Utformingen av atomskipsmotorer. Kjernefysisk rommotor

Fant en interessant artikkel. Generelt har kjernefysiske romskip alltid interessert meg. Dette er fremtiden for astronautikk. Omfattende arbeid med dette emnet ble også utført i USSR. Artikkelen handler bare om dem.

Til verdensrommet på atomkraft. Drømmer og virkelighet.

Doktor i fysiske og matematiske vitenskaper Yu Ya

I 1950 forsvarte jeg vitnemålet mitt som ingeniør-fysiker ved Moscow Mechanical Institute (MMI) i Ammunisjonsdepartementet. Fem år tidligere, i 1945, ble fakultetet for ingeniør- og fysikk dannet der, som utdannet spesialister for den nye industrien, hvis oppgaver hovedsakelig omfattet produksjon av atomvåpen. Fakultetet var uten sidestykke. Sammen med grunnleggende fysikk i omfanget av universitetskurs (metoder matematisk fysikk, relativitetsteori, kvantemekanikk, elektrodynamikk, statistisk fysikk og andre) ble vi undervist fullt sett ingeniørdisipliner: kjemi, metallurgi, materialers styrke, teori om mekanismer og maskiner, etc. Fakultet for ingeniør- og fysikk ved MMI ble opprettet av den fremragende sovjetiske fysikeren Alexander Ilyich Leypunsky, og vokste over tid til Moskva Engineering and Physics Institute (MEPhI) . Et annet ingeniør- og fysikkfakultet, som også senere fusjonerte med MEPhI, ble dannet ved Moscow Power Engineering Institute (MPEI), men hvis ved MMI var hovedvekten på grunnleggende fysikk, så var det på Energetic Institute på termisk og elektrisk fysikk.

Vi studerte kvantemekanikk fra boken til Dmitry Ivanovich Blokhintsev. Forestill deg min overraskelse da jeg etter oppdrag ble sendt til å jobbe med ham. Jeg, en ivrig eksperimentator (som barn tok jeg fra hverandre alle klokkene i huset), og plutselig befinner jeg meg sammen med en kjent teoretiker. Jeg ble grepet av en liten panikk, men ved ankomst til stedet - "Objekt B" til USSR innenriksdepartementet i Obninsk - innså jeg umiddelbart at jeg bekymret meg forgjeves.

På dette tidspunktet var hovedemnet for "Objekt B", som frem til juni 1950 faktisk ble ledet av A.I. Leypunsky, har allerede dannet seg. Her skapte de reaktorer med utvidet reproduksjon av kjernebrensel - "raske oppdrettere". Som direktør initierte Blokhintsev utviklingen av en ny retning - opprettelsen av atomdrevne motorer for romflyvninger. Å mestre plass var en lang drøm for Dmitry Ivanovich selv i sin ungdom korresponderte han og møtte K.E. Tsiolkovsky. Jeg tror at forståelsen av de gigantiske mulighetene til kjernekraft, hvis brennverdi er millioner av ganger høyere enn de beste kjemiske drivstoffene, bestemte livsveien til D.I. Blokhintseva.
«Du kan ikke se ansikt til ansikt»... I de årene forsto vi ikke mye. Først nå, når muligheten endelig har oppstått til å sammenligne gjerningene og skjebnene til de fremragende vitenskapsmennene ved Physics and Energy Institute (PEI) - det tidligere "Objekt B", omdøpt 31. desember 1966 - er riktig, som det ser ut til. for meg, forståelse av ideene som motiverte dem på den tiden dukket opp. Med all mangfoldet av aktiviteter som instituttet måtte forholde seg til, er det mulig å identifisere prioriterte vitenskapelige områder som var i interessesfæren til dets ledende fysikere.

Hovedinteressen til AIL (som Alexander Ilyich Leypunsky ble kalt bak ryggen på instituttet) er utviklingen av global energi basert på raske oppdrettsreaktorer (atomreaktorer som ikke har restriksjoner på kjernebrenselressurser). Det er vanskelig å overvurdere betydningen av dette virkelig "kosmiske" problemet, som han viet det siste kvart århundre av sitt liv til. Leypunsky brukte mye innsats på forsvaret av landet, spesielt på å lage atommotorer for ubåter og tunge fly.

Interesser D.I. Blokhintsev (han fikk kallenavnet "D.I.") var rettet mot å løse problemet med å bruke atomenergi til romflyvninger. Dessverre ble han på slutten av 1950-tallet tvunget til å forlate dette arbeidet og lede etableringen av et internasjonalt vitenskapelig senter - United Institute atomforskning i Dubna. Der jobbet han med pulserende raske reaktorer – IBR. Dette ble den siste store tingen i livet hans.

Ett mål - ett lag

DI. Blokhintsev, som underviste ved Moscow State University på slutten av 1940-tallet, la merke til det og inviterte deretter den unge fysikeren Igor Bondarenko, som bokstavelig talt fantaserte om atomdrevne romskip, til å jobbe i Obninsk. Hans første vitenskapelige veileder var A.I. Leypunsky, og Igor, behandlet naturligvis emnet hans - raske oppdrettere.

Under D.I. Blokhintsev, en gruppe forskere dannet seg rundt Bondarenko, som gikk sammen for å løse problemene med å bruke atomenergi i verdensrommet. I tillegg til Igor Ilyich Bondarenko inkluderte gruppen: Viktor Yakovlevich Pupko, Edwin Aleksandrovich Stumbur og forfatteren av disse linjene. Hovedideologen var Igor. Edwin dirigerte eksperimentelle studier bakkemodeller av atomreaktorer til rominstallasjoner. Jeg jobbet hovedsakelig på rakettmotorer med "lav skyvekraft" (skyvekraften i dem skapes av en slags akselerator - "ionfremdrift", som drives av energi fra et romatomkraftverk). Vi undersøkte prosessene
flyter i ionefremdrivere, på bakkestativer.

På Viktor Pupko (i fremtiden
han ble sjef for romteknologiavdelingen til IPPE) var det mye organisasjonsarbeid. Igor Ilyich Bondarenko var en fremragende fysiker. Han hadde sans for eksperimentering og utførte enkle, elegante og svært effektive eksperimenter. Jeg tror at ingen eksperimentell, og kanskje få teoretikere, "følte" grunnleggende fysikk. Alltid lydhør, åpen og vennlig, Igor var virkelig sjelen til instituttet. Den dag i dag lever IPPE etter hans ideer. Bondarenko levde et urettmessig kort liv. I 1964, 38 år gammel, døde han tragisk pga medisinsk feil. Det var som om Gud, da han så hvor mye mennesket hadde gjort, bestemte at det var for mye og befalte: "Nok."

