Cosa sono i motori nucleari?

Gli scettici dicono che la creazione di un motore nucleare non è un progresso significativo nel campo della scienza e della tecnologia, ma solo "modernizzazione di una caldaia a vapore", dove l'uranio funge da combustibile al posto del carbone e della legna da ardere e l'idrogeno viene utilizzato come mezzo di lavoro. È la NRE (nucleare motore a reazione)? Proviamo a capirlo.

Primi razzi

Tutti i meriti dell'umanità nell'esplorazione dello spazio vicino alla Terra possono essere tranquillamente attribuiti ai motori a reazione chimica. La base del lavoro di tali unità di potenza è la conversione di energia di una reazione chimica di combustione di combustibile in un ossidante in energia cinetica getto d'acqua, e quindi razzi. I combustibili utilizzati sono cherosene, idrogeno liquido, eptano (per motori a razzo a combustibile liquido (GTRE)) e una miscela polimerizzata di perclorato di ammonio, alluminio e ossido di ferro (per i propellenti solidi (RDTT)).

È noto che i primi razzi utilizzati per i fuochi artificiali apparvero in Cina nel II secolo aC. Salirono nel cielo a causa dell'energia dei gas in polvere. La ricerca teorica dell'armeria tedesca Konrad Haas (1556), il generale polacco Kazimir Semenovich (1650), il tenente generale russo Alexander Zasyadko hanno dato un contributo significativo allo sviluppo della tecnologia missilistica.

Il brevetto per l'invenzione del primo razzo dallo ZhTRD fu ricevuto dallo scienziato americano Robert Goddard. Il suo apparato, con un peso di 5 kg e una lunghezza di circa 3 m, che funzionava a benzina e ossigeno liquido, nel 1926 per 2,5 s. ho volato per 56 metri.

Inseguendo la velocità

Un serio lavoro sperimentale sulla creazione di motori seriali a reazione chimica è iniziato negli anni '30 del secolo scorso. Nell'Unione Sovietica, V.P.Glushko e F.A. Zander sono giustamente considerati pionieri della costruzione di motori a razzo. Con la loro partecipazione, sono state sviluppate le unità di potenza RD-107 e RD-108, che hanno fornito all'URSS il primato nell'esplorazione spaziale e posto le basi per la futura leadership della Russia nel campo della cosmonautica con equipaggio.

Durante la modernizzazione del GTRE, divenne chiaro che la velocità massima teorica del getto non poteva superare i 5 km / s. Per studiare lo spazio vicino alla Terra, questo può essere sufficiente, ma i voli verso altri pianeti, e ancor più le stelle, rimarranno un falso sogno per l'umanità. Di conseguenza, i progetti di motori a razzo alternativi (non chimici) cominciarono ad apparire già a metà del secolo scorso. Le installazioni che utilizzano l'energia delle reazioni nucleari sembravano le più popolari e promettenti. I primi campioni sperimentali di motori spaziali nucleari (YARD) nell'Unione Sovietica e negli Stati Uniti hanno superato i test nel 1970. Tuttavia, dopo la catastrofe di Chernobyl, sotto la pressione del pubblico, i lavori in quest'area furono sospesi (nell'URSS nel 1988, negli Stati Uniti dal 1994).

Il principio di funzionamento del motore nucleare

Le basi del funzionamento delle centrali nucleari sono gli stessi principi di quello termochimico. L'unica differenza è che il mezzo di lavoro è riscaldato dall'energia della disintegrazione o della sintesi di un combustibile nucleare. L'efficienza energetica di tali motori supera di gran lunga quelli chimici. Ad esempio, l'energia che 1 kg del miglior combustibile (una miscela di berillio con ossigeno) può emettere è 3 × 107 J, mentre per gli isotopi di polonio, Po210 questo valore è 5 × 1011 J.

L'energia rilasciata in un motore nucleare può essere utilizzata in vari modi:

riscaldando il fluido di lavoro emesso attraverso gli ugelli, come in un tradizionale motore a razzo, dopo essere stato convertito in elettrico, ionizzando e accelerando le particelle del fluido di lavoro, creando un impulso direttamente dai prodotti di fissione o sintesi, anche l'acqua ordinaria può agire come un fluido di lavoro, ma l'uso di alcol sarà molto più efficace. ammoniaca o idrogeno liquido. A seconda dello stato di aggregazione del carburante per reattore nucleare i motori a razzo sono suddivisi in fase solida, liquida e gas. L'NDS con reattore a fissione allo stato solido è il più sviluppato, utilizzando elementi di combustibile (elementi di combustibile) usati come combustibile centrali nucleari. Il primo motore del genere nel quadro del progetto americano Nerva ha superato test di terra nel 1966, dopo aver lavorato per circa due ore.

