До Марс в реактора: експлозивна сила

Проектната схема на NRE с реактор IRGIT

Напречно сечение на гориво с усукана пръчка

Първородният от ерата на ядрените планети. В края на 50-те години и САЩ, и СССР започват активно разработване на ядрени ракетни двигатели, които е трябвало в близко бъдеще, както е писано в една от американските статии, „да се отвори единственият възможен начин за междупланетни полети в Слънчевата система в момента ". KIWI-A, разработен в Лос Аламос през 1958 г., е първият от американските експериментални реактори за атомни двигатели.

И това вече не е просто реактор, а първият руски ядрен двигател RD-0410, чиято ракетна част е разработена от Воронежското химическо инженерно бюро, а реакторната част - от Института по физика и енергия (Обнинск) и Курчатовския институт за атомна енергия

Схемата на ядрения реактор на газово-фазова кухина: 1. отражател-модератор, 2. зона на газообразно движещо се вещество, 3. зона на потока на работния флуид, 4. захранване на загубата на делящ се материал, 5. подаване на работния флуид

Схема на NRE с центробежно задържане на ядрено гориво. Такива екзотични модели ви позволяват да постигнете най-висока производителност. Например, реактор с кипящ слой от гориво (отгоре) има изчислен специфичен импулс над 1000 s и температура на работна течност 3500 градуса, а в реактор на газова фаза (вляво), урановата плазма загрява работния флуид до фантастичните 10 000 градуса и специфичен импулс от 5000 секунди

Живеем на дъното на гравитачен кладенец. Популярни книги за общата теория на относителността често описват пространството като тънък каучуков филм, много леко опънат. Звезди или планети са представени от топки, поставени върху този филм и силно го огъващи. Подобно отклонение се нарича „гравитационен кладенец“, въпреки че прилича повече на фуния.

Губим ги

Нашият кладенец е много дълбок. Това е необходимо, за да може животът да съществува на Земята: в противен случай нашата планета би загубила кислорода, който дишаме, и още по-бързо - водата, от която целият живот е повече от половината. В крайна сметка скоростите на въздушните молекули се разпределят според закона на Максуел, което означава, че има такива, чиято скорост е четири, шест, дори десет пъти по-висока от средната. Ето само редица от тях бързо падащи с нарастваща скорост. Но все още има доста много молекули със скорост четири пъти по-бърза от средната, следователно водородът и хелият в земната атмосфера не се задържат, а излитат в междупланетното пространство - като малки изкуствени спътници. Тъй като колкото по-малко е молекулното тегло, толкова по-голяма е скоростта на молекулите при една и съща температура, а водородът и хелият имат най-леките молекули. Масата на водородна молекула от два атома е 2 AU, а на моноатомен хелий е 4 AU

Кой се възползва от това?

Но когато същите молекули излитат от дюзата на ракетния двигател, средната им скорост навлиза във формулата на тягата. И може да се повиши само чрез повишаване на температурата в горивната камера. Молекулното тегло може да бъде намалено чрез избиране на състава на горивото за ракетния двигател, но изборът тук е изключително малък. Най-доброто гориво, с което разполагаме, е водородът, а най-добрите окислители са флуор и кислород. Реакцията води до HF на флуорова киселина или обикновена вода H2O. Молекулната маса на водата е 18, а флуороводородната киселина е 19. Това е девет пъти по-голяма от масата на молекулата на водород, което означава, че при една и съща температура скоростта ще бъде три пъти по-малка - в енергийната формула скоростта е квадратна, помнете, mv2 / 2? Съответно, при една и съща температура на нагряване, за да се създаде една и съща вода, е необходимо три пъти повече от масата от водорода.

Следователно се оказва изгодно да се изпомпва повече водород в камерата на LRE, така че не всичко да изгори, а остатъкът да се смесва с водна пара и да намалява средното молекулно тегло на отработените газове, докато температурата спада, но оптималната скорост е един и половина пъти по-висока. Всички ракетни двигатели кислород-водород работят нещо подобно. Те са най-ефективните сред всички химически ракетни двигатели. Но тяхната ефективност не е достатъчна, за да може едноетапната ракета да пусне някакъв забележим полезен товар в орбита.

За да получите още по-голяма ефективност, трябва да имате изгорели газове от чист водород, но как да го загреете до правилната температура? В края на 50-те и началото на 60-те години отговорът на този въпрос изглеждаше очевиден - разбира се, ядрената енергия! Тоест, необходимо е да се създаде ядрен ракетен двигател. Според изчисленията се оказа, че ще бъде два пъти по-икономичен от най-добрия кислород-водород! Такъв апарат може да излита от Земята и да влезе в орбита, без да изпуска изхабените стъпки.

