0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ядерный двигатель для космических кораблей что это

NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей

Стремление отправить человека на Марс заставило NASA стряхнуть пыль с технологии, которую отложили на полку еще в 1970-х – ядерного двигателя для космических кораблей. Разработка реактора и топлива для такого двигателя, предназначенного для полетов в глубоком космосе, поручена компании BWXT Nuclear Energy.

Читайте «Хайтек» в

Компания BWXT — наследница Babcock & Wilcox, которая разработала и построила одни из первых в мире ядерные реакторы и атомные подводные лодки, а в последние десятилетия занималась исследованиями надежности ядерных ракетных двигателей. В отличие от традиционных ракетных двигателей, сжигающих топливо для создания тяги, в ядерной системе для нагрева рабочего тела (обычно жидкого водорода) используется непосредственно реактор. Водород выбрасывается через сопло, двигая космический корабль вперед. Это позволяет удвоить эффективность использования топлива, а значит — уменьшить размеры ракеты и сократить время полета, говорит Стивен Хейстер, профессор аэронавтики и астронавтики Университета Пердью. «Этот фактор невероятно важен, особенно для очень сложных миссий, для которых требуется много топлива, таких как полет на Марс», — говорит он.

Немецкие физики предложили новую теорию темной материи

Ядерный ракетный двигатель позволит прервать миссию и возобновить ее даже спустя несколько месяцев, говорит Джеффри Шихи, главный инженер NASA. «Новизна этой конструкции реактора снижает объем топлива, необходимого для выполнения импульсных маневров. Можно будет перезапускать двигатель несколько раз», — поясняет он. И хотя космонавтам придется находиться в защищенном от радиации отсеке, они будут меньше подвержены космическому излучению, поскольку время полета сократится.

Хотя рано еще говорить о том, что США возвращается к космической гонке, которую вели во время Холодной войны, этот подряд свидетельствует о том, что Штаты снова начали обдумывать идею, к которой в свое время обращались СССР и Китай. Для США это еще и шанс возродить пребывающую в упадке ядерную энергетику, в которой, после явного движения Германии, Южной Кореи и Тайваня в сторону возобновляемой энергии, лидируют Россия и Китай, пишет Fortune.

Например, Росатом планирует в этом году тестировать прототип ядерного двигателя для космических аппаратов, способных отправиться на Марс. Китай также готовится использовать шаттлы на атомной энергии, по информации агентства Синьхуа.

Китайская Hanergy побила сразу три рекорда КПД солнечных элементов

Ядерная энергия интересует NASA и для того, чтобы обеспечивать электричеством марсианскую колонию, когда люди уже высадятся на планете. Агентство и Министерство энергетики США разрабатывают реактор Kilopower, который в качестве топлива использует уран-235. Его полномасштабный испытательный запуск намечен на март.

Ядерный двигатель для космических кораблей что это

«Роскосмос» планирует отправить миссию на Юпитер на корабле с ядерным двигателем

Представители «Роскосмоса» сообщили, что российские космонавты в будущем отправятся на Луну, Венеру и на Юпитер. Для этого планируется создание космического корабля с ядерным двигателем.

Межпланетный полет планируют реализовать в 2030 году. Проект получил название «Зевс», и в рамках него экспертам предстоит разработать ядерный двигатель для нового космического корабля. Корабль получит ядерный реактор мощностью около 500 киловатт. Он позволит быстро перемещаться с одной планеты на другую. Сначала на корабле космонавты достигнут Луны, а затем Венеры. Конечным пунктом назначения российских космонавтов станет Юпитер. Используя гравитацию планеты, корабль сможет быстро и безопасно доставить землян на поверхность газового гиганта. Вся миссия продлится 50 месяцев.

Исполнительный директор «Роскосмоса» по перспективным программам и науке Александр Блошенко представил в своей презентации на просветительском марафоне «Новое знание» два проекта космического корабля с ядерным буксирным двигателем «Зевс»: один с роторными магнитоплазменными двигателями, другой — с ионными двигателями. Буксир с ядерной установкой, также известный как транспортно-энергетический модуль (ТЭМ), находится в разработке в России с 2010 года. Первый прототип полномасштабного транспортного средства ТЭМ был показан в 2019 году, а трехмерная анимация его развертывания на орбите — в 2020 году.