Man kan ikke unngå å huske en annen unik personlighet - Vladimir Aleksandrovich Malykh, en teknolog "fra Gud", en moderne Leskovsky Lefty. Hvis "produktene" til de ovennevnte forskerne hovedsakelig var ideer og beregnede estimater av deres virkelighet, så hadde Malykhs verk alltid en produksjon "i metall". Teknologisektoren, som på tidspunktet for IPPEs storhetstid utgjorde mer enn to tusen ansatte, kunne uten å overdrive gjøre hva som helst. Dessuten spilte han selv alltid nøkkelrollen.

V.A. Malykh begynte som laboratorieassistent ved Research Institute of Nuclear Physics ved Moscow State University, etter å ha fullført tre kurs i fysikkavdelingen, men krigen tillot ham ikke å fullføre studiene. På slutten av 1940-tallet klarte han å lage en teknologi for produksjon av teknisk keramikk basert på berylliumoksid, et unikt dielektrisk materiale med høy varmeledningsevne. Før Malykh slet mange uten hell med dette problemet. Og brenselcellen basert på kommersielt rustfritt stål og naturlig uran, utviklet av ham for det første atomkraftverket, er et mirakel på den tiden og til og med i dag. Eller det termioniske brenselelementet til en reaktor-elektrisk generator laget av Malykh for å drive romfartøy- "krans". Til nå har det ikke dukket opp noe bedre på dette området. Malykhs kreasjoner var ikke demonstrasjonsleker, men elementer av kjernefysisk teknologi. De jobbet i måneder og år. Vladimir Aleksandrovich ble doktor i tekniske vitenskaper, vinner Lenin-prisen, Helt Sosialistisk Arbeiderparti. I 1964 døde han tragisk av konsekvensene av militært granatsjokk.

Steg for steg

S.P. Korolev og D.I. Blokhintsev har lenge fostret drømmen om bemannet romfart. Det ble etablert tette arbeidsbånd mellom dem. Men på begynnelsen av 1950-tallet, på høyden av kald krig", ingen utgifter ble spart bare for militære formål. Rakettteknologi ble kun ansett som en bærer av atomladninger, og satellitter ble ikke engang tenkt på. I mellomtiden talte Bondarenko, vel vitende om de siste prestasjonene til rakettforskere, vedvarende opprettelsen av en kunstig jordsatellitt. Senere var det ingen som husket dette.

Historien om opprettelsen av raketten som løftet planetens første kosmonaut, Yuri Gagarin, opp i verdensrommet er interessant. Det er forbundet med navnet til Andrei Dmitrievich Sakharov. På slutten av 1940-tallet utviklet han en kombinert fisjon-termonukleær ladning - "sloyka", tilsynelatende uavhengig av "far" hydrogenbombe"Edward Teller, som foreslo et lignende produkt kalt "vekkerklokke". Imidlertid innså Teller snart at en atomladning av en slik design ville ha en "begrenset" kraft, ikke mer enn ~ 500 kilotonn ekvivalent. Dette er ikke nok for et "absolutt" våpen, så "vekkerklokken" ble forlatt. I unionen, i 1953, ble Sakharovs RDS-6s puffpasta sprengt.

Etter vellykkede tester og Sakharovs valg som akademiker, ble daværende leder av departementet for mellomstore maskinbygging V.A. Malyshev inviterte ham til sitt sted og satte ham oppgaven med å bestemme parametrene til neste generasjons bombe. Andrei Dmitrievich estimerte (uten detaljert studie) vekten av den nye, mye kraftigere ladningen. Sakharovs rapport dannet grunnlaget for en resolusjon fra CPSUs sentralkomité og USSRs ministerråd, som forpliktet S.P. Korolev vil utvikle en ballistisk bærerakett for denne ladningen. Det var nettopp denne R-7-raketten kalt "Vostok" som sendte en kunstig jordsatellitt i bane i 1957 og et romfartøy med Yuri Gagarin i 1961. Det var ikke lenger planlagt å bruke den som bærer av en tung atomladning, siden utviklingen termonukleære våpen gikk en annen vei.

I den innledende fasen av romatomprogrammet, IPPE, sammen med Design Bureau V.N. Chelomeya utviklet et atomkryssermissil. Denne retningen utviklet seg ikke lenge og endte med beregninger og testing av motorelementer opprettet i avdelingen for V.A. Malykha. I hovedsak snakket vi om et lavtflygende ubemannet fly med en ramjet-atommotor og et kjernefysisk stridshode (en slags kjernefysisk analog av den "summende feilen" - den tyske V-1). Systemet ble skutt opp ved bruk av konvensjonelle rakettforsterkere. Etter å ha nådd en gitt hastighet, ble skyvekraft skapt av atmosfærisk luft, oppvarmet av en kjedereaksjon av fisjon av berylliumoksid impregnert med anriket uran.

Generelt sett er evnen til en rakett til å utføre en bestemt astronautikkoppgave bestemt av hastigheten den oppnår etter å ha brukt opp hele tilførselen av arbeidsvæske (drivstoff og oksidasjonsmiddel). Den beregnes ved å bruke Tsiolkovsky-formelen: V = c×lnMn/ Mk, hvor c er eksoshastigheten til arbeidsfluidet, og Mn og Mk er den innledende og endelige massen til raketten. I konvensjonelle kjemiske raketter bestemmes eksoshastigheten av temperaturen i forbrenningskammeret, typen drivstoff og oksidasjonsmiddel, og molekylvekten til forbrenningsproduktene. For eksempel brukte amerikanerne hydrogen som drivstoff i nedstigningsmodulen for å lande astronauter på månen. Produktet av forbrenningen er vann, hvis molekylvekt er relativt lav, og strømningshastigheten er 1,3 ganger høyere enn ved brenning av parafin. Dette er nok til at nedstigningskjøretøyet med astronauter når månens overflate og deretter returnerer dem til banen til dens kunstige satellitt. Korolevs arbeid med hydrogendrivstoff ble suspendert på grunn av en ulykke med menneskelige skader. Vi hadde ikke tid til å lage en månelander for mennesker.