Ядрени астронавти

Конкуренцията между СССР и САЩ, включително в космоса, беше в разгара си по това време, инженери и учени влязоха в надпреварата за създаване на ядрен двигател, военните също подкрепиха проекта на ядрен ракетен двигател. Отначало задачата изглеждаше много проста - просто трябва да направите реактор, предназначен за охлаждане с водород, а не с вода, да прикрепите към него накрайник и - напред към Марс! Американците отиваха на Марс десет години след Луната и дори не можеха да си представят, че астронавтите някога ще я достигнат без ядрени двигатели.

Американците много бързо изградиха първия прототип реактор и вече през юли 1959 г. проведоха своите тестове (те бяха наречени KIWI-A). Тези тестове само показаха, че реакторът може да се използва за загряване на водород. Конструкцията на реактора - с незащитено гориво от уран оксид - не беше подходяща за високи температури, а водородът се нагрява до само една и половина хиляди градуса.

С натрупания опит проектирането на реактори за ядрен ракетен двигател - NRE - стана по-сложно. Урановият оксид е заменен с по-устойчив на топлина карбид, в допълнение, той започва да се покрива с ниобиев карбид, но когато се опитва да достигне проектната температура, реакторът започва да се разпада. Освен това, дори при липса на макроскопско унищожаване, урановото гориво дифундира в охлаждащ водород и загубата на маса достига 20% за пет часа работа на реактора. Не е намерен материал, който да работи при 2700-30000С и да устои на разрушаване от горещ водород.

Затова американците решиха да жертват ефективността и вложиха специфичен импулс в дизайна на летателния двигател (тяга в килограми сила, постигната с всяко второ излъчване на един килограм маса работна течност; мерната единица е секунда). 860 секунди. Това е два пъти съответстващата цифра за кислородно-водородните двигатели на онова време. Но когато американците започнаха да правят нещо, интересът към пилотираните полети вече беше спаднал, програмата на Аполон беше ограничена и през 1973 г. проектът NERVA окончателно беше затворен (това беше името на двигателя за пилотираната експедиция до Марс). Спечелили лунната надпревара, американците не искаха да уредят марсианеца.

Но изводите от дузина конструирани реактори и десетките проведени тестове бяха, че американските инженери са твърде заинтересовани от пълномащабни ядрени тестове, вместо да разработват ключови елементи, без да използват ядрена технология, където това може да се избегне. И където не можете, използвайте по-малки стойки. Почти всички реактори бяха задвижвани от американците с пълен капацитет, но не можаха да достигнат проектната температура на водорода - реакторът започна да се разпада по-рано. Общо 1, 4 милиарда долара са изразходвани от 1955 до 1972 г. за програмата за ядрени ракетни двигатели - около 5% от цената на лунната програма.

Ще тръгнем по другия път

За СССР в онези години това беше прекомерно количество. Разбира се, докато военните подкрепяха проекта за ядрени ракети, финансирането отиде в достатъчни количества. Но до 1961 г. стана ясно, че задачата за доставяне на ядрена бойна глава навсякъде е решена с конвенционални химически двигатели, а междупланетното пътуване представлява интерес за висшето ръководство на страната само дотолкова, доколкото носи политически дивиденти. Така че съветската програма за изграждане на ядрени двигатели беше неизмеримо по-скромна - ако американците започнаха с двигател с тяга от 70 тона, тогава нашата реши да се съсредоточи само върху 14 тона. Такъв малък NRE беше много подходящ за четвъртия етап на ракетата Proton.

Разбира се, те също бяха ентусиазирани и искаха да построят поне малък, но „истински“ NRE, а също така смятаха, че не е трудно. Но, за сметка на нашите учени, те много бързо разбраха дълбочината на проблемите, пред които са изправени. И „нападението“ беше заменено със системен подход. Първият щанд, на който е изпитан „физическият аналог“ на реактора на бъдещия NRE, се нарича Strela.

хетерогенен

Първата и основна разлика между нашите НРЕ и американските е, че е решено да ги направим разнородни. В хомогенни (хомогенни) реактори ядреното гориво и модераторът се разпределят равномерно в реактора. В домашния НРЕ TVEL (горивни елементи, ядрено гориво) бяха разделени чрез топлоизолация от модератора, така че модераторът работеше при много по-ниски температури, отколкото в американските реактори. Последицата от това е отхвърлянето на графита и изборът на циркониев хидрид като основен инхибиращ материал. Според неутронно-физичните свойства циркониевият хидрид е близо до водата, следователно, първо, реакторът се оказва три пъти по-компактен от графита (и, следователно, много по-лесен), и второ, физическите модели на моторния реактор могат да се отстраняват с грешки много по-бързо и по-евтино.

