller tilbakevise. (Beskjeden til selve forbundsforsamlingen viste datagrafikk og opptak av oppskytninger, som ikke kan skilles fra tester av andre typer kryssermissiler.) Samtidig er det ingen som snakker for eksempel om å lage en tung angrepsdrone eller en destroyer- klasse krigsskip. Et våpen som snart måtte demonstreres tydelig for hele verden.

Ifølge noen "varslere" kan den svært strategiske, "hemmelige" konteksten til meldingene indikere deres usannsynlige natur. Vel, hvis dette er hovedargumentet, hva handler da argumentet med disse menneskene om?

Det er også et annet synspunkt. Sjokkerende uttalelser om kjernefysiske missiler og ubemannede 100 knops ubåter kommer på bakgrunn av åpenbare problemer med det militærindustrielle komplekset som oppstår i implementeringen av enklere prosjekter med "tradisjonelle" våpen. Uttalelser om missiler som på en gang overgår alle eksisterende våpen står i skarp kontrast til den velkjente situasjonen med rakettvitenskap. Skeptikere nevner eksemplet med massive feil under Bulava-oppskytningen eller utviklingen av Angara-raketten, som pågikk i to tiår. Sama begynte i 1995; I sin tale i november 2017 lovet visestatsminister D. Rogozin å gjenoppta lanseringen av Angara fra kosmodromet Vostochny først i... 2021.

Og forresten, hvorfor ble Zircon, den viktigste marinesensasjonen i året før, uten oppmerksomhet? Hypersonisk missil, i stand til å slette alle eksisterende konsepter for sjøkamp.

Nyhetene om ankomsten av lasersystemer til troppene tiltrakk seg oppmerksomheten til produsenter av lasersystemer. Eksisterende rettet energivåpen ble opprettet på en omfattende base av forskning og utvikling av høyteknologisk utstyr for det sivile markedet. For eksempel er den amerikanske skipsbårne installasjonen AN/SEQ-3 LaWS en "pakke" med seks sveiselasere med en total effekt på 33 kW.

Kunngjøringen om etableringen av en superkraftig kamplaser står i kontrast mot bakgrunnen til en veldig svak laserindustri: Russland er ikke en av verdens største produsenter av laserutstyr (Coherent, IPG Photonics eller kinesiske Han "Laser Technology). Derfor , vekker den plutselige opptredenen av laservåpen med høy effekt ekte interesse blant spesialister.

Det er alltid flere spørsmål enn svar. Djevelen sitter i detaljene, men offisielle kilder gir svært lite innsikt i de nyeste våpnene. Det er ofte ikke engang klart om systemet allerede er klart for adopsjon, eller om utviklingen er på et visst stadium. Velkjente presedenser knyttet til opprettelsen av slike våpen tidligere indikerer at problemene som oppstår ikke kan løses med et knips med fingrene. Fans av tekniske innovasjoner er bekymret for valget av sted for testing av atomdrevne rakettoppskytninger. Eller metoder for kommunikasjon med undervannsdronen "Status-6" (et grunnleggende problem: radiokommunikasjon fungerer ikke under vann; under kommunikasjonsøkter blir ubåter tvunget til å stige til overflaten). Det ville vært interessant å høre en forklaring om påføringsmetodene: sammenlignet med tradisjonelle ICBM-er og SLBM-er, som er i stand til å starte og avslutte en krig innen en time, vil Status-6 ta flere dager å nå den amerikanske kysten. Når det ikke vil være noen der lenger!

Den siste kampen er over.
Er noen igjen i live?
Som svar - bare vindens hyl...

Bruk av materialer:
Air&Space Magazine (april-mai 1990)
The Silent War av John Craven

Alexander Losev

Rask utvikling av rakett- og romteknologi på 1900-tallet ble bestemt av de militærstrategiske, politiske og til en viss grad ideologiske mål og interesser til de to supermaktene - USSR og USA, og alle statlige romprogram var en fortsettelse av deres militære prosjekter, der hovedoppgaven var behov for å sikre forsvarsevne og strategisk paritet med sannsynlig fiende. Kostnadene ved å lage utstyr og driftskostnader var ikke av grunnleggende betydning da. Enorme ressurser ble bevilget til å lage bæreraketter og romfartøyer, og den 108 minutter lange flyturen til Yuri Gagarin i 1961 og TV-sendingen til Neil Armstrong og Buzz Aldrin fra månens overflate i 1969 var ikke bare triumfer av vitenskapelig og teknisk trodde, ble de også betraktet som strategiske seire i kampene under den kalde krigen.

Men etter Sovjetunionen kollapset og falt ut av kappløpet om verdensledelse, trengte dets geopolitiske motstandere, først og fremst USA, ikke lenger å gjennomføre prestisjetunge, men ekstremt kostbare romprosjekter for å bevise for hele verden den vestliges overlegenhet økonomisk system og ideologiske begreper.
På 90-tallet mistet de viktigste politiske oppgavene fra tidligere år relevans, blokkkonfrontasjon ga plass til globalisering, pragmatisme rådde i verden, så de fleste romprogrammer ble innskrenket eller utsatt bare ISS som en arv fra storskalaprosjektene til fortiden. I tillegg har vestlig demokrati gjort alle kostbare regjeringsprogrammer avhengig av valgsykluser.
Velgerstøtte, nødvendig for å få eller opprettholde makt, tvinger politikere, parlamenter og regjeringer til å lene seg mot populisme og løse kortsiktige problemer, slik at utgifter til romutforskning reduseres år etter år.
De fleste av de grunnleggende funnene ble gjort i første halvdel av det tjuende århundre, og i dag har vitenskap og teknologi nådd visse grenser, dessuten har populariteten til vitenskapelig kunnskap redusert over hele verden, og kvaliteten på undervisning i matematikk, fysikk og andre naturlige vitenskapene har blitt dårligere. Dette har blitt årsaken til stagnasjonen, også i romsektoren, de siste to tiårene.
Men nå begynner det å bli åpenbart at verden nærmer seg slutten av en ny teknologisk syklus basert på oppdagelsene fra forrige århundre. Derfor vil enhver makt som vil ha fundamentalt nye lovende teknologier på tidspunktet for endring i den globale teknologiske strukturen automatisk sikre global lederskap i minst de neste femti årene.

Grunnleggende design av en kjernefysisk fremdriftsmotor med hydrogen som arbeidsvæske

