Ядрени ракети: за завладяване на Слънчевата система
** Киви реактор (Киви А ') **
Тестът започна по план. Реакторът се активира и течният водород - който служи едновременно като гориво и охлаждаща течност - започва да тече през активната зона. При контакт с горивните пръти при 2000 ° C, водородът внезапно се нагрява. Полученият газ ще бъде изхвърлен през дюза, разположена в горната част на устройството.
Тестване на ядрено-топлинен двигател по време на програмата NERVA
Само минута след достигане на пълна мощност горивните пръти на реактора започнаха да се счупват. Парчета от делящ се материал - уранов диоксид - и радиоактивни изотопи, генерирани по време на делене, бяха изхвърлени в атмосферата през дюзата. Тестът веднага бе отменен.
Съветски дизайн на ядрени кораби за пътуване до Марс
Тогава никой от присъстващите не можеше да подозира, че инцидентът с реактора Kiwi B1B в крайна сметка ще отбележи повратна точка в популярността на тази задвижваща система. По това време термоядрените двигатели обещаха да направят пилотирано пътуване до Марс реалност в началото на 80-те години. Половин век по-късно все още сме в капан в ниска орбита. Историята на ядрения двигател е историята на разочарованите мечти за изследване на космоса.
Ядрено задвижване в космоса
Поставянето на обект в орбита изисква много енергия. Гравитационният кладенец на нашата планета е много дълбок и е трудно да се достигне орбиталната скорост от 8 км/сек. От началото на космическата ера химическото задвижване се използва във всички ракети-носители и в по-голямата част от създадените от човека космически кораби. Не е лош вариант да достигнем земната орбита, но ако искаме да пътуваме отвъд Луната, е ясно, че имаме нужда от нещо по-добро. Заедно с други алтернативи, ядреното задвижване е една от големите надежди на пилотираното изследване на Слънчевата система. Изправени пред ограниченията на традиционните химически двигатели, ядрената енергия обещава да постигне висока тяга и специфични импулси, необходими за осъществяването на пътуване до Марс.
** Версия на пилотирания марсиански космически кораб с електрическо ядрено задвижване от RKK Energía. Можете също да видите топлинния щит на апарата за спускане на Марс и кораб Klíper за връщането на Земята **
Има два основни начина за използване на ядрената енергия в космическите мисии. Първият, по-опростен като концепция, е топлинното ядрено задвижване. Според тази система топлината, генерирана от реактор за делене, се използва за нагряване на гориво, което действа като реакционна течност. Другото е ядрено електрическо задвижване, състоящо се от използване на ядрен реактор за захранване на серия от електродвигатели (йонни или плазмени). В тази публикация ще проучим топлинното ядрено задвижване.
Термични ядрени двигатели
Тестване на главния двигател на космическата совалка (SSME), криогенен химически двигател
Вторият параметър, който влияе на Isp, също е лесен за усвояване. Колкото по-малка е масата на молекулите, които излизат през дюзата, толкова по-голяма е тяхната скорост, тъй като ако имаме два обекта с различна маса с еднаква кинетична енергия, по-лекият ще има по-висока скорост. В химическите двигатели тази маса се диктува от типа реакция, който сме избрали. Например, в криогенен двигател отработените газове се състоят от водни молекули (с маса от 18 amu-единица атомна маса - всяка). Ето защо при този тип двигатели можем да получим по-висок Isp, ако въведем повече водород от необходимото в горивната камера. Въпреки че температурата в камерата спада, това се компенсира от по-високата скорост, която молекулите на водорода придобиват (с молекулна маса само 2 amu).
Добре, а какво ще кажете за ядрена топлинна машина? В този случай ние не сме ограничени от температурата, тъй като теоретично можем да достигнем милиони градуси по Целзий в реактор за делене. В действителност проблемът е точно обратният: трябва да се научим да контролираме тези високи температури, без да топим материалите, изграждащи структурата на двигателя.
Що се отнася до молекулната маса на отработените газове, можем да използваме почти всяко вещество като пропелент. Ние просто се нуждаем от него, за да влезем в директен контакт с реактора, така че той да се нагрее и да бъде изхвърлен от дюзата. На теория бихме могли да използваме вода, амоняк, белина или дори сода от супермаркета, няма значение. Но, както видяхме, идеалното е да се използва вещество с възможно най-ниската молекулна маса, така че понякога водородът е най-добрият кандидат, който да служи като гориво в ядрен двигател. И казваме понякога, защото в момента на истината това не е толкова просто. За да поддържате водород в течно състояние, трябва да го охладите до -250º C, което е трудно, особено ако искаме да го използваме в дълбокия космос. Освен това, започвайки от 2500 K, молекулярният водород започва да се дисоциира в атомен водород в камерата, намалявайки крайния Isp. Поради тези причини има дизайни, които използват други вещества като метан или амоняк.
Във всеки случай няма значение дали използваме водород, метан, вода или амоняк. Когато правим числа, имаме, че ядрено-топлинният двигател може да достигне до изпитване до 10 000 секунди на хартия, докато този на криогенния химически двигател е около 450 секунди. Следователно е показано, че теоретично ядреното топлинно задвижване е по-добро от химията. Следващата стъпка е да се знае дали е възможно да се изгради двигател от този тип със съществуваща технология.