Caratteristiche del design

Al centro di qualsiasi motore spaziale nucleare vi è un reattore costituito da un nucleo e un riflettore di berillio situato in un pacchetto di potenza. Nella zona attiva e nella divisione degli atomi di una sostanza combustibile, di norma, l'uranio U238 è arricchito negli isotopi U235. Per dare il processo di decadimento dei nuclei di alcune proprietà, qui si trovano anche i ritardanti - refrattari al tungsteno o al molibdeno. Se il moderatore è incluso nelle barre di combustibile, il reattore è chiamato omogeneo e, se collocato separatamente, eterogeneo. Il motore nucleare comprende anche un'unità di alimentazione del corpo di lavoro, i comandi, la protezione dalle radiazioni ombra e un ugello. Elementi strutturali e componenti del reattore che presentano elevati carichi termici sono raffreddati dal fluido di lavoro, che viene quindi iniettato da un gruppo turbopompa in gruppi generatori di calore. Qui è riscaldato a quasi 3000 ° C. Scorrendo attraverso l'ugello, il fluido di lavoro crea una spinta del getto.

I controlli tipici del reattore sono barre di controllo e tamburi rotanti realizzati con una sostanza che assorbe neutroni (boro o cadmio). Le aste vengono posizionate direttamente nella zona attiva o in speciali nicchie del riflettore e i tamburi girevoli sono posizionati sulla periferia del reattore. Lo spostamento delle barre o la rotazione delle bobine modifica il numero di nuclei fissili per unità di tempo, regolando il livello di rilascio di energia del reattore e, di conseguenza, la sua potenza termica.

Per ridurre l'intensità delle radiazioni di neutroni e gamma, pericolose per tutti gli esseri viventi, elementi della protezione del reattore primario sono collocati nella custodia di alimentazione.

Aumentare l'efficienza

Il motore nucleare a fase liquida con il principio di funzionamento e il dispositivo è simile a quello a fase solida, ma lo stato liquido del combustibile consente di aumentare la temperatura della reazione e, di conseguenza, la spinta della parte di potenza. Quindi se per gli aggregati chimici (motori ZTRD e motori a propellente solido) l'impulso specifico massimo (portata del getto) è 5 420 m / s, per il nucleare in fase solida e 10 000 m / s è lontano dal limite, il valore medio di questo indicatore per la fase gas NRE è nell'intervallo 30.000 - 50.000 m / s.

Ci sono progetti di un motore nucleare in fase gas di due tipi:

Un ciclo aperto in cui una reazione nucleare procede all'interno della nube di plasma dal fluido di lavoro trattenuto dal campo elettromagnetico e assorbendo tutto il calore generato. La temperatura può raggiungere diverse decine di migliaia di gradi. In questo caso, la regione attiva è circondata da una sostanza resistente al calore (ad esempio il quarzo) - una lampada nucleare che trasmette liberamente l'energia irradiata.Nelle installazioni del secondo tipo, la temperatura di reazione sarà limitata al punto di fusione del materiale del pallone. Allo stesso tempo, l'efficienza energetica di un motore spaziale nucleare è in qualche modo ridotta (l'impulso specifico è fino a 15.000 m / s), ma l'efficienza e sicurezza dalle radiazioni.

Risultati pratici

Formalmente, l'inventore della centrale nucleare è considerato lo scienziato e fisico americano Richard Feynman. L'inizio del lavoro su larga scala per lo sviluppo e la creazione di motori nucleari per veicoli spaziali nell'ambito del programma Rover fu dato nel 1955 al Centro di Ricerca di Los Alamos (USA). Gli inventori americani preferivano installazioni con un reattore nucleare omogeneo. Il primo modello sperimentale "Kiwi-A" è stato assemblato nello stabilimento del centro atomico di Albuquerque (New Mexico, USA) e testato nel 1959. Il reattore era posizionato verticalmente sul supporto con l'ugello rivolto verso l'alto. Durante le prove, il getto riscaldato di idrogeno esaurito è stato emesso direttamente nell'atmosfera. E sebbene il rettore abbia lavorato a bassa capacità per circa 5 minuti, il successo ha ispirato gli sviluppatori.

Nell'Unione Sovietica, un incontro dei "tre grandi K" - il fondatore della bomba atomica I. V. Kurchatov, il principale teorico della cosmonautica nazionale M. V. Keldysh e il progettista generale dei missili sovietici S.P. ebbe luogo nell'Istituto di energia atomica nel 1959 La regina A differenza del modello americano, il motore sovietico RD-0410, sviluppato presso l'ufficio di progettazione dell'associazione Himavtomatika (Voronezh), aveva un reattore eterogeneo. Nel 1978, presso il sito vicino alla città di Semipalatinsk, sono stati effettuati test antincendio.

Va notato che un bel po 'di progetti teorici sono stati creati, ma non è mai arrivato all'attuazione pratica. Le ragioni di ciò sono state la presenza di un enorme numero di problemi nella scienza dei materiali, la mancanza di risorse umane e finanziarie.

Per una nota: un risultato pratico importante è stato lo svolgimento di prove di volo di aeromobili con un motore nucleare. In URSS, il più promettente è stato il bombardiere strategico sperimentale Tu-95LAL, negli Stati Uniti - B-36.