Втората, може би дори по-радикална разлика, е в хидродинамиката. Тъй като беше невъзможно да се постигне, че ядреното гориво не се напука в реактора, беше необходимо да се гарантира, че напукването не води до промени в свойствата на реактора - нито ядрени, нито хидравлични. Беше извършена абсолютно фантастична работа по отношение на обема, в резултат на което беше избрана оптималната форма на пръчките за ядрено гориво - усукани пръти с напречно сечение във формата на четирицветно цвете, размерът на венчелистчетата е само няколко милиметра с дължина на пръчката около метър! Такива пръчки, опаковани в плътен сноп, образуват система от канали, чиито свойства не се променят, дори ако прътите се напукват по време на работа. Освен това фрагменти с размер дори частица от милиметър са задръстени от съседни парчета от пръта и остават на мястото си! В дюзата се пренасят само напълно микроскопични частици, максимум десетки микрона.

За да достигнат максималната температура на водорода на изхода, тези пръчки съдържат количество уран с различна дължина - колкото по-близо до "горещия" край, тоест до дюзата, толкова по-малко делящ се материал. Наричаха го „физическо профилиране“. Дизайнерите жертваха компактността на реактора, за да спестят водород - топлинните потоци с такава величина, както в "студения" край на пръта, където температурната разлика достигаше 25000С, на горещия бяха невъзможни, температурната разлика между ядрено гориво и водород намалява 10 пъти - беше необходимо да се намали същото топлинен поток. Това успя да спечели още 3500C изходна температура.

На барабана

С тази конструкция на реактора трябваше да се изведат и органи, регулиращи неутронния поток. В традиционните реактори това са пръчки, поставени повече или по-малко еднакво по обем. В NRE реакторът беше заобиколен от берилиев неутронен рефлектор, в който бяха вградени барабани, покрити от едната страна с неутронна абсорбатор. В зависимост от коя страна барабаните са обърнати към сърцевината, те поглъщат повече или по-малко неутрони, което се използва за контрол на реактора. В крайна сметка американците стигнаха до тази схема.

Ядреното гориво за реактора NRE е отделна, също много обемна работа. За да се изучат свойствата на материалите при такива условия, беше необходимо да се изгради специален експериментален реактор IGR, в който изследваният горивен елемент може да има температура от 10 000 ° C повече от основния обем на сърцевината. Два и половина пъти е имало и неутронен поток на това място. Ето само тези тестове бяха краткотрайни - но повече за това по-късно.

Композитно гориво

В резултат на това горивото се е превърнало в състав, подобно на фибростъкло, направено от карбиди на уран и волфрам или цирконий и при такава висока температура кристалите на волфрамов карбид му придават сила, а карбидът на уран запълва пространството между тях. И тук нашите изпревариха американците - отвъдморските ядрени учени вече се научиха да използват уран карбид вместо обичайния за ядрената енергия оксид и да го комбинират с карбиди от други метали, но те не достигнаха композитната структура в своите проучвания. Освобождаването на такъв сложен ядрен материал е извършено от НДО „Подолск“ Луч.

На тестовата площадка в Семипалатинск, на 50 километра от тестовата площадка на първата ядрена бомба, за ядрените реактори е изграден специален стенен комплекс „Байкал“. „Огромните планове“ предвиждаха два етапа в него, но само първият беше изпълнен. Поради това не беше възможно да се тества реактор с течен водород и дори тестове с газообразен компрес не бяха извършени изцяло. Въпреки това бяха изградени две работни места, едното за реактор IVG-1, другото за реактора IRGIT. Реакторът IVG-1 беше многоцелеви; можеше да се използва както като прототип на бъдещия NRE с тяга от 20-40 тона, така и като стойка за тестване на нови видове ядрено гориво. Старият IGR, положен по време на живота на Курчатов (Игор Василиевич на шега го нарича DOWD-3), можеше да работи само в импулсен режим, тъй като изобщо нямаше охлаждане и генерираната топлина нагрява сърцевината до 30000C за няколко секунди, след което се изисква многочасова почивка, IHG може да работи до два часа подред, което дава възможност да се проучи дългосрочното въздействие на условията на труд върху ядреното гориво. Именно с него работата в Байкал започва през 1972 година. Въпреки водния модератор, водородното охлаждане на ядреното гориво може да се нагрее до 25000С, а в специалния централен канал може да се получат всички 30000С!