Изграждане на ядрено-топлинен двигател
Ядрено-топлинен двигател NERVA
Течният водород (или, не забравяйте, всяка друга подходяща течност) преминава през реактора, загрява се до много високи температури и се изхвърля с висока скорост през дюзата. Най-простият вариант е горивото да бъде ограничено, за да обгради активната зона на реактора, тъй като по този начин бихме могли да използваме различни търговски конструкции на реактори. Проблемът е, че температурата, достигната от тази система, ще бъде много ниска и Isp няма да надвишава 500 секунди. Въпреки че може да изглежда странно, в Съветския съюз тези проекти бяха сериозно проучени в края на 50-те години. Парадоксално е, че по това време се смяташе, че е по-лесно да се изгради ядрен двигател от този тип, отколкото да се разработи криогенна технология. Ясно е, че ако наистина искаме да се възползваме напълно от възможностите на тази задвижваща система, трябва да накараме горивото да премине през сърцевината на реактора.
Следователно реакторът ще има цилиндрична форма и ще бъде изграден от пръти с делящ се материал плюс модератор, всички с отвори, през които водородът ще тече, действайки едновременно като гориво и охлаждаща течност. Структурата ще бъде заобиколена от материал, способен да отразява неутроните на делене, като по този начин намалява размера на реактора и може да контролира неговата критичност.
Лесно нали? За съжаление тази очевидна простота е подвеждаща. Има няколко фактора, които определят конструкцията на реактора на ядрен двигател. Първият, очевидно, е размерът. Ясно е, че не би било много практично да се използва реактор с тегло хиляди тонове в космически кораб, тъй като бихме загубили всяко предимство в Исп, което може да ни предложи ядреното задвижване. Размерът на реактора зависи от няколко фактора, но - опростявайки много - можем да кажем, че той е пропорционален на количеството уран-235, което съществува в горивото. Реактор, използващ 90% обогатен уран (т.е. 90% уран-235 и 10% уран-238), може да бъде много малък и би се радвал на голямо съотношение тегло-тяга. Тогава щяхме да имаме бързо делене благодарение на епитермалните неутрони и на практика нямаше да се нуждаем от модератор. Горивото може да бъде смес от уран диоксид с керамика и огнеупорен материал (волфрам, например).
Проблемът е, че 90% обогатен уран "не е нещо, което можете да си купите в аптеката на ъгъла". В допълнение към много високата му цена, има сериозни ограничения за използването на този материал за предотвратяване на разпространението на ядрени оръжия. Плутониевият реактор би създал още по-големи проблеми с безопасността и икономиката, така че не може да става и дума. Следователно трябва да се постигне компромис между степента на обогатяване на урана, използван като гориво, и количеството замедлител (обикновено графит или циркониев хидрид). Като цяло, колкото повече модератор имаме, толкова по-голям и по-тежък ще бъде реакторът.
Второто ограничение е температурата. Да, казахме, че температурата не е ограничаващ фактор в ядрения двигател, но това е само на теория. Когато го изграждаме, трябва да изберем подходящите материали, които да издържат на температурата на реактора, ако искаме той да остане в твърдо състояние. Какви материали можем да използваме? Нека разгледаме следната таблица:
Разглеждайки данните, става ясно, че реакторът не може да бъде съставен от чист уран, тъй като температурата му на топене е 1400 K, доста под 3200 K, което се постига с криогенен двигател. Ако искаме да изпреварим химическото задвижване, се нуждаем от по-високи температури, за да надминем неговите характеристики. В допълнение, реакторът с чист уран е изключително опасен, тъй като рискуваме сърцевината да се разтопи и да се натрупа в дъното й без модератор, който лесно да достигне критичността. Обичайното гориво за нашата цел е уран диоксид, който поддържа до 3075 K в твърдо състояние и също не реагира химически с водород. Също така е възможно да се използват уран нитрид, уран карбид или смес от уран с циркониев хидрид, наред с други варианти.
Е, почти имаме готов двигател, но все пак трябва да изберем правилния модератор. Към този момент имаме две възможности: да изберем реактор от хомогенен тип, където делящият се материал се смесва с модератора, или хетерогенен, в който горивните пръти и модераторът са разделени. Към днешна дата само две държави са изградили прототипи на работещи ядрени двигатели: САЩ и Съветския съюз. Всяка суперсила обаче избра различен дизайн за реакторите, използвани в ракетни двигатели. Да видим какви са били неговите характеристики.
Американски дизайн (Kiwi B/NERVA)
Но този материал - който е само една от формите на въглерод - реагира силно с водород, образувайки въглеводороди, което причинява износването на реакторните елементи и последващото им фрагментиране. В резултат на това износване делящият се материал и радиоактивните изотопи в резултат на делене могат да бъдат изхвърлени навън, с последващия риск. Това явление е точно това, което тестваните техници на Kiwi B1B и Kiwi B4A видяха с ужас в началото на 60-те години.
Проектиране на елементите на хомогенен реактор Kiwi B/NERVA. Виждат се дупки за водороден поток
Очевидно разпадането на активната зона на реактора е критична повреда. Решението се състои в покриване на графита с материал, инертен до водород и това не променя значително характеристиките на делене. Избраните за тази задача съединения обикновено са ниобиев карбид или циркониев карбид.
Секция на реактор Kiwi B/NERVA
Това обаче е много трудно понятие, което може да се приложи на практика и всъщност е един от най-големите проблеми, с които се сблъскват американските инженери по програмите Rover и NERVA, тъй като ниобиевите и NERVA покритията Цирконийът в реакторните елементи имаше неприятна склонност към фрагментиране, излагайки графитната матрица с горивото вътре.
Сърцевината на реактора "Ядрена пещ"
За да може водородът да премине, пръчките трябваше да съдържат няколко дупки. Изборът на формата и размера на водородните линии се оказа изключително сложна задача (динамиката на флуида не е лесна), но е достатъчно да се каже, че от гледна точка на ефективността на двигателя е за предпочитане да има много тесни дупки, отколкото да има няколко големи диаметъра.