Co kilka lat niektóre
nowy podpułkownik odkrywa Plutona.
Następnie dzwoni do laboratorium,
aby poznać przyszły los nuklearnego silnika strumieniowego.
To ostatnio modny temat, ale wydaje mi się, że atomowy silnik strumieniowy jest o wiele ciekawszy, bo nie musi wozić ze sobą płynu roboczego.
Zakładam, że wiadomość Prezydenta dotyczyła jego osoby, ale z jakiegoś powodu wszyscy zaczęli dzisiaj pisać o YARD???
Pozwólcie mi zebrać wszystko tutaj w jednym miejscu. Powiem Ci, że ciekawe przemyślenia pojawiają się, gdy wczytasz się w jakiś temat. I bardzo niewygodne pytania.
Silnik ramjet (silnik ramjet; angielski termin to ramjet, od ram - ram) to silnik odrzutowy, który jest najprostszym w konstrukcji w klasie silników odrzutowych oddychających powietrzem (silniki strumieniowe). Należy do typu silników odrzutowych o reakcji bezpośredniej, w których ciąg wytwarzany jest wyłącznie przez strumień strumieniowy wypływający z dyszy. Wzrost ciśnienia niezbędny do pracy silnika uzyskuje się poprzez hamowanie nadjeżdżającego strumienia powietrza. Silnik strumieniowy nie działa przy niskich prędkościach lotu, szczególnie przy prędkości zerowej; do doprowadzenia go do mocy roboczej potrzebny jest jeden lub drugi akcelerator.
W drugiej połowie lat pięćdziesiątych, w okresie zimnej wojny, w USA i ZSRR opracowano konstrukcje silników strumieniowych z reaktorem jądrowym. 
Zdjęcie: Leicht modifiziert aus http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pluto1955.jpg
Źródłem energii tych silników strumieniowych (w przeciwieństwie do innych silników strumieniowych) nie jest reakcja chemiczna spalania paliwa, ale ciepło wytwarzane przez reaktor jądrowy w komorze grzewczej płynu roboczego. Powietrze z urządzenia wejściowego w takim strumieniu przepływa przez rdzeń reaktora, schładzając go, nagrzewa się do temperatury roboczej (około 3000 K), a następnie wypływa z dyszy z prędkością porównywalną do prędkości wylotowych dla większości zaawansowane chemiczne silniki rakietowe. Możliwe zastosowania samolotu z takim silnikiem:
- międzykontynentalny pojazd nośny o ładunku nuklearnym;
- jednostopniowy samolot lotniczy.
Obydwa kraje stworzyły kompaktowe reaktory jądrowe o niskich zasobach, które mieszczą się w wymiarach dużej rakiety. W USA, w ramach programów badawczych nad nuklearnym silnikiem strumieniowym Pluton i Tory, w 1964 r. przeprowadzono testy ogniowe na stanowisku badawczym nuklearnego silnika strumieniowego Tory-IIC (tryb pełnej mocy 513 MW przez pięć minut przy ciągu 156 kN). Nie przeprowadzono żadnych testów w locie, a program zamknięto w lipcu 1964 roku. Jedną z przyczyn zamknięcia programu było udoskonalenie konstrukcji rakiet balistycznych z chemicznymi silnikami rakietowymi, co w pełni zapewniło rozwiązanie misji bojowych bez stosowania schematów ze stosunkowo drogimi nuklearnymi silnikami strumieniowymi.
O tym drugim nie jest już w zwyczaju mówić w źródłach rosyjskich…
Projekt Pluton miał wykorzystywać taktykę lotu na małych wysokościach. Ta taktyka zapewniła tajemnicę przed radarami systemu obrony powietrznej ZSRR.
Aby osiągnąć prędkość, z jaką pracowałby silnik strumieniowy, Pluton musiał zostać wystrzelony z ziemi przy użyciu pakietu konwencjonalnych dopalaczy rakietowych. Uruchomienie reaktora jądrowego rozpoczęło się dopiero po osiągnięciu przez Plutona wysokości przelotowej i wystarczającym usunięciu go z zaludnionych obszarów. Silnik nuklearny, który dawał niemal nieograniczony zasięg działania, pozwalał rakiecie latać w kółko nad oceanem w oczekiwaniu na rozkaz przejścia na prędkość naddźwiękową w kierunku celu w ZSRR.
Projekt koncepcyjny SLAM
Postanowiono przeprowadzić próbę statyczną pełnowymiarowego reaktora, który był przeznaczony dla silnika strumieniowego.
Ponieważ reaktor Pluto po uruchomieniu stał się niezwykle radioaktywny, dostarczono go na miejsce testów specjalnie zbudowaną, w pełni zautomatyzowaną linią kolejową. Wzdłuż tej linii reaktor przesunął się na odległość około dwóch mil, co oddzielało stanowisko testów statycznych od ogromnego budynku „demontażu”. W budynku zdemontowano „gorący” reaktor do kontroli przy użyciu zdalnie sterowanego sprzętu. Naukowcy z Livermore obserwowali proces testowania za pomocą systemu telewizyjnego, który znajdował się w blaszanym hangarze z dala od stanowiska testowego. Na wszelki wypadek hangar został wyposażony w schron przeciwradiacyjny z dwutygodniowym zapasem żywności i wody.
Aby dostarczyć beton potrzebny do wzniesienia ścian budynku rozbiórkowego (o grubości od sześciu do ośmiu stóp), rząd Stanów Zjednoczonych zakupił całą kopalnię.
W rurach wydobywających ropę naftową o długości 25 mil przechowywano miliony funtów sprężonego powietrza. Sprężone powietrze miało służyć do symulacji warunków, w jakich znajduje się silnik strumieniowy podczas lotu z prędkością przelotową.
Aby zapewnić wysokie ciśnienie powietrza w układzie, laboratorium pożyczyło gigantyczne sprężarki z bazy łodzi podwodnych w Groton w stanie Connecticut.
Test, podczas którego jednostka pracowała na pełnej mocy przez pięć minut, wymagał przetłoczenia tony powietrza przez stalowe zbiorniki wypełnione ponad 14 milionami stalowych kulek o średnicy 4 cm, które zostały podgrzane do temperatury 730 stopni za pomocą elementów grzejnych, w których spalił się olej.
Zainstalowany na peronie kolejowym Tori-2S jest gotowy do pomyślnych testów. Maj 1964
14 maja 1961 roku inżynierowie i naukowcy w hangarze, z którego kontrolowano eksperyment, wstrzymali oddech, gdy pierwszy na świecie nuklearny silnik odrzutowy, zamontowany na jaskrawoczerwonym peronie kolejowym, ogłosił swoje narodziny głośnym rykiem. Tori-2A został wystrzelony zaledwie na kilka sekund, podczas których nie osiągnął swojej mocy znamionowej. Test uznano jednak za udany. Najważniejsze było to, że reaktor nie zapalił się, czego niektórzy przedstawiciele Komitetu Energii Atomowej bardzo się obawiali. Niemal natychmiast po testach Merkle rozpoczął prace nad stworzeniem drugiego reaktora torysowskiego, który miał mieć większą moc przy mniejszej masie.
Prace nad Tori-2B nie wyszły poza deskę kreślarską. Zamiast tego Livermore'owie natychmiast zbudowali Tory-2C, który trzy lata po przetestowaniu pierwszego reaktora przerwał ciszę pustyni. Tydzień później reaktor uruchomiono ponownie i pracował z pełną mocą (513 megawatów) przez pięć minut. Okazało się, że radioaktywność spalin była znacznie mniejsza niż oczekiwano. W testach tych uczestniczyli także generałowie Sił Powietrznych i urzędnicy Komitetu Energii Atomowej.