Dette realiseres både i USA, som har satt kursen for gjenoppliving av amerikansk storhet på alle aktivitetssfærer, og i Kina, som utfordrer amerikansk hegemoni, og i EU, som prøver med all kraft å opprettholde sin tyngde i den globale økonomien.
Det er en industripolitikk der og de er seriøst engasjert i utviklingen av sitt eget vitenskapelige, tekniske og produksjonspotensiale, og romsfæren kan bli den beste testplassen for å teste ny teknologi og for å bevise eller tilbakevise vitenskapelige hypoteser som kan legge grunnlaget for å skape en fundamentalt annerledes, mer avansert teknologi for fremtiden.
Og det er helt naturlig å forvente at USA blir det første landet som gjenopptar forskningsprosjekter dyp plass med mål om å skape unike innovative teknologier både innen våpen, transport og strukturelle materialer, samt innen biomedisin og telekommunikasjon
Det er sant at ikke engang USA er garantert suksess i å skape revolusjonerende teknologier. Spise høy risiko finne deg selv i en blindvei mens du forbedrer deg rakettmotorer for et halvt århundre siden basert på kjemisk drivstoff, slik Elon Musks SpaceX-selskap gjør, eller ved å lage livsstøttesystemer for lange flyvninger som ligner på de som allerede er implementert på ISS.
Kan Russland, hvis stagnasjon i romsektoren blir mer merkbar for hvert år, ta et sprang i kappløpet om fremtidig teknologisk lederskap for å forbli i supermaktsklubben, og ikke på listen over utviklingsland?
Ja, selvfølgelig kan Russland, og dessuten er det allerede tatt et merkbart skritt fremover innen kjernekraft og kjernefysiske rakettmotorteknologier, til tross for den kroniske underfinansieringen av romindustrien.
Astronautikkens fremtid er bruken av kjernekraft. For å forstå hvordan kjernefysisk teknologi og rom henger sammen, er det nødvendig å vurdere de grunnleggende prinsippene for jetfremdrift.
Så hovedtypene av moderne rommotorer er laget på prinsippene om kjemisk energi. Dette er fast brenselakseleratorer og flytende rakettmotorer, i deres forbrenningskamre går drivstoffkomponentene (drivstoff og oksidasjonsmiddel) inn i en eksoterm fysisk og kjemisk forbrenningsreaksjon, og danner en jetstrøm som sender ut tonnevis av stoff fra motordysen hvert sekund. Den kinetiske energien til strålens arbeidsfluid omdannes til en reaktiv kraft som er tilstrekkelig til å drive raketten. Den spesifikke impulsen (forholdet mellom skyvekraften som genereres og massen av drivstoffet som brukes) til slike kjemiske motorer avhenger av drivstoffkomponentene, trykket og temperaturen i forbrenningskammeret, samt molekylvekten til gassblandingen som kastes ut gjennom motordyse.
Og jo høyere temperatur på stoffet og trykket inne i forbrenningskammeret, og jo lavere molekylmassen til gassen er, jo høyere er den spesifikke impulsen, og derfor motorens effektivitet. Spesifikk impuls er en mengde bevegelse og måles vanligvis i meter per sekund, akkurat som hastighet.
I kjemiske motorer gis den høyeste spesifikke impulsen av oksygen-hydrogen og fluor-hydrogen brenselblandinger (4500–4700 m/s), men de mest populære (og praktiske å betjene) har blitt rakettmotorer som kjører på parafin og oksygen, f. for eksempel Soyuz og Musks Falcon-missiler, samt motorer som bruker usymmetrisk dimetylhydrazin (UDMH) med et oksidasjonsmiddel i form av en blanding av nitrogentetroksid og salpetersyre(Sovjetisk og russisk proton, fransk Ariane, amerikansk titan). Effektiviteten deres er 1,5 ganger lavere enn for hydrogendrivstoffmotorer, men en impuls på 3000 m/s og kraft er nok til å gjøre det økonomisk lønnsomt å produsere tonn nyttelast til bane nær jorden.
Men flyreiser til andre planeter krever mye større størrelse romskip enn alle som har blitt skapt av menneskeheten tidligere, inkludert den modulære ISS. I disse skipene er det nødvendig å sikre langsiktighet autonom tilværelse mannskaper, og en viss tilførsel av drivstoff og levetid for vedlikeholdsmotorer og motorer for manøvrer og banekorreksjon, sørger for levering av astronauter i en spesiell landingsmodul til overflaten av en annen planet, og deres retur til hovedtransportskipet, og deretter returen av ekspedisjonen til jorden.
Den akkumulerte ingeniørkunnskapen og kjemiske energien til motorer gjør det mulig å returnere til Månen og nå Mars, så det er stor sannsynlighet for at menneskeheten vil besøke den røde planeten i løpet av det neste tiåret.
Hvis vi bare stoler på eksisterende romteknologi, vil minimumsmassen til den beboelige modulen for en bemannet flytur til Mars eller til satellittene til Jupiter og Saturn være omtrent 90 tonn, som er 3 ganger mer enn måneskipene på begynnelsen av 1970-tallet , som betyr at bæreraketter for deres oppskyting i referansebaner for videre flyging til Mars vil være mye bedre enn Saturn 5 (utskytningsvekt 2965 tonn) til Apollo-måneprosjektet eller det sovjetiske luftfartsselskapet Energia (utskytningsvekt 2400 tonn). Det vil være nødvendig å lage et interplanetarisk kompleks i bane som veier opptil 500 tonn. En flytur på et interplanetarisk skip med kjemiske rakettmotorer vil kreve fra 8 måneder til 1 år i bare én retning, fordi det vil være nødvendig å utføre gravitasjonsmanøvrer, bruke gravitasjonskraften til planetene og en kolossal tilførsel av drivstoff for å i tillegg akselerere skip.
Men ved å bruke den kjemiske energien til rakettmotorer, vil ikke menneskeheten fly lenger enn til Mars eller Venus. Vi trenger forskjellige flyhastigheter for romfartøy og annen kraftigere bevegelsesenergi.

