Was sind Atommotoren? Wie funktioniert ein Atommotor?
Alle paar Jahre einige
Der neue Oberstleutnant entdeckt Pluto.
Danach ruft er das Labor an,
um zu erfahren zukünftiges Schicksal nuklearer Staustrahltriebwerk.
Das ist heutzutage ein Modethema, aber ein nukleares Staustrahltriebwerk scheint mir viel interessanter zu sein, weil es kein Arbeitsmedium mit sich führen muss.
Ich gehe davon aus, dass es in der Botschaft des Präsidenten um ihn ging, aber aus irgendeinem Grund haben heute alle angefangen, über den YARD zu posten???
Lassen Sie mich hier alles an einem Ort sammeln. Ich sage Ihnen, interessante Gedanken tauchen auf, wenn Sie sich in ein Thema hineinlesen. Und sehr unangenehme Fragen.
Ein Staustrahltriebwerk (Ramjet Engine; der englische Begriff ist Ramjet, von ram – ram) ist ein Strahltriebwerk, das im Design das einfachste in der Klasse der luftatmenden Strahltriebwerke (Staustrahltriebwerke) ist. Es gehört zu den Direktreaktionsstrahltriebwerken, bei denen der Schub allein durch den aus der Düse ausströmenden Strahlstrom erzeugt wird. Der für den Motorbetrieb notwendige Druckanstieg wird durch Abbremsen des entgegenkommenden Luftstroms erreicht. Ein Staustrahltriebwerk ist bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten funktionslos, insbesondere bei Nullgeschwindigkeit. Es ist das eine oder andere Beschleuniger erforderlich, um es auf Betriebsleistung zu bringen.
In der zweiten Hälfte der 1950er Jahre, während des Kalten Krieges, wurden in den USA und der UdSSR Staustrahltriebwerke mit Kernreaktor entwickelt. 
Foto von: Leicht modifiziert aus http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Pluto1955.jpg
Die Energiequelle dieser Staustrahltriebwerke ist (im Gegensatz zu anderen Staustrahltriebwerken) nicht die chemische Reaktion der Kraftstoffverbrennung, sondern die vom Kernreaktor in der Heizkammer des Arbeitsmediums erzeugte Wärme. Die Luft aus der Eingabevorrichtung in einem solchen Staustrahltriebwerk strömt durch den Reaktorkern, kühlt ihn ab, erwärmt sich auf die Betriebstemperatur (ca. 3000 K) und strömt dann mit einer Geschwindigkeit aus der Düse, die größtenteils mit den Abgasgeschwindigkeiten vergleichbar ist fortschrittliche chemische Raketentriebwerke. Mögliche Einsatzzwecke eines Flugzeugs mit einem solchen Motor:
- interkontinentale Trägerrakete einer nuklearen Ladung;
- einstufige Luft- und Raumfahrtflugzeuge.
Beide Länder haben kompakte, ressourcenschonende Kernreaktoren geschaffen, die in die Abmessungen einer großen Rakete passen. In den USA wurden 1964 im Rahmen der Forschungsprogramme für nukleare Staustrahltriebwerke Pluto und Tory Prüfstands-Brandtests des nuklearen Staustrahltriebwerks Tory-IIC durchgeführt (Vollleistungsmodus 513 MW für fünf Minuten mit einem Schub von 156 kN). Es wurden keine Flugtests durchgeführt und das Programm wurde im Juli 1964 eingestellt. Einer der Gründe für die Schließung des Programms ist die Verbesserung des Designs ballistische Raketen mit chemischen Raketentriebwerken, die die Lösung von Kampfeinsätzen ohne den Einsatz von Schemata mit relativ teuren nuklearen Staustrahltriebwerken vollständig gewährleisteten.
Es ist derzeit in russischen Quellen nicht üblich, über den zweiten Punkt zu sprechen ...
Das Pluto-Projekt sollte Flugtaktiken in geringer Höhe nutzen. Diese Taktik gewährleistete die Geheimhaltung vor den Radargeräten des Luftverteidigungssystems der UdSSR.