W tym czasie klientów Pentagonu, którzy sfinansowali projekt Pluton, zaczęły ogarniać wątpliwości. Ponieważ rakieta została wystrzelona z terytorium USA i przeleciała nad terytorium amerykańskich sojuszników na małej wysokości, aby uniknąć wykrycia przez radzieckie systemy obrony powietrznej, niektórzy stratedzy wojskowi zastanawiali się, czy rakieta będzie stanowić zagrożenie dla sojuszników. Jeszcze zanim rakieta Pluton zrzuci bomby na wroga, najpierw ogłuszy, zmiażdży, a nawet napromieniuje sojuszników. (Oczekiwano, że przelatujący nad głową Pluton będzie wytwarzał na ziemi hałas o natężeniu około 150 decybeli. Dla porównania, poziom hałasu rakiety, która wysłała Amerykanów na Księżyc (Saturn V), przy pełnym ciągu wynosił 200 decybeli.) Oczywiście pęknięte błony bębenkowe byłyby najmniejszym problemem, gdybyś znalazł się nad nagim reaktorem przelatującym nad głową i smażącym cię jak kurczaka za pomocą promieniowania gamma i neutronów.
Tori-2C
Chociaż twórcy rakiety argumentowali, że Pluton jest również z natury nieuchwytny, analitycy wojskowi wyrazili zdumienie, jak coś tak hałaśliwego, gorącego, dużego i radioaktywnego może pozostać niewykryte tak długo, jak potrzeba do zakończenia swojej misji. W tym samym czasie Siły Powietrzne USA rozpoczęły już rozmieszczanie rakiet balistycznych Atlas i Titan, które były w stanie dosięgnąć cele na kilka godzin przed latającym reaktorem, oraz systemu przeciwrakietowego ZSRR, którego strach stał się głównym impulsem do stworzenie Plutona, nigdy nie stało się przeszkodą dla rakiet balistycznych, pomimo udanych przechwyceń testowych. Krytycy projektu wymyślili własne dekodowanie akronimu SLAM – slow, low, and messy – slow, low and dirty. Po pomyślnych testach rakiety Polaris Marynarka Wojenna, która początkowo wyrażała zainteresowanie wykorzystaniem rakiet do wystrzeliwania z łodzi podwodnych lub statków, również zaczęła rezygnować z projektu. I wreszcie koszt każdej rakiety wyniósł 50 milionów dolarów. Nagle Pluton stał się technologią bez zastosowań, bronią bez realnych celów.
Jednak ostatnim gwoździem do trumny Plutona było tylko jedno pytanie. Jest to tak zwodniczo proste, że mieszkańcy Livermore mogą usprawiedliwić celowe nie zwrócenie na to uwagi. „Gdzie przeprowadzić próby w locie reaktora? Jak przekonać ludzi, że podczas lotu rakieta nie straci kontroli i nie przeleci nad Los Angeles lub Las Vegas na małej wysokości?” – zapytał fizyk z Livermore Laboratory Jim Hadley, który do samego końca pracował nad projektem Plutona. Obecnie zajmuje się wykrywaniem testów nuklearnych prowadzonych w innych krajach dla Jednostki Z. Hadley, jak sam przyznaje, nie miał żadnych gwarancji, że rakieta nie wymknie się spod kontroli i nie zamieni się w latający Czarnobyl.
Zaproponowano kilka rozwiązań tego problemu. Jednym z nich byłby start Plutona w pobliżu wyspy Wake, skąd rakieta przeleciałaby w kształcie ósemek nad częścią oceanu należącą do Stanów Zjednoczonych. „Gorące” rakiety miały zostać zatopione w oceanie na głębokości 7 kilometrów. Jednak nawet gdy Komisja Energii Atomowej przekonała ludzi, aby myśleli o promieniowaniu jako o nieograniczonym źródle energii, propozycja zrzucenia do oceanu wielu rakiet skażonych promieniowaniem wystarczyła, aby przerwać prace.
1 lipca 1964 roku, siedem lat i sześć miesięcy po rozpoczęciu prac, projekt Pluton został zamknięty przez Komisję Energii Atomowej i Siły Powietrzne.
Hadley powiedział, że co kilka lat nowy podpułkownik Sił Powietrznych odkrywa Plutona. Następnie dzwoni do laboratorium, aby dowiedzieć się, jaki będzie dalszy los nuklearnego strumienia strumieniowego. Entuzjazm podpułkowników znika natychmiast po rozmowie Hadleya o problemach z promieniowaniem i próbami w locie. Nikt nie dzwonił do Hadley więcej niż raz.
Jeśli ktoś chce przywrócić Plutona do życia, być może uda mu się znaleźć rekrutów w Livermore. Nie będzie ich jednak dużo. Pomysł, co może stać się piekielnie szaloną bronią, najlepiej pozostawić w przeszłości.
Charakterystyka techniczna rakiety SLAM:
Średnica - 1500 mm.
Długość - 20000 mm.
Waga - 20 ton.
Zasięg jest nieograniczony (teoretycznie).
Prędkość na poziomie morza wynosi Mach 3.
Uzbrojenie - 16 bomb termojądrowych (każda o mocy 1 megatony).
Silnik to reaktor jądrowy (moc 600 megawatów).
System naprowadzania - inercyjny + TERCOM.
Maksymalna temperatura skóry wynosi 540 stopni Celsjusza.
Materiał płatowca to wysokotemperaturowa stal nierdzewna Rene 41.
Grubość poszycia - 4 - 10 mm.
Niemniej jednak jądrowy silnik strumieniowy jest obiecujący jako układ napędowy dla jednostopniowych samolotów kosmicznych i szybkich międzykontynentalnych ciężkich samolotów transportowych. Ułatwia to możliwość stworzenia nuklearnego silnika strumieniowego zdolnego do pracy przy prędkościach poddźwiękowych i zerowych w trybie silnika rakietowego, wykorzystując pokładowe rezerwy paliwa. Czyli np. samolot kosmiczny z silnikiem nuklearnym startuje (w tym startuje), dostarczając płyn roboczy do silników ze zbiorników pokładowych (lub zaburtowych) i po osiągnięciu już prędkości od M = 1 przechodzi na korzystanie z powietrza atmosferycznego .
Jak powiedział na początku 2018 roku prezydent Rosji W.W. Putin, „nastąpiło pomyślne wystrzelenie rakiety manewrującej z elektrownią jądrową”. Co więcej, jego zdaniem zasięg takiego pocisku manewrującego jest „nieograniczony”.
Zastanawiam się, w jakim regionie przeprowadzono testy i dlaczego odpowiednie służby monitorujące próby jądrowe je skrytykowały. A może jesienne uwolnienie rutenu-106 do atmosfery jest w jakiś sposób powiązane z tymi testami? Te. Mieszkańców Czelabińska nie tylko posypano rutenem, ale także usmażono?
Czy możesz dowiedzieć się, gdzie spadła ta rakieta? Mówiąc najprościej, gdzie doszło do awarii reaktora jądrowego? Na jakim poligonie? Na Nowej Ziemi?
**************************************** ********************
Poczytajmy teraz trochę o nuklearnych silnikach rakietowych, chociaż to zupełnie inna historia
Jądrowy silnik rakietowy (NRE) to rodzaj silnika rakietowego, który wykorzystuje energię rozszczepienia lub syntezy jąder do wytworzenia ciągu odrzutowego. Mogą być płynne (ogrzewanie ciekłego płynu roboczego w komorze grzewczej z reaktora jądrowego i uwalnianie gazu przez dyszę) i wybuchowo-pulsacyjne (wybuchy jądrowe małej mocy w jednakowym czasie).
