Wie funktioniert ein Kernbrennstoffmotor? Andere Arten von Motoren
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Skeptiker argumentieren, dass die Schaffung eines Atommotors kein bedeutender Fortschritt auf dem Gebiet der Wissenschaft und Technologie sei, sondern lediglich eine „Modernisierung eines Dampfkessels“, bei dem anstelle von Kohle und Brennholz Uran als Brennstoff und Wasserstoff als Brennstoff fungiert Arbeitsflüssigkeit. Ist das NRE (Nuklearstrahltriebwerk) so hoffnungslos? Versuchen wir es herauszufinden.
Erste Raketen
Alle Verdienste der Menschheit bei der Erforschung erdnaher Gebiete Weltraum kann sicher auf chemische Strahltriebwerke zurückgeführt werden. Der Betrieb solcher Kraftwerke basiert auf der Energieumwandlung chemische Reaktion Verbrennen von Treibstoff in einem Oxidationsmittel in die kinetische Energie des Strahlstroms und folglich der Rakete. Der verwendete Treibstoff ist Kerosin, flüssiger Wasserstoff, Heptan (für Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke (LPRE)) und eine polymerisierte Mischung aus Ammoniumperchlorat, Aluminium und Eisenoxid (für Feststofftreibstoff-Raketentriebwerke (SRRE)).
Es ist allgemein bekannt, dass die ersten Raketen, die für Feuerwerkskörper verwendet wurden, im zweiten Jahrhundert v. Chr. in China auftauchten. Dank der Energie der Pulvergase stiegen sie in den Himmel. Die theoretischen Forschungen des deutschen Büchsenmachers Konrad Haas (1556), des polnischen Generals Kasimir Semenowitsch (1650) und des russischen Generalleutnants Alexander Zasyadko trugen wesentlich zur Entwicklung der Raketentechnologie bei.
Der amerikanische Wissenschaftler Robert Goddard erhielt ein Patent für die Erfindung der ersten Flüssigtreibstoffrakete. Sein 5 kg schwerer und etwa 3 m langer Apparat, der mit Benzin und flüssigem Sauerstoff betrieben wurde, benötigte 1926 2,5 Sekunden. flog 56 Meter.
Geschwindigkeit jagen
Ernst experimentelle Arbeit Die Entwicklung serienmäßiger chemischer Strahltriebwerke begann in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts. In der Sowjetunion gelten V. P. Glushko und F. A. Tsander zu Recht als Pioniere des Raketentriebwerksbaus. Unter ihrer Beteiligung wurden die Triebwerke RD-107 und RD-108 entwickelt, die den Vorrang der UdSSR in der Weltraumforschung sicherten und den Grundstein für die künftige Führungsrolle Russlands auf dem Gebiet der bemannten Weltraumforschung legten.
Bei der Modernisierung des Flüssigkeitsturbinentriebwerks wurde klar, dass die theoretische Höchstgeschwindigkeit des Jetstreams 5 km/s nicht überschreiten durfte. Das mag für die Erforschung des erdnahen Weltraums ausreichen, doch Flüge zu anderen Planeten und noch mehr zu den Sternen werden für die Menschheit ein Wunschtraum bleiben. Infolgedessen entstanden bereits Mitte des letzten Jahrhunderts Projekte für alternative (nichtchemische) Raketentriebwerke. Die beliebtesten und vielversprechendsten Anlagen waren jene, die die Energie von Kernreaktionen nutzten. Die ersten experimentellen Muster nuklearer Raumfahrttriebwerke (NRE) in der Sowjetunion und den USA bestanden bereits 1970 Testtests. Allerdings nach Tschernobyl Katastrophe Unter öffentlichem Druck wurden die Arbeiten in diesem Bereich eingestellt (in der UdSSR 1988, in den USA - seit 1994).
Der Betrieb von Kernkraftwerken basiert auf den gleichen Prinzipien wie thermochemische. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Erwärmung des Arbeitsmediums durch die Energie des Zerfalls oder der Fusion von Kernbrennstoff erfolgt. Die Energieeffizienz solcher Motoren übertrifft die chemischer deutlich. Beispielsweise beträgt die Energie, die von 1 kg des besten Brennstoffs (einer Mischung aus Beryllium und Sauerstoff) freigesetzt werden kann, 3 × 107 J, während dieser Wert für Poloniumisotope Po210 bei 5 × 1011 J liegt.
Die in einem Kernmotor freigesetzte Energie kann auf verschiedene Arten genutzt werden:
Erhitzen des durch die Düsen abgegebenen Arbeitsmediums, wie bei einem herkömmlichen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, nach der Umwandlung in Elektrizität, Ionisieren und Beschleunigen von Partikeln des Arbeitsmediums, wodurch direkt durch Spaltung oder Syntheseprodukte ein Impuls erzeugt wird Arbeitsflüssigkeit, aber die Verwendung von Alkohol ist viel effektiver, Ammoniak oder flüssiger Wasserstoff. Abhängig von Aggregatzustand Reaktortreibstoff, nukleare Raketentriebwerke werden in Fest-, Flüssig- und Gasphase unterteilt. Der am weitesten entwickelte Kernantriebsmotor ist ein Festphasenspaltungsreaktor, der Brennstäbe (Brennelemente) verwendet, die in Kernkraftwerken als Brennstoff verwendet werden. Der erste Motor dieser Art wurde 1966 im Rahmen des amerikanischen Nerva-Projekts einem Bodentest unterzogen und war etwa zwei Stunden lang in Betrieb.
Design-Merkmale
Das Herzstück jeder Atomkraft Weltraummotor In einem Leistungsgehäuse befindet sich ein Reaktor bestehend aus einem Kern und einem Berylliumreflektor. Im Kern findet die Spaltung von Atomen einer brennbaren Substanz, meist Uran U238, angereichert mit U235-Isotopen, statt. Um den Prozess des nuklearen Zerfalls darzustellen bestimmte Eigenschaften Hier befinden sich auch Moderatoren - feuerfestes Wolfram oder Molybdän. Wenn der Moderator in den Brennstäben enthalten ist, wird der Reaktor als homogen bezeichnet, und wenn er separat platziert ist, wird er als heterogen bezeichnet. Der Kernmotor umfasst außerdem eine Arbeitsflüssigkeitsversorgungseinheit, Steuerungen, Schattenstrahlungsschutz und eine Düse. Strukturelemente und thermisch hochbelastete Reaktorkomponenten werden durch das Arbeitsmedium gekühlt, das dann von einer Turbopumpeneinheit in die Brennelemente gepumpt wird. Hier wird es auf fast 3.000˚C erhitzt. Das durch die Düse strömende Arbeitsmedium erzeugt einen Strahlschub.
Typische Reaktorsteuerungen sind Steuerstäbe und Drehteller aus einem neutronenabsorbierenden Stoff (Bor oder Cadmium). Die Stäbe werden direkt im Kern oder in speziellen Reflektornischen platziert, die Drehtrommeln werden an der Peripherie des Reaktors platziert. Durch Bewegen der Stäbe oder Drehen der Trommeln wird die Anzahl der spaltbaren Kerne pro Zeiteinheit verändert und so die Energiefreisetzung des Reaktors und damit seine Wärmeleistung reguliert.
Um die Intensität der für alle Lebewesen gefährlichen Neutronen- und Gammastrahlung zu reduzieren, werden im Kraftwerksgebäude primäre Reaktorschutzelemente angebracht.