En av måtene å øke eksoshastigheten betydelig er å lage kjernefysiske termiske raketter. For oss var dette ballistiske kjernefysiske missiler (BAR) med en rekkevidde på flere tusen kilometer (et felles prosjekt av OKB-1 og IPPE), mens det for amerikanerne ble brukt lignende systemer av typen "Kiwi". Motorene ble testet på teststeder nær Semipalatinsk og Nevada. Prinsippet for deres operasjon er som følger: hydrogen varmes opp i en atomreaktor til høye temperaturer, går over i atomtilstanden og strømmer i denne formen ut av raketten. I dette tilfellet øker eksoshastigheten med mer enn fire ganger sammenlignet med en kjemisk hydrogenrakett. Spørsmålet var å finne ut til hvilken temperatur hydrogen kunne varmes opp i en reaktor med fast brenselceller. Beregninger ga ca 3000°K.

Ved NII-1, hvis vitenskapelige leder var Mstislav Vsevolodovich Keldysh (daværende president for USSR Academy of Sciences), avdelingen for V.M. Ievleva, med deltakelse av IPPE, jobbet med et helt fantastisk opplegg - en gassfasereaktor der det skjer en kjedereaksjon i en gassblanding av uran og hydrogen. Fra en slik reaktor strømmer hydrogen ut ti ganger raskere enn fra en fastbrenselreaktor, mens uranet skilles ut og blir værende i kjernen. En av ideene innebar bruk av sentrifugalseparasjon, når en varm gassblanding av uran og hydrogen "virvles" av innkommende kaldt hydrogen, som et resultat av at uran og hydrogen separeres, som i en sentrifuge. Ievlev prøvde faktisk å reprodusere prosessene i forbrenningskammeret til en kjemisk rakett direkte, ved å bruke som energikilde ikke varmen fra brennstoffforbrenning, men fisjonskjedereaksjonen. Dette åpnet veien for full utnyttelse av energiintensiteten atomkjerner. Men spørsmålet om muligheten for at rent hydrogen (uten uran) strømmer ut av reaktoren forble uløst, for ikke å nevne de tekniske problemene knyttet til å opprettholde høytemperaturgassblandinger ved trykk på hundrevis av atmosfærer.

IPPEs arbeid med ballistiske kjernefysiske missiler ble avsluttet i 1969-1970 med "branntester" på Semipalatinsk-teststedet for en kjernefysisk prototype rakettmotor med fast brenselceller. Den ble opprettet av IPPE i samarbeid med Voronezh Design Bureau A.D. Konopatov, Moscow Research Institute-1 og en rekke andre teknologiske grupper. Grunnlaget for motoren med en skyvekraft på 3,6 tonn var IR-100 atomreaktoren med brenselelementer laget av en fast løsning av urankarbid og zirkoniumkarbid. Hydrogentemperaturen nådde 3000°K med en reaktoreffekt på ~170 MW.

Kjernefysiske raketter med lav skyvekraft

Så langt har vi snakket om raketter med en skyvekraft som overstiger vekten, som kan skytes opp fra jordoverflaten. I slike systemer gjør økningen av eksoshastigheten det mulig å redusere tilførselen av arbeidsvæske, øke nyttelasten og eliminere flertrinnsdrift. Imidlertid er det måter å oppnå praktisk talt ubegrensede utstrømningshastigheter, for eksempel akselerasjon av materie ved elektromagnetiske felt. Jeg jobbet i dette området i nær kontakt med Igor Bondarenko i nesten 15 år.

Akselerasjonen til en rakett med en elektrisk fremdriftsmotor (EPE) bestemmes av forholdet mellom den spesifikke kraften til romkjernekraftverket (SNPP) installert på dem og eksoshastigheten. I overskuelig fremtid vil den spesifikke effekten til KNPP tilsynelatende ikke overstige 1 kW/kg. I dette tilfellet er det mulig å lage raketter med lav skyvekraft, titalls og hundrevis av ganger mindre enn rakettens vekt, og med svært lavt forbruk av arbeidsvæsken. En slik rakett kan bare skytes opp fra banen til en kunstig jordsatellitt og, sakte akselererende, nå høye hastigheter.

For flyreiser innen solsystemet Vi trenger raketter med en eksoshastighet på 50-500 km/s, og for flyreiser til stjernene trenger vi «fotonraketter» som går utover vår fantasi med en eksoshastighet lik lysets hastighet. For å gjennomføre en langdistanse romflukt til enhver rimelig tid, kreves ufattelig krafttetthet av kraftverk. Det er ennå ikke mulig å forestille seg hvilke fysiske prosesser de kan være basert på.

Beregninger har vist at under den store konfrontasjonen, når Jorden og Mars er nærmest hverandre, er det mulig å gjennomføre en atomflyging på ett år. romskip med et mannskap til Mars og returner det til banen til en kunstig jordsatellitt. Totalvekt et slikt skip er omtrent 5 tonn (inkludert tilførsel av arbeidsfluidet - cesium, lik 1,6 tonn). Den bestemmes hovedsakelig av massen til KNPP med en effekt på 5 MW, og jetskyvekraften bestemmes av en to-megawatt-stråle av cesiumioner med en energi på 7 kiloelektronvolt *. Skipet skytes ut fra banen til en kunstig jordsatellitt, går inn i banen til en Mars-satellitt, og må ned til overflaten på en enhet med en hydrogenkjemisk motor, lik den amerikanske månemotoren.

En stor serie IPPE-arbeider ble viet til dette området, basert på tekniske løsninger som allerede er mulige i dag.

Ion fremdrift

I disse årene ble måter å lage forskjellige elektriske fremdriftssystemer for romfartøyer på, for eksempel "plasmapistoler", elektrostatiske akseleratorer av "støv" eller væskedråper diskutert. Ingen av ideene hadde imidlertid et klart grunnlag. fysisk grunnlag. Oppdagelsen var overflateionisering av cesium.

Tilbake på 20-tallet av forrige århundre oppdaget den amerikanske fysikeren Irving Langmuir overflateionisering alkalimetaller. Når et cesiumatom fordamper fra overflaten av et metall (i vårt tilfelle wolfram), hvis elektronarbeidsfunksjon er større enn cesiumioniseringspotensialet, mister det i nesten 100 % av tilfellene et svakt bundet elektron og viser seg å være et enkelt ladet ion. Dermed er overflateioniseringen av cesium på wolfram den fysiske prosessen som gjør det mulig å lage en ionefremdriftsanordning med nesten 100 % utnyttelse av arbeidsvæsken og med en energieffektivitet nær enhet.

Vår kollega Stal Yakovlevich Lebedev spilte en stor rolle i å lage modeller av et ionefremdriftssystem av denne typen. Med sin jernutholdenhet og utholdenhet overvant han alle hindringer. Som et resultat var det mulig å reprodusere en flat tre-elektrode ionefremdriftskrets i metall. Den første elektroden er en wolframplate som måler omtrent 10x10 cm med et potensial på +7 kV, den andre er et wolframgitter med et potensial på -3 kV, og den tredje er et torisert wolframgitter med null potensial. Den "molekylære pistolen" produserte en stråle av cesiumdamp, som gjennom alle masker falt på overflaten av wolframplaten. En balansert og kalibrert metallplate, den såkalte balansen, tjente til å måle "kraften", det vil si kraften til ionestrålen.

Akselerasjonsspenningen til det første nettet akselererer cesiumioner til 10 000 eV, den decelererende spenningen til det andre nettet bremser dem ned til 7000 eV. Dette er energien som ionene må forlate thrusteren med, som tilsvarer en eksoshastighet på 100 km/s. Men en stråle av ioner, begrenset av romladningen, kan ikke «gå ut i verdensrommet». Den volumetriske ladningen til ionene må kompenseres av elektroner for å danne et kvasinutralt plasma, som sprer seg uhindret i rommet og skaper reaktiv skyvekraft. Kilden til elektroner for å kompensere for volumladningen til ionestrålen er det tredje gitteret (katoden) oppvarmet av strøm. Det andre "blokkerende" rutenettet hindrer elektroner fra å komme fra katoden til wolframplaten.

Den første erfaringen med ionefremdriftsmodellen markerte starten på mer enn ti års arbeid. En av de nyeste modellene, med en porøs wolfram-emitter, laget i 1965, produserte en "skyvekraft" på ca. 20 g ved en ionestrålestrøm på 20 A, hadde en energiutnyttelsesgrad på ca. 90 % og en materialutnyttelsesgrad på 95 %.

Direkte konvertering kjernefysisk varme inn i elektrisitet

Måter å direkte omdanne kjernefysisk energi til elektrisk energi er ennå ikke funnet. Vi klarer oss fortsatt ikke uten et mellomledd - en varmemotor. Siden effektiviteten alltid er mindre enn én, må "avfallsvarmen" plasseres et sted. Det er ingen problemer med dette på land, i vann eller i luften. I verdensrommet er det bare én vei - termisk stråling. Dermed kan ikke KNPP klare seg uten en "kjøleemitter". Strålingstettheten er proporsjonal med den fjerde potensen av absolutt temperatur, så temperaturen til det utstrålende kjøleskapet bør være så høy som mulig. Da vil det være mulig å redusere arealet av den emitterende overflaten og følgelig kraftverkets masse. Vi kom opp med ideen om å bruke "direkte" konvertering av kjernefysisk varme til elektrisitet, uten turbin eller generator, noe som virket mer pålitelig når langt arbeid i høytemperaturområdet.

Fra litteraturen kjente vi til verkene til A.F. Ioffe - grunnleggeren av den sovjetiske skolen for teknisk fysikk, en pioner innen forskning på halvledere i USSR. Få mennesker husker nå de nåværende kildene han utviklet, som ble brukt under den store patriotiske krigen. På den tiden hadde mer enn én partisanavdeling kontakt med fastlandet takket være "parafin" TEG-er - Ioffe termoelektriske generatorer. En "krone" laget av TEG-er (det var et sett med halvlederelementer) ble satt på en parafinlampe, og ledningene ble koblet til radioutstyr. De "varme" endene av elementene ble varmet opp av flammen parafinlampe, "kald" - avkjølt i luften. Varmestrømmen, som passerte gjennom halvlederen, genererte en elektromotorisk kraft, som var nok for en kommunikasjonsøkt, og i intervallene mellom dem ladet TEG batteriet. Da vi ti år etter seieren besøkte TEG-anlegget i Moskva, viste det seg at de fortsatt ble solgt. Mange landsbyboere hadde da økonomiske Rodina-radioer med direkte varmelamper, drevet av et batteri. TAG-er ble ofte brukt i stedet.

Problemet med parafin TEG er dens lave effektivitet (bare ca. 3,5%) og lave maksimumstemperatur (350°K). Men enkelheten og påliteligheten til disse enhetene tiltrakk utviklere. Dermed ble halvlederomformere utviklet av gruppen av I.G. Gverdtsiteli ved Sukhumi Institute of Physics and Technology, fant anvendelse i rominstallasjoner av typen Buk.

På en gang A.F. Ioffe foreslo en annen termionisk omformer - en diode i et vakuum. Prinsippet for driften er som følger: den oppvarmede katoden avgir elektroner, noen av dem, som overvinner anodens potensial, fungerer. En betydelig høyere effektivitet (20-25%) ble forventet fra denne enheten ved driftstemperaturer over 1000°K. I tillegg, i motsetning til en halvleder, er en vakuumdiode ikke redd for nøytronstråling, og den kan kombineres med atomreaktor. Imidlertid viste det seg at det var umulig å implementere ideen om en "vakuum" Ioffe-omformer. Som i en ionefremdriftsenhet, i en vakuumomformer må du kvitte deg med romladningen, men denne gangen ikke ioner, men elektroner. A.F. Ioffe hadde til hensikt å bruke mikron gap mellom katoden og anoden i en vakuumomformer, noe som er praktisk talt umulig under forhold med høye temperaturer og termiske deformasjoner. Det er her cesium kommer godt med: ett cesiumion produsert ved overflateionisering ved katoden kompenserer for romladningen på rundt 500 elektroner! I hovedsak er en cesiumomformer en "omvendt" ionefremdriftsenhet. De fysiske prosessene i dem er nærme.

«Garlands» av V.A. Malykha

Et av resultatene av IPPEs arbeid med termioniske omformere var etableringen av V.A. Malykh og serieproduksjon i hans avdeling for brenselelementer fra seriekoblede termionomformere - "kranser" for Topaz-reaktoren. De ga opptil 30 V - hundre ganger mer enn enkeltelementomformere laget av "konkurrerende organisasjoner" - Leningrad-gruppen M.B. Barabash og senere - Institutt for atomenergi. Dette gjorde det mulig å "fjerne" titalls og hundrevis av ganger mer kraft fra reaktoren. Påliteligheten til systemet, fylt med tusenvis av termioniske elementer, vakte imidlertid bekymringer. Samtidig fungerte damp- og gassturbinanlegg uten feil, så vi tok også hensyn til den "maskiniske" konverteringen av kjernefysisk varme til elektrisitet.

Hele vanskeligheten lå i ressursen, for i langdistanse romflyvninger må turbogeneratorer fungere i et år, to eller til og med flere år. For å redusere slitasje bør "omdreiningene" (turbinens rotasjonshastighet) gjøres så lave som mulig. På den annen side fungerer en turbin effektivt hvis hastigheten til gass- eller dampmolekylene er nær hastigheten til bladene. Derfor vurderte vi først bruken av den tyngste - kvikksølvdamp. Men vi ble skremt av den intense strålingsstimulerte korrosjonen av jern og rustfritt stål som skjedde i en kvikksølvkjølt atomreaktor. På to uker "spiste" korrosjon brenselelementene til den eksperimentelle hurtigreaktoren "Clementine" ved Argonne Laboratory (USA, 1949) og BR-2-reaktoren ved IPPE (USSR, Obninsk, 1956).

Kaliumdamp viste seg å være fristende. Reaktoren med kalium som kokte i dannet grunnlaget for kraftverket vi utviklet for et romfartøy med lav skyvekraft - kaliumdamp roterte turbogeneratoren. Denne «maskin»-metoden for å konvertere varme til elektrisitet gjorde det mulig å regne med en virkningsgrad på opptil 40 %, mens ekte termioniske installasjoner ga en virkningsgrad på bare rundt 7 %. KNPP med «maskin» konvertering av kjernefysisk varme til elektrisitet ble imidlertid ikke utviklet. Saken endte med utgivelsen av en detaljert rapport, i hovedsak en "fysisk merknad" til teknisk prosjekt lavtrykk-romfartøy for en bemannet flytur til Mars. Selve prosjektet ble aldri utviklet.

Senere, tror jeg, mistet jeg rett og slett interessen for romflyvninger ved bruk av kjernefysiske rakettmotorer. Etter Sergei Pavlovich Korolevs død ble støtten til IPPEs arbeid med ionefremdrift og "maskin" atomkraftverk merkbart svekket. OKB-1 ble ledet av Valentin Petrovich Glushko, som ikke var interessert i dristige, lovende prosjekter. Energia Design Bureau, som han opprettet, bygde kraftige kjemiske raketter og Buran-romfartøyet som returnerte til jorden.

"Buk" og "Topaz" på satellittene til "Cosmos"-serien

Arbeidet med opprettelsen av KNPP med direkte konvertering av varme til elektrisitet, nå som kraftkilder for kraftige radiosatellitter (romradarstasjoner og TV-kringkastere), fortsatte til starten av perestroikaen. Fra 1970 til 1988 ble rundt 30 radarsatellitter skutt opp i verdensrommet med Buk atomkraftverk med halvlederomformerreaktorer og to med Topaz termionanlegg. Buk var faktisk en TEG - en halvleder Ioffe-omformer, men i stedet for en parafinlampe brukte den en atomreaktor. Det var en rask reaktor med en effekt på opptil 100 kW. Full last av høyanriket uran var ca. 30 kg. Varme fra kjernen ble overført av flytende metall - en eutektisk legering av natrium og kalium - til halvlederbatterier. Elektrisk effekt nådde 5 kW.

Buk-installasjonen, under vitenskapelig veiledning av IPPE, ble utviklet av OKB-670-spesialistene M.M. Bondaryuk, senere - NPO "Red Star" ( sjefdesigner— G.M. Gryaznov). Dnepropetrovsk Yuzhmash Design Bureau (sjefdesigner - M.K. Yangel) fikk i oppgave å lage en bærerakett for å skyte opp satellitten i bane.

Driftstiden til "Buk" er 1-3 måneder. Hvis installasjonen mislyktes, ble satellitten overført til en langsiktig bane i en høyde på 1000 km. I løpet av nesten 20 år med oppskytinger var det tre tilfeller av en satellitt som falt til jorden: to i havet og en på land, i Canada, i nærheten av Great Slave Lake. Kosmos-954, lansert 24. januar 1978, falt der. Han jobbet i 3,5 måneder. Satellittens uranelementer brant fullstendig i atmosfæren. Bare restene av en berylliumreflektor og halvlederbatterier ble funnet på bakken. (Alle disse dataene er presentert i den felles rapporten fra de amerikanske og kanadiske atomkommisjonene om Operation Morning Light.)

Topaz termioniske kjernekraftverk brukte en termisk reaktor med en effekt på opptil 150 kW. Den fulle lasten med uran var rundt 12 kg - betydelig mindre enn Buk. Grunnlaget for reaktoren var brenselelementer - "kranser", utviklet og produsert av Malykhs gruppe. De besto av en kjede av termoelementer: katoden var en "fingerbøl" laget av wolfram eller molybden, fylt med uranoksid, anoden var et tynnvegget rør av niob, avkjølt med flytende natrium-kalium. Katodetemperaturen nådde 1650°C. Den elektriske effekten til installasjonen nådde 10 kW.

Den første flymodellen, Cosmos-1818-satellitten med Topaz-installasjonen, gikk i bane 2. februar 1987 og fungerte feilfritt i seks måneder til cesiumreservene var oppbrukt. Den andre satellitten, Cosmos-1876, ble skutt opp et år senere. Han jobbet i bane nesten dobbelt så lenge. Hovedutvikleren av Topaz var MMZ Soyuz Design Bureau, ledet av S.K. Tumansky (tidligere designbyrå for flymotordesigner A.A. Mikulin).

Dette var på slutten av 1950-tallet, da vi jobbet med ionefremdrift, og han jobbet med tredje trinns motor for en rakett som skulle fly rundt månen og lande på den. Minner om Melnikovs laboratorium er fortsatt friske den dag i dag. Det lå i Podlipki (nå byen Korolev), på sted nr. 3 i OKB-1. Et stort verksted med et areal på ca 3000 m2, fylt med dusinvis av skrivebord med sløyfeoscilloskop som tar opp på 100 mm rullepapir (dette var fortsatt en svunnen tid; i dag ville det vært nok med én personlig datamaskin). På verkstedets fremre vegg er det et stativ hvor forbrenningskammeret til den "måne" rakettmotoren er montert. Oscilloskoper har tusenvis av ledninger fra sensorer for gasshastighet, trykk, temperatur og andre parametere. Dagen begynner klokken 9.00 med tenning av motoren. Den går i flere minutter, og umiddelbart etter at den har stoppet, demonterer et team av mekanikere i første skift den, inspiserer og måler forbrenningskammeret nøye. Samtidig analyseres oscilloskopbånd og gis anbefalinger for designendringer. Andre skift - designere og verkstedarbeidere gjør anbefalte endringer. Under det tredje skiftet er nytt brennkammer og diagnosesystem installert ved standen. En dag senere, nøyaktig klokken 9.00, neste økt. Og så videre uten fridager i uker, måneder. Mer enn 300 motoralternativer per år!

Slik ble det skapt kjemiske rakettmotorer, som måtte jobbe i bare 20-30 minutter. Hva kan vi si om testing og modifikasjoner av atomkraftverk – regnestykket var at de skulle fungere i mer enn ett år. Dette krevde en virkelig gigantisk innsats.

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.

Til i det siste Innenfor rammen av prosjektet er to viktige stadier fullført: 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 basismetall, omkretssveis og konisk overgang.

Driftsprinsipp. skapelseshistorie.

Det er ingen grunnleggende vanskeligheter med en atomreaktor 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 opinionen negativt angående bruken 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 la to organisasjoner – Federation of American Scientists og Committee of Soviet Scientists for Peace Against the Nuclear Threat – frem et felles forslag om å forby bruk av atomenergi i verdensrommet. Det forslaget fikk ingen formelle konsekvenser, men siden den gang har ingen land skutt opp romfartøyer med atomkraftverk om bord.

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

I 2010 ble det utformet tekniske forslag til prosjektet. Designet begynte 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.

Fra et fysisk synspunkt er dette 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, assosiert med 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 forseldet 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 vil atomkraftverket 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 mye, fordi oppvarming av hydrogen til 3000 grader i en atomreaktor er 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 - ekstreme temperaturer 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 gjennom 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 mini-atomkraftverk 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 det de facto er under dannelse.

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.

Rakettmotorer med flytende brensel har gitt mennesket muligheten til å gå ut i verdensrommet – i baner nær jorden. Imidlertid brenner slike raketter 99 % av drivstoffet de første minuttene av flyturen. Det gjenværende drivstoffet vil kanskje ikke være nok til å reise til andre planeter, og hastigheten vil være så lav at reisen vil ta flere titalls eller hundrevis av år. Atommotorer kan løse problemet. Hvordan? Vi finner ut av det sammen.

Driftsprinsippet til en jetmotor er veldig enkelt: den konverterer drivstoff til den kinetiske energien til en jet (loven om bevaring av energi), og på grunn av retningen til denne jetflyet beveger raketten seg i rommet (loven om bevaring av momentum). Det er viktig å forstå at vi ikke kan akselerere en rakett eller et fly til en hastighet som er større enn hastigheten på utstrømmen av drivstoff - varm gass kastet tilbake.

New Horizons romfartøy

Hva skiller en effektiv motor fra en mislykket eller utdatert analog? Først av alt, hvor mye drivstoff motoren trenger for å akselerere raketten til ønsket hastighet. Dette den viktigste parameteren rakettmotor kalles spesifikk impuls, som er definert som forholdet mellom total impuls og drivstofforbruk: jo høyere denne indikatoren er, desto mer effektiv er rakettmotoren. Hvis raketten nesten utelukkende består av drivstoff (som betyr at det ikke er plass til en nyttelast, et ekstremt tilfelle), kan den spesifikke impulsen anses som lik hastigheten til drivstoffet (arbeidsvæsken) som strømmer ut av rakettdysen. Å skyte opp en rakett er en ekstremt kostbar oppgave, ikke bare nyttelasten, men også drivstoffet, som også veier og tar plass. Derfor velger ingeniører mer og mer aktivt drivstoff, en enhet som vil gi maksimal effektivitet, øke den spesifikke impulsen.

De aller fleste raketter i historien og moderne tid har vært utstyrt med motorer som bruker en kjemisk forbrenningsreaksjon (oksidasjon) av drivstoff.

De gjorde det mulig å nå Månen, Venus, Mars og til og med de fjerne planetene - Jupiter, Saturn og Neptun. Riktignok tok romekspedisjoner måneder og år (automatiske stasjoner Pioneer, Voyager, New Horizons, etc.). Det skal bemerkes at alle slike raketter bruker en betydelig del av drivstoffet for å løfte seg fra jorden, og deretter fortsette å fly med treghet med sjeldne øyeblikk av å slå på motoren.

Pioneer romfartøy

Slike motorer er egnet for å skyte opp raketter i bane nær jorden, men for å akselerere den til minst en fjerdedel av lysets hastighet, vil det være nødvendig med en utrolig mengde drivstoff (beregninger viser at det trengs 103 200 gram drivstoff, til tross for at at massen til galaksen vår ikke er mer enn 1056 gram). Det er åpenbart at for å nå de nærmeste planetene, og enda mer stjernene, trenger vi tilstrekkelig høye hastigheter, som raketter med flytende brensel ikke er i stand til å gi.

Gassfase kjernefysisk motor

Deep space er en helt annen sak. Ta Mars, for eksempel, "beboet" av science fiction-forfattere vidt og bredt: den er godt studert og vitenskapelig lovende, og viktigst av alt, den er nærmere enn noen andre. Poenget er en «rombuss» som kan levere mannskapet dit i rimelig tid, altså så raskt som mulig. Men det er problemer med interplanetarisk transport. Det er vanskelig å akselerere den til ønsket hastighet mens du opprettholder akseptable dimensjoner og bruker en rimelig mengde drivstoff.

RS-25 (Rocket System 25) er en rakettmotor med flytende drivstoff produsert av Rocketdyne, USA. Den ble brukt på glideren til romfergen romtransportsystem, som hver hadde tre slike motorer installert. Bedre kjent som SSME-motoren (English Space Shuttle Main Engine - hovedmotoren til romfergen). Hovedkomponentene i drivstoffet er flytende oksygen (oksidasjonsmiddel) og hydrogen (drivstoff). RS-25 bruker et lukket syklusskjema (med etterbrenning av generatorgassen).

Løsningen kan være et "fredelig atom" som skyver romskip. Ingeniører begynte å tenke på å lage en lett og kompakt enhet som var i stand til å starte i det minste seg selv i bane tilbake på slutten av 50-tallet av forrige århundre. Hovedforskjellen mellom atommotorer og raketter med forbrenningsmotorer er at kinetisk energi oppnås ikke på grunn av forbrenning av drivstoff, men på grunn av den termiske energien til forfallet av radioaktive elementer. La oss sammenligne disse tilnærmingene.

Fra flytende motorer en varm "cocktail" kommer ut eksosgasser(loven om bevaring av momentum) dannet under reaksjonen av drivstoff og oksidasjonsmiddel (loven om bevaring av energi). I de fleste tilfeller er det en kombinasjon av oksygen og hydrogen (resultatet av å brenne hydrogen er vanlig vann). H2O har en mye større molar masse enn hydrogen eller helium, så det er vanskeligere å akselerere den spesifikke impulsen for en slik motor er 4500 m/s.