Объяснены проблемы с дыханием после выздоровления от коронавируса

Ученые Шеффилдского и Оксфордского университетов в Великобритании выявили стойкие повреждения легких у пациентов с COVID-19 через три месяца после выздоровления. Их нельзя обнаружить с помощью компьютерных томографов и других методов диагностики, поэтому людям обычно сообщали, что их легкие в норме. Свои выводы специалисты представили в статье, опубликованной в журнале Radiology.

В ходе исследования ученые воспользовались новым методом визуализации, называемым магнитно-резонансной томографией с гиперполяризованным ксеноном (XeМРТ). Пациент вдыхает стабильный изотоп ксенона, что усиливает сигнал в сотни тысяч раз и дает изображения с рекордной детализированностью. XeМРТ выявила аномалии в легких у некоторых пациентов, переболевших COVID-19, через три и даже девять месяцев после выписки из больницы, хотя другие клинические показатели были в норме.

Это объясняет, почему некоторые люди, перенесшие коронавирусную инфекцию, продолжают испытывать проблемы с дыханием, хотя повреждения тканей в нижних отделах дыхательных путей у них не обнаруживаются. Аномалии, которые не видны при обычном сканировании, препятствуют насыщению крови кислородом во всех участках легких. Однако пока еще не известно, как много времени потребуется таким людям для полного восстановления.

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло, пишут РИА Новости.

«Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни», — объясняет один из участников исследования, доцент Института Нильса Бора Ю Чжоу.

Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.

«В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали».

Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.

Ядерные двигатели — быстрый способ достичь Марса?


Концепт корабля с ядерным двигателем для быстрого перемещения по Солнечной системе.

Современные полеты на Марс — дело небыстрое: чтобы добраться до Красной планеты, потребуется от 7 до 9 месяцев. Разумеется, для большинства зондов время полета не играет никакой роли, чего не скажешь о людях: за такое время в космосе они получат ощутимую дозу радиации, будут проблемы с потерей мышечной массы, нужно будет вести с собой серьезные запасы еды, да и вообще за больше чем полгода в космосе с кораблем может случиться все что угодно.

Читать еще:  Форд транзит 2007 стук в двигателе

Выход? Использовать ядерные двигатели. Они, несмотря на все научные споры, все же могут производить энергию и тягу, необходимые для быстрой доставки большого космического корабля на Марс и, при желании, за его пределы. Идея ядерных ракетных двигателей возникла в 1940-х годах и тогда дальше теорий не зашла. Однако на этот раз планы межпланетных миссий, основанные на ядерном делении и синтезе, подкрепляются новыми проектами, которые имеют гораздо больше шансов оторваться от Земли.

Важно отметить, что ядерные двигатели предназначены только для межпланетных путешествий, а не для использования в атмосфере Земли. Иными словами, все равно понадобятся старые добрые химические ракеты для вывода аппарата за пределы низкой околоземной орбиты. И только после этого можно использовать ядерную двигательную установку.

Основная задача заключалась в том, чтобы сделать такие ядерные двигатели безопасными и достаточно легкими для космического полета. Новые виды топлива и конструкции реакторов, похоже, соответствуют необходимым параметрам, поскольку НАСА в настоящее время работает с партнерами по ядерной отрасли над возможными будущими пилотируемыми космическими полетами на ядерном топливе.


Быстрые полеты на Марс возможны только раз в два года, да и длятся они больше полугода. Ядерные ракетные двигатели могут это изменить.

«Ядерная силовая установка будет выгодна, если вы хотите отправиться на Марс и вернуться обратно менее чем за два года», — говорит Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий НАСА. По его словам, для реализации этой миссии «ключевой технологией, которую необходимо усовершенствовать, является топливо».

В частности, топливо должно выдерживать сверхвысокие температуры и нестабильные условия в ядерном тепловом двигателе. И теперь две компании заявляют, что их топливо достаточно надежно для создания безопасного, компактного и высокопроизводительного реактора. Фактически, одна из этих компаний уже предоставила НАСА детальный концептуальный проект.