Moderne design av en kjernefysisk rakettmotor Princeton Satellite Systems

For å utforske dyp plass, er det nødvendig å øke skyvekraft-til-vekt-forholdet og effektiviteten til rakettmotoren betydelig, og derfor øke dens spesifikke impuls og levetid. Og for dette er det nødvendig å varme gassen eller arbeidsvæskestoffet inne i motorkammeret med lav atommasse til temperaturer flere ganger høyere enn den kjemiske forbrenningstemperaturen til tradisjonelle brenselblandinger, og dette kan gjøres ved hjelp av en kjernefysisk reaksjon.
Hvis, i stedet for et konvensjonelt forbrenningskammer, en atomreaktor plasseres inne i en rakettmotor, i den aktive sonen som et stoff i flytende eller gassform tilføres, vil den, oppvarmet under høyt trykk opp til flere tusen grader, begynne som skal skytes ut gjennom dysekanalen, og skaper strålekraft. Den spesifikke impulsen til en slik kjernefysisk jetmotor vil være flere ganger større enn den til en konvensjonell med kjemiske komponenter, noe som betyr at effektiviteten til både selve motoren og bæreraketten som helhet vil øke mange ganger. I dette tilfellet vil det ikke være nødvendig med et oksidasjonsmiddel for forbrenning av drivstoff, og lett hydrogengass kan brukes som et stoff som skaper jet-skyvekraft redusere massen av raketten med bedre ytelse motorkraft.
En atommotor vil være bedre enn en konvensjonell, siden den lette gassen i reaktorsonen kan varmes opp til temperaturer over 9 tusen grader Kelvin, og strålen av slik overopphetet gass vil gi en mye høyere spesifikk impuls enn konvensjonelle kjemiske motorer kan gi. . Men dette er i teorien.
Faren er ikke engang at når en utskytningsfartøy med en slik atominstallasjon skytes opp, kan det oppstå radioaktiv forurensning av atmosfæren og rommet rundt utskytningsrampen, hovedproblemet er at når høye temperaturer Selve motoren kan smelte sammen med romfartøyet. Designere og ingeniører forstår dette og har forsøkt å finne passende løsninger i flere tiår.
Kjernefysiske rakettmotorer (NRE) har allerede sin egen historie med skapelse og operasjon i verdensrommet. Den første utviklingen av kjernefysiske motorer begynte på midten av 1950-tallet, det vil si allerede før menneskelig flukt ut i verdensrommet, og nesten samtidig i både USSR og USA, og selve ideen om å bruke atomreaktorer for å varme opp arbeidet stoffet i en rakettmotor ble født sammen med de første rektorene på midten av 40-tallet, det vil si for mer enn 70 år siden.
I vårt land var initiativtakeren til opprettelsen av kjernefysisk fremdrift den termiske fysikeren Vitaly Mikhailovich Ievlev. I 1947 presenterte han et prosjekt som ble støttet av S. P. Korolev, I. V. Kurchatov og M. V. Keldysh. Opprinnelig var det planlagt å bruke slike motorer for kryssermissiler, og deretter installere dem på ballistiske missiler. Utviklingen ble utført av de ledende forsvarsdesignbyråene i Sovjetunionen, samt forskningsinstitutter NIITP, CIAM, IAE, VNIINM.
Den sovjetiske atommotoren RD-0410 ble satt sammen på midten av 60-tallet ved Voronezh Chemical Automatics Design Bureau, hvor de fleste flytende rakettmotorer for romteknologi ble laget.
Hydrogen ble brukt som arbeidsvæske i RD-0410, som i flytende form passerte gjennom en "kjølekappe", som fjernet overflødig varme fra dyseveggene og hindret den i å smelte, og deretter kom inn i reaktorkjernen, hvor den ble varmet opp. til 3000K og frigjøres gjennom kanaldysene, og konverterer dermed termisk energi til kinetisk energi og skaper en spesifikk impuls på 9100 m/s.
I USA ble atomfremdriftsmotorprosjektet lansert i 1952, og den første driftsmotoren ble opprettet i 1966 og fikk navnet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). På 60- og 70-tallet prøvde Sovjetunionen og USA å ikke gi etter for hverandre.
Riktignok var både vår RD-0410 og den amerikanske NERVA fastfase kjernefysiske fremdriftsmotorer, ( kjernebrensel basert på urankarbider var i reaktoren i fast tilstand), og deres driftstemperatur var i området 2300–3100K.
For å øke temperaturen på kjernen uten risiko for eksplosjon eller smelting av reaktorveggene, er det nødvendig å skape slike kjernefysiske reaksjonsforhold der brenselet (uran) blir til en gassform eller blir til plasma og holdes inne i reaktoren. av et sterkt magnetfelt, uten å berøre veggene. Og deretter "flyter" hydrogenet som kommer inn i reaktorkjernen rundt uranet i gassfasen, og blir til plasma, kastes ut med en veldig høy hastighet gjennom dysekanalen.
Denne typen motor kalles en gassfase kjernefysisk fremdriftsmotor. Temperaturene til gassformig uranbrensel i slike kjernefysiske motorer kan variere fra 10 tusen til 20 tusen grader Kelvin, og den spesifikke impulsen kan nå 50 000 m/s, som er 11 ganger høyere enn for de mest effektive kjemiske rakettmotorene.
Opprettelsen og bruken av gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer av åpne og lukkede typer innen romteknologi er den mest lovende retningen i utviklingen av romrakettmotorer og nøyaktig hva menneskeheten trenger for å utforske planetene solsystemet og deres ledsagere.
Den første forskningen på gassfase kjernefysisk fremdriftsprosjekt startet i USSR i 1957 ved Research Institute of Thermal Processes (National Research Center oppkalt etter M. V. Keldysh), og beslutningen om å utvikle kjernefysiske romkraftverk basert på gassfase atomreaktorer ble laget i 1963 av akademiker V. P. Glushko (NPO Energomash), og deretter godkjent av en resolusjon fra CPSU sentralkomité og Ministerrådet i USSR.
Utviklingen av gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer ble utført i Sovjetunionen i to tiår, men ble dessverre aldri fullført på grunn av utilstrekkelig finansiering og behovet for ytterligere grunnleggende forskning innen termodynamikk av kjernebrensel og hydrogenplasma, nøytronfysikk og magnetohydrodynamikk.
Sovjetiske kjernefysiske forskere og designingeniører sto overfor en rekke problemer, for eksempel å oppnå kritikalitet og sikre stabiliteten i driften av en gassfase-atomreaktor, redusere tapet av smeltet uran under frigjøring av hydrogen oppvarmet til flere tusen grader, termisk beskyttelse av dysen og magnetfeltgeneratoren, og akkumulering av uran fisjonsprodukter, valg av kjemisk motstandsdyktige byggematerialer, etc.
Og da Energia-raketten begynte å bli opprettet for det sovjetiske Mars-94-programmet for den første bemannede flyturen til Mars, ble atommotorprosjektet utsatt på ubestemt tid. Sovjetunionen hadde ikke nok tid, og viktigst av alt, politisk vilje og økonomisk effektivitet, til å lande våre kosmonauter på planeten Mars i 1994. Dette ville være en ubestridelig prestasjon og bevis på vårt lederskap innen høyteknologi i løpet av de neste tiårene. Men verdensrommet, som mange andre ting, ble forrådt av den siste ledelsen i Sovjetunionen. Historien kan ikke endres, avdøde forskere og ingeniører kan ikke bringes tilbake, og tapt kunnskap kan ikke gjenopprettes. Mye vil måtte skapes på nytt.
Men romatomkraft er ikke bare begrenset til sfæren til fast- og gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer. For å skape en oppvarmet strøm av materie i en jetmotor kan du bruke elektrisk energi. Denne ideen ble først uttrykt av Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky tilbake i 1903 i hans arbeid "Utforskning av verdensrom ved bruk av jetinstrumenter."
Og den første elektrotermiske rakettmotoren i USSR ble opprettet på 1930-tallet av Valentin Petrovich Glushko, en fremtidig akademiker ved USSR Academy of Sciences og leder av NPO Energia.
Driftsprinsippene til elektriske rakettmotorer kan være forskjellige. De er vanligvis delt inn i fire typer:

• elektrotermisk (oppvarming eller lysbue). I dem varmes gassen opp til temperaturer på 1000–5000K og kastes ut av dysen på samme måte som i en kjernefysisk rakettmotor.
• elektrostatiske motorer (kolloidale og ioniske), der arbeidsstoffet først ioniseres, og deretter positive ioner (atomer uten elektroner) akselereres i et elektrostatisk felt og blir også kastet ut gjennom dysekanalen, og skaper jettrykk. Elektrostatiske motorer inkluderer også stasjonære plasmamotorer.
• magnetoplasma og magnetodynamiske rakettmotorer. Der akselereres gassplasmaet på grunn av at Ampere-kraften i de magnetiske og elektriske feltene krysser hverandre vinkelrett.
• pulsrakettmotorer, som bruker energien til gasser som følge av fordampning av en arbeidsvæske i en elektrisk utladning.