Erhöhte Effizienz
Ein Flüssigphasen-Kernmotor ähnelt in Funktionsprinzip und Aufbau einem Festphasen-Kernmotor, der flüssige Zustand des Brennstoffs ermöglicht jedoch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur und damit des Schubs des Triebwerks. Wenn also für chemische Einheiten (Flüssigkeits-Turbostrahltriebwerke und Feststoffraketentriebwerke) der maximale spezifische Impuls (Strahlströmungsgeschwindigkeit) 5.420 m/s beträgt, für Festphasen-Kerntriebwerke 10.000 m/s weit von der Grenze entfernt sind, dann ist der Der durchschnittliche Wert dieses Indikators für Gasphasen-Kerntreibstoffmotoren liegt im Bereich von 30.000 bis 50.000 m/s.
Es gibt zwei Arten von Gasphasen-Kernmotorprojekten:
Ein offener Kreislauf, bei dem eine Kernreaktion innerhalb einer Plasmawolke aus einem enthaltenen Arbeitsmedium stattfindet elektromagnetisches Feld und absorbiert die gesamte erzeugte Wärme. Die Temperaturen können mehrere Zehntausend Grad erreichen. In diesem Fall ist der aktive Bereich von einer hitzebeständigen Substanz (z. B. Quarz) umgeben – einer Kernlampe, die die emittierte Energie frei überträgt. Bei Anlagen des zweiten Typs wird die Reaktionstemperatur durch den Schmelzpunkt begrenzt des Kolbenmaterials. Gleichzeitig wird die Energieeffizienz eines nuklearen Raumfahrttriebwerks leicht reduziert (spezifischer Impuls bis zu 15.000 m/s), Effizienz und Strahlensicherheit werden jedoch erhöht.
Praktische Erfolge
Formal gilt der amerikanische Wissenschaftler und Physiker Richard Feynman als Erfinder des Kernkraftwerks. Beginn der groß angelegten Entwicklungs- und Kreationsarbeiten Atommotoren für Raumfahrzeuge im Rahmen des Rover-Programms wurde 1955 am Los Alamos Research Center (USA) durchgeführt. Amerikanische Erfinder bevorzugten Anlagen mit einem homogenen Kernreaktor. Die erste experimentelle Probe von „Kiwi-A“ wurde in einer Anlage im Nuklearzentrum in Albuquerque (New Mexico, USA) zusammengebaut und 1959 getestet. Der Reaktor wurde senkrecht mit der Düse nach oben auf den Ständer gestellt. Während der Tests wurde ein erhitzter Strom verbrauchten Wasserstoffs direkt in die Atmosphäre abgegeben. Und obwohl der Rektor gearbeitet hat geringer Strom nur etwa 5 Minuten, der Erfolg begeisterte die Entwickler.
In der Sowjetunion gab das Treffen der „drei großen Ks“ im Jahr 1959 am Institut für Atomenergie einen starken Impuls für diese Forschung – der Schöpfer der Atombombe I.V. Kurchatov, der Cheftheoretiker der russischen Kosmonautik M.V. Keldysh und der Generalkonstrukteur sowjetischer Raketen S.P. Queen. Im Gegensatz zum amerikanischen Modell verfügte der sowjetische RD-0410-Motor, der im Konstruktionsbüro des Khimavtomatika-Verbandes (Woronesch) entwickelt wurde, über einen heterogenen Reaktor. 1978 fanden auf einem Übungsgelände in der Nähe von Semipalatinsk Brandversuche statt.
Es ist erwähnenswert, dass eine ganze Reihe theoretischer Projekte erstellt wurden, es jedoch nie zur praktischen Umsetzung kam. Die Gründe hierfür waren die Vielzahl der Probleme in der Materialwissenschaft sowie der Mangel an personellen und finanziellen Ressourcen.
Hinweis: Eine wichtige praktische Errungenschaft war die Flugerprobung von Flugzeugen mit Atomantrieb. In der UdSSR war der experimentelle strategische Bomber Tu-95LAL der vielversprechendste, in den USA der B-36.
Projekt „Orion“ oder gepulste Atomraketentriebwerke
Für Flüge im Weltraum wurde erstmals 1945 von einem amerikanischen Mathematiker polnischer Herkunft, Stanislaw Ulam, der Einsatz eines gepulsten Kerntriebwerks vorgeschlagen. Im nächsten Jahrzehnt wurde die Idee von T. Taylor und F. Dyson entwickelt und verfeinert. Die Quintessenz ist, dass die Energie kleiner Nuklearladungen, die in einiger Entfernung von der Schubplattform am Boden der Rakete gezündet werden, ihr eine große Beschleunigung verleiht.
Während des 1958 gestarteten Orion-Projekts war geplant, eine Rakete mit einem solchen Triebwerk auszustatten, das Menschen auf die Marsoberfläche oder in die Umlaufbahn des Jupiter befördern könnte. Die im Bugraum untergebrachte Besatzung würde durch eine Dämpfungsvorrichtung vor den zerstörerischen Auswirkungen gigantischer Beschleunigungen geschützt. Das Ergebnis detaillierter technischer Arbeiten waren Marschtests eines groß angelegten Schiffsmodells zur Untersuchung der Flugstabilität (anstelle von Atomladungen wurden gewöhnliche Sprengstoffe verwendet). Aufgrund der hohen Kosten wurde das Projekt 1965 eingestellt.
Ähnliche Ideen zur Schaffung eines „explosiven Flugzeugs“ wurden von geäußert Sowjetischer Akademiker A. Sacharow im Juli 1961. Um das Schiff in die Umlaufbahn zu bringen, schlug der Wissenschaftler die Verwendung herkömmlicher Raketentriebwerke mit flüssigem Treibstoff vor.
Alternative Projekte
Eine große Anzahl von Projekten ging nie über die theoretische Forschung hinaus. Darunter waren viele originelle und vielversprechende. Die Idee eines Kernkraftwerks auf Basis spaltbarer Fragmente wird bestätigt. Design-Merkmale und die Konstruktion dieses Motors ermöglicht es, vollständig auf ein Arbeitsmedium zu verzichten. Der Jetstream, der für die notwendigen Schubeigenschaften sorgt, wird aus verbrauchtem Kernmaterial gebildet. Der Reaktor basiert auf rotierenden Scheiben mit unterkritischer Kernmasse (Atomspaltungskoeffizient kleiner als Eins). Beim Rotieren im im Kern befindlichen Scheibensektor wird eine Kettenreaktion ausgelöst und zerfallende hochenergetische Atome werden in die Triebwerksdüse geleitet und bilden einen Strahlstrom. Die erhaltenen intakten Atome nehmen bei den nächsten Umdrehungen der Brennstoffscheibe an der Reaktion teil.
Projekte eines Kernmotors für Schiffe, die bestimmte Aufgaben im erdnahen Weltraum ausführen, basierend auf RTGs (radioisotopen thermoelektrischen Generatoren), sind durchaus realisierbar, für interplanetare und vor allem interstellare Flüge sind solche Anlagen jedoch wenig vielversprechend.
Kernfusionsmotoren haben ein enormes Potenzial. Bereits im gegenwärtigen Entwicklungsstadium von Wissenschaft und Technologie ist eine gepulste Installation durchaus machbar, bei der wie beim Orion-Projekt thermonukleare Ladungen unter dem Boden der Rakete gezündet werden. Allerdings halten viele Experten die Umsetzung einer kontrollierten Kernfusion für eine Frage der nahen Zukunft.