Tradycyjny jądrowy silnik napędowy jako całość to konstrukcja składająca się z komory grzewczej, w której źródłem ciepła jest reaktor jądrowy, układu zasilania płynem roboczym oraz dyszy. Ciecz robocza (najczęściej wodór) dostarczana jest ze zbiornika do rdzenia reaktora, gdzie przechodząc przez kanały nagrzane w wyniku reakcji rozpadu jądrowego, zostaje podgrzana do wysokich temperatur, a następnie wyrzucona przez dyszę, tworząc ciąg strumieniowy. Istnieją różne konstrukcje silników o napędzie jądrowym: faza stała, faza ciekła i faza gazowa – odpowiadające stanowi skupienia paliwa jądrowego w rdzeniu reaktora – ciało stałe, stopione lub gaz wysokotemperaturowy (lub nawet plazma). 
Wschód. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1822546
RD-0410 (indeks GRAU – 11B91, znany również jako „Irgit” i „IR-100”) – pierwszy i jedyny radziecki nuklearny silnik rakietowy z lat 1947-78. Został opracowany w biurze projektowym Khimavtomatika w Woroneżu.
W RD-0410 zastosowano heterogeniczny reaktor neutronów termicznych. Projekt obejmował 37 zespołów paliwowych, pokrytych izolacją termiczną oddzielającą je od moderatora. ProjektPrzewidywano, że strumień wodoru najpierw przejdzie przez reflektor i moderator, utrzymując ich temperaturę w temperaturze pokojowej, a następnie dostanie się do rdzenia, gdzie zostanie nagrzany do temperatury 3100 K. Na stanowisku reflektor i moderator będą chłodzone oddzielnym wodorem przepływ. Reaktor przeszedł znaczną serię testów, ale nigdy nie został przetestowany pod kątem pełnego czasu pracy. Składniki znajdujące się poza reaktorem zostały całkowicie wyczerpane.
********************************
A to jest amerykański silnik rakietowy nuklearny. Jego schemat był na zdjęciu tytułowym 
Autor: NASA — wspaniałe obrazy w opisie NASA, domena publiczna, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378
NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) to wspólny program amerykańskiej Komisji Energii Atomowej i NASA mający na celu stworzenie nuklearnego silnika rakietowego (NRE), który trwał do 1972 roku.
Projekt NERVA wykazał, że napęd jądrowy jest wykonalny i nadaje się do eksploracji kosmosu, a pod koniec 1968 roku SNPO potwierdziło, że najnowsza modyfikacja NERVA, NRX/XE, spełnia wymagania misji załogowej na Marsa. Chociaż silniki NERVA zostały zbudowane i przetestowane w maksymalnym możliwym zakresie i uznano je za gotowe do montażu na statku kosmicznym, większość amerykańskiego programu kosmicznego została anulowana przez administrację Nixona.
NERVA został oceniony przez AEC, SNPO i NASA jako program niezwykle udany, który osiągnął lub przekroczył swoje cele. Głównym celem programu było „stworzenie podstaw technicznych dla systemów napędowych rakiet nuklearnych do wykorzystania w projektowaniu i rozwoju systemów napędowych do misji kosmicznych”. Prawie wszystkie projekty kosmiczne wykorzystujące silniki o napędzie atomowym bazują na konstrukcjach NERVA NRX lub Pewee.
Misje marsjańskie były odpowiedzialne za upadek NERVA. Członkowie Kongresu z obu partii politycznych zdecydowali, że załogowa misja na Marsa będzie milczącym zobowiązaniem Stanów Zjednoczonych do wspierania przez dziesięciolecia kosztownego wyścigu kosmicznego. Każdego roku program RIFT był opóźniany, a cele NERVA stawały się coraz bardziej złożone. W końcu, choć silnik NERVA przeszedł wiele udanych testów i silne wsparcie Kongresu, nigdy nie opuścił Ziemi.
W listopadzie 2017 r. China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) opublikowała plan działania dotyczący rozwoju chińskiego programu kosmicznego na lata 2017–2045. Zakłada w szczególności stworzenie statku wielokrotnego użytku napędzanego nuklearnym silnikiem rakietowym.
Jądrowy silnik rakietowy to silnik rakietowy, którego zasada działania opiera się na reakcji jądrowej lub rozpadzie radioaktywnym, w wyniku którego uwalniana jest energia podgrzewająca płyn roboczy, którym mogą być produkty reakcji lub inna substancja, np. wodór.
Przyjrzyjmy się opcjom i zasadom działania...
Istnieje kilka typów silników rakietowych, które wykorzystują opisaną powyżej zasadę działania: nuklearne, radioizotopowe, termojądrowe. Stosując nuklearne silniki rakietowe, możliwe jest uzyskanie określonych wartości impulsów znacznie wyższych od tych, które mogą być osiągnięte przez chemiczne silniki rakietowe. Wysoką wartość impulsu właściwego tłumaczy się dużą prędkością wypływu płynu roboczego - około 8-50 km/s. Siła ciągu silnika jądrowego jest porównywalna z siłą ciągu silników chemicznych, co umożliwi w przyszłości zastąpienie wszystkich silników chemicznych silnikami jądrowymi.
Główną przeszkodą w całkowitej wymianie jest zanieczyszczenie radioaktywne spowodowane przez nuklearne silniki rakietowe.
Dzielą się na dwa typy - fazę stałą i gazową. W pierwszym typie silników materiał rozszczepialny umieszcza się w zespołach prętowych o rozwiniętej powierzchni. Dzięki temu możliwe jest efektywne podgrzanie gazowego płynu roboczego, zwykle jako płyn roboczy pełni wodór. Prędkość spalin jest ograniczona maksymalną temperaturą płynu roboczego, która z kolei zależy bezpośrednio od maksymalnej dopuszczalnej temperatury elementów konstrukcyjnych i nie przekracza 3000 K. W jądrowych silnikach rakietowych w fazie gazowej substancja rozszczepialna jest w stanie gazowym. Jego utrzymanie w obszarze roboczym odbywa się poprzez wpływ pola elektromagnetycznego. W przypadku tego typu nuklearnych silników rakietowych elementy konstrukcyjne nie są czynnikiem ograniczającym, dlatego prędkość wylotu płynu roboczego może przekraczać 30 km/s. Można je stosować jako silniki pierwszego stopnia, pomimo wycieku materiału rozszczepialnego.
W latach 70 XX wiek W USA i Związku Radzieckim aktywnie testowano nuklearne silniki rakietowe z materią rozszczepialną w fazie stałej. W Stanach Zjednoczonych opracowywany był program stworzenia eksperymentalnego nuklearnego silnika rakietowego w ramach programu NERVA.
Amerykanie opracowali reaktor grafitowy chłodzony ciekłym wodorem, który podgrzewano, odparowywano i wyrzucano przez dyszę rakiety. Wybór grafitu wynikał z jego odporności temperaturowej. Według tego projektu impuls właściwy powstałego silnika powinien być dwukrotnie większy niż odpowiadająca mu wartość charakterystyczna dla silników chemicznych o ciągu 1100 kN. Reaktor Nerva miał pracować w ramach trzeciego etapu rakiety nośnej Saturn V, jednak ze względu na zamknięcie programu księżycowego i brak innych zadań dla silników rakietowych tej klasy, reaktor nigdy nie został przetestowany w praktyce.
Jądrowy silnik rakietowy na fazę gazową znajduje się obecnie w fazie teoretycznego rozwoju. Silnik jądrowy pracujący w fazie gazowej wykorzystuje pluton, którego wolno poruszający się strumień gazu otoczony jest szybszym przepływem stygnącego wodoru. Na orbitalnych stacjach kosmicznych MIR i ISS przeprowadzono eksperymenty, które mogłyby dać impuls do dalszego rozwoju silników na fazę gazową.