Ядерная тепловая двигательная установка использует энергию, выделяющуюся в результате ядерных реакций, для нагрева жидкого водорода примерно до 2430 °C, что приблизительно в восемь раз превышает температуру активной зоны атомных электростанций. В итоге водород очень сильно расширяется и выбрасывается из сопла с огромной скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.

Такой двигатель может производить вдвое большую тягу на массу топлива по сравнению с химическими ракетами, позволяя кораблям с ядерными установками путешествовать дольше и быстрее. Кроме того, оказавшись в пункте назначения, будь то спутник Сатурна Титан или Плутон, ядерный реактор может переключиться с силовой установки на производство энергии, что позволит аппарату отправлять обратно высококачественные данные в течение многих лет.


Принцип работы ядерного ракетного двигателя.

Раньше, чтобы получить достаточную тягу от ядерной ракеты, требовался оружейный высокообогащенный уран. Более доступное низкообогащенное урановое топливо, используемое на коммерческих электростанциях, было бы более безопасным в использовании, но оно может стать хрупким и развалиться под воздействием высоких температур и химических воздействий со стороны чрезвычайно реактивного водорода.

Компания Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), базирующаяся в Сиэтле, создала урановое топливо с обогащением ниже 20%, что в разы выше, чем используемое в АЭС, но уже «не может быть использовано для гнусных целей, поэтому это значительно снижает риски нелегального распространения», — говорит технический директор компании Майкл Идс. Топливо от USNC-Tech содержит микроскопические частицы уранового топлива с керамическим покрытием, встроенные в матрицу из карбида циркония. Микрокапсулы удерживают радиоактивные побочные продукты деления внутри, позволяя при этом уйти выделившемуся в результате распада теплу.

Компания BWX Technologies из Линчбурга, штат Вирджиния, работает по контракту с НАСА и проектирует реакторы, использующие подобное керамическое композитное топливо, а также исследует альтернативную форму топлива, заключенную в металлическую матрицу. «Мы работаем над проектом нашего реактора с 2017 года», — говорит Джо Миллер, генеральный менеджер отдела передовых технологий компании.

В моделях «топливных ячеек» обеих компаний используются разные типы замедлителей. Они нужны чтобы замедлять высокоэнергетические нейтроны, образующиеся при делении, чтобы те могли поддерживать цепную реакцию, а не вызывать дальнейший лавинообразный распад с нагревом и разрушением реактора.

BWX размещает свои топливные блоки между гидридными элементами, а уникальная конструкция USNC-Tech включает в себя замедлитель из металлического бериллия. «Наше топливо выдерживает контакт с горячим водородом, не разрушается от излучений и не поглощает все нейтроны в реакторе», — говорит Идс.


Экспериментальный термоядерный двигатель, способный достигать температуры в 1 миллион градусов.

По словам Сэмюэля Коэна из Принстонской лаборатории физики плазмы, есть еще один путь к маленьким безопасным ракетам с ядерными двигателями: термоядерные реакторы. Обычный термоядерный синтез использует дейтерий и тритиевое топливо, но Коэн возглавляет группу ученых, разрабатывающих реактор, работающий благодаря синтезу между атомами дейтерия и гелием-3 в высокотемпературной плазме, в результате чего появляется очень мало нейтронов.

«Нам не нравятся нейтроны, потому что они могут изменить структуру материала, такого как сталь, на что-то типа сыра с дырками, и сделать его радиоактивным», — говорит он. По словам Коэна, концепт Принстонской лаборатории под названием Direct Fusion Drive также требует гораздо меньше топлива, чем нужно для традиционного термоядерного синтеза, и такой реактор может быть в тысячу раз меньше.

По словам Шихи из НАСА, термоядерная тяга теоретически может намного превзойти тягу, основанную на делении урана, потому что реакции термоядерного синтеза выделяют в разы больше энергии. Однако эта технология находится на ранней стадии развития и сталкивается с рядом проблем, включая создание и удержание плазмы и эффективное преобразование высвобождаемой энергии в направленную струю выхлопных газов. «Едва ли [термоядерные реакторы] будут готовы к полетам на Марс в конце 2030-х годов», — говорит он.