Vor- und Nachteile nuklearbetriebener Motoren
Zu den unbestreitbaren Vorteilen des Einsatzes von Kernmotoren als Antriebsaggregate für Raumfahrzeuge gehört ihre hohe Leistung Energieeffizienz, bietet einen hohen spezifischen Impuls und eine gute Traktionsleistung (bis zu tausend Tonnen im luftleeren Raum), eine beeindruckende Energiereserve im autonomen Betrieb. Der aktuelle Stand der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung ermöglicht es, die vergleichsweise Kompaktheit einer solchen Anlage sicherzustellen.
Der Hauptnachteil nuklearer Antriebsmotoren, der zu einer Einschränkung der Konstruktions- und Forschungsarbeiten führte, ist die hohe Strahlengefahr. Dies gilt insbesondere bei bodengestützten Brandversuchen, bei denen radioaktive Gase, Uranverbindungen und seine Isotope sowie die zerstörerische Wirkung eindringender Strahlung mit dem Arbeitsmedium in die Atmosphäre gelangen können. Aus den gleichen Gründen ist der Start inakzeptabel Raumschiff, ausgestattet mit einem Atommotor, direkt von der Erdoberfläche.
Gegenwart und Zukunft
Nach den Zusicherungen des Akademikers der Russischen Akademie der Wissenschaften, Generaldirektor des Keldysh-Zentrums Anatoly Koroteev, ist dies grundsätzlich der Fall neuer Typ Der Atommotor in Russland wird in naher Zukunft gebaut. Der Kern des Ansatzes besteht darin, dass die Energie des Weltraumreaktors nicht auf die direkte Erwärmung des Arbeitsmediums und die Bildung eines Strahlstroms, sondern auf die Erzeugung von Elektrizität gerichtet wird. Die Rolle des Antriebs in der Anlage wird einem Plasmamotor zugeschrieben, dessen spezifischer Schub 20-mal höher ist als der Schub heutiger chemischer Strahlgeräte. Das Hauptunternehmen des Projekts ist eine Abteilung des Staatskonzerns Rosatom, JSC NIKIET (Moskau).
Bereits 2015 wurden umfassende Prototypentests auf Basis der NPO Mashinostroeniya (Reutov) erfolgreich abgeschlossen. Der Termin für den Beginn der Flugerprobung des Kernkraftwerks ist November dieses Jahres. Wesentliche Elemente und die Systeme müssen getestet werden, auch an Bord der ISS.
Der neue russische Atommotor arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, der vollständig entfällt radioaktive Substanzen in den umgebenden Raum. Die Massen- und Dimensionseigenschaften der Hauptelemente des Kraftwerks gewährleisten den Einsatz mit vorhandenen inländischen Proton- und Angara-Trägerraketen.
In allgemeinbildenden Veröffentlichungen zur Raumfahrt wird häufig nicht zwischen einem nuklearen Raketentriebwerk (NRE) und einem nuklearen elektrischen Antriebssystem (NURE) unterschieden. Hinter diesen Abkürzungen verbergen sich jedoch nicht nur die unterschiedlichen Prinzipien der Umwandlung von Kernenergie in Raketenschub, sondern auch eine sehr dramatische Entwicklungsgeschichte der Raumfahrt.
Das Drama der Geschichte liegt darin, dass, wenn die vor allem aus wirtschaftlichen Gründen eingestellte Forschung an Kernantrieben und Kernantrieben sowohl in der UdSSR als auch in den USA fortgesetzt worden wäre, menschliche Flüge zum Mars längst alltäglich geworden wären.
Alles begann mit atmosphärischen Flugzeugen mit einem Staustrahl-Atomtriebwerk
Designer in den USA und der UdSSR galten als „atmungsaktiv“ nukleare Anlagen, in der Lage, Außenluft anzusaugen und auf kolossale Temperaturen zu erhitzen. Wahrscheinlich wurde dieses Prinzip der Schuberzeugung von Staustrahltriebwerken übernommen, statt Raketentreibstoff wurde nur Spaltungsenergie verwendet Atomkerne Urandioxid 235.In den USA wurde ein solcher Motor im Rahmen des Pluto-Projekts entwickelt. Den Amerikanern gelang es, zwei Prototypen des neuen Triebwerks zu bauen – Tory-IIA und Tory-IIC, die sogar die Reaktoren antrieben. Die Anlagenleistung sollte 600 Megawatt betragen.
Die im Rahmen des Pluto-Projekts entwickelten Triebwerke sollten in Marschflugkörpern eingebaut werden, die in den 1950er Jahren unter der Bezeichnung SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, Überschall-Low-Altitude-Rakete) entwickelt wurden.
Die Vereinigten Staaten planten den Bau einer Rakete mit einer Länge von 26,8 Metern, einem Durchmesser von drei Metern und einem Gewicht von 28 Tonnen. Der Raketenkörper sollte einen Atomsprengkopf sowie ein Atomantriebssystem mit einer Länge von 1,6 Metern und einem Durchmesser von 1,5 Metern enthalten. Im Vergleich zu anderen Größen wirkte die Anlage sehr kompakt, was das Direktstromprinzip erklärt.
Die Entwickler gingen davon aus, dass die Flugreichweite der SLAM-Rakete dank des Atomtriebwerks mindestens 182.000 Kilometer betragen würde.
1964 schloss das US-Verteidigungsministerium das Projekt ab. Der offizielle Grund war, dass eine nuklearbetriebene Marschflugkörper im Flug alles um sich herum zu sehr verschmutze. Tatsächlich lag der Grund jedoch in den erheblichen Kosten für die Wartung solcher Raketen, zumal sich die Raketentechnik zu dieser Zeit rasant weiterentwickelte und auf Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken basierte, deren Wartung viel kostengünstiger war.
Die UdSSR blieb der Idee, ein Staustrahltriebwerk für ein nuklearbetriebenes Triebwerk zu entwickeln, viel länger treu als die Vereinigten Staaten und schloss das Projekt erst 1985 ab. Aber die Ergebnisse erwiesen sich als viel aussagekräftiger. So wurde das erste und einzige sowjetische Atomraketentriebwerk im Konstruktionsbüro Khimavtomatika in Woronesch entwickelt. Dies ist RD-0410 (GRAU-Index – 11B91, auch bekannt als „Irbit“ und „IR-100“).
Der RD-0410 verwendete einen heterogenen thermischen Neutronenreaktor, der Moderator war Zirkoniumhydrid, die Neutronenreflektoren bestanden aus Beryllium, der Kernbrennstoff war ein Material auf der Basis von Uran und Wolframcarbiden mit einer Anreicherung des 235-Isotops von etwa 80 %.
Der Entwurf umfasste 37 Brennelemente, die mit einer Wärmedämmung abgedeckt waren, die sie vom Moderator trennte. Das Design sah vor, dass der Wasserstoffstrom zunächst durch den Reflektor und den Moderator strömte, deren Temperatur auf Raumtemperatur hielt, und dann in den Kern eintrat, wo er die Brennelemente abkühlte und auf 3100 K erhitzte. Am Stand befanden sich der Reflektor und der Moderator gekühlt durch einen separaten Wasserstoffstrom.
Der Reaktor durchlief eine umfangreiche Testreihe, wurde jedoch nie über die gesamte Betriebsdauer getestet. Allerdings waren die äußeren Reaktorkomponenten völlig erschöpft.