Dziś można powiedzieć, że Rosja nieco „zamroziła” swoje badania w dziedzinie nuklearnych systemów napędowych. Praca rosyjskich naukowców bardziej koncentruje się na rozwoju i doskonaleniu podstawowych komponentów i zespołów elektrowni jądrowych, a także ich unifikacji. Priorytetowym kierunkiem dalszych badań w tym obszarze jest stworzenie jądrowych układów napędowych zdolnych do pracy w dwóch trybach. Pierwszy to tryb silnika rakiety nuklearnej, drugi to tryb instalacji generujący energię elektryczną do zasilania urządzeń zainstalowanych na pokładzie statku kosmicznego.
Rosja przetestowała układ chłodzenia elektrowni jądrowej (NPP), jednego z kluczowych elementów przyszłego statku kosmicznego, który będzie mógł wykonywać loty międzyplanetarne. Dlaczego silnik nuklearny jest potrzebny w kosmosie, jak to działa i dlaczego Roskosmos uważa ten rozwój za główną rosyjską kartę atutową w przestrzeni kosmicznej, podaje Izwiestia.
Historia atomu
Jeśli położyć rękę na sercu, od czasów Korolewa pojazdy nośne używane do lotów w kosmos nie uległy zasadniczym zmianom. Ogólna zasada działania – chemiczna, polegająca na spalaniu paliwa z utleniaczem – pozostaje taka sama. Zmieniają się silniki, układy sterowania i rodzaje paliwa. Podstawa podróży kosmicznych pozostaje ta sama - ciąg odrzutowy popycha rakietę lub statek kosmiczny do przodu.
Bardzo często słyszy się, że potrzebny jest poważny przełom, rozwiązanie, które może zastąpić silnik odrzutowy, aby zwiększyć wydajność i uczynić loty na Księżyc i Marsa bardziej realistycznymi. Faktem jest, że obecnie prawie większość masy międzyplanetarnych statków kosmicznych to paliwo i utleniacz. A co jeśli całkowicie porzucimy silnik chemiczny i zaczniemy wykorzystywać energię silnika nuklearnego?
Pomysł stworzenia nuklearnego układu napędowego nie jest nowy. W ZSRR szczegółowy dekret rządowy w sprawie problemu tworzenia nuklearnych systemów napędowych podpisano już w 1958 roku. Już wtedy przeprowadzono badania, które wykazały, że przy użyciu nuklearnego silnika rakietowego o wystarczającej mocy można dostać się do Plutona (który nie utracił jeszcze statusu planety) i z powrotem w ciągu sześciu miesięcy (dwa tam i cztery z powrotem), wydając 75 ton paliwa na podróż.
ZSRR opracowywał nuklearny silnik rakietowy, ale naukowcy dopiero teraz zaczęli zbliżać się do prawdziwego prototypu. Nie chodzi tu o pieniądze, temat okazał się na tyle skomplikowany, że żadnemu krajowi nie udało się jeszcze stworzyć działającego prototypu, a w większości przypadków wszystko kończyło się na planach i rysunkach. Stany Zjednoczone przetestowały układ napędowy przed lotem na Marsa w styczniu 1965 roku. Ale projekt NERVA, mający na celu podbój Marsa za pomocą silnika nuklearnego, nie wyszedł poza testy KIWI i był znacznie prostszy niż obecny rozwój Rosji. Chiny w swoich planach rozwoju przestrzeni kosmicznej umieściły stworzenie silnika nuklearnego bliżej roku 2045, czyli także bardzo, bardzo nieprędko.
W Rosji w 2010 roku rozpoczęła się nowa runda prac nad projektem nuklearnego elektrycznego układu napędowego (NPP) klasy megawatowej do systemów transportu kosmicznego. Projekt, który tworzą wspólnie Roscosmos i Rosatom, można nazwać jednym z najpoważniejszych i najbardziej ambitnych projektów kosmicznych ostatnich czasów. Głównym wykonawcą energetyki jądrowej jest Centrum Badawcze im. M.V. Keldysz.
Ruch nuklearny
W trakcie prac rozwojowych do prasy wyciekają wiadomości o gotowości tej czy innej części przyszłego silnika jądrowego. Jednocześnie w ogóle, z wyjątkiem specjalistów, niewiele osób wyobraża sobie, jak i dzięki czemu to będzie działać. W rzeczywistości istota kosmicznego silnika jądrowego jest w przybliżeniu taka sama jak na Ziemi. Energia reakcji jądrowej wykorzystywana jest do ogrzewania i obsługi turbogeneratora-sprężarki. Mówiąc prościej, do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się reakcję jądrową, prawie dokładnie tak samo, jak w konwencjonalnej elektrowni jądrowej. Za pomocą prądu działają elektryczne silniki rakietowe. W tej instalacji są to silniki jonowe dużej mocy.
W silnikach jonowych ciąg powstaje poprzez wytworzenie ciągu odrzutowego w oparciu o zjonizowany gaz przyspieszany do dużych prędkości w polu elektrycznym. Silniki jonowe nadal istnieją i są testowane w kosmosie. Na razie mają tylko jeden problem – prawie wszystkie mają bardzo mały ciąg, choć zużywają bardzo mało paliwa. W przypadku podróży kosmicznych takie silniki są doskonałą opcją, zwłaszcza jeśli rozwiązany zostanie problem wytwarzania energii elektrycznej w kosmosie, co zrobi instalacja nuklearna. Ponadto silniki jonowe mogą pracować dość długo, maksymalny okres ciągłej pracy najnowocześniejszych modeli silników jonowych wynosi ponad trzy lata.
Jeśli spojrzysz na diagram, zauważysz, że energia jądrowa nie rozpoczyna natychmiast swojej użytecznej pracy. Najpierw nagrzewa się wymiennik ciepła, następnie wytwarzana jest energia elektryczna, która jest już wykorzystywana do wytworzenia ciągu dla silnika jonowego. Niestety, ludzkość nie nauczyła się jeszcze, jak wykorzystywać instalacje jądrowe do napędu w prostszy i bardziej efektywny sposób.
W ZSRR wystrzelono satelity z instalacją nuklearną w ramach kompleksu wyznaczania celów Legend dla morskich samolotów przenoszących rakiety, ale były to bardzo małe reaktory, a ich praca wystarczała jedynie do wytworzenia prądu dla instrumentów zawieszonych na satelicie. Radziecki statek kosmiczny miał moc instalacyjną trzech kilowatów, ale teraz rosyjscy specjaliści pracują nad stworzeniem instalacji o mocy ponad megawata.
Problemy na kosmiczną skalę
Naturalnie instalacja nuklearna w kosmosie niesie ze sobą znacznie więcej problemów niż na Ziemi, a najważniejszym z nich jest chłodzenie. W normalnych warunkach wykorzystuje się do tego wodę, która bardzo skutecznie pochłania ciepło silnika. Nie da się tego zrobić w kosmosie, a silniki jądrowe wymagają skutecznego układu chłodzenia – a ciepło z nich musi zostać usunięte w przestrzeń kosmiczną, czyli można to zrobić jedynie w postaci promieniowania. Zazwyczaj w tym celu statki kosmiczne wykorzystują grzejniki panelowe - wykonane z metalu, przez które przepływa płyn chłodzący. Niestety, takie grzejniki z reguły mają dużą wagę i wymiary, a ponadto nie są w żaden sposób chronione przed meteorytami.
W sierpniu 2015 roku na pokazach lotniczych MAKS zaprezentowano model chłodzenia kropelkowego układów napędowych elektrowni jądrowej. W nim rozproszona w postaci kropel ciecz leci w otwartą przestrzeń, schładza się, a następnie ponownie składa w instalację. Wyobraźcie sobie ogromny statek kosmiczny, w środku którego znajduje się gigantyczna instalacja prysznicowa, z której wystrzeliwują miliardy mikroskopijnych kropel wody, lecących w przestrzeni, a następnie zasysanych do ogromnej jamy kosmicznego odkurzacza.