USNC-Tech, напротив, уже сделала небольшие прототипы ядерных реакторов на основе своего нового топлива. «Мы на пути к достижению цели НАСА — к 2027 году подготовить к запуску демонстрационную систему в половинном масштаба», — говорит Идс. Следующим шагом будет создание полномасштабной ядерной системы, которая вполне может быстро доставить астронавтов на Марс в 2035 году.

Американцы приступили к разработке космического аппарата на ядерной тяге

Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) приступило к реализации программы DRACO. Ранее известная как ROAR, она подразумевает разработку и испытание космического аппарата с тепловым ядерным ракетным двигателем к 2025 году. О выборе исполнителей для программы рассказывается на сайте DARPA.

Конструкторам космических аппаратов при выборе способа передвижения приходится выбирать из двух вариантов — химических и электрических ракетных двигателей. Первые обладают высокой тягой, что позволяет быстро выполнять маневры, но сравнительно низкой скоростью истечения газов рабочего тела. Это означает, что они очень быстро и неэкономично расходуют топливо. Поэтому космическому аппарату с химическими ракетными двигателями приходится брать в полет много топлива, чтобы запаса характерестической скорости (то есть максимальной скорости, которую космический аппарат сможет достичь, израсходовав все топливо) хватало для перелета к цели. Вторые обладают превосходными показателями скорости истечения рабочего тела (в профессиональной среде вместо этого используется удельный импульс, то есть отношение создаваемого двигателем импульса к секундному расходу рабочего тела), но настолько малой тягой, что космическому аппарату с электрическими ракетными двигателями на выполнение маневра требуются недели и месяцы.

Читать еще:  Что можно сделать двигателя винчестера

Тепловые ядерные ракетные двигатели выглядят как золотая середина. Теоретически не уступая в тяге химическим ракетам, они обладают большей скоростью истечения рабочего тела, хотя и уступают по этому показателю электрическим. Ядерные ракетные двигатели позволяет гораздо эффективнее выполнять быстрые орбитальные маневры и отправлять в межпланетные перелеты намного более массивные корабли, при этом используя меньшие по массе запасы топлива.

Ядерный ракетный двигатель NERVA

Ядерный ракетный двигатель РД-0410

Проекты тепловых ядерных ракетных двигателей уже создавались и испытывались в прошлом. Это американские NERVA и советские РД-0410, которые разрабатывались в 50-х — 80-х годах. Американский проект уже на стадии готовности к применению на космических кораблях был свернут в 1972 году решением администрации президента Никсона из-за сокращения финансирования космических программ. Разработка советского двигателя продолжалась на воронежском КБХА до 1988 года, когда тяжелая финансовая обстановка перестройки и последствия аварии на Чернобыльской АЭС привели к остановке всех работ по проекту. Единственный изготовленный РД-0410 до сих пор хранится на предприятии. Однако интерес к технологии не исчез.

В марте 2019 года в США объявили о планах разработки нового ядерного ракетного двигателя под названием ROAR (Reactor On A Rocket). В следующем году программа получила дополнительное финансирование, и была переименована в DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Интерес к ядерному ракетному двигателю проявляет американское Министерство обороны, которое намерено расширить свою деятельность за пределы околоземной орбиты.

DARPA рассказало 12 апреля о переходе проекта DRACO в стадию технического проектирования, которое продлится ближайшие 18 месяцев. За это время компания General Atomics должна разработать ядерный реактор для двигателя, а корпорации Blue Origin и Lockheed Martin — создать конкурирующие проекты демонстрационных и рабочих космических аппаратов, на которых будут использоваться новые двигатели. Победивший проект будет реализовываться на следующем этапе. Цель программы — продемонстрировать в 2025 году работоспособность теплового ядерного ракетного двигателя на космическом корабле.