Progetto Orion o Pulsate NRE

Per i voli nello spazio, un motore nucleare di un'azione pulsata fu proposto per la prima volta nel 1945 dal matematico americano Stanislav Ulam, di origine polacca. Nel decennio successivo, l'idea è stata sviluppata e perfezionata da T. Taylor e F. Dyson. La linea di fondo è che l'energia delle piccole cariche nucleari, esplosa a una certa distanza dalla piattaforma di spinta sul fondo del razzo, dice che c'è molta accelerazione.

Nel corso del progetto Orion, lanciato nel 1958, fu progettato di dotare di un tale motore un razzo capace di trasportare persone sulla superficie di Marte o sull'orbita di Giove. L'equipaggio, situato nel vano del muso, sarebbe protetto dagli effetti distruttivi delle accelerazioni giganti da un dispositivo di smorzamento. Il risultato dello studio ingegneristico dettagliato sono stati i test di marcia del modello in scala della nave per studiare la stabilità del volo (invece delle cariche nucleari, sono stati usati esplosivi convenzionali). A causa dell'elevato costo del progetto fu chiuso nel 1965.

Idee simili di creazione di una "esplosione" furono espresse dall'accademico sovietico A. Sakharov nel luglio del 1961. Per portare la nave in orbita, lo scienziato ha suggerito di usare il solito ZhTRD.

Progetti alternativi

Un numero enorme di progetti non ha superato gli studi teorici. Tra loro c'erano molti originali e molto promettenti. La conferma è l'idea di una centrale nucleare su frammenti fissili. Le caratteristiche di progettazione e il dispositivo di questo motore consentono di rinunciare al fluido di lavoro. Un getto che fornisce le caratteristiche di trazione necessarie è formato da materiale nucleare esaurito. Il reattore è basato su dischi rotanti con una massa nucleare subcritica (il rapporto di divisione atomica è inferiore all'unità). Quando si ruota nel settore di un disco nella zona attiva, viene avviata una reazione a catena e gli atomi ad alta energia in decomposizione vengono inviati all'ugello del motore, formando una corrente a getto. Gli atomi interi rimanenti prenderanno parte alla reazione ai successivi giri del disco del carburante.

I progetti di un motore nucleare per navi che svolgono determinati compiti nello spazio vicino alla Terra, basati su RTG (generatori termoelettrici radioisotopi), sono abbastanza efficienti, ma per installazioni interplanetarie, e ancor più interstellari, tali installazioni non sono molto promettenti.

L'enorme potenziale dei motori a fusione nucleare. Già allo stadio attuale dello sviluppo della scienza e della tecnologia, un'installazione a impulsi è del tutto realizzabile, in cui, come il progetto Orion, le cariche termonucleari saranno minate sotto il fondo del razzo. Tuttavia, l'attuazione della fusione nucleare controllata, molti esperti ritengono che il lavoro del prossimo futuro.

Vantaggi e svantaggi di NRE

I vantaggi indiscutibili dell'uso di motori nucleari come unità di potenza per veicoli spaziali dovrebbero includere la loro elevata efficienza energetica, che fornisce un impulso specifico elevato e buone prestazioni di trazione (fino a mille tonnellate in spazio senz'aria), un'impressionante riserva di energia durante il funzionamento autonomo. L'attuale livello di sviluppo scientifico e tecnologico consente una comparativa compattezza di tale installazione.

Lo svantaggio principale delle YARDs che ha causato il crollo del design e dei lavori di ricerca è un alto rischio di radiazioni. Ciò è particolarmente vero quando si eseguono prove di incendio a terra a seguito delle quali gas radioattivi, composti dell'uranio e dei suoi isotopi, nonché gli effetti dannosi delle radiazioni penetranti, possono essere rilasciati nell'atmosfera insieme al fluido di lavoro. Per gli stessi motivi, il lancio di un veicolo spaziale equipaggiato con un motore nucleare direttamente dalla superficie della Terra è inaccettabile.

Presente e futuro

Secondo le assicurazioni dell'Accademia dell'Accademia Russa delle Scienze, Direttore Generale del Centro Keldysh Anatoly Koroteev, nel prossimo futuro verrà creato un tipo radicalmente nuovo di motore nucleare in Russia. L'essenza dell'approccio è che l'energia del reattore spaziale sarà diretta non a dirigere il riscaldamento del fluido di lavoro e la formazione di un getto, ma per la produzione di elettricità. Il ruolo del motore nell'impianto è dato al motore al plasma, la cui spinta specifica è 20 volte maggiore della spinta delle macchine a getto di benzina attualmente esistenti. La società principale del progetto è la suddivisione della Rosatom State Corporation NIKIET JSC (Mosca).

I test di simulazione su vasta scala sono stati completati con successo nel 2015 sulla base del Nash Mashinostroeniya (Reutov). La data dell'inizio delle prove di volo di una centrale nucleare è novembre di quest'anno. Gli elementi e i sistemi più importanti dovranno essere testati, anche a bordo dell'ISS.

Il funzionamento del nuovo motore nucleare russo avviene in un ciclo chiuso, che elimina completamente l'ingresso di sostanze radioattive nello spazio circostante. Le caratteristiche di massa e dimensionali dei principali elementi della centrale assicurano il suo utilizzo con i veicoli di lancio russi esistenti Proton e Angara.