Niedawno okazało się, że system chłodzenia kropelkowego nuklearnego układu napędowego był testowany w warunkach lądowych. Jednocześnie układ chłodzenia jest najważniejszym etapem tworzenia instalacji.
Teraz pozostaje przetestować jego działanie w warunkach zerowej grawitacji i dopiero potem możemy spróbować stworzyć układ chłodzenia w wymiarach wymaganych do montażu. Każdy taki udany test przybliża rosyjskich specjalistów nieco do powstania instalacji nuklearnej. Naukowcy pędzą z całych sił, bo uważa się, że wystrzelenie silnika nuklearnego w kosmos pomoże Rosji odzyskać pozycję lidera w kosmosie.
Kosmiczna era nuklearna
Załóżmy, że to się powiedzie i za kilka lat silnik nuklearny zacznie działać w kosmosie. W czym to pomoże, jak można to wykorzystać? Na początek warto wyjaśnić, że w formie, w jakiej dzisiaj istnieje napęd jądrowy, może on działać jedynie w przestrzeni kosmicznej. Nie ma możliwości, aby w tej formie wystartował z Ziemi i wylądował, na razie nie może obejść się bez tradycyjnych rakiet chemicznych.
Dlaczego w kosmosie? Cóż, ludzkość szybko leci na Marsa i Księżyc i to wszystko? Na pewno nie w ten sposób. Obecnie wszystkie projekty zakładów orbitalnych i fabryk działających na orbicie okołoziemskiej utknęły w martwym punkcie z powodu braku surowców do pracy. Nie ma sensu budować czegokolwiek w kosmosie, dopóki nie zostanie znaleziony sposób na umieszczenie na orbicie dużych ilości potrzebnych surowców, takich jak ruda metali.
Ale po co podnosić je z Ziemi, skoro wręcz przeciwnie, można je sprowadzić z kosmosu. W tym samym pasie asteroid w Układzie Słonecznym znajdują się po prostu ogromne rezerwy różnych metali, w tym szlachetnych. W tym przypadku utworzenie holownika nuklearnego będzie po prostu ratunkiem.
Wprowadź na orbitę ogromną asteroidę zawierającą platynę lub złoto i zacznij ją rozcinać w kosmosie. Zdaniem ekspertów taka produkcja, biorąc pod uwagę wolumen, może okazać się jedną z najbardziej opłacalnych.
Czy istnieje mniej fantastyczne zastosowanie holownika nuklearnego? Można go na przykład wykorzystać do transportu satelitów na wymagane orbity lub doprowadzenia statku kosmicznego w wybrane miejsce w przestrzeni, na przykład na orbitę Księżyca. Obecnie wykorzystuje się do tego górne stopnie, np. rosyjski Fregat. Są drogie, skomplikowane i jednorazowe. Holownik nuklearny będzie mógł je odebrać z niskiej orbity okołoziemskiej i dostarczyć tam, gdzie zajdzie taka potrzeba.
Podobnie jest z podróżami międzyplanetarnymi. Bez szybkiego sposobu dostarczania ładunków i ludzi na orbitę Marsa po prostu nie ma szans na kolonizację. Obecna generacja rakiet nośnych będzie to robić bardzo kosztownie i przez długi czas. Do tej pory czas lotu pozostaje jednym z najpoważniejszych problemów podczas lotów na inne planety. Przetrwanie miesięcy podróży na Marsa i z powrotem w zamkniętej kapsule statku kosmicznego nie jest łatwym zadaniem. Tu też może pomóc holownik nuklearny, znacznie skracając ten czas.
Konieczne i wystarczające
Obecnie wszystko to wygląda jak science fiction, ale zdaniem naukowców do przetestowania prototypu pozostało już tylko kilka lat. Najważniejsze jest nie tylko ukończenie rozwoju, ale także utrzymanie wymaganego poziomu astronautyki w kraju. Nawet przy spadku finansowania rakiety muszą nadal startować, budować statki kosmiczne, a najcenniejsi specjaliści muszą kontynuować pracę.
W przeciwnym razie jeden silnik jądrowy bez odpowiedniej infrastruktury nie pomoże, dla maksymalnej wydajności rozwój będzie bardzo ważny nie tylko w celu sprzedaży, ale także samodzielnego użytkowania, pokazując wszystkie możliwości nowego pojazdu kosmicznego.
Tymczasem wszyscy niezwiązani z pracą mieszkańcy kraju mogą jedynie patrzeć w niebo i mieć nadzieję, że dla rosyjskiej kosmonautyki wszystko się ułoży. I holownik nuklearny i zachowanie obecnych możliwości. Nie chcę wierzyć w inne wyniki.
Silnik nuklearny do rakiet kosmicznych – pozornie odległe marzenie pisarzy science fiction – został, jak się okazuje, nie tylko opracowany w ściśle tajnych biurach projektowych, ale także wyprodukowany, a następnie przetestowany na poligonach testowych. „To była nietrywialna praca” – mówi Władimir Rachuk, generalny projektant federalnego przedsiębiorstwa w Woroneżu „KB Chemical Automatics”. Jego zdaniem „praca nietrywialna” oznacza bardzo wysoką ocenę tego, co zostało zrobione.
„KB Khimavtomatiki”, choć związana z chemią (produkuje pompy dla odpowiednich gałęzi przemysłu), jest w istocie jednym z unikalnych, wiodących ośrodków produkcji silników rakietowych w Rosji i za granicą. Przedsiębiorstwo powstało w obwodzie woroneskim w październiku 1941 r., kiedy wojska hitlerowskie spieszyły do Moskwy. W tym czasie biuro projektowe opracowywało zespoły do samolotów wojskowych. Jednak w latach pięćdziesiątych zespół przeszedł na nowy obiecujący temat - silniki rakietowe na ciecz (LPRE). „Produkty” z Woroneża zostały zainstalowane na „Wostok”, „Woskhod”, „Sojuz”, „Molniya”, „Proton”…
Tutaj, w Biurze Projektowym Automatyki Chemicznej, powstał najpotężniejszy w kraju jednokomorowy „silnik” kosmiczny tlenowo-wodorowy o ciągu dwustu ton. Wykorzystano go jako silnik napędowy drugiego stopnia kompleksu rakietowo-kosmicznego Energia-Buran. Silniki rakietowe Woroneż są instalowane w wielu rakietach wojskowych (na przykład SS-19, znany jako „Szatan” lub SS-N-23 wystrzeliwany z łodzi podwodnych). W sumie opracowano około 60 próbek, z czego 30 trafiło do masowej produkcji. W tej serii wyróżnia się nuklearny silnik rakietowy RD-0410, który powstał wspólnie z wieloma przedsiębiorstwami obronnymi, biurami projektowymi i instytutami badawczymi.
Jeden z założycieli rosyjskiej kosmonautyki Siergiej Pawłowicz Korolew powiedział, że o elektrowni jądrowej na rakiety marzył od 1945 roku. Wykorzystanie potężnej energii atomu do podboju kosmicznego oceanu było bardzo kuszące. Ale wtedy nie mieliśmy nawet rakiet. A w połowie lat 50. oficerowie sowieckiego wywiadu poinformowali, że w Stanach Zjednoczonych trwają prace nad stworzeniem nuklearnego silnika rakietowego (NRE). Informacja ta została natychmiast przekazana najwyższemu kierownictwu kraju. Najprawdopodobniej Korolev również był z tym zaznajomiony. W 1956 roku w tajnym raporcie na temat perspektyw rozwoju rakiety podkreślił, że silniki nuklearne będą miały bardzo duże perspektywy. Jednak wszyscy rozumieli, że realizacja pomysłu była obarczona ogromnymi trudnościami. Na przykład elektrownia jądrowa zajmuje budynek wielopiętrowy. Wyzwaniem było przekształcenie tego dużego budynku w kompaktową instalację wielkości dwóch biurek. W 1959 roku w Instytucie Energii Atomowej odbyło się bardzo ważne spotkanie pomiędzy „ojcem” naszej bomby atomowej, Igorem Kurczatowem, dyrektorem Instytutu Matematyki Stosowanej, „głównym teoretykiem astronautyki” Mścisławem Keldyszem i Siergiejem Korolowem . Książka „trzech K”, trzech wybitnych postaci, które rozsławiły kraj, stała się podręcznikiem. Ale niewiele osób wie, o czym dokładnie rozmawiali tego dnia.