Согласно техническому заданию, реактор двигателя будет работать на низкообогащенном урановом топливе с содержанием изотопа U-235 от пяти до 20 процентов. Схожее обогащение предполагается использовать и в аналогичном проекте, который разрабатывает NASA. В сравнении, топливо для легководных реакторов АЭС содержит от трех до пяти процентов изотопа U-235, а у энергетических установок, которые используются на американском флоте — до 90 процентов.

В прошлом году сообщалось, что в США стартовали работы над мобильным ядерным реактором для нужд Министерства обороны. Подробнее узнать о способах генерации электричества в космосе можно в нашем материале «Энергетика в космосе».

Ядерный двигатель для космических кораблей что это

Газофазные ядерные двигатели
для космических аппаратов

В соответствии с принятыми правительственными решениями в некоторых научных центрах и КБ уже со второй половины 50-х гг. начались разработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД). Среди различных типов ядерных реакторов, которые предусматривались для применения в космических системах, особое место занимает высокотемпературный газофазный ядерный реактор (ГФЯР), обещавший достижение уникальных параметров.

Решение о разработке ЯРД и ядерных космических энергоустановок (ЯКЭУ) на основе ГФЯР было принято в 1963 г. руководителем НПО Энергомаш академиком В.П. Глушко, а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР. К этому времени научный коллектив НПО Энергомаш имел шестилетний опыт проектно-конструкторской и технологической разработки ЯРД с твердофазным реактором. Теоретические исследования по ГФЯР выполнялись с 1957 г. под руководством члена-корреспондента АН СССР В.М. Иевлева в НИИ тепловых процессов (ныне НИЦ имени М.В. Келдыша). На решение столь сложной (сопоставимой с проблемой управляемого термоядерного синтеза) и требующей колоссальных финансовых затрат научно-технической проблемы, какой является создание ГФЯР, в то время посягнули только две страны — СССР и США.

Ведущим подразделением в НПО Энергомаш по проблеме ГФЯР и двигательно-энергетических установок на его основе стал отдел под руководством Р.А. Глиника. Мы все, тогдашние участники начала разработок, были молоды и увлеклись заманчивыми революционными перспективами использования ГФЯР в космической технике, несмотря на огромные технические проблемы. Руководителям — Р.А. Глинику и В.М. Иевлеву было по 37 лет, а сами коллективы пополнялись специально подготовленными выпускниками МАИ, ХАИ, МВТУ, МГУ, МИФИ и МФТИ. Для успешного решения стоящих проблем к работам были привлечены многие институты (в первую очередь ракетно-космической и атомной отраслей) и ведущие вузы страны под общим научным руководством НИИ тепловых процессов. Большое внимание и поддержку оказали такие видные ученые, как академики М.Д. Миллионщиков, А.А. Бочвар, Е.П. Велихов.

Разработчики столкнулись с большим, совершенно новым кругом проблем организации рабочих процессов и обеспечения работоспособности конструкции в высокотемпературном ГФЯР. Вполне естественно, что и у нас, и у американцев ни аналогов, ни прототипов до тех пор не было. Несколько месяцев ушло только на предварительное ознакомление с сущностью вопросов, прослушивание лекций ведущих сотрудников НИИ тепловых процессов, изучение научных отчетов и литературы, консультации во многих организациях.

В период 1963-1973 гг. численность специализированного отдела НПО Энергомаш, занимавшегося разработкой реактора и двигательно-энергетической установки, составляла около 90 человек. В этот период проводились интенсивные экспериментальные и производственные работы по подготовке демонстрационных реакторных испытаний в 1975 г. Однако в 1974 г. в НПО Энергомаш началась разработка РД-170/171 — мощного ЖРД для системы «Энергия-Буран», в связи с чем исследования по ГФЯР были приостановлены, а коллектив специализированного отдела сокращен до 30 человек. В течение восьми лет финансировались лишь «бумажные» работы. За это время оказались утраченными обширные технологические, производственные и экспериментальные заделы.

С 1982 г. производственные работы были возобновлены, около двух лет тот же коллектив конструкторов и расчетчиков восстанавливал технологию и экспериментальную базу. Но все же в конце 1989 г. финансирование, практически, полностью прекратилось. В США также не удалось довести дело до минимальных демонстрационных испытаний.

