Что такое ядерные двигатели?

Скептики утверждают, что создание ядерного двигателя – это не значительный прогресс в области науки и техники, а лишь «модернизация парового котла», где вместо угля и дров в качестве топлива выступает уран, а в качестве рабочего тела – водород. Настолько ли бесперспективен ЯРД (ядерный реактивный двигатель)? Попробуем разобраться.

Первые ракеты

Все заслуги человечества в освоении околоземного космического пространства можно смело отнести на счет химических реактивных двигателей. В основе работы таких силовых агрегатов - преобразование энергии химической реакции сжигания топлива в окислителе в кинетическую энергию реактивной струи, и, следовательно, ракеты. В качестве топлива используются керосин, жидкий водород, гептан (для жидкотопливных ракетных двигателей (ЖТРД)) и полимеризованная смесь перхлората аммония, алюминия и оксида железа (для твердотопливных (РДТТ)).

Общеизвестно, что первые ракеты, используемые для фейерверков, появились в Китае еще во втором столетии до нашей эры. В небо они поднимались благодаря энергии пороховых газов. Теоретические изыскания немецкого оружейника Конрада Хааса (1556), польского генерала Казимира Семеновича (1650), русского генерал-лейтенанта Александра Засядко внесли существенный вклад в развитие ракетной техники.

Патент на изобретение первой ракеты с ЖТРД получил американский ученый Роберт Годдард. Его аппарат при весе 5 кг и длине около 3 м, работавший на бензине и жидком кислороде, в 1926 году за 2,5 с. пролетел 56 метров.

В погоне за скоростью

Серьезные экспериментальные работы по созданию серийных химических реактивных двигателей стартовали в 30-х годах прошлого века. В Советском Союзе пионерами ракетного двигателестроения по праву считаются В. П. Глушко и Ф. А. Цандер. С их участием были разработаны силовые агрегаты РД-107 и РД-108, обеспечившие СССР первенство в освоении космического пространства и заложившие фундамент для будущего лидерства России в области пилотируемой космонавтики.

При модернизации ЖТРД стало ясно, что теоретическая максимальная скорость реактивной струи не сможет превысить 5 км/с. Для изучения околоземного пространства этого может быть и достаточно, но вот полеты к другим планетам, а тем более звездам останутся для человечества несбыточной мечтой. Как следствие, уже в середине прошлого века стали появляться проекты альтернативных (нехимических) ракетных двигателей. Наиболее популярными и перспективными выглядели установки, использующие энергию ядерных реакций. Первые экспериментальные образцы ядерных космических двигателей (ЯРД) в Советском Союзе и США прошли тестовые испытания еще в 1970 году. Однако после Чернобыльской катастрофы под нажимом общественности работы в этой области были приостановлены (в СССР в 1988 году, в США – с 1994).

Принцип работы ядерного двигателя

В основе функционирования ядерных силовых установок лежат те же принципы, что и у термохимических. Различие заключается лишь в том, что нагрев рабочего тела осуществляется энергией распада или синтеза ядерного горючего. Энергетическая эффективность таких двигателей значительно превосходит химические. Так например, энергия, которую может выделить 1 кг самого лучшего топлива (смесь бериллия с кислородом) – 3×107 Дж, тогда как для изотопов полония Po210 эта величина составляет 5×1011 Дж.

Высвобождаемая энергия в ядерном двигателе может использоваться различными способами:

нагревая рабочее тело, испускаемое через сопла, как в традиционном ЖРД,после преобразования в электрическую, ионизируя и разгоняя частицы рабочего тела,создания импульса непосредственно продуктами деления или синтеза.В качестве рабочего тела может выступать даже обычная вода, но гораздо эффективнее будет применение спирта, аммиака или жидкого водорода. В зависимости от агрегатного состояния топлива для реактора ядерные двигатели ракет подразделяют на твердо-, жидко- и газофазные. Наиболее проработан ЯРД с твердофазным реактором деления, использующий в качестве топлива ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), применяемые на атомных электростанциях. Первый такой двигатель в рамках американского проекта Nerva прошел наземные тестовые испытания в 1966 году, проработав около двух часов.