„Kurczatow, Korolew i Keldysz rozmawiali o konkretnych aspektach tworzenia silnika nuklearnego” – komentuje zdjęcie Albert Bielogurow, wiodący projektant „silnika” nuklearnego, który pracuje w biurze projektowym w Woroneżu od ponad 40 lat . - W tym czasie sam pomysł nie wydawał się już fantastyczny. Od 1957 roku, kiedy mieliśmy rakiety międzykontynentalne, projektanci Sredmaszu (ministerstwa zajmującego się zagadnieniami atomowymi) zaczęli zajmować się wstępnymi badaniami silników jądrowych. Po spotkaniu „trzech K” badania te nabrały nowego, potężnego impetu.
Naukowcy nuklearni pracowali ramię w ramię z naukowcami zajmującymi się rakietami. Do silnika rakietowego wybrali jeden z najbardziej kompaktowych reaktorów. Zewnętrznie jest to stosunkowo niewielki metalowy cylinder o średnicy około 50 centymetrów i długości około metra. Wewnątrz znajduje się 900 cienkich rurek zawierających „paliwo” – uran. Zasada działania reaktora jest dziś znana także dzieciom w wieku szkolnym. Podczas reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomowych wytwarzana jest ogromna ilość ciepła. Potężne pompy pompują wodór przez ciepło kotła uranowego, które nagrzewa się do 3000 stopni. Następnie gorący gaz wydobywający się z dyszy z dużą prędkością wytwarza potężny ciąg...
Na schemacie wszystko wyglądało dobrze, ale co wykazały testy? Do uruchomienia pełnowymiarowego silnika nuklearnego nie można używać zwykłych stojaków – z promieniowaniem nie można żartować. Reaktor to w istocie bomba atomowa, tylko o opóźnionym działaniu, kiedy energia jest uwalniana nie natychmiastowo, ale przez określony czas. W każdym przypadku wymagane są szczególne środki ostrożności. Postanowiono przetestować reaktor na poligonie jądrowym w Semipałatyńsku, a pierwszą część projektu (podobnie jak sam silnik) - na stoisku w obwodzie moskiewskim.
„Zagorsk ma doskonałą bazę do naziemnego wystrzeliwania silników rakietowych” – wyjaśnia Albert Belogurov. - Wyprodukowaliśmy około 30 próbek do testów laboratoryjnych. Wodór spalano w tlenie, a następnie gaz przesyłano do silnika – do turbiny. Turbopompa tłoczyła strumień, ale nie do reaktora jądrowego, jak powinno być zgodnie ze schematem (w Zagorsku oczywiście nie było reaktora), ale do atmosfery. W sumie przeprowadzono 250 testów. Program zakończył się pełnym sukcesem. W rezultacie otrzymaliśmy działający silnik, który spełniał wszystkie wymagania. Trudniejsze okazało się zorganizowanie testów reaktora jądrowego. Aby to zrobić, konieczne było zbudowanie specjalnych min i innych konstrukcji na poligonie testowym w Semipałatyńsku. Tak zakrojona na szeroką skalę praca wiązała się oczywiście z dużymi kosztami finansowymi, a zdobycie pieniędzy nawet wówczas nie było łatwe.
Niemniej jednak rozpoczęto budowę na tym miejscu, chociaż według Bielogurowa prowadzono ją „w trybie ekonomicznym”. Budowa dwóch kopalń i obiektów usługowych pod ziemią trwała wiele lat. W betonowym bunkrze znajdującym się pomiędzy szybami znajdowały się wrażliwe instrumenty. W innym bunkrze, oddalonym o 800 metrów, znajduje się panel kontrolny. Podczas testowania reaktora jądrowego w pierwszym z tych pomieszczeń obowiązywał całkowity zakaz przebywania ludzi. W razie wypadku stanowisko zamieniłoby się w potężne źródło promieniowania.
Przed eksperymentalnym uruchomieniem reaktor został ostrożnie opuszczony do szybu za pomocą suwnicy bramowej zainstalowanej na zewnątrz (na powierzchni ziemi). Szyb łączono z kulistym zbiornikiem, wydrążonym na głębokości 150 metrów w granicie i wyłożonym stalą. Do tak niezwykłego „zbiornika” pompowano pod wysokim ciśnieniem gazowy wodór (nie było pieniędzy na wykorzystanie go w postaci płynnej, co oczywiście jest bardziej wydajne). Po uruchomieniu reaktora wodór przedostał się do kotła uranowego od dołu. Gaz rozgrzał się do 3000 stopni i wyleciał z szybu ryczącym, ognistym strumieniem. W tym strumieniu nie było silnej radioaktywności, ale w ciągu dnia nie wolno było przebywać na zewnątrz w promieniu półtora kilometra od miejsca testów. Przez miesiąc nie można było podejść do samej kopalni. Półtora kilometrowy podziemny tunel, chroniony przed przenikaniem promieniowania, prowadził ze strefy bezpiecznej najpierw do jednego bunkra, a stamtąd do drugiego, zlokalizowanego w pobliżu kopalń. Specjaliści poruszali się tymi osobliwymi długimi „korytarzami”.
Testy reaktora prowadzono w latach 1978-1981. Wyniki eksperymentów potwierdziły poprawność rozwiązań projektowych. W zasadzie stworzono nuklearny silnik rakietowy. Pozostało jedynie połączyć obie części i przeprowadzić kompleksowe testy zmontowanego silnika jądrowego. Ale nie dawali już na to pieniędzy. W latach osiemdziesiątych nie przewidywano bowiem praktycznego wykorzystania elektrowni jądrowych w kosmosie. Nie nadawały się do wystrzelenia z Ziemi, ponieważ otaczający teren byłby narażony na poważne skażenie radiacyjne. Silniki jądrowe są generalnie przeznaczone wyłącznie do pracy w przestrzeni kosmicznej. A potem na bardzo wysokich orbitach (600 kilometrów i więcej), tak że statek kosmiczny krąży wokół Ziemi przez wiele stuleci. Ponieważ „okres ekspozycji” nuklearnego silnika rakietowego wynosi co najmniej 300 lat. Prawdę mówiąc, Amerykanie opracowali podobny silnik głównie do lotów na Marsa. Ale na początku lat osiemdziesiątych przywódcy naszego kraju wyrazili się wyjątkowo jasno: lot na Czerwoną Planetę przekraczał nasze możliwości (podobnie jak Amerykanie, oni również ograniczyli tę pracę). Jednak dopiero w 1981 roku nasi projektanci wpadli na nowe, obiecujące pomysły. Dlaczego nie wykorzystać silnika jądrowego również jako elektrowni? Mówiąc najprościej, aby wygenerować na nim prąd w kosmosie. Podczas lotu załogowego za pomocą drążka przesuwnego można „odsunąć” kocioł uranowy na odległość do 100 metrów od pomieszczeń mieszkalnych, w których przebywają astronauci. Odleci daleko od stacji. Jednocześnie otrzymalibyśmy bardzo potężne źródło energii, tak potrzebnej na statkach kosmicznych i stacjach. Przez 15 lat mieszkańcy Woroneża wraz z naukowcami nuklearnymi byli zaangażowani w te obiecujące badania i prowadzili testy na poligonie testowym w Semipałatyńsku. Nie było żadnych funduszy rządowych, a wszystkie prace prowadzono przy użyciu zasobów fabryki i entuzjazmu. Dziś mamy tu bardzo solidne podstawy. Pytanie tylko, czy na te rozwiązania będzie popyt.