Предполагалось, что основным элементом конструкции ГФЯР будет одна или несколько рабочих камер, окруженных замедлителем-отражателем нейтронов. Ядерное горючее внутри камер должно удерживаться изолированно от стенок в плазменном состоянии в количестве, необходимом для самоподдерживающейся цепной реакции. В промежутке между зоной делящейся плазмы и стенками организуется поток рабочего тела. Нагрев рабочего тела обеспечивается лучистым теплопереносом, при этом его средняя температура на выходе рабочей камеры достигает значений порядка 104 К. Поглощение лучистой энергии рабочим телом обеспечивает одновременно и тепловую защиту стенок.

Читать еще:  Устройство для запуска двигателя мотоцикла

При разработке газофазного реактора основной проблемой было снижение потерь делящегося вещества, которые не должны превышать долей процента от расхода рабочего тела. Приемлемый уровень выноса ядерного горючего из камеры предполагалось обеспечить ламинаризацией потока поступающего рабочего тела, профилированием поля его начальных скоростей, наложением внешнего магнитного поля, специальным подбором состава рабочих компонентов и выбором геометрии полости. Вынос ядерного горючего компенсировался его подачей в рабочую камеру либо в жидкометаллическом виде (1500К), либо в виде пастообразной смеси порошка с NaK эвтектикой (эвтектика — расплав, находящийся в равновесии с твердыми фазами).

Космические энергетические установки проектировались по открытой и замкнутой схемам. Если рабочее тело выбрасывается через реактивное сопло наружу, то установка представляет собой ядерный ракетный двигатель открытой схемы. В качестве рабочего тела используется водород, в который для обеспечения электропроводности и поглощения лучистого теплового потока добавляются присадки в виде паров NaK и Li, а также вольфрамового порошка (при этом одновременно достигается приемлемая температура водорода у стенки камеры). Такой ЯРД имел бы чрезвычайно высокие удельные характеристики (удельный импульс порядка 2000:3000 с). Если установка спроектирована таким образом, что рабочее тело выбрасывается наружу через МГД-генератор с высоким КПД, то имеем ЯКЭУ открытой схемы.

Двигательная энергетическая установка открытой схемы (рис. 1) включает в себя однополостной реактор с кольцевым выходным каналом и газофазным твэлом (ГФТЭ) с застойной плазменной зоной ядерного горючего. Стабилизация зоны осуществляется с помощью мощного внешнего соленоида. Применение двигателя такой схемы по экологическим соображениям возможно лишь на космических аппаратах, но не на носителях, стартующих с Земли.

Для обеспечения энергией различных потребителей, в том числе соленоида и электропривода насосов, в установке предполагалось использовать комбинацию сопла и МГД-генератора. ЯРД и ЯКЭУ, помимо схемного различия, отличаются степенью использования энергии газового потока в МГД-генераторе: в первом случае преобразуется в электроэнергию не более 2 %, а во втором — 30. 40 %.

В установках замкнутой схемы (рис. 2) преобразователем энергии является МГД-генератор, а все рабочие компоненты циркулируют по контуру, не имеющему связи с внешней средой. В этом случае получаем ЯКЭУ, имеющую весьма высокий КПД (30:40 %), низкие значения удельной массы преобразователя и удельного расхода рабочего тела. Присадки, вводимые в рабочее тело, помимо всего прочего, призваны способствовать МГД-взаимодействию. Кроме газофазного реактора и МГД-генератора в конструкции непременно должны присутствовать холодильники, сепараторы и насосы. Рабочим телом является пар NaK в смеси с гелием. Выделяющееся избыточное тепло сбрасывается в космическое пространство с помощью излучателей. Вырабатываемая энергия используется для различных целей, одним из ее потребителей может быть электроракетный двигатель.

Преимуществом использования в замкнутых схемах ГФЯР, в котором вместо твердых твэлов используются газообразные, является принципиальная возможность обеспечения весьма длительного функционирования за счет соответствующей подпитки горючим взамен выводимых из контура во внешнюю среду продуктов ядерных реакций.