Um die Geschwindigkeit zu erreichen, mit der ein Staustrahltriebwerk arbeiten würde, musste Pluto mit einem Paket konventioneller Raketenbooster vom Boden aus gestartet werden. Der Start des Kernreaktors begann erst, nachdem Pluto die Reiseflughöhe erreicht hatte und ausreichend aus besiedelten Gebieten entfernt war. Der Atommotor, der eine nahezu unbegrenzte Reichweite bot, ermöglichte es der Rakete, im Kreis über dem Ozean zu fliegen, während sie auf den Befehl wartete, auf Überschallgeschwindigkeit zu einem Ziel in der UdSSR umzuschalten.
SLAM-Konzeptdesign
Es wurde beschlossen, einen statischen Test eines Reaktors im Originalmaßstab durchzuführen, der für ein Staustrahltriebwerk vorgesehen war.
Da der Pluto-Reaktor nach dem Start extrem radioaktiv wurde, wurde er über eine eigens gebaute, vollautomatische Eisenbahnlinie zum Testgelände geliefert. Entlang dieser Linie bewegte sich der Reaktor über eine Strecke von etwa zwei Meilen, die den statischen Prüfstand und das riesige „Demontage“-Gebäude trennte. Im Gebäude wurde der „heiße“ Reaktor zur Inspektion mit ferngesteuerten Geräten zerlegt. Wissenschaftler aus Livermore beobachteten den Testvorgang mithilfe eines Fernsehsystems, das sich in einem Blechhangar weit entfernt vom Teststand befand. Für alle Fälle war der Hangar mit einem Strahlenschutzraum mit einer zweiwöchigen Versorgung mit Lebensmitteln und Wasser ausgestattet.
Nur um den Beton zu liefern, der für den Bau der Mauern des Abrissgebäudes (die sechs bis acht Fuß dick waren) benötigt wurde, kaufte die Regierung der Vereinigten Staaten eine ganze Mine.
Millionen Pfund Druckluft wurden in Rohren gespeichert, die bei der Ölförderung verwendet wurden. Gesamtlänge 25 Meilen. Mit dieser Druckluft sollten die Bedingungen simuliert werden, unter denen sich ein Staustrahltriebwerk während des Fluges mit Reisegeschwindigkeit befindet.
Um einen hohen Luftdruck im System sicherzustellen, lieh sich das Labor riesige Kompressoren von der U-Boot-Basis in Groton, Connecticut.
Bei dem Test, bei dem das Gerät fünf Minuten lang mit voller Leistung lief, musste eine Tonne Luft durch Stahltanks gepresst werden, die mit mehr als 14 Millionen Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 4 cm gefüllt waren. Diese Tanks wurden mithilfe von Heizelementen auf 730 Grad erhitzt Öl wurde verbrannt.
Auf einem Bahnsteig installiert, ist Tori-2S bereit für erfolgreiche Tests. Mai 1964
Am 14. Mai 1961 hielten Ingenieure und Wissenschaftler im Hangar, von dem aus das Experiment gesteuert wurde, den Atem an, als das erste nukleare Staustrahltriebwerk der Welt, montiert auf einem leuchtend roten Bahnsteig, mit lautem Getöse seine Geburt ankündigte. Tori-2A wurde nur wenige Sekunden lang gestartet und entwickelte in dieser Zeit nicht seine Nennleistung. Der Test galt jedoch als erfolgreich. Das Wichtigste war, dass der Reaktor nicht zündete, wovor einige Vertreter des Atomenergieausschusses große Angst hatten. Fast unmittelbar nach den Tests begann Merkle mit der Entwicklung eines zweiten Tory-Reaktors, der mehr Leistung bei weniger Gewicht haben sollte.
Die Arbeiten an Tori-2B sind noch nicht über das Reißbrett hinausgekommen. Stattdessen bauten die Livermores sofort den Tory-2C, der drei Jahre nach dem Test des ersten Reaktors die Stille der Wüste brach. Eine Woche später wurde der Reaktor neu gestartet und fünf Minuten lang mit voller Leistung (513 Megawatt) betrieben. Es stellte sich heraus, dass die Radioaktivität der Abgase deutlich geringer war als erwartet. An diesen Tests nahmen auch Generäle der Luftwaffe und Beamte des Atomenergieausschusses teil.
Zu dieser Zeit begannen die Kunden des Pentagons, die das Pluto-Projekt finanzierten, von Zweifeln überwältigt zu werden. Da die Rakete von US-Territorium aus abgefeuert wurde und in geringer Höhe über das Territorium amerikanischer Verbündeter flog, um einer Entdeckung durch sowjetische Luftverteidigungssysteme zu entgehen, fragten sich einige Militärstrategen, ob die Rakete eine Bedrohung für die Verbündeten darstellen würde. Noch bevor die Pluto-Rakete Bomben auf den Feind abwirft, wird sie zunächst Verbündete betäuben, vernichten und sogar verstrahlen. (Es wurde erwartet, dass der über ihm fliegende Pluto am Boden etwa 150 Dezibel Lärm erzeugt. Zum Vergleich: Der Lärmpegel der Rakete, die die Amerikaner zum Mond schickte (Saturn V), betrug bei vollem Schub 200 Dezibel.) Natürlich wären geplatzte Trommelfelle Ihr geringstes Problem, wenn ein nackter Reaktor über Ihnen hinwegfliegen würde und Sie wie ein Huhn unter Gamma- und Neutronenstrahlung braten würde.
Tori-2C
Obwohl die Erfinder der Rakete argumentierten, dass Pluto ebenfalls von Natur aus schwer fassbar sei, zeigten sich Militäranalysten verblüfft darüber, wie etwas so Lärmendes, Heißes, Großes und Radioaktives so lange unentdeckt bleiben konnte, bis seine Mission abgeschlossen war. Gleichzeitig hatte die US-Luftwaffe bereits damit begonnen, ballistische Raketen vom Typ Atlas und Titan einzusetzen, die in der Lage waren, Ziele mehrere Stunden vor einem fliegenden Reaktor zu erreichen, und Raketenabwehrsystem Die UdSSR, deren Angst der Hauptgrund für die Entstehung von Pluto war, wurde trotz erfolgreicher Abfangtests nie zu einem Hindernis für ballistische Raketen. Kritiker des Projekts erfanden ihre eigene Dekodierung des Akronyms SLAM – slow, low, and messy – langsam, niedrig und schmutzig. Nach dem erfolgreichen Test der Polaris-Rakete begann auch die Marine, das Projekt aufzugeben, nachdem sie zunächst Interesse daran bekundet hatte, die Raketen zum Abschuss von U-Booten oder Schiffen einzusetzen. Und schließlich betrugen die Kosten für jede Rakete 50 Millionen Dollar. Plötzlich wurde Pluto zu einer Technologie ohne Anwendung, zu einer Waffe ohne brauchbare Ziele.
Der letzte Nagel in Plutos Sarg war jedoch nur eine Frage. Es ist so trügerisch einfach, dass man es den Livermoreianern verzeihen kann, wenn sie es absichtlich nicht beachten. „Wo werden Reaktorflugtests durchgeführt? Wie überzeugt man die Leute davon, dass die Rakete während des Fluges nicht die Kontrolle verliert und in geringer Höhe über Los Angeles oder Las Vegas fliegt?“ fragte der Physiker Jim Hadley vom Livermore Laboratory, der bis zum Schluss am Pluto-Projekt arbeitete. Er ist derzeit am Entdecken Atomtests, die in anderen Ländern durchgeführt werden, für die Division Z. Laut Hadley selbst gab es keine Garantien dafür, dass die Rakete nicht außer Kontrolle gerät und sich in ein fliegendes Tschernobyl verwandelt.
Es wurden mehrere Lösungen für dieses Problem vorgeschlagen. Eine davon wäre ein Pluto-Start in der Nähe von Wake Island, wo die Rakete in Form einer Acht über den US-amerikanischen Teil des Ozeans fliegen würde. „Heiße“ Raketen sollten in einer Tiefe von 7 Kilometern im Ozean versenkt werden. Doch selbst als die Atomenergiekommission die Menschen davon überzeugte, Strahlung sei eine unbegrenzte Energiequelle, reichte der Vorschlag, viele strahlenverseuchte Raketen ins Meer zu werfen, aus, um die Arbeit einzustellen.
Am 1. Juli 1964, sieben Jahre und sechs Monate nach Beginn der Arbeiten, wurde das Pluto-Projekt von der Atomenergiekommission und der Luftwaffe abgeschlossen.
Alle paar Jahre entdeckt ein neuer Oberstleutnant der Luftwaffe Pluto, sagte Hadley. Anschließend ruft er das Labor an, um das weitere Schicksal des nuklearen Staustrahltriebwerks herauszufinden. Die Begeisterung der Oberstleutnants verschwindet sofort, nachdem Hadley über Probleme mit Strahlung und Flugtests spricht. Niemand rief Hadley mehr als einmal an.
Wenn jemand Pluto wieder zum Leben erwecken möchte, kann er möglicherweise in Livermore einige Rekruten finden. Allerdings wird es nicht viele davon geben. Die Vorstellung, was eine verdammt verrückte Waffe werden könnte, sollte man am besten der Vergangenheit anvertrauen.
Technische Eigenschaften der SLAM-Rakete:
Durchmesser - 1500 mm.
Länge - 20000 mm.
Gewicht - 20 Tonnen.
Die Reichweite ist (theoretisch) unbegrenzt.
Die Geschwindigkeit auf Meereshöhe beträgt Mach 3.
Waffen - 16 thermonukleare Bomben(Die Kraft von jedem beträgt 1 Megatonne).
Der Motor ist ein Kernreaktor (Leistung 600 Megawatt).
Leitsystem - Trägheit + TERCOM.
Die maximale Hauttemperatur beträgt 540 Grad Celsius.
Das Flugzeugzellenmaterial ist Hochtemperatur-Edelstahl Rene 41.
Mantelstärke - 4 - 10 mm.
Dennoch ist der nukleare Staustrahl als Antriebssystem für einstufige Luft- und Raumfahrtflugzeuge und schwere interkontinentale Hochgeschwindigkeitsflugzeuge vielversprechend. Transportluftfahrt. Dies wird durch die Möglichkeit erleichtert, ein nukleares Staustrahltriebwerk zu schaffen, das im Raketentriebwerksmodus mit Unterschall- und Nullfluggeschwindigkeit betrieben werden kann und dabei die Treibstoffreserven an Bord nutzt. Das heißt zum Beispiel, dass ein Luft- und Raumfahrtflugzeug mit einem nuklearen Staustrahl startet (einschließlich Starts), die Triebwerke aus den Bordtanks (oder Außenbordtanks) mit Arbeitsflüssigkeit versorgt und, nachdem es bereits Geschwindigkeiten von M = 1 erreicht hat, auf die Verwendung atmosphärischer Luft umschaltet .
Wie der russische Präsident V. V. Putin sagte, „lief Anfang 2018 ein erfolgreicher Start statt Marschflugkörper mit einem Atomkraftwerk.“ Darüber hinaus sei die Reichweite einer solchen Marschflugkörper seiner Meinung nach „unbegrenzt“.
Ich frage mich, in welcher Region die Tests durchgeführt wurden und warum die zuständigen Atomtestüberwachungsdienste sie kritisiert haben. Oder hängt die Freisetzung von Ruthenium-106 in die Atmosphäre im Herbst irgendwie mit diesen Tests zusammen? Diese. Die Bewohner von Tscheljabinsk wurden nicht nur mit Ruthenium bestreut, sondern auch gebraten?
Können Sie herausfinden, wo diese Rakete einschlug? Einfach ausgedrückt: Wo wurde der Kernreaktor zerstört? Auf welchem Trainingsgelände? Auf Nowaja Semlja?
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Lesen wir nun ein wenig über Atomkraft Raketentriebwerke, obwohl das eine ganz andere Geschichte ist
Ein Nuklearraketentriebwerk (NRE) ist eine Art Raketentriebwerk, das die Energie der Kernspaltung oder -fusion nutzt, um einen Strahlschub zu erzeugen. Sie können flüssig (Erhitzen eines flüssigen Arbeitsmediums in einer Heizkammer aus einem Kernreaktor und Freisetzen von Gas durch eine Düse) und impulsexplosiv (Kernexplosionen mit geringer Leistung im gleichen Zeitraum) sein.
Ein herkömmlicher Kernantriebsmotor als Ganzes ist eine Struktur, die aus einer Heizkammer mit einem Kernreaktor als Wärmequelle, einem Arbeitsflüssigkeitsversorgungssystem und einer Düse besteht. Das Arbeitsmedium (normalerweise Wasserstoff) wird vom Tank zum Reaktorkern geleitet, wo es durch durch die Kernzerfallsreaktion erhitzte Kanäle geleitet, auf hohe Temperaturen erhitzt und dann durch die Düse ausgestoßen wird, wodurch ein Strahlschub entsteht. Es gibt verschiedene Bauformen von Kernantriebsmotoren: Festphasen-, Flüssigphasen- und Gasphasenmotoren – entsprechend dem Aggregatzustand des Kernbrennstoffs im Reaktorkern – fest, geschmolzen oder Hochtemperaturgas (oder sogar Plasma). 
Ost. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1822546
RD-0410 (GRAU-Index – 11B91, auch bekannt als „Irgit“ und „IR-100“) – der erste und einzige sowjetische Atomraketenmotor 1947–78. Es wurde im Designbüro Khimavtomatika in Woronesch entwickelt.
Der RD-0410 verwendete einen heterogenen thermischen Neutronenreaktor. Der Entwurf umfasste 37 Brennelemente, die mit einer Wärmedämmung abgedeckt waren, die sie vom Moderator trennte. ProjektEs war vorgesehen, dass der Wasserstoffstrom zunächst durch den Reflektor und den Moderator strömt, deren Temperatur auf Raumtemperatur hält, und dann in den Kern gelangt, wo er auf 3100 K erhitzt wird. Am Stand werden Reflektor und Moderator durch einen separaten Wasserstoff gekühlt fließen. Der Reaktor durchlief eine umfangreiche Testreihe, wurde jedoch nie über die gesamte Betriebsdauer getestet. Die Komponenten außerhalb des Reaktors waren vollständig erschöpft.
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Und das ist ein amerikanischer Atomraketenmotor. Sein Diagramm war im Titelbild 
Autor: NASA – Tolle Bilder in der NASA-Beschreibung, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6462378
NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) ist ein gemeinsames Programm der US-amerikanischen Atomenergiekommission und der NASA zur Entwicklung eines nuklearen Raketentriebwerks (NRE), das bis 1972 lief.
NERVA zeigte, dass das nukleare Antriebssystem realisierbar und für die Weltraumforschung geeignet war, und Ende 1968 bestätigte SNPO, dass NERVAs neueste Modifikation, der NRX/XE, die Anforderungen für eine bemannte Mission zum Mars erfüllte. Obwohl die NERVA-Triebwerke so weit wie möglich gebaut und getestet wurden und als bereit für den Einbau in ein Raumschiff galten, wurde der Großteil des amerikanischen Raumfahrtprogramms von der Nixon-Regierung eingestellt.
NERVA wurde von AEC, SNPO und NASA als äußerst erfolgreiches Programm bewertet, das seine Ziele erreicht oder übertroffen hat. Das Hauptziel des Programms bestand darin, „zu schaffen technische Basis für nukleare Raketenantriebssysteme zur Verwendung bei der Konstruktion und Entwicklung von Antriebssystemen für Weltraummissionen.“ Fast alle Raumfahrtprojekte mit Kernantriebsmotoren basieren auf NERVA NRX- oder Pewee-Designs.
Marsmissionen waren für den Untergang von NERVA verantwortlich. Kongressabgeordnete aus beiden politische Parteien beschlossen, dass eine bemannte Mission zum Mars eine stillschweigende Verpflichtung der Vereinigten Staaten wäre, den kostspieligen Wettlauf ins All über Jahrzehnte hinweg zu unterstützen. Jedes Jahr verzögerte sich das RIFT-Programm und die Ziele von NERVA wurden komplexer. Denn obwohl das NERVA-Triebwerk viele erfolgreiche Tests und starke Unterstützung durch den Kongress hatte, verließ es die Erde nie.
Im November 2017 veröffentlichte die China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) einen Fahrplan für die Entwicklung des chinesischen Raumfahrtprogramms für den Zeitraum 2017-2045. Es sieht insbesondere die Schaffung eines wiederverwendbaren Schiffs vor, das von einem nuklearen Raketentriebwerk angetrieben wird.