„Zdecydowanie” – z przekonaniem odpowiada generalny projektant Władimir Rachuk. - Obecnie stacje kosmiczne, statki i satelity otrzymują energię z paneli słonecznych. Ale wytwarzanie energii elektrycznej w reaktorze jądrowym jest znacznie tańsze – dwukrotnie, a nawet trzykrotnie. Ponadto panele słoneczne nie działają w cieniu Ziemi. Oznacza to, że potrzebne są baterie, a to znacznie zwiększa masę statku kosmicznego. Oczywiście, jeśli mówimy o małej mocy, powiedzmy 10-15 kilowatów, wtedy łatwiej jest mieć panele słoneczne. Ale kiedy w kosmosie potrzeba 50 kilowatów lub więcej, nie da się obejść bez instalacji nuklearnej (która, nawiasem mówiąc, trwa 10-15 lat) na stacji orbitalnej lub międzyplanetarnym statku kosmicznym. Teraz szczerze mówiąc nie bardzo liczymy na takie zamówienia. Ale w latach 2010-2020 bardzo potrzebne będą silniki jądrowe, które są jednocześnie minielektrowniami.
- Ile waży taka instalacja nuklearna?
- Jeśli mówimy o silniku RD-0410, to jego masa wraz z ochroną przed promieniowaniem i ramą montażową wynosi dwie tony. A ciąg wynosi 3,6 tony. Zysk jest oczywisty. Dla porównania: Protony unoszą na orbitę 20 ton. A mocniejsze instalacje nuklearne będą oczywiście ważyć więcej - może 5-7 ton. Ale w każdym razie nuklearne silniki rakietowe umożliwią wystrzelenie na orbitę stacjonarną ładunku o 2-2,5 razy większej masie i zapewnią statkom kosmicznym długoterminowo stabilną energię.
Nie rozmawiałem z generalnym projektantem na bolesny temat - że na poligonie testowym w Semipałatyńsku (obecnie terytorium innego państwa) znajduje się wiele cennego sprzętu fabrycznego, który nie został jeszcze zwrócony do Rosji. Tam, na terenie kopalni, znajduje się także jeden z testowych reaktorów jądrowych. A suwnica nadal jest na swoim miejscu. Nie prowadzi się już jedynie testów silnika nuklearnego: w zmontowanej formie stoi on obecnie w muzeum fabrycznym. Czeka na skrzydłach.
Często w ogólnych publikacjach edukacyjnych na temat astronautyki nie rozróżnia się nuklearnego silnika rakietowego (NRE) od nuklearnego elektrycznego układu napędowego (NURE). Jednak za tymi skrótami kryje się nie tylko różnica w zasadach przetwarzania energii jądrowej na ciąg rakietowy, ale także bardzo dramatyczna historia rozwoju astronautyki.
Dramat historii polega na tym, że gdyby badania nad napędem jądrowym i napędem jądrowym zarówno w ZSRR, jak i USA, wstrzymane głównie ze względów ekonomicznych, były kontynuowane, to loty załogowe na Marsa stałyby się już dawno powszechne.
Wszystko zaczęło się od samolotów atmosferycznych z silnikiem nuklearnym odrzutowym
Projektanci w USA i ZSRR rozważali „oddychające” instalacje nuklearne, zdolne do pobierania powietrza z zewnątrz i podgrzewania go do kolosalnych temperatur. Prawdopodobnie tę zasadę generowania ciągu zapożyczono z silników strumieniowych, tyle że zamiast paliwa rakietowego wykorzystano energię rozszczepienia jąder atomowych dwutlenku uranu 235.W USA taki silnik opracowano w ramach projektu Pluto. Amerykanom udało się stworzyć dwa prototypy nowego silnika – Tory-IIA i Tory-IIC, które napędzały nawet reaktory. Moc instalacji miała wynosić 600 megawatów.
Silniki opracowane w ramach projektu Pluto planowano instalować na rakietach manewrujących, które w latach 50. XX wieku powstawały pod oznaczeniem SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, supersonic low altitude pocisk).
Stany Zjednoczone planowały zbudować rakietę o długości 26,8 metra, średnicy trzech metrów i wadze 28 ton. Korpus rakiety miał zawierać głowicę nuklearną, a także nuklearny układ napędowy o długości 1,6 metra i średnicy 1,5 metra. W porównaniu do innych rozmiarów instalacja wyglądała na bardzo zwartą, co wyjaśnia jej zasadę bezpośredniego przepływu.
Twórcy zakładali, że dzięki silnikowi nuklearnemu zasięg lotu rakiety SLAM wyniesie co najmniej 182 tysiące kilometrów.
W 1964 roku Departament Obrony USA zamknął projekt. Oficjalnym powodem było to, że podczas lotu rakieta manewrująca o napędzie atomowym za bardzo zanieczyszcza wszystko wokół. Ale tak naprawdę powodem były znaczne koszty utrzymania takich rakiet, zwłaszcza że w tym czasie rakieta szybko się rozwijała w oparciu o silniki rakietowe na paliwo ciekłe, których utrzymanie było znacznie tańsze.
ZSRR pozostał wierny idei stworzenia projektu silnika strumieniowego dla silnika o napędzie atomowym znacznie dłużej niż Stany Zjednoczone, zamykając projekt dopiero w 1985 roku. Ale wyniki okazały się znacznie bardziej znaczące. W ten sposób w biurze projektowym Khimavtomatika w Woroneżu opracowano pierwszy i jedyny radziecki silnik rakietowy nuklearny. Jest to RD-0410 (indeks GRAU - 11B91, znany również jako „Irbit” i „IR-100”).
W RD-0410 zastosowano heterogeniczny termiczny reaktor neutronowy, moderatorem był wodorek cyrkonu, reflektory neutronów wykonano z berylu, paliwem jądrowym był materiał na bazie uranu i węglików wolframu, wzbogacony w około 80% w izotop 235.
Projekt obejmował 37 zespołów paliwowych, pokrytych izolacją termiczną oddzielającą je od moderatora. Konstrukcja przewidywała, że strumień wodoru najpierw przechodził przez reflektor i moderator, utrzymując ich temperaturę w temperaturze pokojowej, a następnie przedostawał się do rdzenia, gdzie schładzał zespoły paliwowe, nagrzewając się do temperatury 3100 K. Na stanowisku reflektor i moderator były chłodzony oddzielnym strumieniem wodoru.
Reaktor przeszedł znaczną serię testów, ale nigdy nie został przetestowany pod kątem pełnego czasu pracy. Jednakże zewnętrzne elementy reaktora zostały całkowicie wyczerpane.
Charakterystyka techniczna RD 0410
Pchnięcie w pustce: 3,59 tf (35,2 kN)
Moc cieplna reaktora: 196 MW
Specyficzny impuls ciągu w próżni: 910 kgf·s/kg (8927 m/s)
Liczba startów: 10
Zasób roboczy: 1 godzina
Składniki paliwa: płyn roboczy – ciekły wodór, substancja pomocnicza – heptan
Waga z ochroną przed promieniowaniem: 2 tony
Wymiary silnika: wysokość 3,5 m, średnica 1,6 m.