Существенное значение имеет и то обстоятельство, что в замкнутых схемах требование к выносу ядерного горючего из реактора вместе с рабочим телом менее строгое, чем в открытых. Это позволяет рассматривать более простую организацию процессов, допускающих большую степень смешения ядерного горючего и рабочего тела. При этом отпадает необходимость в магнитной стабилизации — плазменная зона из застойной превращается в струйную. Использование нескольких таких зон (многополостной реактор) улучшает массогабаритные характеристики ГФЯР.

Известно, что между тепловой мощностью реактора и возможностями обеспечения приемлемого температурного режима элементов конструкции существует определенная зависимость. Исследованиями было установлено, что оптимальная тепловая мощность ГФЯР открытой схемы должна быть не ниже 2 ГВт, а замкнутой — 300 МВт (при давлении в рабочей камере порядка 1000 кгс/см2).

Концептуальная разработка ядерной двигательно-энергетической установки для обеспечения марсианской экспедиции является последней по времени, вобравшей в себя весь предшествующий опыт. Установка основана на комбинированном однополостном газофазно-твердофазном реакторе трансформируемой конструкции массой 57,5 т (рис. 3). Тепловая мощность реактора 2,14 ГВт. Твердофазные тепловыделяющие сборки (ТФТС), размещенные по кольцу вокруг центральной полости реактора и снабженные приводными механизмами, обеспечивают необходимый уровень нейтронного потока и критичность при запуске, когда ядерное горючее в полости газофазного твэла отсутствует. По мере подачи и накопления в центральной полости ядерного горючего, т.е. образования плазменной зоны и формирования газофазного твэла, ТФТС из активной зоны извлекаются, а реактор превращается в ГФЯР.

Благодаря трансформируемой конструкции установка может работать в двух режимах:
— двигательном (газофазном) тягой 17 т при удельном импульсе 2000 с — на разгонных и тормозных участках траектории;
— энергетическом (твердофазном) с электрической мощностью 200 кВт для обеспечения внутренних нужд космического аппарата без расходования рабочего тела — на маршевом участке траектории.Этот режим обеспечивается замкнутым газотурбинным контуром с гелий-ксеноновой смесью в качестве рабочего тела, преобразованием тепловой энергии в электрическую с КПД 20 % и сбросом избыточного тепла через холодильник-излучатель (цикл Брайтона).

На двигательном режиме работы электроснабжение обеспечивается встроенным в сопло многополюсным МГД-генератором мощностью 25 МВт с электродами и шинами возбуждения, ориентированными по образующим сопла.

Минимизацию массогабаритных характеристик ГФЯР обеспечивают:

  • — применение в качестве ядерного горючего урана-233;
  • — максимально возможное использование в замедлителе-отражателе реактора металлического, в том числе крупнокристаллического бериллия, а в остальной части — графита;
  • — максимально возможное использование для высокотемпературных элементов конструкций рабочей камеры тугоплавких металлов улучшенного изотопного состава, а для силовых корпусов реактора — высокопрочных титановых сплавов и упрочняющих углекомпозитов;
  • — применение для сильноточных систем магнитной стабилизации, возбуждения МГД-генератора и электропривода насосов гиперпроводящего алюминия (чистотой 0,9999), допускающего при жидководородном охлаждении плотность тока 50. 100 А/мм2 при удельном сопротивлении в десятки раз ниже, чем у меди.

Понятно, что экстремальные температурные режимы работы многих элементов конструкции ГФЯР и крайне агрессивная среда (расплавленный уран, водород высокого давления, щелочные металлы) потребовали проведения глубоких материаловедческо-технологических проработок. В результате для системы подачи ядерного горючего были разработаны и внедрены в экспериментальное производство тугоплавкие сплавы на основе тантала — вольфрама — гафния, а также ниобия. Для некоторых участков стенок рабочей камеры были разработаны пористые тугоплавкие материалы как на основе вольфрама, так и молибдена, а для высокотемпературных фильтроэлементов — никеля и нихрома.

Дальнейший анализ выявил исключительную эффективность применения рассмотренного выше ЯРД для марсианского экспедиционного комплекса.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector