Атомный ракетный двигатель

Можно скачать интересную книгу по теме Ядерные ракетные двигатели » Электронная библиотека

..Аналогичные исследования (правда, лишь на исследовательском, а не на проектном уровне) проводились и в СССР. Американский проект имел мощную поддержку со стороны ВВС, его реалистичность оценивалась как сопоставимая с проектом «Ровер» (специфичные проблемы ударно-импульсного ЯРД признавались не более сложными, нежели задача разработки сложной конструкции ЯРД с твердофазным реактором). Однако после заключения в 1963 г. Московского договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере, космосе и под водой интерес к таким двигателям в обеих странах стал угасать, и вскоре работы были прекращены.
Совсем недавно (уже в 90-е годы) интерес к ударно-импульсным ЯРД вновь возродился в связи с исследованиями проблемы астероидной опасности для Земли и постановкой задачи о возможности изменения орбиты некоторых астероидов с целью использования составляющего их материала для земных нужд. На этом этапе вновь подтверждены перспективные возможности таких двигателей, однако современные исследования не вышли за пределы изучения концептуальных вопросов.

 

Страницы из книги:

Для «Нуклона» будет создан особый научный комплекс с несколькими основными компонентами, который станет нагрузкой для буксира. В 2030 г. буксир и целевая нагрузка будут раздельно выведены на орбиту, после чего состоится стыковка. В том же году комплекс совершит полет к Луне, где проведет ряд исследований и сбросит орбитальный аппарат.

Второй этап миссии предусматривает полет к Венере. На этом этапе возможно проведение испытаний по дозаправке буксира в полете – на борт передадут ксенон, выполняющий функции рабочего тела в особом ракетном двигателе. На орбите Венеры состоится второй сброс полезной нагрузки в виде орбитального исследовательского аппарата.

Следующий этап полета начнется с гравитационного маневра, после которого «Нуклон» отправится к Юпитеру. Третий блок научного оборудования предназначается для проведения исследований одного из спутников газового гиганта. Продолжительность такого многоэтапного полета не уточнялась. Также не называются дальнейшие планы по космическому буксиру – сможет ли он использоваться в новых проектах.

 

Главные проблемы и сложности были связаны с отработкой ЯЭДУ и ее отдельных компонентов. Основой этой установки является высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор. В качестве теплоносителя используется гелий-ксеноновая смесь. Расчетная энергетическая мощность установки – 1 МВт. Сложность создания такой установки связана с необходимостью поиска прочных, термостойких и устойчивых материалов и сплавов, пригодных для длительного использования в условиях космоса.

Отдельной задачей являлось создание средств охлаждения для сброса излишков тепла в космическое пространство. Рассматривались несколько конструкций, в т.ч. принципиально новые. По известным данным, по итогам исследований был выбран холодильник-излучатель капельного типа. Агрегаты такого излучателя имеют максимально возможную площадь и фактически образуют внешние обводы ТЭМ.

Специально для ТЭМ разработаны ионные двигатели двух типов – принципиально новая для нашей космонавтики технология. В качестве маршевого предлагается более мощный ИД-500, также предусматриваются маневровые двигатели с ограниченными характеристиками. Двигатели для ТЭМ уже разработаны и прошли испытания в условиях стенда.

 

Из последнего...

"...Ядерные двигатели / Татьяна Щепетина в Рубке ПостНауки
28 сентября в 18:00 по Москве в Рубку ПостНауки придёт кандидат технических наук, начальник лаборатории перспективных реакторных концепций НИЦ «Курчатовский институт» Татьяна Щепетина. Мы поговорим о том, как устроен ядерный ракетный двигатель, каков срок службы ядерной силовой установки и какие задачи решают проектировщики ядерных силовых установок..."

Я так и не понял, где там было про то как устроен ядерный ракетный двигатель? На какой минуте?

Ракета на осколках деления:

В традиционных ядерных тепловых ракетах и связанных с ними конструкциях ядерная энергия вырабатывается в каком-либо реакторе и используется для нагрева рабочего тела для создания тяги. Это ограничивает конструкцию температурой, которая позволяет реактору оставаться целым, хотя продуманная конструкция может повысить эту критическую температуру до десятков тысяч градусов. КПД ракетного двигателя сильно зависит от температуры отработанного рабочего тела, и в случае самых современных двигателей с газовым сердечником он соответствует удельному импульсу около 7000 с I уд . Температура реактора обычной конструкции - это средняя температура топлива, подавляющее большинство которого не вступает в реакцию в любой данный момент. Атомы, подвергающиеся делению, имеют температуру в миллионы градусов, которая затем распространяется на окружающее топливо, в результате чего общая температура составляет несколько тысяч. При физическом размещении топлива в виде очень тонких слоев или частиц фрагменты ядерной реакции могут улетучиваться с поверхности. Поскольку они будут ионизированы из-за высокой энергии реакции, с ними можно будет обращаться магнитно и направлять их для создания тяги. Ракета-осколок - Fission-fragment rocket - Wikipedia

 

Вращающийся топливный реактор Концепция силовой установки осколков деления a делящиеся волокна, расположенные в виде дисков, b вращающийся вал, c активная зона реактора, d выхлоп осколков В конструкции Национальной инженерной лаборатории Айдахо и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса используется топливо, размещенное на поверхности множества очень тонких углеродных волокон, расположенных радиально в колесах. Колеса , как правило , суб- критическим . Несколько таких колес были наложены друг на друга на общем валу, чтобы получился один большой цилиндр. Весь цилиндр вращался так, что некоторые волокна всегда находились в активной зоне реактора, где окружающий замедлитель делал волокна критическими. Осколки деления на поверхности волокон вырвутся наружу и будут использоваться для создания тяги. Затем волокно выходит из зоны реакции, чтобы охладиться и избежать плавления. Эффективность системы удивительна; удельные импульсы более 100 000 с возможны при использовании существующих материалов. Это высокие характеристики, хотя вес активной зоны реактора и других элементов снизит общие характеристики системы осколков деления. Тем не менее, система обеспечивает такие уровни производительности, которые сделали бы возможной миссию межзвездного предшественника. Ракета-осколок - https://ru.qaz.wiki/wiki/Fission-fragment_rocket

Am 242m в качестве ядерного топлива В 1987 году Ronen & Leibson опубликовали исследование о применении 242m Am (одного из изотопов америция ) в качестве ядерного топлива в космических ядерных реакторах , отметив его чрезвычайно высокое тепловое сечение и плотность энергии . Ядерные системы с питанием от 242 м Am требуют в 2-100 раз меньше топлива по сравнению с обычным ядерным топливом . Ракета с осколками деления, использующая 242 м Am, была предложена Джорджем Чаплином из LLNL в 1988 году, который предложил двигательную установку, основанную на прямом нагреве газа осколками деления, генерируемыми делящимся материалом. Ронен и др. демонстрируют, что 242m Am может поддерживать устойчивое ядерное деление в виде чрезвычайно тонкой металлической пленки, толщиной менее 1/1000 миллиметра. 242m Am требуется только 1% массы 235 U или 239 Pu для достижения критического состояния. Группа Ронена из Университета Бен-Гуриона в Негеве также показала, что ядерное топливо на основе 242 м Am может разогнать космические аппараты от Земли до Марса всего за две недели. Ракета-осколок - https://ru.qaz.wiki/wiki/Fission-fragment_rocket

Использование импульсных реакторов в ракетном двигателе:

Не путать с ядерной импульсной двигательной установкой . Последовательность стационарно-импульсного стационарного маневра для импульсной тепловой ядерной ракеты. В стационарном режиме (работа на постоянной номинальной мощности) температура топлива всегда постоянна (сплошная черная линия), и топливо остывает (синие пунктирные линии) нагревается в камере и выходит в сопле (красная пунктирная линия). Когда требуется усиление по тяге или удельному импульсу , активная зона «включается» в импульсный режим. В этом режиме топливо непрерывно гасится и мгновенно нагревается импульсами. Когда не требуются требования к высокой тяге и удельному импульсу, активную зону «включают» в начальный стационарный режим. Импульсный ядерный ракетный двигатель представляет собой тип ядерной тепловой ракеты концепции (NTR) разработан в Политехническом университете Каталонии , Испания и представлена в 2016 в AIAA / SAE / ASEE Propulsion конференции для тяги и удельного импульса ( I зр ) усиление в обычной ядерная тепловая ракета. Импульсная ядерная тепловая ракета - Pulsed nuclear thermal rocket - Wikipedia

Ракета на растворах солей делящихся изотопов в воде:

Есть несколько преимуществ по сравнению с обычными конструкциями NTR. Поскольку пик нейтронного потока и скорость реакции деления будут происходить за пределами транспортного средства, эти действия могут быть гораздо более интенсивными, чем они могли бы быть, если бы их необходимо было разместить в сосуде (который имел бы температурные ограничения из-за ограничений материалов). Кроме того, в замкнутом реакторе может происходить деление только небольшого процента своего топлива в любой момент времени, иначе оно перегреется и расплавится (или взорвется в результате цепной реакции безудержного деления ). Реакция деления в NSWR является динамической, и, поскольку продукты реакции выбрасываются в космос, она не имеет ограничений на долю топлива деления, которое вступает в реакцию. Во многих отношениях NSWR сочетают в себе преимущества реакторов деления и бомб деления. Поскольку они могут использовать мощность того, что по сути является непрерывным ядерным взрывом деления, NSWR будут иметь как очень высокую тягу, так и очень высокую скорость истечения , а это означает, что ракета сможет быстро разгоняться, а также будет чрезвычайно эффективной с точки зрения использования топлива. . Сочетание большой тяги и большого удельного импульса - очень редкая черта в ракетном мире. Одна конструкция могла бы генерировать 13 меганьютон тяги при скорости истечения 66 км / с (или более 10 000 секунд ISP по сравнению со скоростью истечения ~ 4,5 км / с (450 с ISP) для лучших химических ракет на сегодняшний день). В конструкции и расчетах, описанных выше, используются соли урана с обогащением 20% , однако было бы правдоподобно использовать другую конструкцию, которая была бы способна достичь гораздо более высоких скоростей истечения (4725 км / с) и использовать ледяную комету массой 30 000 тонн вместе с 7 500 тонн высокообогащенных солей урана, чтобы разогнать 300-тонный космический корабль до 7,62% скорости света и потенциально достичь Альфы Центавра после 60-летнего путешествия. «NSWR обладают многими чертами силовых установок Orion , за исключением того, что NSWR будут генерировать непрерывную, а не импульсную тягу, и могут работать в гораздо меньших масштабах, чем самые маленькие возможные конструкции Orion (которые, как правило, имеют большие размеры из-за требований к ударной нагрузке). система поглотителя и минимальный размер эффективных ядерных взрывчатых веществ ) ». Ядерная ракета с морской водой - Nuclear salt-water rocket - Wikipedia
Пропеллент, используемый в первоначальной конструкции, будет содержать довольно большое количество относительно дорогого изотопа 235 U, что не будет очень рентабельным. Однако, если использование NSWR начнёт расти, его можно будет заменить более дешевыми изотопами 233 U или 239 Pu в реакторах-размножителях деления или (гораздо лучше) в гибридных ядерных реакторах синтеза-деления . Эти делящиеся вещества имели бы подходящие характеристики, чтобы служить почти так же при относительно низкой стоимости. Еще одно серьезное ограничение конструкции ядерной ракеты с соленой водой, разработанной Робертом Зубриным, заключалось в отсутствии материала для использования в реакционной камере, который действительно мог бы поддерживать такую ​​реакцию внутри космического корабля. В своей конструкции Зубрин утверждал, что устройство было создано таким образом, чтобы скорость потока жидкости была наиболее важной в процессе, а не материал. Поэтому он утверждал, что если для жидкости, движущейся через реакционную камеру, была выбрана правильная скорость, то место максимального выделения деления могло бы быть расположено в конце камеры, что позволило бы системе оставаться неповрежденной и безопасной для работы. Эти утверждения до сих пор не были подтверждены, так как испытания такого устройства никогда не проводились. Например, Зубрин утверждает, что если разбавленное ядерное топливо течет в камеру со скоростью, близкой к скорости диффузии тепловых нейтронов , то ядерная реакция удерживается в камере и не повреждает остальную систему (это ядерный аналог газа горелка ). Возможная проблема в этом образе мышления может заключаться в том, что нейтроны не диффундируют с одинаковой (средней) скоростью, а имеют довольно широкое распределение на несколько порядков величины. Вполне возможно, что хвостов этого распределения скоростей будет достаточно, чтобы произвести достаточно тепла в системе подачи топлива (за счет рассеяния и деления), чтобы разрушить систему. Возможно, на этот вопрос можно ответить с помощью детального моделирования переноса нейтронов методом Монте-Карло . Выхлоп судна будет содержать радиоактивные изотопы , но в космосе они будут быстро рассеиваться после прохождения небольшого расстояния; выхлоп также будет двигаться с высокой скоростью (в сценарии Зубрина, быстрее, чем скорость убегания Солнца , что позволит ему в конечном итоге покинуть Солнечную систему). Однако от этого мало пользы на поверхности планеты, где NSWR выбрасывает огромное количество перегретого пара, все еще содержащего делящиеся ядерные соли. Наземные испытания могут вызвать разумные возражения; как написал один физик, «написание отчета о воздействии на окружающую среду для таких испытаний [...] может представлять интересную проблему ...». Также нет уверенности в том, что делением в NSWR можно управлять: «Можно ли контролировать быструю критичность в ракетном двигателе, остается открытым вопросом». Ядерная ракета с морской водой - https://ru.qaz.wiki/wiki/Nuclear_salt-water_rocket

В большинстве схем с ЯРД ядерное топливо обеспечивает нагрев рабочего тела, пропускаемого через реактор той или иной конструкции: смешивание их считается нежелательным. В предложенной Зубриным концепции ядерное топливо, по сути, одновременно играет и роль рабочего тела, выбрасываемого из сопла двигателя. Таким топливом служит водный раствор тетрабромида урана, обогащенного до 20 % по изотопу U-235. Концентрация этой соли в водном растворе может достигать 30 %. Для такого раствора (в случае одной ёмкости хранения) критическая масса составит несколько десятков килограммов. Для предотвращения начала цепной реакции в емкостях последние должны быть выполнены из материалов, поглощающих нейтроны, соответствующей геометрии- например, в виде тонких труб из карбида бора, графита. Устройство собственно двигателя выглядит следующим образом. Топливо из емкостей хранения подаётся в реакционную камеру в таком количестве и с такой скоростью, чтобы цепная реакция (начавшись в камере), достигала своего максимума вблизи окончания корпуса двигателя (соответственно, корабля). В сущности, непосредственно за соплом двигателя создаётся область постоянного «ядерного горения» или «медленного ядерного взрыва». Высокая температура в зоне реакции испаряет воду рабочего тела и создаёт тягу выхлопом высокотемпературного газа.

 

Интересно было бы рассмотреть в качестве топлива соли америция-242м:
242m Am требуется только 1% массы 235 U или 239 Pu для достижения критического состояния.

Критические параметры смеси изотопов америция. Присутствие в смеси изотопов 241Am и 243Am увеличивает минимальную критическую массу 242mAm.
Для водных растворов существует такое соотношение изотопов, при котором система всегда подкритична. При массовом содержании 242mAm в смеси 241Am и 242mAm менее 5 % система остается подкритической вплоть до концентрации америция в растворах и механических смесях диоксида с водой, равной 2500 г/л. 243Am в смеси с 242mAm также увеличивает критическую массу смеси, но в меньшей степени, так как сечение захвата тепловых нейтронов для 243Am на порядок ниже, чем у 241Am.
Зависимость минимальной критической массы 242mAm от его содержания в смеси 242mAm и 241Am (критическая масса рассчитана для AmO2 + H2O в сферической геометрии с водяным отражателем):
Содержание 242mAm, % = Критическая масса 242mAm, г
100% = 17г
20% = 40г
10% = 160г
8% = 420г
6,25% > 2000г

 

Поскольку в Обнинске проектировали реактор на америции-242, предназначенный для получения нейтронного излучения в медицинских целях, то были приведены некоторые данные о его получении. 1 грамм ам-242м образуется при облучении 100 граммов ам-241 (его получали на ныне демонтированном реакторе БН-350 в Шевченко, в Казахстане), и для получения этого количества достаточно переработать 200 кг выдержанного ОЯТ. Этого добра у нас порядочно: около 20 тысяч тонн ОЯТ и ежегодное производство еще около 200 тонн. Накопленного ОЯТ достаточно для производства порядка 1000 кг ам-242м.

 

По сообщению Министерства обороны РФ, причиной инцидента явился взрыв жидкостного ракетного двигателя. Позже государственная корпорация «Росатом» сообщила, что в двигателе использовался радиоизотопный источник питания.. Кроме того, появилась гипотеза, что при взрыве был повреждён малогабаритный ядерный реактор, а не радиоизотопный источник питания.

 

В дальнейшем, при анализе отобранных из воздуха и выпадений проб, Северное УГМС и НПО «Тайфун» обнаружили продукты распада этих газов — короткоживущие техногенные радионуклиды: 91Sr, 139Ba, 140Ba (последний при распаде образует также дочерний радионуклид 140La)[22]. У стронция-91 период полураспада составляет 9,5 часа, у бария-139 — 83 минуты, бария-140 — 12,8 дня, у лантана-140 — 40,3 часа. Это короткоживущие продукты деления урана или трансурановых элементов.

 

То что выше не возможно, не реально, не нужно, ну как мозговой штурм только и для компьютерной игр в типа Fallout, в альтернативной вселенной где человечество живёт не в киберпанке как мы, а атомпанке, с повсеместным использованием атома, в машинах, самолётах, кораблях, по сути ультимативный жидкостный ракетный двигатель с ядерной реакцией вместо химической.

Старики вспоминают ГфЯРД.

"Ядерно-струйный экзерцис Павельева"

Также желающие могут ныне найти в сети:

Иевлев В.М. (ред.)
Теплофизические свойства рабочих сред газофазного ядерного реактора. 1980

Коротеев А. С. (ред.)
Ракетные двигатели и энергетические установки на основе ядерного реактора. 2002

А.А. Дорофеев
Ядерные ракетные двигатели и энергетические установки. Введение в теорию, расчет и проектирование. 2013

"Сказать" не значит "сделать", конечно. И на следующую фазу им не факт, что денег дадут. И все же, какое-то движение есть:
ВАШИНГТОН — НАСА профинансирует разработку экспериментального ядерного теплового двигателя в рамках новых совместных усилий с исследовательским агентством дальнего будущего Пентагона, чтобы проверить жизнеспособность технологии для запуска космических аппаратов на Луну, Марс и за его пределы, согласно официальным данным Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны.

Табита Додсон, руководитель программы DARPA по инициативе Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), сообщила 27 января Breaking Defense, что помимо финансирования двигателя ядерной тепловой ракеты (NTR), НАСА также будет управлять командой подрядчиков, ответственных за его разработку.

“Они позаботятся о том, чтобы исполнители строили все в точном соответствии со спецификациями, которые мы установили для того вида исполнения, которое, по нашему взаимному согласию, мы оба хотим”, - сказала она.

Это включает в себя такие вещи, как обеспечение того, чтобы материалы выдерживали высокие температуры, до 5000 градусов по Фаренгейту, и создание турбонасоса для двигателя, объяснила она.

“Мы очень давно не создавали турбонасос для ядерной тепловой ракеты”, - сказал Додсон. “Хотя НАСА действительно обладает невероятным опытом в области ракетных двигателей”.

В то время как НАСА выделяет средства на двигатель и обеспечивает соответствие деталей спецификациям, DARPA будет выступать в качестве агента по контракту, и работы будут выполняться главным подрядчиком, который, как объяснила Додсон, был выбран, но еще не был официально заключен контракт — процесс, который, по ее словам, займет около месяца. или два.

NTR использует деление, расщепление атомов, для получения энергии точно так же, как земные ядерные реакторы для выработки электроэнергии. Таким образом, ядерный двигатель “обеспечивает высокое отношение тяги к массе, примерно в 10 000 [раз] больше, чем электрический двигатель, и в два-пять раз большую эффективность, чем космический химический двигатель”, - пояснило DARPA в своем заявлении от 24 января о сделке с НАСА.

По словам Додсона, несмотря на некоторое беспокойство по поводу ядерной энергетики среди населения в целом, американские ученые-космонавты давно поняли потенциал ядерного двигателя для значительного сокращения времени полетов в дальний космос, восходя к “отцу космических путешествий” Вернеру фон Брауну. Еще в 1960-х годах фон Браун создал чертежи ядерных ракет для доставки людей на Марс к 1980-м годам.

“Когда людям нравится подвергать сомнению обоснованность или полезность этого двигателя, я указываю им на Вернера фон Брауна, - сказала она, - потому что это была более или менее его идея. … Если ты не веришь мне, то, по крайней мере, поверь ему.”

DARPA также заинтересовано в NTR из-за его потенциала обеспечения “гибкой, отзывчивой маневренности (потенциально на огромных расстояниях) в пределах окололунной области для различных миссий”.

В апреле 2021 года DARPA заключило контракты с General Atomics, Blue Origin и Lockheed Martin на 1-ю фазу программы DRACO, а в мае 2022 года объявило тендер на 2-ю и 3-ю фазы для разработки и тестирования двигателя и проведения летной демонстрации. НАСА до сих пор также занималось технологией NTR, заключив в июле 2021 года контракт с тремя командами, возглавляемыми BWX Technologies, General Atomics и Ultra Safe Nuclear Technologies, на проектирование ядерного реактора в ядре такого ракетного двигателя.

По словам Додсона, в соответствии с новым соглашением НАСА и DARPA DARPA также возглавит разработку космического аппарата под названием X-NTRV для размещения двигателя и управления общей программой, включая интеграцию систем. Создание этого транспортного средства будет непростой задачей из-за того факта, что двигатели NTR сами по себе являются, ну, ракетными двигателями, а не небольшими электрическими двигателями, часто используемыми для маневрирования спутниками.

“Размер этого транспортного средства равен размеру разгонного блока. Так что думайте, как кентавр”, - сказал Додсон.

Кентавр, работающий на жидком топливе (кислород и водород), который долгое время служил верхней ступенью Atlas V ULA и запустил множество зондов НАСА в дальние уголки Солнечной системы, имеет высоту 12,7 м (41,6 фута).

По словам Додсона, хотя агентство первоначально предполагало использовать DRACO для демонстрации полезной нагрузки для наблюдения за спутниками и потенциально опасными метеоритами в огромном объеме окололунного пространства между орбитами Земли и Луны, фокус программы сместился.

“Эталонная миссия DRACO по проектированию отошла от понимания космической области и теперь больше сосредоточена на маневрировании верхней ступени и логистических миссиях”, - пояснила она.

Изменение было внесено отчасти потому, что NTR слишком велик, чтобы иметь смысл для питания спутника космического мониторинга, но также из-за изменения фокуса космических сил с осведомленности о подлунной области на то, как DRACO может продемонстрировать высокоскоростное маневрирование, объяснил Додсон.

В августе прошлого года заместитель командующего космическим командованием генерал-лейтенант Дж. Джон Шоу заявил на форуме DARPA Forward, что “космический маневр и логистика”, то есть способность быстро маневрировать спутниками и космической инфраструктурой, такой как орбитальные заправочные станции, необходимые для поддержки этой способности, является одним из главных приоритетов командования в области технологических инноваций.

Додсон сказал, что Космические силы подписали “письмо-обязательство” о поиске финансирования в следующем пятилетнем бюджетном цикле (начиная с 2024 финансового года) для оплаты ракеты-носителя DRACO. DARPA надеется, что сможет запустить в течение последнего квартала 2027 финансового года, другими словами, в конце 2026 календарного года, добавила она.

Что касается общественных опасений по поводу безопасности, которые часто возникают в связи с использованием ядерного топлива в ракетах, Додсон объяснил, что НАСА годами использует радиоизотопные термоэлектрические генераторы (по сути, небольшие ядерные батареи), “которые постоянно излучают высокие уровни радиации” на космических аппаратах “без сбоев”.

И в отличие от этих устройств, добавила она, NTR DRACO можно выключать и включать — и он будет включен только после того, как космический аппарат будет уже далеко от Земли, так что “не будет абсолютно никакой радиоактивной опасности, связанной с этим реактором”.

Наконец, Додсон объяснил, что даже если бы возникла проблема с NTR на земле, она не взорвалась бы, как ядерная бомба. Вместо этого, по ее словам, если ядро двигателя деления перегреется, оно просто “выключится само”.

Определились победители по конкурсу в рамках программы DRACO:

На 2027-й планируют летное испытание...