NASA bakketester av et nytt romrakettoppskytingssystem, 2016 (Utah, USA). Disse motorene vil bli installert på Orion-romfartøyet, som er planlagt for et oppdrag til Mars.

I kjernefysiske motorer Det foreslås kun å bruke hydrogen og akselerere (varme) det ved å bruke energien fra kjernefysisk forfall. Dette resulterer i besparelser på oksidasjonsmidlet (oksygen), som allerede er stor, men ikke alt. Siden hydrogen har en relativt lav egenvekt, er det lettere for oss å akselerere det til høyere hastigheter. Selvfølgelig kan du bruke andre varmefølsomme gasser (helium, argon, ammoniakk og metan), men alle er minst to ganger dårligere enn hydrogen i det viktigste - oppnåelig spesifikk impuls (mer enn 8 km/s).

Så er det verdt å miste det? Gevinsten er så stor at ingeniører ikke stoppes verken av kompleksiteten i utformingen og kontrollen av reaktoren, eller av dens tunge vekt, eller til og med av strålingsfaren. Dessuten kommer ingen til å skyte opp fra jordoverflaten - monteringen av slike skip vil bli utført i bane.

"Flygende" reaktor

Hvordan fungerer en atommotor? Reaktoren i en rommotor er mye mindre og mer kompakt enn sine terrestriske motstykker, men alle hovedkomponentene og kontrollmekanismene er fundamentalt de samme. Reaktoren fungerer som en varmeovn som flytende hydrogen tilføres. Temperaturer i kjernen når (og kan overstige) 3000 grader. Den oppvarmede gassen slippes deretter ut gjennom dysen.

Slike reaktorer avgir imidlertid skadelig stråling. For å beskytte mannskapet og en rekke elektronisk utstyr mot stråling kreves grundige tiltak. Derfor ligner prosjekter av interplanetariske romfartøyer med en kjernefysisk motor ofte en paraply: motoren er plassert i en skjermet separat blokk koblet til hovedmodulen med et langt fagverk eller rør.

"Forbrenningskammer" Atommotoren er reaktorkjernen, der hydrogen tilført under høyt trykk varmes opp til 3000 grader eller mer. Denne grensen bestemmes bare av varmemotstanden til reaktormaterialene og egenskapene til brenselet, selv om økning av temperaturen øker den spesifikke impulsen.

Drivstoffelementer- disse er varmebestandige ribbede (for å øke varmeoverføringsarealet) sylindre - "glass" fylt med uran pellets. De "vaskes" av en gasstrøm, som spiller rollen som både arbeidsvæsken og reaktorkjølevæsken. Hele strukturen er isolert med beryllium reflekterende skjermer som ikke slipper farlig stråling til utsiden. For å kontrollere varmeavgivelsen er spesielle roterende tromler plassert ved siden av skjermene

Det er en rekke lovende design av kjernefysiske rakettmotorer, hvor implementeringen venter i vingene. Tross alt vil de hovedsakelig bli brukt i interplanetariske reiser, som tilsynelatende er rett rundt hjørnet.

Kjernefysiske fremdriftsprosjekter

Disse prosjektene ble frosset av forskjellige årsaker - mangel på penger, kompleksiteten i designet, eller til og med behovet for montering og installasjon i verdensrommet.

"ORION" (USA, 1950–1960)

Et prosjekt av et bemannet kjernefysisk pulsromfartøy ("eksplosjonsplan") for utforskning av interplanetarisk og interstellart rom.

Driftsprinsipp. Fra skipets motor, i motsatt retning av flyvningen, skytes en liten ekvivalent atomladning ut og detoneres i relativt kort avstand fra skipet (opptil 100 m). Slagkraften reflekteres fra den massive reflekterende platen på bakenden av skipet, og "skyver" den fremover.

"PROMETHEUS" (USA, 2002–2005)

Et NASA-rombyråprosjekt for å utvikle en atommotor for romfartøy.

Driftsprinsipp. Romfartøyets motor skulle bestå av ioniserte partikler som skaper skyvekraft og en kompakt atomreaktor som gir energi til installasjonen. Ionemotoren skaper en skyvekraft på ca 60 gram, men kan operere kontinuerlig. Til syvende og sist vil skipet gradvis kunne få enorm fart - 50 km/sek, og bruke et minimum av energi.

"PLUTO" (USA, 1957–1964)

Prosjekt for å utvikle en kjernefysisk ramjetmotor.

Driftsprinsipp. Luft gjennom fronten kjøretøy går inn i en atomreaktor hvor den varmes opp. Varm luft ekspanderer, får større hastighet og frigjøres gjennom dysen, og gir den nødvendige skyvekraften.

NERVA (USA, 1952–1972)

(English Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) er et felles program av US Atomic Energy Commission og NASA for å lage en kjernefysisk rakettmotor.

Driftsprinsipp. Den flytende hydrogelen mates inn i et spesielt rom der den varmes opp av en atomreaktor. Den varme gassen ekspanderer og slippes ut i dysen, og skaper skyvekraft.

Kjernefysisk rakettmotor er en rakettmotor hvis driftsprinsipp er basert på kjernefysisk reaksjon eller radioaktivt forfall, dette frigjør energi som varmer opp arbeidsvæsken, som kan være reaksjonsprodukter eller andre stoffer, for eksempel hydrogen. Det er flere typer rakettmotorer som bruker operasjonsprinsippet beskrevet ovenfor: kjernefysisk, radioisotop, termonukleær. Ved å bruke kjernefysiske rakettmotorer er det mulig å oppnå spesifikke impulsverdier betydelig høyere enn de som kan oppnås med kjemiske rakettmotorer. Den høye spesifikke impulsverdien forklares med høy hastighet utstrømningen av arbeidsvæsken er ca. 8-50 km/s. Skyvekraften til en kjernefysisk motor er sammenlignbar med den til kjemiske motorer, noe som vil gjøre det mulig i fremtiden å erstatte alle kjemiske motorer med kjernefysiske motorer.

Hovedhindringen for fullstendig utskifting er den radioaktive forurensningen forårsaket av kjernefysiske rakettmotorer.