Конструктивные особенности

В основе любого ядерного космического двигателя лежит реактор, состоящий из активной зоны и бериллиевого отражателя, размещенных в силовом корпусе. В активной зоне и происходит деление атомов горючего вещества, как правило, урана U238, обогащенного изотопами U235. Для придания процессу распада ядер определенных свойств, здесь же расположены и замедлители – тугоплавкие вольфрам или молибден. В случае если замедлитель включают в состав ТВЭЛов, реактор называют гомогенным, а если размещают отдельно – гетерогенным. В состав ядерного двигателя также входят блок подачи рабочего тела, органы управления, теневая радиационная защита, сопло. Конструктивные элементы и узлы реактора, испытывающие высокие термические нагрузки, охлаждаются рабочим телом, которое затем турбонасосным агрегатом нагнетается в тепловыделяющие сборки. Здесь происходит его нагрев почти до 3 000˚С. Истекая через сопло, рабочее тело создает реактивную тягу.

Типичными органами управления реактором служат регулирующие стержни и поворотные барабаны, выполненные из вещества, поглощающего нейтроны (бора или кадмия). Стержни размещают непосредственно в активной зоне или в специальных нишах отражателя, а поворотные барабаны – на периферии реактора. Перемещением стержней или поворотом барабанов изменяют количество делящихся ядер в единицу времени, регулируя уровень энерговыделения реактора, и, следовательно, его тепловую мощность.

Для снижения интенсивности нейтронного и гамма-излучения, опасного для всего живого, в силовом корпусе размещают элементы первичной реакторной защиты.

Повышение эффективности

Жидкофазный ядерный двигатель принципом работы и устройством аналогичен твердофазным, но жидкообразное состояние топлива позволяет увеличить температуру протекания реакции, а, следовательно, тягу силового агрегата. Так если для химических агрегатов (ЖТРД и РДТТ) максимальный удельный импульс (скорость истечения реактивной струи) – 5 420 м/с, для твердофазных ядерных и 10 000м/с – далеко не предел, то среднее значение этого показателя для газофазных ЯРД лежит в диапазоне 30 000 – 50 000 м/с.

Существуют проекты газофазного ядерного двигателя двух типов:

Открытого цикла, при котором ядерная реакция протекает внутри плазменного облака из рабочего тела, удерживаемого электромагнитным полем и поглощающего все образовавшееся тепло. Температура может достигать нескольких десятков тысяч градусов. В этом случае активную область окружает термостойкое вещество (например, кварц) – ядерная лампа, свободно пропускающая излучаемую энергию.В установках второго типа температура протекания реакции будет ограничена температурой плавления материала колбы. При этом энергетическая эффективность ядерного космического двигателя несколько снижается (удельный импульс до 15 000 м/с), но повышается экономичность и радиационная безопасность.

Практические достижения

Формально, изобретателем силовой установки на атомной энергии принято считать американского ученого и физика Ричарда Фейнмана. Старт масштабных работ по разработке и созданию ядерных двигателей для космических кораблей в рамках программы Rover был дан в научно-исследовательском центре Лос-Аламос (США) в 1955 году. Американские изобретатели отдали предпочтение установкам с гомогенным ядерным реактором. Первый экспериментальный образец «Киви-А» был собран на заводе при атомном центре в Альбукерке (Нью-Мексико, США) и испытан в 1959 году. Реактор располагался на стенде вертикально соплом вверх. В ходе испытаний нагретая струя отработанного водорода выбрасывалась непосредственно в атмосферу. И хотя ректор проработал на малой мощности всего лишь около 5 минут, успех вдохновил разработчиков.

В Советском Союзе мощный импульс подобным исследованиям придала состоявшаяся в 1959 году в Институте атомной энергии встреча «трех великих К» – создателя атомной бомбы И. В. Курчатова, главного теоретика отечественной космонавтики М. В. Келдыша и генерального конструктора советских ракет С. П. Королева. В отличие от американского образца советский двигатель РД-0410, разработанный в конструкторском бюро объединения «Химавтоматика» (Воронеж), имел гетерогенный реактор. Огневые испытания состоялись на полигоне вблизи г. Семипалатинска в 1978 году.

Стоит отметить, что теоретических проектов было создано довольно много, но до практической реализации дело так и не дошло. Причинами тому послужило наличие огромного количества проблем в материаловедении, нехватка человеческих и финансовых ресурсов.

Для заметки: важным практическим достижением стало проведение летных испытаний самолетов с ядерным двигателем. В СССР наиболее перспективным был экспериментальный стратегический бомбардировщик Ту-95ЛАЛ, в США – В-36.

Проект "Орион" или импульсные ЯРД

Для полетов в космосе ядерный двигатель импульсного действия впервые предложил использовать в 1945 году американский математик польского происхождения Станислав Улам. В последующее десятилетие идею развили и доработали Т. Тейлор и Ф. Дайсон. Суть сводится к тому, что энергия небольших ядерных зарядов, подрываемых на некотором расстоянии от толкающей платформы на днище ракеты, сообщает ей большое ускорение.