Stosunkowo małe gabaryty i masa, wysoka temperatura paliwa jądrowego (3100 K) przy efektywnym układzie chłodzenia przepływem wodoru wskazują, że RD0410 jest niemal idealnym prototypem nuklearnego silnika napędowego dla nowoczesnych rakiet manewrujących. A biorąc pod uwagę nowoczesne technologie produkcji samozatrzymującego się paliwa jądrowego, zwiększenie zasobów z godziny do kilku godzin jest bardzo realnym zadaniem.
Projekty silników rakiet nuklearnych
Jądrowy silnik rakietowy (NRE) to silnik odrzutowy, w którym energia powstająca podczas rozpadu jądrowego lub reakcji syntezy jądrowej podgrzewa płyn roboczy (najczęściej wodór lub amoniak).W zależności od rodzaju paliwa wykorzystywanego w reaktorze wyróżnia się trzy typy silników o napędzie jądrowym:
- faza stała;
- faza ciekła;
- faza gazowa.
W silnikach jądrowych na fazę gazową paliwo (na przykład uran) i płyn roboczy znajdują się w stanie gazowym (w postaci plazmy) i są utrzymywane w obszarze roboczym za pomocą pola elektromagnetycznego. Plazma uranowa nagrzana do kilkudziesięciu tysięcy stopni przekazuje ciepło do płynu roboczego (na przykład wodoru), który z kolei podgrzany do wysokich temperatur tworzy strumień strumieniowy.
Ze względu na rodzaj reakcji jądrowej rozróżnia się silnik rakietowy radioizotopowy, silnik rakietowy termojądrowy i sam silnik jądrowy (wykorzystuje się energię rozszczepienia jądrowego).
Ciekawą opcją jest także impulsowy nuklearny silnik rakietowy – proponuje się wykorzystanie ładunku jądrowego jako źródła energii (paliwa). Takie instalacje mogą być typu wewnętrznego i zewnętrznego.
Główne zalety silników o napędzie atomowym to:
- wysoki impuls właściwy;
- znaczne rezerwy energii;
- zwartość układu napędowego;
- możliwość uzyskania bardzo dużego ciągu - dziesiątki, setki i tysiące ton w próżni.
- strumienie promieniowania przenikającego (promieniowanie gamma, neutrony) podczas reakcji jądrowych;
- usuwanie wysoce radioaktywnych związków uranu i jego stopów;
- wypływ gazów radioaktywnych wraz z płynem roboczym.
Jądrowy układ napędowy
Mając na uwadze, że z publikacji, w tym także z artykułów naukowych, nie da się uzyskać wiarygodnych informacji o elektrowniach jądrowych, zasadę działania takich instalacji najlepiej omówić na przykładach otwartych materiałów patentowych, choć zawierają one know-how.Na przykład wybitny rosyjski naukowiec Anatolij Sazonowicz Koroteev, autor wynalazku objętego patentem, przedstawił rozwiązanie techniczne dotyczące składu wyposażenia nowoczesnego YARDU. Poniżej przedstawiam część wspomnianego dokumentu patentowego dosłownie i bez komentarza.
Istotę proponowanego rozwiązania technicznego ilustruje schemat przedstawiony na rysunku. Jądrowy układ napędowy pracujący w trybie napędowo-energetycznym składa się z elektrycznego układu napędowego (EPS) (przykładowy schemat przedstawia dwa elektryczne silniki rakietowe 1 i 2 z odpowiadającymi im układami zasilania 3 i 4), instalację reaktora 5, turbinę 6, sprężarkę 7, generator 8, wymiennik ciepła-rekuperator 9, rurka wirowa Rancka-Hilscha 10, lodówka-chłodnica 11. W tym przypadku turbina 6, sprężarka 7 i generator 8 są połączone w jedną jednostkę - turbogenerator-sprężarkę. Jądrowy zespół napędowy wyposażony jest w rurociągi 12 płynu roboczego oraz przewody elektryczne 13 łączące generator 8 z elektrycznym zespołem napędowym. Wymiennik ciepła-rekuperator 9 posiada tzw. wejścia płynu roboczego wysokotemperaturowego 14 i niskotemperaturowego 15 oraz wyjścia płynu roboczego wysokotemperaturowego 16 i niskotemperaturowego 17.Spinki do mankietów:Wyjście bloku reaktora 5 jest podłączone do wejścia turbiny 6, wyjście turbiny 6 jest podłączone do wejścia wysokotemperaturowego 14 wymiennika-rekuperatora 9. Wyjście niskotemperaturowe 15 wymiennika-rekuperatora 9 jest podłączony do wejścia do rurki wirowej Rancka-Hilscha 10. Rurka wirowa Rancka-Hilscha 10 ma dwa wyjścia, z których jeden (za pośrednictwem „gorącego” płynu roboczego) jest podłączony do chłodnicy chłodnicy 11, a drugi ( przez „zimny” płyn roboczy) jest podłączone do wejścia sprężarki 7. Wyjście chłodnicy 11 jest również podłączone do wejścia sprężarki 7. Wyjście 7 sprężarki jest podłączone do wejścia niskotemperaturowego 15 do wymiennik ciepła-rekuperator 9. Wyjście wysokotemperaturowe 16 wymiennika ciepła-rekuperatora 9 jest połączone z wejściem do instalacji reaktora 5. W ten sposób główne elementy elektrowni jądrowej są połączone pojedynczym obwodem płynu roboczego .
Elektrownia jądrowa działa w następujący sposób. Płyn roboczy ogrzany w instalacji reaktora 5 kierowany jest do turbiny 6, która zapewnia pracę sprężarki 7 i generatora 8 turbogeneratora-sprężarki. Generator 8 wytwarza energię elektryczną, która przesyłana jest liniami elektrycznymi 13 do elektrycznych silników rakietowych 1 i 2 oraz ich systemów zasilania 3 i 4, zapewniając ich pracę. Po opuszczeniu turbiny 6 ciecz robocza kierowana jest przez wlot wysokiej temperatury 14 do wymiennika ciepła-rekuperatora 9, gdzie ciecz robocza ulega częściowemu schłodzeniu.
Następnie z niskotemperaturowego wylotu 17 wymiennika ciepła-rekuperatora 9 płyn roboczy kierowany jest do rurki wirowej Ranque-Hilscha 10, wewnątrz której przepływ płynu roboczego dzieli się na składniki „gorące” i „zimne”. „Gorąca” część płynu roboczego trafia następnie do emitera chłodniczego 11, gdzie ta część płynu roboczego jest skutecznie chłodzona. „Zimna” część płynu roboczego trafia do wlotu sprężarki 7, a po schłodzeniu podąża tam również część płynu roboczego opuszczającego chłodnicę promieniującą 11.
Sprężarka 7 dostarcza schłodzony płyn roboczy do wymiennika ciepła-rekuperatora 9 przez wlot niskotemperaturowy 15. Ten schłodzony płyn roboczy w wymienniku ciepła-rekuperatorze 9 zapewnia częściowe chłodzenie przeciwprądu płynu roboczego wchodzącego do wymiennika ciepła-rekuperatora 9 z turbiny 6 przez wlot wysokotemperaturowy 14. Następnie częściowo podgrzany płyn roboczy (w wyniku wymiany ciepła z przeciwprądem płynu roboczego z turbiny 6) z wymiennika-rekuperatora 9 przez wysokotemperaturowy wylot 16 ponownie wchodzi do instalacji reaktora 5, cykl powtarza się ponownie.
Zatem pojedynczy płyn roboczy umieszczony w zamkniętym obiegu zapewnia ciągłą pracę elektrowni jądrowej, a zastosowanie rurki wirowej Ranque-Hilscha jako części elektrowni jądrowej zgodnie z zastrzeganym rozwiązaniem technicznym poprawia właściwości wagowe i gabarytowe elektrowni jądrowej, zwiększa niezawodność jej pracy, upraszcza jej konstrukcję i pozwala na zwiększenie sprawności elektrowni jądrowych w ogóle.