Московско депо

В същото време в Химки, близо до Москва, се разработват турбопомпени агрегати, устройства за автоматизация и управление и други механизми, които правят ядрени реактори от реактора. Но самият реактор като част от този „студен“ двигател не е там - водородът се нагрява в специални топлообменници от обикновени кислородно-водородни горелки. Останалите агрегати са напълно съвместими с този двигател. Например, за да се намали отделянето на въглерод от горивни елементи с горещ водород, трябва да се добави хептан към сърцевината. Този въглеводород - всъщност бензин за запалки, само много внимателно рафиниран - беше необходим в малко количество, 1-1, 5% тегловни водород. Такава малка добавка не повлия на специфичния импулс на двигателя, но за да се постигне желаната ефективност на помпата, тя трябваше да се върти със скорост от почти 170 000 оборота в минута, тоест почти три пъти по-бърза от жироскопите в системите за управление на ракети от онова време! До 1977 г. обаче всички проблеми бяха решени и звената можеха да работят с часове.

Наземни полети

И накрая, на 27 март 1978 г. се провежда първият „горещ” тест на реактора 11B91-IR-100 (IRGIT) - това е името, получено от бъдещия NRE. Това беше така нареченият старт на енергия. Параметрите му бяха много скромни, мощност 25 MW (около 1/7 от проекта), температурата на водорода - 15000С, работното време в този режим - 70 секунди. Но не си мислете, че нашите инженери бяха 19 години зад американците! Много скоро, през юли и август 1978 г., същият реактор за изпитване на пожар показа много по-добри резултати! Мощността е постигната първо 33 MW, а след това 42 MW и температура на водорода 23600C. Реакторът може да работи по-нататък, но беше решено останалата част от работата да се извърши с второто копие на апарата и да се извади това от стойката и да се разглоби, за да се провери как тестът е засегнал реактора и горивото вътре в него.

До средата на 80-те години тестовете продължават, мощността се увеличава и по време на всеки тест загряването на водород е близо до границата, което отличава тези тестове от САЩ. В Съединените щати шофьорите на двигатели преследваха мощност (в един от тестовете достигна 4400 MW), а в СССР преследваше ефективността на двигател с атомна енергия, чийто критерий беше температурата на работния флуид. Почти всички технически спецификации са потвърдени по време на теста.

Около 1985 г. RD-0410 (под различна нотация 11B91) можеше да извърши първия си космически полет. Но за това беше необходимо да се разработи един овърклок на базата на него. За съжаление, тази работа не е поръчана за никакви космически KB и има много причини за това. Основният от тях е така наречената Перестройка. Неразумните стъпки доведоха до това, че цялата космическа индустрия моментално се оказа „в немилост“ и през 1988 г. работата по ядрените оръжия в СССР (тогава СССР все още съществува) беше спряна. Това не се случи поради технически проблеми, а по моментни идеологически причини. И през 1990 г. идеологическият ръководител на НРЕ програми в СССР Виталий Михайлович Иевлев почина ...

Нашият двор на сайдинга

Пропуснати възможности. Отчасти по вина на учени и дизайнери. Те преследваха „кранове в небето“ - имаше двама от тях. Първият е NRE в газова фаза. Совершенно фантастический на первый взгляд реактор, в котором ядерное топливо находилось бы в парообразном виде. Он позволял поднять температуру водорода еще раз в пять-шесть, по крайней мере в теории, и достичь удельного импульса в 2000 секунд, как у нынешних электрореактивных двигателей на ксеноне, но при в тысячи раз большей тяге. Другой — это двухрежимная установка, способная при отлете от Земли работать в режиме ЯРД с нагревом водорода, а дальше — в электрогенерирующем режиме, снабжая энергией связку ЭРД, которые давали бы удельный импульс, недоступный и газофазному ЯРД, а малая величина тяги компенсировалась бы большим временем работы. Эта установка получила индекс 11Б97 и дошла до стадии проработки отдельных узлов. Однако из-за распада СССР оба «журавля» остались без финансирования.

Возобновление работ по ЯРД вполне возможно сейчас, тем более что практически все предприятия, которые были тогда вовлечены в программу, находятся на территории РФ (за исключением Семипалатинского полигона). Но тогдашний стенд все равно не удовлетворяет нынешним требованиям радиационной безопасности, так что все равно нужно строить новый. Рано или поздно это придется сделать, ведь химические ракеты давно достигли своего предела.

Прочетете за изпращането на пилотирана мисия до Марс на уебсайта на специалния проект на списанието: Нашият Марс.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 1, януари 2007 г.).

Препоръчано

5 важни книги за това какво представлява мозъкът
2019
6 невероятни факта на джаджата
2019
Идва слънчев минимум. Защо е опасно?
2019