Technische Eigenschaften von RD 0410
Schub im Leerraum: 3,59 tf (35,2 kN)
Wärmeleistung des Reaktors: 196 MW
Spezifischer Schubimpuls im Vakuum: 910 kgf s/kg (8927 m/s)
Anzahl der Starts: 10
Arbeitsaufwand: 1 Stunde
Kraftstoffkomponenten: Arbeitsflüssigkeit – flüssiger Wasserstoff, Hilfsstoff – Heptan
Gewicht mit Strahlenschutz: 2 Tonnen
Motorabmessungen: Höhe 3,5 m, Durchmesser 1,6 m.
Relativ kleine Gesamtabmessungen und Gewicht, hohe Temperatur des Kernbrennstoffs (3100 K). effektives System Die Kühlung durch einen Wasserstoffstrom weist darauf hin, dass der RD0410 ein nahezu idealer Prototyp eines nuklearen Antriebsmotors für moderne Marschflugkörper ist. Und wenn man darüber nachdenkt moderne Technologien Um selbststoppenden Kernbrennstoff zu erhalten und die Ressource von einer Stunde auf mehrere Stunden zu erhöhen, ist dies eine sehr reale Aufgabe.
Konstruktionen von Nuklearraketentriebwerken
Ein Nuklearraketentriebwerk (NRE) ist ein Strahltriebwerk, bei dem die bei einem Kernzerfall oder einer Kernfusionsreaktion erzeugte Energie das Arbeitsmedium (meistens Wasserstoff oder Ammoniak) erhitzt.Abhängig von der Art des Brennstoffs für den Reaktor gibt es drei Arten von Kernantriebsmotoren:
- feste Phase;
- Flüssigphase;
- Gasphase.
In Gasphasen-Kerntriebwerken befinden sich der Brennstoff (z. B. Uran) und das Arbeitsmedium in einem gasförmigen Zustand (in Form von Plasma) und werden festgehalten Arbeitsbereich elektromagnetisches Feld. Auf Zehntausende Grad erhitztes Uranplasma überträgt Wärme auf das Arbeitsmedium (z. B. Wasserstoff), das wiederum, wenn es auf hohe Temperaturen erhitzt wird, einen Strahlstrom bildet.
Anhand der Art der Kernreaktion unterscheidet man zwischen einem Radioisotop-Raketentriebwerk, einem thermonuklearen Raketentriebwerk und einem Kerntriebwerk selbst (die Energie der Kernspaltung wird genutzt).
Eine interessante Option ist auch ein gepulster Nuklearraketenmotor – es wird vorgeschlagen, eine Nuklearladung als Energiequelle (Brennstoff) zu verwenden. Solche Installationen können interner und externer Art sein.
Die Hauptvorteile nuklearbetriebener Motoren sind:
- hoher spezifischer Impuls;
- erhebliche Energiereserven;
- Kompaktheit des Antriebssystems;
- die Möglichkeit, einen sehr hohen Schub zu erzielen – Dutzende, Hunderte und Tausende Tonnen im Vakuum.
- Flüsse durchdringender Strahlung (Gammastrahlung, Neutronen) bei Kernreaktionen;
- Entfernung hochradioaktiver Verbindungen von Uran und seinen Legierungen;
- Austritt radioaktiver Gase mit dem Arbeitsmedium.
Nukleares Antriebssystem
Da es unmöglich ist, aus Veröffentlichungen, auch aus wissenschaftlichen Artikeln, verlässliche Informationen über Kernkraftwerke zu erhalten, lässt sich die Funktionsweise solcher Anlagen am besten anhand von Beispielen offener Patentmaterialien betrachten, obwohl diese Know-how enthalten.Beispielsweise lieferte der herausragende russische Wissenschaftler Anatoly Sazonovich Koroteev, der Autor der Erfindung im Rahmen des Patents, eine technische Lösung für die Zusammensetzung der Ausrüstung eines modernen YARDU. Nachfolgend präsentiere ich einen Teil des besagten Patentdokuments wörtlich und unkommentiert.
Der Kern der vorgeschlagenen technischen Lösung wird durch das in der Zeichnung dargestellte Diagramm veranschaulicht. Ein im Antriebsenergiemodus arbeitendes nukleares Antriebssystem enthält ein elektrisches Antriebssystem (EPS) (im Beispieldiagramm sind zwei elektrische Raketentriebwerke 1 und 2 mit entsprechenden Zuführsystemen 3 und 4 dargestellt), eine Reaktoranlage 5, eine Turbine 6, ein Kompressor 7, ein Generator 8, Wärmetauscher-Rekuperator 9, Ranck-Hilsch-Wirbelrohr 10, Kühlschrank-Kühler 11. In diesem Fall sind Turbine 6, Kompressor 7 und Generator 8 zu einer einzigen Einheit zusammengefasst – einem Turbogenerator-Kompressor. Die Kernantriebseinheit ist mit Rohrleitungen 12 für das Arbeitsmedium und elektrischen Leitungen 13 ausgestattet, die den Generator 8 und die elektrische Antriebseinheit verbinden. Der Wärmetauscher-Rekuperator 9 verfügt über sogenannte Hochtemperatur-14 und Niedertemperatur-15 Arbeitsflüssigkeitseingänge sowie Hochtemperatur-16 und Niedertemperatur-17 Arbeitsflüssigkeitsausgänge.Links:Der Ausgang der Reaktoreinheit 5 ist mit dem Eingang der Turbine 6 verbunden, der Ausgang der Turbine 6 ist mit dem Hochtemperatur-Eingang 14 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 verbunden. Der Niedertemperatur-Ausgang 15 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 ist mit dem Eingang des Ranck-Hilsch-Wirbelrohrs 10 verbunden. Das Ranck-Hilsch-Wirbelrohr 10 hat zwei Ausgänge, von denen einer (über das „heiße“ Arbeitsmedium) mit der Kühlerkühlung 11 verbunden ist und der andere ( Der Ausgang des Kühlerkühlers 11 ist ebenfalls mit dem Eingang des Kompressors 7 verbunden. Der Ausgang des Kompressors 7 ist mit dem Niedertemperatureingang 15 verbunden Wärmetauscher-Rekuperator 9. Der Hochtemperaturausgang 16 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 ist mit dem Eingang der Reaktoranlage 5 verbunden. Somit sind die Hauptelemente des Kernkraftwerks durch einen einzigen Kreislauf des Arbeitsmediums miteinander verbunden .
Das Kernkraftwerk läuft auf die folgende Weise. Das in der Reaktoranlage 5 erhitzte Arbeitsmedium wird zur Turbine 6 geleitet, die den Betrieb des Kompressors 7 und des Generators 8 des Turbogenerator-Kompressors gewährleistet. Generator 8 erzeugt elektrische Energie, die elektrische Leitungen 13 ist auf die elektrischen Raketentriebwerke 1 und 2 und deren Versorgungssysteme 3 und 4 gerichtet und stellt deren Betrieb sicher. Nach dem Verlassen der Turbine 6 wird das Arbeitsmedium durch den Hochtemperatureinlass 14 zum Wärmetauscher-Rekuperator 9 geleitet, wo das Arbeitsmedium teilweise abgekühlt wird.
Anschließend wird das Arbeitsmedium vom Niedertemperaturauslass 17 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 in das Ranque-Hilsch-Wirbelrohr 10 geleitet, in dem der Arbeitsmediumstrom in „heiße“ und „kalte“ Komponenten aufgeteilt wird. Der „heiße“ Teil des Arbeitsmediums gelangt dann zum Kühlschrank-Emitter 11, wo dieser Teil des Arbeitsmediums effektiv gekühlt wird. Der „kalte“ Teil des Arbeitsmediums gelangt zum Einlass des Kompressors 7, und nach der Abkühlung folgt dort auch der Teil des Arbeitsmediums, der den Strahlungskühler 11 verlässt.
Der Kompressor 7 führt das gekühlte Arbeitsmedium über den Niedertemperatureinlass 15 dem Wärmetauscher-Rekuperator 9 zu. Dieses gekühlte Arbeitsmedium im Wärmetauscher-Rekuperator 9 sorgt für eine teilweise Kühlung des Gegenstroms des in den Wärmetauscher-Rekuperator eintretenden Arbeitsmediums 9 von der Turbine 6 durch den Hochtemperatureinlass 14. Anschließend wird das teilweise erwärmte Arbeitsmedium (aufgrund des Wärmeaustauschs mit dem Gegenstrom des Arbeitsmediums von der Turbine 6) vom Wärmetauscher-Rekuperator 9 durch den Hochtemperatur-Einlass 14 geleitet Wenn der Auslass 16 erneut in die Reaktoranlage 5 gelangt, wiederholt sich der Zyklus erneut.
Somit wird ein einziges Arbeitsmedium bereitgestellt, das sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet kontinuierliche Arbeit Kernantriebssystem und die Verwendung eines Ranque-Hilsch-Wirbelrohrs im Kernantriebssystem gemäß der beanspruchten technischen Lösung verbessern die Gewichts- und Größeneigenschaften des Kernantriebssystems, erhöhen die Zuverlässigkeit seines Betriebs, vereinfachen seine Konstruktion und Herstellung Es ist möglich, die Effizienz des gesamten nuklearen Antriebssystems zu steigern.
Pulse YARD wurde nach dem 1945 von Dr. S. Ulam vom Los Alamos Research Laboratory vorgeschlagenen Prinzip entwickelt, wonach vorgeschlagen wird, eine Kernladung als Energiequelle (Brennstoff) eines hocheffizienten Weltraumraketenwerfers zu verwenden.
Damals wie auch in den vielen darauffolgenden Jahren waren nukleare und thermonukleare Ladungen im Vergleich zu allen anderen die leistungsstärksten und kompaktesten Energiequellen. Wie Sie wissen, stehen wir derzeit kurz davor, Möglichkeiten zu finden, eine noch konzentriertere Energiequelle zu steuern, da wir auf dem Gebiet der Entwicklung der ersten Antimaterie-Einheit bereits recht weit fortgeschritten sind. Wenn wir nur von der verfügbaren Energiemenge ausgehen, sorgen Kernladungen für einen spezifischen Schub von mehr als 200.000 Sekunden und thermonukleare Ladungen für bis zu 400.000 Sekunden. Diese spezifischen Schubwerte sind für die meisten Flüge innerhalb dieses Gebietes übermäßig hoch Sonnensystem. Darüber hinaus treten bei der Nutzung von Kernbrennstoffen in „reiner“ Form viele Probleme auf, die auch heute noch nicht vollständig gelöst sind. Die bei der Explosion freigesetzte Energie muss also auf das Arbeitsmedium übertragen werden, das sich erwärmt und dann aus dem Triebwerk strömt und so Schub erzeugt. Gemäß herkömmlichen Methoden zur Lösung eines solchen Problems wird eine Kernladung in eine „Brennkammer“ gebracht, die mit einem Arbeitsmedium (z. B. Wasser oder einer anderen flüssigen Substanz) gefüllt ist, das verdampft und sich dann mehr oder weniger stark ausdehnt Diabatizität in der Düse.
Ein solches System, das wir als interner gepulster Kernantriebsmotor bezeichnen, ist sehr effektiv, da alle Produkte der Explosion und die gesamte Masse des Arbeitsmediums zur Schuberzeugung genutzt werden. Der instationäre Betriebszyklus ermöglicht die Weiterentwicklung eines solchen Systems hoher Druck und Temperaturen im Brennraum und damit einen höheren spezifischen Schub im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betriebszyklus. Allein die Tatsache, dass Explosionen innerhalb eines bestimmten Volumens auftreten, führt jedoch zu erheblichen Einschränkungen des Drucks und der Temperatur in der Kammer und damit auch des erreichbaren Werts des spezifischen Schubs. Vor diesem Hintergrund erwies sich trotz der vielen Vorteile eines internen gepulsten NRE ein externer gepulster NRE aufgrund der Nutzung der gigantischen Energiemenge, die bei nuklearen Explosionen freigesetzt wird, als einfacher und effizienter.
Bei einem außenwirkenden Kernantriebsmotor ist nicht die gesamte Masse des Brennstoffs und der Arbeitsflüssigkeit an der Erzeugung des Strahlschubs beteiligt. Allerdings hier sogar mit geringerem Wirkungsgrad. Es wird mehr Energie verbraucht, was zu einer effizienteren Systemleistung führt. Ein externes gepulstes Kernkraftwerk (im Folgenden einfach als gepulstes Kernkraftwerk bezeichnet) nutzt Explosionsenergie große Menge Kleine Atomsprengköpfe an Bord einer Rakete. Diese Nuklearladungen werden nacheinander aus der Rakete ausgestoßen und in einiger Entfernung dahinter detoniert ( Zeichnung unten). Bei jeder Explosion entstehen einige der sich ausdehnenden gasförmigen Spaltfragmente in Form von Plasma mit Hohe Dichte und kollidiert mit hoher Geschwindigkeit mit der Basis der Rakete – der Schubplattform. Der Impuls des Plasmas wird auf die Schubplattform übertragen, die sich mit großer Beschleunigung vorwärts bewegt. Die Beschleunigung wird durch eine Dämpfungseinrichtung auf ein Vielfaches reduziert G im Bugraum der Rakete, der die Belastbarkeitsgrenzen des menschlichen Körpers nicht überschreitet. Nach dem Kompressionszyklus bringt die Dämpfungsvorrichtung die Schubplattform in ihre Ausgangsposition zurück und ist dann bereit für den nächsten Impuls.
Die vom Raumfahrzeug erzielte Gesamtgeschwindigkeitssteigerung ( Zeichnung, von der Arbeit ausgeliehen ), hängt von der Anzahl der Explosionen ab und wird daher durch die Anzahl der während eines bestimmten Manövers verbrauchten Nuklearladungen bestimmt. Die systematische Entwicklung eines solchen Kernkraftantriebsprojekts wurde von Dr. T. B. Taylor (General Atomics Division of General Dynamics) begonnen und mit Unterstützung der Advanced Research Projects Agency (ARPA), der US Air Force, der NASA und General Dynamics fortgesetzt Neun Jahre lang wurde die Arbeit in dieser Richtung vorübergehend eingestellt, um sie in Zukunft wieder aufzunehmen, da diese Art von Antriebssystem als einer der beiden Hauptantriebe von Raumfahrzeugen im Sonnensystem ausgewählt wurde.
Funktionsprinzip eines gepulsten außenwirkenden Kernantriebsmotors
Eine frühe Version der Anlage, die 1964–1965 von der NASA entwickelt wurde, war (im Durchmesser) mit der Saturn-5-Rakete vergleichbar und lieferte einen spezifischen Schub von 2500 Sekunden und einen effektiven Schub von 350 g; Das „trockene“ Gewicht (ohne Treibstoff) des Haupttriebwerks betrug 90,8 Tonnen. Die ursprüngliche Version des gepulsten Kernraketentriebwerks nutzte die zuvor erwähnten Kernladungen und es wurde angenommen, dass es in niedrigen Erdumlaufbahnen und in der Strahlung betrieben werden würde Gürtelzone aufgrund der Gefahr einer radioaktiven Kontamination der Atmosphäre durch Zerfallsprodukte, die bei Explosionen freigesetzt werden. Dann wurde der spezifische Schub von gepulsten Kerntriebwerken auf 10.000 Sekunden erhöht, und die potenziellen Fähigkeiten dieser Triebwerke ermöglichten es, diesen Wert in Zukunft zu verdoppeln.
Möglicherweise wurde bereits in den 70er Jahren ein gepulstes Kernantriebssystem entwickelt, um Anfang der 80er Jahre den ersten bemannten Raumflug zu den Planeten durchführen zu können. Die Entwicklung dieses Projekts wurde jedoch aufgrund der Genehmigung des Programms zur Schaffung eines Festphasen-Kernantriebsmotors nicht in vollem Umfang durchgeführt. Darüber hinaus war die Entwicklung gepulster Kernantriebsmotoren damit verbunden politisches Problem, da es nukleare Ladungen verwendete.
Erica K.A. (Krafft A. Ehricke)
Man könnte diesen Artikel mit einer traditionellen Passage darüber beginnen, wie Science-Fiction-Autoren mutige Ideen vorbringen und Wissenschaftler sie dann zum Leben erwecken. Sie können, möchten aber nicht mit Stempeln schreiben. Es ist besser, sich an das Moderne zu erinnern Raketentriebwerke, Festbrennstoff und Flüssigkeit, haben für Flüge über längere Strecken mehr als unbefriedigende Eigenschaften. Sie ermöglichen es, Fracht in die Erdumlaufbahn zu befördern und etwas zum Mond zu transportieren, obwohl ein solcher Flug teurer ist. Doch mit solchen Triebwerken zum Mars zu fliegen, ist nicht mehr einfach. Geben Sie ihnen Treibstoff und Oxidationsmittel benötigte Volumina. Und diese Volumina sind direkt proportional zur Distanz, die überwunden werden muss.
Eine Alternative zu herkömmlichen chemischen Raketentriebwerken sind Elektro-, Plasma- und Nukleartriebwerke. Von allen alternativen Motoren hat nur ein System das Stadium der Motorenentwicklung erreicht – der Nuklearmotor (Nuclear Reaction Engine). In der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten wurde bereits in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke begonnen. Die Amerikaner arbeiteten an beiden Optionen für ein solches Kraftwerk: reaktiv und gepulst. Das erste Konzept besteht darin, das Arbeitsmedium mithilfe eines Kernreaktors zu erhitzen und es dann über Düsen freizusetzen. Der Impulskernantrieb wiederum treibt das Raumschiff durch aufeinanderfolgende Explosionen kleiner Mengen Kernbrennstoffs an.
Ebenfalls in den USA wurde das Orion-Projekt erfunden, bei dem beide Versionen des Atommotors kombiniert wurden. Dies geschah auf folgende Weise: Aus dem Heck des Schiffes wurden kleine Nuklearladungen mit einer Kapazität von etwa 100 Tonnen TNT ausgeworfen. Hinter ihnen wurden Metallscheiben abgefeuert. In einiger Entfernung vom Schiff explodierte die Ladung, die Scheibe verdampfte und die Substanz zerstreute sich in verschiedene Richtungen. Ein Teil davon fiel in den verstärkten Heckbereich des Schiffes und bewegte es vorwärts. Eine geringfügige Steigerung des Schubs hätte durch die Verdunstung der Platte, die die Schläge abfängt, bewirkt werden müssen. Die Stückkosten für einen solchen Flug hätten nur 150 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast betragen sollen.
Es kam sogar zum Test: Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Bewegung mit Hilfe aufeinanderfolgender Impulse ebenso möglich ist wie die Schaffung einer ausreichend starken Heckplatte. Doch das Orion-Projekt wurde 1965 als aussichtslos eingestellt. Allerdings ist dies bislang das einzige existierende Konzept, das Expeditionen zumindest quer durch das Sonnensystem ermöglichen kann.
Erst mit einem nuklear betriebenen Raketentriebwerk konnte der Bau eines Prototyps erreicht werden. Dies waren die sowjetische RD-0410 und die amerikanische NERVA. Sie arbeiteten nach dem gleichen Prinzip: In einem „konventionellen“ Kernreaktor wird das Arbeitsmedium erhitzt, das beim Ausstoß aus den Düsen Schub erzeugt. Das Arbeitsmedium beider Motoren war flüssiger Wasserstoff, der sowjetische verwendete jedoch Heptan als Hilfsstoff.
Der Schub des RD-0410 betrug 3,5 Tonnen, NERVA gab fast 34, aber er hatte auch große Abmessungen: 43,7 Meter Länge und 10,5 Meter Durchmesser gegenüber 3,5 bzw. 1,6 Metern beim sowjetischen Motor. Gleichzeitig war der amerikanische Motor dem sowjetischen in Bezug auf die Ressourcen dreimal unterlegen – der RD-0410 konnte eine ganze Stunde lang arbeiten.
Allerdings blieben beide Triebwerke trotz ihres Versprechens auch auf der Erde und flogen nirgendwo hin. Hauptgrund die Schließung beider Projekte (NERVA Mitte der 70er Jahre, RD-0410 1985) - Geld. Die Eigenschaften chemischer Motoren sind schlechter als die von Kernmotoren, aber die Kosten für einen Start eines Schiffes mit einem Kernantriebsmotor und derselben Nutzlast können 8-12 Mal höher sein als für den Start derselben Sojus mit einem Flüssigtreibstoffmotor . Und dabei sind noch nicht einmal alle Kosten berücksichtigt, die notwendig sind, um Atommotoren zur Praxistauglichkeit zu bringen.
Stilllegung von „billigen“ Shuttles und Abwesenheit von In letzter Zeit Revolutionäre Durchbrüche in der Weltraumtechnologie erfordern neue Lösungen. Im April dieses Jahres gab der damalige Chef von Roscosmos A. Perminov seine Absicht bekannt, ein völlig neues nukleares Antriebssystem zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Genau das sollte nach Ansicht von Roskosmos die „Situation“ in der gesamten Weltkosmonautik radikal verbessern. Jetzt ist klar, wer die nächsten Revolutionäre in der Raumfahrt werden sollen: Die Entwicklung nuklearer Antriebsmotoren wird vom FSUE Keldysh Center durchgeführt. Generaldirektor Das Unternehmen A. Koroteev hat der Öffentlichkeit bereits mitgeteilt, dass der vorläufige Entwurf des Raumfahrzeugs für den neuen Kernantriebsmotor fertig sein wird nächstes Jahr. Das Motordesign soll bis 2019 fertig sein, die Tests sind für 2025 geplant.
Der Komplex wurde TEM genannt – Transport- und Energiemodul. Er wird tragen Kernreaktor mit Gaskühlung. Das Direktantriebssystem steht noch nicht fest: Entweder wird es ein Strahltriebwerk wie das RD-0410 oder ein elektrisches Raketentriebwerk (ERE) sein. Der letztgenannte Typ ist jedoch noch nirgendwo auf der Welt weit verbreitet: Lediglich drei Raumschiffe waren damit ausgestattet. Für den elektrischen Antrieb spricht aber auch die Tatsache, dass der Reaktor nicht nur den Motor, sondern auch viele andere Aggregate antreiben oder sogar das gesamte TEM als Raumkraftwerk nutzen kann.
Die Idee, Atombomben nach hinten zu werfen, erwies sich als zu brutal, aber die Menge an Energie, die die Reaktion erzeugt Kernspaltung, ganz zu schweigen von der Kernfusion, sind für die Raumfahrt äußerst attraktiv. Aus diesem Grund wurden viele Nicht-Puls-Systeme entwickelt, die die mühsame Lagerung Hunderter von Geräten überflüssig machten Atombomben an Bord und Zyklopenstoßdämpfer. Wir werden heute darüber sprechen.
Kernphysik zum Anfassen
Was ist eine Kernreaktion? Um es ganz einfach zu erklären: Das Bild wird ungefähr so aussehen. Aus dem Lehrplan erinnern wir uns, dass Materie aus Molekülen besteht, Moleküle aus Atomen bestehen und Atome aus Protonen, Elektronen und Neutronen bestehen (es gibt niedrigere Ebenen, aber das reicht uns). Einige schwere Atome haben eine interessante Eigenschaft: Wenn sie von einem Neutron getroffen werden, zerfallen sie in leichtere Atome und setzen mehrere Neutronen frei. Wenn diese freigesetzten Neutronen auf andere schwere Atome in der Nähe treffen, wiederholt sich der Zerfall und es kommt zu einer nuklearen Kettenreaktion. Die Bewegung von Neutronen mit hoher Geschwindigkeit führt dazu, dass diese Bewegung in Wärme umgewandelt wird, wenn die Neutronen langsamer werden. Daher ist ein Kernreaktor eine sehr leistungsstarke Heizung. Sie können Wasser kochen, den entstehenden Dampf zu einer Turbine leiten und erhalten Kernkraftwerk. Oder Sie können Wasserstoff erhitzen und nach draußen werfen, wodurch ein nukleares Strahltriebwerk entsteht. Aus dieser Idee entstanden die ersten Motoren – NERVA und RD-0410.
NERVA
Projektgeschichte
Die formelle Urheberschaft (Patent) für die Erfindung des atomaren Raketentriebwerks liegt laut seinen Memoiren „You're Surely Joking, Mr. Feynman“ bei Richard Feynman. Das Buch ist übrigens eine sehr empfehlenswerte Lektüre. Das Los Alamos Laboratory begann 1952 mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke. 1955 wurde das Rover-Projekt gestartet. In der ersten Phase des Projekts KIWI wurden 8 Versuchsreaktoren gebaut und von 1959 bis 1964 wurde die Spülung des Arbeitsmediums durch den Reaktorkern untersucht. Zur Zeitreferenz: Das Orion-Projekt existierte von 1958 bis 1965. Rover hatte die Phasen zwei und drei zur Erforschung von Reaktoren mit höherer Leistung, aber NERVA basierte auf KIWI aufgrund der Pläne für den ersten Teststart im Weltraum im Jahr 1964 – es blieb keine Zeit, fortschrittlichere Optionen zu entwickeln. Die Fristen rückten nach und nach vor und der erste Bodenstart des NERVA NRX/EST-Motors (EST – Engine System Test – Test motorisches System) fand 1966 statt. Das Triebwerk lief zwei Stunden lang erfolgreich, davon 28 Minuten mit Vollschub. Der zweite NERVA XE-Motor wurde 28 Mal gestartet und lief insgesamt 115 Minuten. Der Motor wurde für die Raumfahrttechnik als geeignet befunden und der Prüfstand war bereit für neue Tests zusammengebaute Motoren. Es schien, dass NERVA eine glänzende Zukunft vor sich hatte – ein Flug zum Mars im Jahr 1978, eine dauerhafte Basis auf dem Mond im Jahr 1981, Orbitalschlepper. Doch der Erfolg des Projekts löste im Kongress Panik aus – das Mondprogramm erwies sich für die USA als sehr teuer, das Marsprogramm wäre noch teurer. In den Jahren 1969 und 1970 wurde die Raumfahrtfinanzierung erheblich gekürzt – Apollo 18, 19 und 20 wurden gestrichen, und niemand stellte große Geldbeträge für das Marsprogramm bereit. Infolgedessen wurden die Arbeiten an dem Projekt ohne ernsthafte Finanzierung durchgeführt und es wurde 1972 eingestellt.Design
Wasserstoff aus dem Tank gelangte in den Reaktor, wurde dort erhitzt und herausgeschleudert, wodurch ein Strahlschub entstand. Als Arbeitsmedium wurde Wasserstoff gewählt, da er aus leichten Atomen besteht und sich leichter auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen lässt. Je höher die Abgasgeschwindigkeit des Strahls, desto effizienter ist das Raketentriebwerk.
Ein Neutronenreflektor wurde verwendet, um sicherzustellen, dass Neutronen zum Reaktor zurückgeführt wurden, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.
Zur Steuerung des Reaktors wurden Steuerstäbe verwendet. Jeder dieser Stäbe bestand aus zwei Hälften – einem Reflektor und einem Neutronenabsorber. Wenn der Stab durch den Neutronenreflektor gedreht wurde, nahm deren Strömung im Reaktor zu und der Reaktor erhöhte die Wärmeübertragung. Wenn der Stab durch den Neutronenabsorber gedreht wurde, verringerte sich deren Strömung im Reaktor und der Reaktor verringerte die Wärmeübertragung.
Wasserstoff wurde auch zum Kühlen der Düse verwendet, und warmer Wasserstoff aus dem Düsenkühlsystem drehte die Turbopumpe, um mehr Wasserstoff zu liefern.
Motor läuft. Am Austritt der Düse wurde speziell Wasserstoff gezündet, um die Gefahr einer Explosion zu vermeiden;
Der NERVA-Motor erzeugte einen Schub von 34 Tonnen, etwa das Eineinhalbfache weniger Motor J-2, die sich auf der zweiten und dritten Stufe der Saturn-V-Rakete befand. Der spezifische Impuls betrug 800–900 Sekunden, was doppelt so hoch war wie bei den besten Motoren, die das Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoffpaar verwenden, aber weniger als beim elektrischen Antriebssystem oder dem Orion-Motor.
Ein wenig über Sicherheit
Ein gerade erst zusammengebauter und noch nicht in Betrieb genommener Kernreaktor mit neuen, noch nicht verwendeten Brennelementen ist recht sauber. Uran ist giftig, daher müssen Sie Handschuhe tragen, mehr jedoch nicht. Es sind keine Fernmanipulatoren, Bleiwände oder ähnliches erforderlich. Der gesamte strahlende Schmutz tritt nach dem Starten des Reaktors aufgrund der Streuung von Neutronen auf, wodurch die Atome des Gefäßes, des Kühlmittels usw. „verderbt“ werden. Daher wäre im Falle eines Raketenunfalls mit einem solchen Triebwerk die Strahlungsbelastung der Atmosphäre und der Oberfläche gering und natürlich viel geringer als beim normalen Orion-Start. Im Falle eines erfolgreichen Starts wäre die Kontamination minimal oder gänzlich weg, da das Triebwerk in den oberen Schichten der Atmosphäre oder bereits im Weltraum gestartet werden müsste.RD-0410
Der sowjetische RD-0410-Motor hat eine ähnliche Geschichte. Die Idee des Motors entstand Ende der 40er Jahre bei den Pionieren der Raketen- und Nukleartechnik. Wie beim Rover-Projekt bestand die ursprüngliche Idee in einem nuklearbetriebenen luftatmenden Triebwerk für die erste Stufe einer ballistischen Rakete, dann verlagerte sich die Entwicklung auf die Raumfahrtindustrie. Der RD-0410 wurde langsamer entwickelt; inländische Entwickler waren von der Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors begeistert (mehr dazu weiter unten). Das Projekt begann 1966 und dauerte bis Mitte der 80er Jahre. Ziel des Triebwerks war die Mission Mars 94, ein bemannter Flug zum Mars im Jahr 1994.
Das Design des RD-0410 ähnelt dem von NERVA – Wasserstoff strömt durch die Düse und die Reflektoren, kühlt diese, wird dem Reaktorkern zugeführt, dort erhitzt und freigesetzt.
Aufgrund seiner Eigenschaften war RD-0410 besser als NERVA – die Temperatur des Reaktorkerns betrug 3000 K statt 2000 K bei NERVA und der spezifische Impuls überstieg 900 s. RD-0410 war leichter und kompakter als NERVA und entwickelte zehnmal weniger Schub.
Motortests. Die Seitenfackel unten links zündet den Wasserstoff, um eine Explosion zu verhindern.
Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren
Wir erinnern uns, dass je höher die Temperatur im Reaktor ist, desto größer ist die Durchflussrate des Arbeitsmediums und desto höher ist der spezifische Impuls des Motors. Was hindert Sie daran, die Temperatur in NERVA oder RD-0410 zu erhöhen? Tatsache ist, dass sich die Brennelemente bei beiden Motoren in einem festen Zustand befinden. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, schmelzen sie und fliegen zusammen mit dem Wasserstoff heraus. Für höhere Temperaturen muss daher eine andere Möglichkeit gefunden werden, eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen.Atomkraftstoff-Salzmotor
IN Kernphysik Es gibt so etwas wie eine kritische Masse. Denken Sie an die nukleare Kettenreaktion am Anfang des Beitrags. Wenn spaltbare Atome sehr nahe beieinander liegen (z. B. wurden sie durch den Druck einer speziellen Explosion komprimiert), kommt es zu einer Atomexplosion – viel Hitze in sehr kurzer Zeit. Wenn die Atome nicht so stark komprimiert werden, aber der Fluss neuer Neutronen aus der Spaltung zunimmt, kommt es zu einer thermischen Explosion. Ein herkömmlicher Reaktor würde unter solchen Bedingungen versagen. Stellen Sie sich nun vor, dass wir eine wässrige Lösung von spaltbarem Material (zum Beispiel Uransalze) nehmen und diese kontinuierlich in die Brennkammer einspeisen, sodass dort eine Masse vorhanden ist, die größer als die kritische ist. Das Ergebnis ist eine kontinuierlich brennende nukleare „Kerze“, deren Wärme die Reaktion des Kernbrennstoffs und des Wassers beschleunigt.
Die Idee wurde 1991 von Robert Zubrin vorgeschlagen und verspricht nach verschiedenen Schätzungen einen spezifischen Impuls von 1300 bis 6700 s bei einer in Tonnen gemessenen Schubkraft. Leider hat ein solches Schema auch Nachteile:
- Komplexität der Kraftstofflagerung – Kettenreaktionen im Tank müssen vermieden werden, indem der Kraftstoff beispielsweise in dünnen Röhren eines Neutronenabsorbers untergebracht wird, sodass die Tanks komplex, schwer und teuer werden.
- Der hohe Verbrauch an Kernbrennstoff ist darauf zurückzuführen, dass die Effizienz der Reaktion (Anzahl der zerfallenen/Anzahl der verbrauchten Atome) sehr gering sein wird. Selbst in Atombombe Das spaltbare Material „verbrennt“ nicht vollständig und der größte Teil des wertvollen Kernbrennstoffs wird sofort verschwendet.
- Bodentests sind praktisch unmöglich – der Auspuff eines solchen Motors wird sehr schmutzig sein, sogar schmutziger als der des Orion.
- Es gibt einige Fragen zur Steuerung der Kernreaktion – es ist keine Tatsache, dass ein Schema, das in der verbalen Beschreibung einfach ist, technisch leicht umzusetzen ist.
Gasphasen-Kernantriebsmotoren
Nächste Idee: Was wäre, wenn wir einen Arbeitsflüssigkeitswirbel erzeugen würden, in dessen Zentrum eine Kernreaktion stattfinden würde? In diesem Fall erreicht die hohe Temperatur des Kerns nicht die Wände, sondern wird vom Arbeitsmedium absorbiert und kann auf Zehntausende Grad ansteigen. So entstand die Idee eines Gasphasen-Kernantriebsmotors mit offenem Kreislauf:
Der Gasphasen-Kernantrieb verspricht einen spezifischen Impuls von bis zu 3000-5000 Sekunden. In der UdSSR wurde ein Projekt für einen Gasphasen-Kernantriebsmotor (RD-600) gestartet, der jedoch noch nicht einmal das Modellstadium erreichte.
„Offener Kreislauf“ bedeutet, dass der Kernbrennstoff nach außen freigesetzt wird, was natürlich die Effizienz verringert. Daher wurde die folgende Idee erfunden, die dialektisch zu NREs in fester Phase zurückkehrt: Lassen Sie uns den Kernreaktionsbereich mit einer ausreichend hitzebeständigen Substanz umgeben, die abgestrahlte Wärme überträgt. Als solcher Stoff wurde Quarz vorgeschlagen, da bei mehreren zehntausend Grad Wärme durch Strahlung übertragen wird und das Behältermaterial transparent sein muss. Das Ergebnis ist ein Gasphasen-Kernantriebsmotor mit geschlossenem Kreislauf oder eine „nukleare Glühbirne“:
In diesem Fall wird die Grenze der Kerntemperatur durch die thermische Festigkeit der „Glühbirnen“-Hülle bestimmt. Der Schmelzpunkt von Quarz liegt bei 1700 Grad Celsius, s aktive Kühlung Die Temperatur kann erhöht werden, aber in jedem Fall ist der spezifische Impuls geringer als im offenen Kreislauf (1300-1500 s), aber der Kernbrennstoff wird sparsamer verbraucht und die Abgase werden sauberer.
Alternative Projekte
Neben der Entwicklung von Festphasen-Kernantriebsmotoren gibt es auch originelle Projekte.Spaltbarer Motor
Die Idee dieses Motors besteht darin, dass es kein Arbeitsmedium gibt – es ist der ausgestoßene abgebrannte Kernbrennstoff. Im ersten Fall werden unterkritische Scheiben aus spaltbaren Materialien hergestellt, die von selbst keine Kettenreaktion auslösen. Wenn die Scheibe jedoch in einer Reaktorzone mit Neutronenreflektoren platziert wird, kommt es zu einer Kettenreaktion. Und die Rotation der Scheibe und das Fehlen eines Arbeitsmediums führen dazu, dass die zerfallenen hochenergetischen Atome in die Düse fliegen und Schub erzeugen, und die nicht zerfallenen Atome bleiben auf der Scheibe und bekommen eine Chance dazu die nächste Umdrehung der Scheibe:
Sogar mehr interessante Idee besteht darin, aus spaltbaren Materialien ein staubiges Plasma (denken Sie an die ISS) zu erzeugen, in dem die Zerfallsprodukte von Kernbrennstoff-Nanopartikeln durch ein elektrisches Feld ionisiert und herausgeschleudert werden, wodurch Schub entsteht:
Sie versprechen einen fantastischen spezifischen Impuls von 1.000.000 Sekunden. Die Begeisterung wird dadurch gedämpft, dass sich die Entwicklung auf der Ebene theoretischer Forschung bewegt.