Fordelen med disse elektriske rakettmotorene er deres lave forbruk av arbeidsvæske, effektivitet opp til 60% og høy hastighet partikkelstrøm, noe som kan redusere romfartøyets masse betydelig, men det er også et minus - lav skyvetetthet, og derfor lav effekt, så vel som de høye kostnadene for arbeidsvæsken (inerte gasser eller damper) alkalimetaller) for å lage plasma.
Alle de listede typene elektriske motorer har blitt implementert i praksis og har blitt brukt gjentatte ganger i verdensrommet på både sovjetiske og amerikanske romfartøy siden midten av 60-tallet, men på grunn av deres lave effekt ble de hovedsakelig brukt som banekorreksjonsmotorer.
Fra 1968 til 1988 lanserte USSR en hel serie Cosmos-satellitter med atominstallasjoner om bord. Reaktortypene ble navngitt: "Buk", "Topaz" og "Yenisei".
Yenisei-prosjektreaktoren hadde en termisk effekt på opptil 135 kW og en elektrisk effekt på rundt 5 kW. Kjølevæsken var en natrium-kalium-smelte. Dette prosjektet ble avsluttet i 1996.
En ekte fremdriftsrakettmotor krever en veldig kraftig energikilde. Og den beste energikilden for slike rommotorer er en atomreaktor.
Atomenergi er en av de høyteknologiske næringene hvor landet vårt opprettholder en ledende posisjon. Og en fundamentalt ny rakettmotor er allerede i ferd med å lages i Russland, og dette prosjektet er nær en vellykket fullføring i 2018. Flytester er planlagt til 2020.
Og hvis gassfase kjernefysisk fremdrift er et tema for fremtidige tiår som vi må gå tilbake til etter grunnleggende forskning, så er dagens alternativ et megawatt-klasse kjernekraftfremdriftssystem (NPPU), og det er allerede opprettet av Rosatom og Roscosmos-bedrifter siden 2009.
NPO Krasnaya Zvezda, som for tiden er verdens eneste utvikler og produsent av romatomkraftverk, samt forskningssenteret oppkalt etter A. M. V. Keldysh, NIKIET im. N. A. Dollezhala, Forskningsinstituttet NPO “Luch”, “Kurchatov Institute”, IRM, IPPE, RIAR og NPO Mashinostroeniya.
Kjernekraftfremdriftssystemet inkluderer en høytemperatur gasskjølt rask nøytronkjernereaktor med et turbomaskinsystem for å konvertere termisk energi til elektrisk energi, et system av kjøleemittere for å fjerne overflødig varme ut i rommet, et instrumentrom, en støtteblokk plasma- eller ionelektriske motorer, og en beholder for å romme nyttelasten.
I et kraftfremdriftssystem tjener en atomreaktor som en kilde til elektrisitet for drift av elektriske plasmamotorer, mens gasskjølevæsken til reaktoren som passerer gjennom kjernen går inn i turbinen til den elektriske generatoren og kompressoren og går tilbake til reaktoren i en lukket sløyfe, og blir ikke kastet ut i verdensrommet som i en kjernefysisk fremdriftsmotor, noe som gjør designet mer pålitelig og trygt, og derfor egnet for bemannet romflukt.
Det er planlagt at atomkraftverket skal brukes til en gjenbrukbar romslepebåt for å sikre levering av last under utforskningen av månen eller opprettelsen av flerbruks orbitalkomplekser. Fordelen vil ikke bare være gjenbrukbar bruk av elementer i transportsystemet (som Elon Musk prøver å oppnå i sine SpaceX-romprosjekter), men også muligheten til å levere tre ganger mer last enn på raketter med kjemiske jetmotorer med sammenlignbar kraft ved å redusere utskytningsmassen til transportsystemet . Den spesielle utformingen av installasjonen gjør den trygg for mennesker og miljøet på jorden.
I 2014 ble det første standarddesignede brenselelementet (fuel element) for dette kjernefysiske elektriske fremdriftssystemet satt sammen ved JSC Mashinostroitelny Zavod i Elektrostal, og i 2016 ble det utført tester av en reaktorkjernekurvsimulator.
Nå (i 2017) arbeides det med produksjon av strukturelle elementer for installasjon og testing av komponenter og sammenstillinger på mock-ups, samt autonom testing av turbomaskin-energikonverteringssystemer og prototypekraftenheter. Fullføring av arbeidet er planlagt til slutten av neste 2018, men siden 2015 begynte etterslepet av tidsplanen å samle seg.
Så snart denne installasjonen er opprettet, vil Russland bli det første landet i verden som har kjernefysiske romteknologier, som vil danne grunnlaget ikke bare for fremtidige prosjekter for utforskning av solsystemet, men også for terrestrisk og utenomjordisk energi . Romatomkraftverk kan brukes til å lage systemer for fjernoverføring av elektrisitet til jorden eller til rommoduler ved bruk av elektromagnetisk stråling. Og dette vil også bli en avansert teknologi for fremtiden, hvor landet vårt vil ha en ledende posisjon.
Basert på de elektriske plasmamotorene som utvikles, vil det bli laget kraftige fremdriftssystemer for langdistanseflyvninger ut i verdensrommet og først og fremst for utforskning av Mars, hvis bane kan nås på bare 1,5 måneder, og ikke i mer enn ett år, som ved bruk av konvensjonelle kjemiske jetmotorer .
Og fremtiden begynner alltid med en revolusjon innen energi. Og ingenting annet. Energi er primært og det er mengden energiforbruk som påvirker teknisk fremgang, forsvarsevne og livskvaliteten til mennesker.

NASA eksperimentell plasmarakettmotor

Den sovjetiske astrofysikeren Nikolai Kardashev foreslo en skala for utvikling av sivilisasjoner tilbake i 1964. I henhold til denne skalaen avhenger nivået av teknologisk utvikling av sivilisasjoner av mengden energi som planetens befolkning bruker til sine behov. Dermed bruker type I-sivilisasjonen alle tilgjengelige ressurser tilgjengelig på planeten; Type II sivilisasjon - mottar energien til stjernen sin i systemet som den er lokalisert til; og en type III-sivilisasjon bruker den tilgjengelige energien til sin galakse. Menneskeheten har ennå ikke modnet til type I-sivilisasjon på denne skalaen. Vi bruker bare 0,16% av den totale potensielle energireserven til planeten Jorden. Dette betyr at Russland og hele verden har plass til å vokse, og disse kjernefysiske teknologiene vil åpne veien for landet vårt ikke bare til verdensrommet, men også for fremtidig økonomisk velstand.
Og kanskje det eneste alternativet for Russland på det vitenskapelige og tekniske området er å nå gjøre et revolusjonerende gjennombrudd innen kjernefysisk romteknologi for å overvinne det mangeårige etterslepet bak lederne i ett "sprang" og være rett ved opprinnelsen til en ny teknologisk revolusjon i den neste utviklingssyklusen av menneskelig sivilisasjon. En slik unik sjanse faller til et bestemt land bare en gang hvert par århundrer.
Dessverre risikerer Russland, som ikke har viet nok oppmerksomhet til grunnleggende vitenskaper og kvaliteten på høyere og videregående opplæring de siste 25 årene, å miste denne sjansen for alltid hvis programmet begrenses og en ny generasjon forskere ikke erstatter dagens forskere og ingeniører. De geopolitiske og teknologiske utfordringene Russland vil møte om 10–12 år vil være svært alvorlige, sammenlignbare med truslene på midten av det tjuende århundre. For å bevare Russlands suverenitet og integritet i fremtiden, er det nå presserende nødvendig å begynne å trene spesialister som er i stand til å svare på disse utfordringene og skape noe fundamentalt nytt.
Det er bare rundt 10 år på å forvandle Russland til et globalt intellektuelt og teknologisk senter, og dette kan ikke gjøres uten en alvorlig endring i kvaliteten på utdanningen. For et vitenskapelig og teknologisk gjennombrudd er det nødvendig å gå tilbake til utdanningssystemet (både skole og universitet) systematiske syn på verdensbildet, vitenskapelig fundamentalitet og ideologisk integritet.
Når det gjelder den nåværende stagnasjonen i romfartsindustrien, er ikke dette skummelt. De fysiske prinsippene som moderne romteknologi er basert på vil være etterspurt i lang tid i den konvensjonelle satellitttjenestesektoren. La oss huske at menneskeheten brukte seil i 5,5 tusen år, og epoken med damp varte i nesten 200 år, og først i det tjuende århundre begynte verden å endre seg raskt, fordi en annen vitenskapelig og teknologisk revolusjon fant sted, som lanserte en bølge av innovasjon og en endring i teknologiske strukturer, som til slutt endret og verdensøkonomien og politikk. Det viktigste er å være ved opprinnelsen til disse endringene.

Russland var og er fortsatt ledende innen kjernefysisk romenergi. Organisasjoner som RSC Energia og Roscosmos har erfaring med design, konstruksjon, oppskyting og drift av romfartøyer utstyrt med en kjernekraftkilde. En atommotor gjør det mulig å operere fly i mange år, noe som øker deres praktiske egnethet betydelig.

Historisk kronikk

Samtidig krever det å levere et forskningskjøretøy inn i banene til de fjerne planetene i solsystemet å øke ressursen til en slik atominstallasjon til 5-7 år. Det er bevist at et kompleks med et kjernefysisk fremdriftssystem med en effekt på omtrent 1 MW som en del av et forskningsromfartøy vil tillate akselerert levering i 5-7 år av kunstige satellitter fra de fjerneste planetene, planetariske rovere til overflaten av de naturlige satellittene til disse planetene og levering til jorden av jord fra kometer, asteroider, Merkur og satellitter fra Jupiter og Saturn.

Gjenbrukbar slepebåt (MB)

En av de viktigste måtene å øke effektiviteten av transportoperasjoner i rommet er gjenbruk av elementer i transportsystemet. En kjernefysisk motor for romfartøy med en effekt på minst 500 kW gjør det mulig å lage en gjenbrukbar slepebåt og dermed øke effektiviteten til et flerleddet romtransportsystem betydelig. Et slikt system er spesielt nyttig i et program for å gi store årlige laststrømmer. Et eksempel kan være måneutforskningsprogrammet med opprettelse og vedlikehold av en stadig voksende beboelig base og eksperimentelle teknologiske og produksjonskomplekser.

Godsomsetningsberegning

I følge designstudiene til RSC Energia, under byggingen av basen, skal moduler som veier ca. 10 tonn leveres til månens overflate, og opptil 30 tonn til månebanen. Den totale laststrømmen fra jorden under byggingen av en beboelig månebase og en besøkt månebase orbital stasjon er beregnet til 700-800 tonn, og den årlige lastestrømmen for å sikre funksjon og utvikling av basen er 400-500 tonn.

Kjernemotorens driftsprinsipp tillater imidlertid ikke transportøren å akselerere raskt nok. På grunn av den lange transporttiden og følgelig den betydelige tiden nyttelasten bruker i jordens strålingsbelter, kan ikke all last leveres med atomdrevne slepebåter. Derfor er laststrømmen som kan gis på grunnlag av atomdrevne fremdriftssystemer beregnet til kun 100-300 tonn/år.

Økonomisk effektivitet

Som et kriterium for den økonomiske effektiviteten til et interorbitalt transportsystem, er det tilrådelig å bruke verdien av den spesifikke kostnaden ved å transportere en enhetsmasse av nyttelast (PG) fra jordoverflaten til målbanen. RSC Energia har utviklet en økonomisk og matematisk modell som tar hensyn til hovedkomponentene i kostnadene i transportsystemet:

• å lage og skyte inn i bane slepebåtmoduler;
• for kjøp av en fungerende kjernefysisk installasjon;
• driftskostnader, samt FoU-kostnader og eventuelle kapitalkostnader.

Kostnadsindikatorer avhenger av de optimale parametrene til MB. Ved å bruke denne modellen, komparativ økonomisk effektivitet bruk av en gjenbrukbar slepebåt basert på et kjernefysisk fremdriftssystem med en effekt på ca 1 MW og en engangsslepebåt basert på avanserte flytende fremdriftssystemer i programmet for å sikre levering av nyttelast med en totalmasse på 100 tonn/år fra kl. jorden til månebanen i en høyde av 100 km. Ved bruk av samme utskytningsfartøy med en nyttelastkapasitet lik nyttelastkapasiteten til Proton-M utskytningsfartøyet, og en to-utskytningsordning for å konstruere et transportsystem, de spesifikke kostnadene ved å levere en nyttelastmasseenhet ved bruk av en atomdrevet slepebåt vil være tre ganger lavere enn ved bruk av engangsslepebåter basert på raketter med væskemotorer av typen DM-3.

Konklusjon

Effektiv kjernefysisk fremdrift for verdensrommet bidrar til løsning miljø problemer Jorden, menneskelig flukt til Mars, opprettelsen av et system for trådløs energioverføring i verdensrommet, implementeringen av svært farlig radioaktivt avfallsdeponering i verdensrommet fra bakkebasert kjernekraft med økt sikkerhet, opprettelsen av en beboelig månebase og begynnelsen av industriell utvikling av månen, som sikrer beskyttelse av jorden mot fare for asteroide-kometer.

Skeptikere hevder at opprettelsen av en kjernefysisk motor ikke er et betydelig fremskritt innen vitenskap og teknologi, men bare en "modernisering av en dampkjele", der i stedet for kull og ved, uran fungerer som brensel, og hydrogen fungerer som en arbeidsvæske. Er NRE (atomjetmotoren) så håpløs? La oss prøve å finne ut av det.

De første rakettene

Alle menneskehetens fordeler i utforskningen av nær-jorden verdensrommet kan trygt tilskrives kjemiske jetmotorer. Driften av slike kraftenheter er basert på energikonvertering kjemisk reaksjon brenning av drivstoff i et oksidasjonsmiddel til den kinetiske energien til jetstrømmen, og følgelig raketten. Drivstoffet som brukes er parafin, flytende hydrogen, heptan (for rakettmotorer med flytende drivstoff (LPRE)) og en polymerisert blanding av ammoniumperklorat, aluminium og jernoksid (for rakettmotorer med fast drivstoff (SRRE)).

Det er allment kjent at de første rakettene som ble brukt til fyrverkeri dukket opp i Kina i det andre århundre f.Kr. De steg opp i himmelen takket være energien til pulvergasser. Den teoretiske forskningen til den tyske våpensmeden Konrad Haas (1556), den polske generalen Kazimir Semenovich (1650) og den russiske generalløytnanten Alexander Zasyadko ga et betydelig bidrag til utviklingen av rakettteknologi.

Den amerikanske forskeren Robert Goddard fikk patent på oppfinnelsen av den første flytende drivmiddelraketten. Apparatet hans, som veide 5 kg og omtrent 3 m langt, gikk på bensin og flytende oksygen, tok 2,5 s i 1926. fløy 56 meter.

Jager fart

Seriøst eksperimentelt arbeid med å lage serielle kjemiske jetmotorer startet på 30-tallet av forrige århundre. I Sovjetunionen regnes V. P. Glushko og F. A. Tsander med rette som pionerene innen rakettmotorkonstruksjon. Med deres deltakelse ble kraftenhetene RD-107 og RD-108 utviklet, som sikret USSRs forrang i romutforskning og la grunnlaget for Russlands fremtidige lederskap innen bemannet romutforskning.

Under moderniseringen av væsketurbinmotoren ble det klart at den teoretiske maksimale hastigheten til jetstrømmen ikke kunne overstige 5 km/s. Dette kan være nok til å studere verdensrommet nær jorden, men flyreiser til andre planeter, og enda mer til stjernene, vil fortsatt være en drøm for menneskeheten. Som et resultat begynte det allerede i midten av forrige århundre å dukke opp prosjekter for alternative (ikke-kjemiske) rakettmotorer. De mest populære og lovende installasjonene var de som brukte energien fra kjernefysiske reaksjoner. De første eksperimentelle prøvene av kjernefysiske rommotorer (NRE) i Sovjetunionen og USA besto tester tilbake i 1970. Etter Tsjernobyl-katastrofen, under offentlig press, ble imidlertid arbeidet i dette området suspendert (i USSR i 1988, i USA - siden 1994).

Driften av kjernekraftverk er basert på de samme prinsippene som termokjemiske. Den eneste forskjellen er at oppvarmingen av arbeidsvæsken utføres av energien fra forfall eller fusjon av kjernebrensel. Energieffektiviteten til slike motorer overstiger betydelig de kjemiske. For eksempel er energien som kan frigjøres av 1 kg av det beste drivstoffet (en blanding av beryllium med oksygen) 3 × 107 J, mens for poloniumisotoper Po210 er denne verdien 5 × 1011 J.

Den frigjorte energien i en atommotor kan brukes på forskjellige måter:

oppvarming av arbeidsvæsken som sendes ut gjennom dysene, som i en tradisjonell rakettmotor med flytende drivmiddel, etter konvertering til elektrisitet, ionisering og akselerering av partikler av arbeidsvæsken, og skaper en impuls direkte ved fisjon eller fusjonsprodukter vanlig vann, men bruk av alkohol, ammoniakk eller flytende hydrogen vil være mye mer effektivt. Avhengig av aggregeringstilstand reaktorbrensel, kjernefysiske rakettmotorer er delt inn i fast-, væske- og gassfase. Den mest utviklede kjernefysiske fremdriftsmotoren er med en fastfase fisjonsreaktor, som bruker brenselstaver (brenselelementer) som brukes i kjernekraftverk som brensel. Den første slike motor innenfor Amerikansk prosjekt Nerva gjennomgikk bakketesting i 1966, og opererte i omtrent to timer.

Designfunksjoner

I hjertet av enhver kjernefysisk rommotor er en reaktor bestående av en kjerne og en berylliumreflektor plassert i et krafthus. Spaltningen av atomer av et brennbart stoff, vanligvis uran U238, anriket på U235-isotoper, skjer i kjernen. For å gi visse egenskaper til forfallsprosessen til kjerner, er moderatorer også plassert her - ildfast wolfram eller molybden. Hvis moderatoren inngår i brenselstavene, kalles reaktoren homogen, og hvis den er plassert separat, kalles den heterogen. Kjernefysisk motor inkluderer også en arbeidsvæsketilførselsenhet, kontroller, skyggestrålingsbeskyttelse og en dyse. Strukturelle elementer og komponenter i reaktoren, som opplever høye termiske belastninger, avkjøles av arbeidsfluidet, som deretter pumpes inn i brenselenhetene av en turbopumpeenhet. Her varmes det opp til nesten 3000˚C. Arbeidsvæsken strømmer gjennom munnstykket og skaper strålekraft.

Typiske reaktorkontroller er kontrollstaver og dreieskiver laget av et nøytronabsorberende stoff (bor eller kadmium). Stavene plasseres direkte i kjernen eller i spesielle reflektornisjer, og de roterende tromlene plasseres i periferien av reaktoren. Ved å flytte stengene eller dreie tromlene, endres antall spaltbare kjerner per tidsenhet, og regulerer nivået av energifrigjøring av reaktoren, og følgelig dens termiske kraft.

For å redusere intensiteten av nøytron- og gammastråling, som er farlig for alle levende ting, er primære reaktorbeskyttelseselementer plassert i kraftbygget.

Økt effektivitet

En væskefase kjernefysisk motor ligner i driftsprinsipp og design som fastfasemotorer, men drivstoffets flytende tilstand gjør det mulig å øke reaksjonstemperaturen, og følgelig kraftenhetens skyvekraft. Så hvis for kjemiske enheter (flytende turbojetmotorer og rakettmotorer med fast drivstoff) er den maksimale spesifikke impulsen (utløpshastigheten til jetstrømmen) 5 420 m/s, for fastfase kjernefysiske motorer og 10 000 m/s er langt fra grensen , da ligger gjennomsnittsverdien av denne indikatoren for gassfase kjernefysiske fremdriftsmotorer i området 30 000 - 50 000 m/s.

Det er to typer gassfase atommotorprosjekter:

Åpen syklus, der kjernefysisk reaksjon strømmer inne i en plasmasky fra en arbeidsvæske som holdes av et elektromagnetisk felt og absorberer all den genererte varmen. Temperaturene kan nå flere titusenvis av grader. I dette tilfellet er det aktive området omgitt av et varmebestandig stoff (for eksempel kvarts) - en kjernefysisk lampe som fritt overfører utsendt energi I installasjoner av den andre typen vil temperaturen på reaksjonen være begrenset av smeltepunktet av kolbematerialet. Samtidig reduseres energieffektiviteten til en kjernefysisk rommotor noe (spesifikk impuls opp til 15 000 m/s), men effektiviteten og strålingssikkerheten økes.

Praktiske prestasjoner

Formelt en oppfinner kraftverk Den amerikanske vitenskapsmannen og fysikeren Richard Feynman regnes for å være pioneren innen atomenergi. Starten på storstilt arbeid med utvikling og etablering av kjernefysiske motorer for romfartøyer som en del av Rover-programmet ble gitt ved Los Alamos Research Center (USA) i 1955. Amerikanske oppfinnere foretrakk installasjoner med en homogen atomreaktor. Den første eksperimentelle prøven av "Kiwi-A" ble satt sammen på et anlegg ved atomsenteret i Albuquerque (New Mexico, USA) og testet i 1959. Reaktoren ble plassert vertikalt på stativet med dysen oppover. Under testene ble en oppvarmet strøm av brukt hydrogen sluppet direkte ut i atmosfæren. Og selv om rektor jobbet med lav effekt i bare rundt 5 minutter, inspirerte suksessen utviklerne.

I Sovjetunionen ble en kraftig drivkraft for slik forskning gitt av møtet mellom de "tre store Cs" som fant sted i 1959 ved Institute of Atomic Energy - skaperen atombombe I.V. Kurchatov, sjefsteoretikeren for russisk kosmonautikk M.V. I motsetning til den amerikanske modellen hadde den sovjetiske RD-0410-motoren, utviklet ved designbyrået til Khimavtomatika-foreningen (Voronezh), en heterogen reaktor. Brannprøver fant sted på en treningsbane nær Semipalatinsk i 1978.

Det er verdt å merke seg at ganske mange teoretiske prosjekter ble opprettet, men saken kom aldri til praktisk gjennomføring. Årsakene til dette var tilstedeværelsen av et stort antall problemer innen materialvitenskap, og mangel på menneskelige og økonomiske ressurser.

Merk: en viktig praktisk prestasjon var flytestingen av atomdrevne fly. I USSR var det mest lovende det eksperimentelle strategiske bombeflyet Tu-95LAL, i USA - B-36.

Prosjekt "Orion" eller pulserende kjernefysiske rakettmotorer

For flyreiser i verdensrommet ble en pulserende atommotor først foreslått brukt i 1945 av en amerikansk matematiker av polsk opprinnelse, Stanislaw Ulam. I det neste tiåret ble ideen utviklet og foredlet av T. Taylor og F. Dyson. Poenget er at energien til små atomladninger, detonert i et stykke fra skyveplattformen på bunnen av raketten, gir den stor akselerasjon.

Under Orion-prosjektet, som ble skutt opp i 1958, var det planlagt å utstyre en rakett med nettopp en slik motor som var i stand til å levere mennesker til overflaten av Mars eller banen til Jupiter. Mannskapet, plassert i baugen, ville være beskyttet mot de destruktive effektene av gigantiske akselerasjoner av en dempeanordning. Resultatet av detaljert ingeniørarbeid var marsjertester av en storskala mock-up av skipet for å studere flystabilitet (vanlige eksplosiver ble brukt i stedet for atomladninger). På grunn av de høye kostnadene ble prosjektet stengt i 1965.

Lignende ideer for å lage et "eksplosivt fly" ble uttrykt av den sovjetiske akademikeren A. Sakharov i juli 1961. For å lansere skipet i bane, foreslo forskeren å bruke konvensjonelle rakettmotorer med flytende drivstoff.

Alternative prosjekter

Et stort antall prosjekter gikk aldri utover teoretisk forskning. Blant dem var det mange originale og veldig lovende. Ideen om et atomkraftverk basert på spaltbare fragmenter er bekreftet. Designfunksjoner og utformingen av denne motoren gjør det mulig å klare seg uten arbeidsvæske i det hele tatt. Jetstrømmen, som gir de nødvendige skyveegenskaper, er dannet av brukt kjernefysisk materiale. Reaktoren er basert på roterende skiver med subkritisk kjernemasse (atomfisjonskoeffisient mindre enn enhet). Når den roterer i sektoren av skiven som ligger i kjernen, startes en kjedereaksjon og råtnende høyenergiatomer ledes inn i motordysen og danner en jetstrøm. De bevarte intakte atomene vil delta i reaksjonen ved de neste omdreiningene av drivstoffskiven.

Atommotorprosjekter for skip som utfører visse oppgaver i nær-jorden rom, basert på RTG-er (radioisotope termoelektriske generatorer), men slike installasjoner er lite lovende for interplanetære, og enda mer interstellare flyvninger.

Kjernefysiske fusjonsmotorer har et enormt potensial. Allerede på det nåværende utviklingsstadiet av vitenskap og teknologi er en pulserende installasjon ganske gjennomførbar, der, i likhet med Orion-prosjektet, vil termonukleære ladninger detoneres under bunnen av raketten. Imidlertid anser mange eksperter implementering av kontrollert kjernefysisk fusjon som et spørsmål om nær fremtid.

Fordeler og ulemper med atomdrevne motorer

De ubestridelige fordelene ved å bruke kjernefysiske motorer som kraftenheter for romfartøyer inkluderer deres høye energieffektivitet, gir høy spesifikk impuls og god skyvekraft (opptil tusen tonn i luftløst rom), og imponerende energireserver under autonom drift. Det nåværende nivået av vitenskapelig og teknologisk utvikling gjør det mulig å sikre den komparative kompaktheten til en slik installasjon.

Den største ulempen med kjernefysiske fremdriftsmotorer, som forårsaket innskrenkning av design- og forskningsarbeid, er den høye strålingsfaren. Dette gjelder spesielt når man utfører bakkebaserte branntester, som et resultat av at radioaktive gasser, uranforbindelser og dets isotoper, og de destruktive effektene av penetrerende stråling kan komme inn i atmosfæren sammen med arbeidsvæsken. Av samme grunner er det uakseptabelt å skyte opp et romfartøy utstyrt med en atommotor direkte fra jordoverflaten.

Nåtid og fremtid

I følge forsikringene fra akademiker ved det russiske vitenskapsakademiet, generaldirektør for Keldysh-senteret Anatoly Koroteev, vil en fundamentalt ny type atommotor bli opprettet i Russland i nær fremtid. Essensen av tilnærmingen er at energien til romreaktoren ikke vil bli rettet til direkte oppvarming av arbeidsfluidet og dannelse av en jetstrøm, men til å produsere elektrisitet. Rollen til fremdrift i installasjonen er tildelt en plasmamotor, hvis spesifikke skyvekraft er 20 ganger høyere enn skyvekraften til kjemiske jetenheter som eksisterer i dag. Hovedbedriften for prosjektet er en avdeling av det statlige selskapet Rosatom, JSC NIKIET (Moskva).

Fullskala prototypetester ble vellykket fullført tilbake i 2015 på grunnlag av NPO Mashinostroeniya (Reutov). Datoen for oppstart av flyprøver av atomkraftverket er november i år. De viktigste elementene og systemene vil måtte testes, inkludert om bord på ISS.

Den nye russiske atommotoren opererer i en lukket syklus, som fullstendig eliminerer utslipp av radioaktive stoffer til det omkringliggende rommet. Masse- og dimensjonsegenskapene til hovedelementene i kraftverket sikrer bruk med eksisterende innenlandske Proton og Angara bæreraketter.

Vær forsiktig det er mange bokstaver.

En flyprototype av et romfartøy med et kjernefysisk fremdriftssystem (NPP) er planlagt opprettet i Russland innen 2025. Tilsvarende arbeid er inkludert i utkastet til føderalt romprogram for 2016–2025 (FKP-25), sendt av Roscosmos for godkjenning til departementene.

Atomkraftsystemer regnes som de viktigste lovende energikildene i verdensrommet når man planlegger storskala interplanetariske ekspedisjoner. I fremtiden vil atomkraftverket, som for tiden lages av Rosatom-bedrifter, kunne gi megawatt kraft i verdensrommet.

Alt arbeid med etableringen av et kjernekraftverk foregår i henhold til de fastsatte fristene. Vi kan si med høy grad av sikkerhet at arbeidet vil bli fullført i tide, gitt av målprogrammet, sier Andrey Ivanov, prosjektleder for kommunikasjonsavdelingen til Rosatom statsselskap.

Nylig har prosjektet fullført to viktige stadier: en unik design av brenselelementet er skapt, som sikrer drift under forhold med høye temperaturer, store temperaturgradienter og høydosestråling. Teknologiske tester av reaktorfartøyet til den fremtidige romkraftenheten er også fullført. Som en del av disse testene ble kroppen utsatt for overtrykk og utførte 3D-målinger i områdene av basismetallet, ring sveiset skjøt og konisk overgang.

Driftsprinsipp. skapelseshistorie.

MED kjernereaktor Det er ingen grunnleggende vanskeligheter for romapplikasjoner. I perioden fra 1962 til 1993 akkumulerte landet vårt et vell av erfaring i produksjon av lignende installasjoner. Tilsvarende arbeid ble utført i USA. Siden tidlig på 1960-tallet har flere typer elektriske fremdriftsmotorer blitt utviklet i verden: ion, stasjonær plasma, anodelagmotor, pulsert plasmamotor, magnetoplasma, magnetoplasmodynamisk.

Arbeidet med å lage kjernefysiske motorer for romfartøy ble aktivt utført i USSR og USA i forrige århundre: amerikanerne avsluttet prosjektet i 1994, USSR - i 1988. Nedleggelsen av arbeidet ble i stor grad lettet av Tsjernobyl-katastrofen, som påvirket negativt offentlig mening om bruk av kjernekraft. I tillegg gikk tester av atominstallasjoner i rommet ikke alltid som planlagt: i 1978 kom den sovjetiske satellitten Kosmos-954 inn i atmosfæren og gikk i oppløsning, og spredte tusenvis av radioaktive fragmenter over et område på 100 tusen kvadratmeter. km i det nordvestlige Canada. Sovjetunionen betalte Canada monetær kompensasjon på mer enn 10 millioner dollar.

I mai 1988, to organisasjoner - Federation of American Scientists og Committee of Soviet Scientists for Peace against kjernefysisk trussel- laget et felles forslag om å forby bruk av atomenergi i verdensrommet. Det forslaget fikk ingen formelle konsekvenser, men siden har ingen land skutt opp romfartøy med atomkraftverk om bord.

De store fordelene med prosjektet er praktisk viktige driftsegenskaper - lang levetid (10 års drift), betydelig overhalingsintervall og lang driftstid på én bryter.

I 2010 ble det utformet tekniske forslag til prosjektet. Designet startet i år.

Kjernekraftverket inneholder tre hovedenheter: 1) en reaktorinstallasjon med en arbeidsvæske og hjelpeenheter (varmeveksler-rekuperator og turbogenerator-kompressor); 2) elektrisk rakettfremdriftssystem; 3) kjøleskap-emitter.

Reaktor.

MED fysisk poeng Dette er en kompakt gasskjølt hurtignøytronreaktor.
Drivstoffet som brukes er en forbindelse (dioksid eller karbonitrid) av uran, men siden utformingen må være svært kompakt, har uranet en høyere anrikning i 235-isotopen enn i brenselstaver i konvensjonelle (sivile) atomkraftverk, kanskje over 20 %. Og skallet deres er en monokrystallinsk legering av ildfaste metaller basert på molybden.

Dette drivstoffet må fungere ved svært høye temperaturer. Derfor var det nødvendig å velge materialer som kunne inneholde negative faktorer, relatert til temperatur, og samtidig la drivstoffet utføre sin hovedfunksjon - å varme opp gasskjølevæsken, ved hjelp av hvilken elektrisitet vil bli produsert.

Kjøleskap.

Avkjøling av gass under drift av en kjernefysisk installasjon er helt nødvendig. Hvordan dumpe varme inn verdensrommet? Den eneste muligheten er avkjøling ved stråling. Den oppvarmede overflaten i tomrommet avkjøles, og sender ut elektromagnetiske bølger i et bredt område, inkludert synlig lys. Det unike med prosjektet er bruken av en spesiell kjølevæske - en helium-xenon-blanding. Installasjonen sikrer høy effektivitet.

Motor.

Driftsprinsippet til ionemotoren er som følger. I gassutladningskammeret dannes et foreldet plasma ved hjelp av anoder og en katodeblokk plassert i et magnetfelt. Fra den blir ionene til arbeidsvæsken (xenon eller annet stoff) "trukket" av utslippselektroden og akselerert i gapet mellom den og akselerasjonselektroden.

For å implementere planen ble 17 milliarder rubler lovet mellom 2010 og 2018. Av disse midlene var 7,245 milliarder rubler beregnet på at Rosatom statsselskap skulle lage selve reaktoren. Ytterligere 3,955 milliarder - FSUE "Keldysh Center" for etablering av et kjernekraftverk. Ytterligere 5,8 milliarder rubler vil gå til RSC Energia, der, innenfor samme tidsramme, må det fungerende utseendet til hele transport- og energimodulen dannes.

Etter planene, innen utgangen av 2017, vil et kjernekraftfremdriftssystem være klargjort for å fullføre transport- og energimodulen (interplanetær overføringsmodul). Innen utgangen av 2018 skal kjernekraftverket være klargjort for flyprøver. Prosjektet er finansiert over det føderale budsjettet.

Det er ingen hemmelighet at arbeidet med å lage kjernefysiske rakettmotorer begynte i USA og USSR tilbake på 60-tallet av forrige århundre. Hvor langt har de kommet? Og hvilke problemer møtte du underveis?

Anatoly Koroteev: Faktisk ble arbeidet med bruk av atomenergi i verdensrommet startet og aktivt utført her og i USA på 1960-70-tallet.

Opprinnelig var oppgaven satt til å lage rakettmotorer som, i stedet for den kjemiske energien ved forbrenning av drivstoff og oksidasjonsmiddel, ville bruke oppvarming av hydrogen til en temperatur på rundt 3000 grader. Men det viste seg at en slik direkte vei fortsatt var ineffektiv. Vi får høy skyvekraft i kort tid, men sender samtidig ut en stråle, som ved unormal drift av reaktoren kan vise seg å være radioaktivt forurenset.

Noe erfaring ble samlet, men verken vi eller amerikanerne var i stand til å lage pålitelige motorer. De fungerte, men ikke nok, fordi hydrogenet ble varmet opp til 3000 grader inn kjernereaktor- en alvorlig oppgave. I tillegg oppsto miljøproblemer under bakketester av slike motorer, siden radioaktive jetfly ble sluppet ut i atmosfæren. Det er ikke lenger en hemmelighet at slikt arbeid ble utført på en spesielt forberedt kjernefysiske tester Semipalatinsk teststed, som forble i Kasakhstan.

Det vil si at to parametere viste seg å være kritiske - ekstrem temperatur og strålingsutslipp?

Anatoly Koroteev: Generelt, ja. På grunn av disse og noen andre årsaker ble arbeidet i vårt land og i USA stoppet eller suspendert - dette kan vurderes på forskjellige måter. Og det virket urimelig for oss å gjenoppta dem på en slik, vil jeg si, front mot front, for å lage en atommotor med alle de allerede nevnte manglene. Vi foreslo en helt annen tilnærming. Den skiller seg fra den gamle på samme måte som en hybridbil skiller seg fra en vanlig. I en vanlig bil dreier motoren hjulene, men i hybridbiler genereres elektrisitet fra motoren, og denne strømmen snur hjulene. Det vil si at det lages en slags mellomkraftstasjon.

Så vi foreslo en ordning der romreaktoren ikke varmer opp strålen som kastes ut fra den, men genererer elektrisitet. Varm gass fra reaktoren snur turbinen, turbinen snur den elektriske generatoren og kompressoren, som sirkulerer arbeidsvæsken i en lukket sløyfe. Generatoren produserer elektrisitet til plasmamotoren med en spesifikk skyvekraft som er 20 ganger høyere enn for kjemiske analoger.

Vanskelig opplegg. I hovedsak er dette et minikjernekraftverk i verdensrommet. Og hva er fordelene fremfor en ramjet atommotor?

Anatoly Koroteev: Hovedsaken er at strålen som kommer ut av den nye motoren ikke vil være radioaktiv, siden en helt annen arbeidsvæske passerer gjennom reaktoren, som er inneholdt i en lukket krets.

I tillegg, med denne ordningen, trenger vi ikke å varme hydrogen til uoverkommelige verdier: et inert arbeidsfluid sirkulerer i reaktoren, som varmer opp til 1500 grader. Vi gjør ting veldig enkelt for oss selv. Og som et resultat vil vi øke den spesifikke skyvekraften ikke med to ganger, men med 20 ganger sammenlignet med kjemiske motorer.

En annen ting er også viktig: det er ikke behov for komplekse fullskala-tester, som krever infrastrukturen til det tidligere Semipalatinsk-teststedet, spesielt testbenkbasen som er igjen i byen Kurchatov.

I vårt tilfelle kan alle nødvendige tester utføres på russisk territorium, uten å bli dratt inn i lange internasjonale forhandlinger om bruk av atomenergi utenfor ens stats grenser.

Er lignende arbeid på gang i andre land?

Anatoly Koroteev: Jeg hadde et møte med nestlederen for NASA, vi diskuterte spørsmål knyttet til å komme tilbake til arbeid med atomenergi i verdensrommet, og han sa at amerikanerne viser stor interesse for dette.

Det er godt mulig at Kina kan svare med aktive handlinger fra sin side, så vi må jobbe raskt. Og ikke bare for å være et halvt skritt foran noen.

Vi må jobbe raskt, først og fremst, slik at vi ser anstendige ut i det nye internasjonale samarbeidet, og de facto blir det dannet.

Jeg utelukker ikke at det i nær fremtid kan igangsettes et internasjonalt program for et kjernefysisk romkraftverk, tilsvarende det kontrollerte termonukleære fusjonsprogrammet som nå implementeres.