В ходе стартовавшего в 1958 году проекта «Орион» именно таким двигателем планировалось оснастить ракету, способную доставить людей на поверхность Марса или орбиту Юпитера. Экипаж, размещенный в носовом отсеке, был бы защищен от разрушительных воздействий гигантских ускорений демпфирующим устройством. Результатом детальной инженерной проработки стали маршевые испытания масштабного макета корабля для изучения устойчивости полета (вместо ядерных зарядов использовалась обычная взрывчатка). Из-за дороговизны проект был закрыт в 1965 году.

Схожие идеи создания «взрыволета» высказывал и советский академик А. Сахаров в июле 1961 года. Для вывода корабля на орбиту ученый предлагал использовать обычные ЖТРД.

Альтернативные проекты

Огромное количество проектов так и не вышли за рамки теоретических изысканий. Среди них было немало оригинальных и очень перспективных. Подтверждением служит идея силовой ядерной установки на делящихся фрагментах. Конструктивные особенности и устройство этого двигателя позволяют обходиться вообще без рабочего тела. Реактивная струя, обеспечивающая необходимые тяговые характеристики, формируется из отработанного ядерного материала. В основе реактора лежат вращающиеся диски с подкритической ядерной массой (коэффициент деления атомов меньше единицы). При вращении в секторе диска, находящегося в активной зоне, запускается цепная реакция и распадающиеся высокоэнергетические атомы направляются в сопло двигателя, образуя реактивную струю. Сохранившиеся целые атомы примут участие в реакции при следующих оборотах топливного диска.

Вполне работоспособны проекты ядерного двигателя для кораблей, выполняющих определенные задачи в околоземном пространстве, на базе РИТЭГов (радиоизотопных термоэлектрических генераторов), но для осуществления межпланетных, а тем более межзвездных перелетов такие установки малоперспективны.

Огромный потенциал у двигателей, работающих на ядерном синтезе. Уже на сегодняшнем этапе развития науки и техники вполне реализуема импульсная установка, в которой, подобно проекту «Орион», под днищем ракеты будут подрываться термоядерные заряды. Впрочем, и осуществление управляемого ядерного синтеза многие специалисты считают делом недалекого будущего.

Достоинства и недостатки ЯРД

К бесспорным преимуществам использования ядерных двигателей в качестве силовых агрегатов для космических летательных аппаратов следует отнести их высокую энергетическую эффективность, обеспечивающую высокий удельный импульс и хорошие тяговые показатели (до тысячи тонн в безвоздушном пространстве), внушительный энергозапас при автономной работе. Современный уровень научно-технического развития позволяет обеспечить сравнительную компактность такой установки.

Основной недостаток ЯРД, послуживший причиной сворачивания проектно-исследовательских работ – высокая радиационная опасность. Это особенно актуально при проведении наземных огневых тестов в результате которых возможно попадание в атмосферу вместе с рабочим телом и радиоактивных газов, соединений урана и его изотопов, и разрушающее воздействие проникающей радиации. По этим же причинам неприемлем старт космического корабля, оборудованного ядерным двигателем, непосредственно с поверхности Земли.

Настоящее и будущее

По заверениям академика РАН, генерального директора «Центра Келдыша» Анатолия Коротеева, принципиально новый тип ядерного двигателя в России будет создан уже в ближайшее время. Суть подхода заключается в том, энергия космического реактора будет направлена не на непосредственный нагрев рабочего тела и формирования реактивной струи, а для производства электричества. Роль движителя в установке отводится плазменному двигателю, удельная тяга которого в 20 раз превышает тягу существующих на сегодняшний день химических реактивных аппаратов. Головным предприятием проекта выступает подразделение госкорпорации «Росатом» АО «НИКИЭТ» (Москва).

Полномасштабные макетные тесты были успешно пройдены еще в 2015 году на базе НПО «Машиностроения» (Реутов). Датой начала летно-конструкторских испытаний ядерной энергоустановки назван ноябрь нынешнего года. Важнейшие элементы и системы должны будут пройти проверку, в том числе и на борту МКС.

Функционирование нового российского ядерного двигателя происходит по замкнутому циклу, что полностью исключает попадание радиоактивных веществ в окружающее пространство. Массовые и габаритные характеристики основных элементов энергетической установки обеспечивают ее использование с существующими отечественными ракето-носителями «Протон» и «Ангара».