De er delt inn i to typer - fast og gassfase. I den første typen motorer plasseres spaltbart materiale i stangsammenstillinger med utviklet overflate. Dette lar deg effektivt varme opp en gassformig arbeidsfluid, vanligvis fungerer hydrogen som en arbeidsfluid. Strømningshastigheten er begrenset maksimal temperatur arbeidsvæske, som igjen avhenger direkte av maksimum tillatt temperatur strukturelle elementer, og den overstiger ikke 3000 K. I gassfase kjernefysiske rakettmotorer er spaltbart materiale i gassform. Dens oppbevaring i arbeidsområdet utføres gjennom påvirkning av et elektromagnetisk felt. For denne typen kjernefysiske rakettmotorer er ikke de strukturelle elementene en begrensende faktor, så eksoshastigheten til arbeidsvæsken kan overstige 30 km/s. De kan brukes som første trinns motorer, til tross for lekkasje av spaltbart materiale.

På 70-tallet XX århundre I USA og Sovjetunionen ble det aktivt testet kjernefysiske rakettmotorer med spaltbart materiale i fast fase. I USA ble et program utviklet for å lage en eksperimentell kjernefysisk rakettmotor som en del av NERVA-programmet.

Amerikanerne utviklet en grafittreaktor avkjølt med flytende hydrogen, som ble varmet opp, fordampet og kastet ut gjennom en rakettdyse. Valget av grafitt skyldtes dens temperaturmotstand. I følge dette prosjektet skulle den spesifikke impulsen til den resulterende motoren ha vært dobbelt så høy som den tilsvarende figuren som er karakteristisk for kjemiske motorer, med en skyvekraft på 1100 kN. Nerva-reaktoren skulle fungere som en del av den tredje fasen av Saturn V-raktoren, men på grunn av nedleggelsen av måneprogrammet og mangelen på andre oppgaver for rakettmotorer av denne klassen, ble reaktoren aldri testet i praksis.

En gassfase kjernefysisk rakettmotor er for tiden i det teoretiske utviklingsstadiet. En gassfase kjernefysisk motor involverer bruk av plutonium, hvis saktegående gassstrøm er omgitt av en raskere strøm av kjølende hydrogen. På orbital romstasjoner MIR og ISS gjennomførte eksperimenter som kunne gi impulser til den videre utviklingen av gassfasemotorer.

I dag kan vi si at Russland har litt "frosset" sin forskning innen kjernefysiske fremdriftssystemer. Arbeidet til russiske forskere er mer fokusert på utvikling og forbedring av grunnleggende komponenter og sammenstillinger av atomkraftverk, samt deres forening. Den prioriterte retningen for videre forskning på dette området er etableringen av kjernekraftfremdriftssystemer som er i stand til å operere i to moduser. Den første er kjernefysisk rakettmotormodus, og den andre er installasjonsmodusen for å generere elektrisitet for å drive utstyret installert om bord i romfartøyet.

Sovjetiske og amerikanske forskere har utviklet atomdrevne rakettmotorer siden midten av det 20. århundre. Denne utviklingen har ikke kommet lenger enn prototyper og enkelttester, men nå opprettes det eneste rakettfremdriftssystemet som bruker atomenergi i Russland. "Reactor" studerte historien til forsøk på å introdusere kjernefysiske rakettmotorer.

Da menneskeheten nettopp begynte å erobre verdensrommet, ble forskere møtt med oppgaven med å gi energi til romfartøy. Forskere har rettet oppmerksomheten mot muligheten for å bruke atomenergi i verdensrommet ved å lage konseptet med en kjernefysisk rakettmotor. En slik motor var ment å bruke energien fra fisjon eller fusjon av kjerner for å skape jetkraft.

I USSR, allerede i 1947, begynte arbeidet med å lage en kjernefysisk rakettmotor. I 1953 bemerket sovjetiske eksperter at "bruken av atomenergi vil gjøre det mulig å oppnå praktisk talt ubegrensede rekkevidder og dramatisk redusere flyvekten til missiler" (sitert fra publikasjonen "Nuclear Rocket Engines" redigert av A.S. Koroteev, M, 2001) . På den tiden var kjernekraftfremdriftssystemer først og fremst ment å utstyre ballistiske missiler, så myndighetenes interesse for utviklingen var stor. USAs president John Kennedy kalte i 1961 det nasjonale programmet for å lage en rakett med en kjernefysisk rakettmotor (Project Rover) til et av de fire prioriterte områdene i erobringen av verdensrommet.

KIWI-reaktor, 1959. Foto: NASA.

På slutten av 1950-tallet skapte amerikanske forskere KIWI-reaktorer. De har blitt testet mange ganger, utviklerne har gjort et stort antall modifikasjoner. Feil oppstod ofte under testing, for eksempel når motorkjernen ble ødelagt og en stor hydrogenlekkasje ble oppdaget.

På begynnelsen av 1960-tallet skapte både USA og USSR forutsetningene for gjennomføring av planer om å lage kjernefysiske rakettmotorer, men hvert land fulgte sin egen vei. USA laget mange design av fastfasereaktorer for slike motorer og testet dem på åpne stativer. USSR testet drivstoffsamlingen og andre motorelementer, og forberedte produksjonen, testingen og personellbasen for en bredere "offensiv."

NERVA YARD diagram. Illustrasjon: NASA.

I USA, allerede i 1962, uttalte president Kennedy at "en atomrakett ikke vil bli brukt i de første flyvningene til månen," så det er verdt å rette midler bevilget til romutforskning til andre utbygginger. På begynnelsen av 1960- og 1970-tallet ble ytterligere to reaktorer testet (PEWEE i 1968 og NF-1 i 1972) som en del av NERVA-programmet. Men finansieringen ble fokusert på måneprogram, så det amerikanske atommotorprogrammet ble redusert i omfang og ble avsluttet i 1972.

NASA-film om atomkraft jetmotor NERVA.

I Sovjetunionen fortsatte utviklingen av kjernefysiske rakettmotorer til 1970-tallet, og de ble ledet av den nå berømte triaden av innenlandske akademiske forskere: Mstislav Keldysh, Igor Kurchatov og. De vurderte mulighetene for å lage og bruke missiler med atommotorer ganske optimistisk. Det så ut til at Sovjetunionen var i ferd med å lansere et slikt missil. Branntester ble utført på Semipalatinsk-teststedet - i 1978 fant kraftoppskytningen av den første reaktoren til 11B91 kjernefysiske rakettmotor (eller RD-0410), deretter ytterligere to serier med tester - den andre og tredje enheten 11B91- IR-100. Dette var de første og siste sovjetiske kjernefysiske rakettmotorene.

M.V. Keldysh og S.P. Korolev besøker I.V. Kurchatova, 1959