ATOMRAKETENMOTOR (YARD), nuklearer Raketenmotor - Raketenantrieb angetrieben durch nuklearen Raketentreibstoff. Würde HOF- in der Höhe spezifischer Schubimpuls, für chemische RD unerreichbar. Dies erklärt sich aus der Möglichkeit, niedermolekulare Stoffe (hauptsächlich flüssigen Wasserstoff) als Arbeitsmedium des Raketentriebwerks zu wählen und der hohen Energie von Kernreaktionen. HOF klassifiziert nach der Art der ablaufenden Reaktionen, der Art der Nutzung der freigesetzten Energie usw.
In den frühen 80ern. Grundtyp HOF- Festphase - mit einem Festphasenspaltungsreaktor. In ihm Wärmeenergie Spaltprodukte von Kernbrennstoff, der sich in festem Zustand befindet, werden verwendet, um das anfängliche Arbeitsmedium in ein Hochtemperaturgas umzuwandeln, bei dessen Ablauf ein Schub aus der Strahldüse erzeugt wird. In Analogie zu einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk das Arbeitsmedium HOF wird in flüssigem Zustand im Fernsteuertank gelagert und über einen TNA zugeführt. Das Gas zum Antrieb des letzteren wird durch Erhitzen des Hauptarbeitsmediums im Reaktor (z. B. in gaserzeugenden Brennelementen) gewonnen. Düse, TNA und viele andere Einheiten HOFähneln den entsprechenden Elementen des Raketentriebwerks. Grundlegender Unterschied HOF Ein Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk zeichnet sich durch das Vorhandensein eines Kernreaktors anstelle einer Brennkammer aus.
Start HOF dauert 1-2 Minuten und beginnt mit dem Anfahren des Reaktors. Dieser Vorgang dauert mehrere zehn Sekunden; Sie ist zeitlich begrenzt durch die Geschwindigkeit des Reaktorsteuerungssystems und die zulässigen thermischen Spannungsgradienten von Temperaturänderungen in den Reaktorstrukturelementen. Nachdem der Reaktor aufgewärmt ist, beginnt die Zufuhr des Arbeitsmediums und die TNA wird eingeschaltet. Im Hauptmodus muss das Steuersystem die maximal zulässige Temperatur des Arbeitsmediums aufrechterhalten, um den maximalen spezifischen Impuls zu erhalten. Der Schub wird wie beim Flüssigkeitsraketentriebwerk durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums verändert.
Ein in Betrieb befindlicher Reaktor ist eine starke Strahlungsquelle – Neutronen- und Gammastrahlung, die ohne besondere Maßnahmen zu einer unzulässigen Erwärmung des Arbeitsmediums (in Tanks) und der Struktur, Versprödung und Zerstörung von Materialien, Versagen der elektrischen Isolierung, Ausfall von Ausrüstung, Nutzlast und Strahlenverletzung der Raumfahrzeugbesatzung (SC). Die Reduzierung des Strahlungsflusses wird durch den Einbau von Strahlungsschutzschirmen (Schutz) im Reaktor sowie zwischen diesem und dem Arbeitsflüssigkeitstank aus einer Kombination erreicht verschiedene Metalle und ihre Verbindungen (Blei, Wolfram, Bor, Cadmium, Lithiumhydrid usw.). Da in den Schutzsieben eine erhebliche Wärmeentwicklung auftritt, werden diese (durch das Arbeitsmedium) gekühlt. Der Schutz macht zusammen mit dem Reaktor den Großteil aus HOF. Wenn die Traktion nachlässt HOF Von mehreren MN auf mehrere kN steigt sein spezifisches Gewicht unter Berücksichtigung des Schutzes von Einheiten auf mehrere zehn g/N. Das Raumschiff muss außerdem einen biologischen Schutz für die Mannschaftskabine bieten, der mit einem Schutz vor kosmischer Strahlung kombiniert werden kann. Schutzschirme verschlechtern die Masseneigenschaften eines Raumfahrzeugs (SV) merklich.
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1 - Gasturbine; 2 - Auslassrohr; 3, 13 - Reaktorleistungssteuereinheiten; 4 - Turbinendrehzahlregler; 5 - Traktionskontrolleinheit; 6 - Gasdrucksensor am Ausgang des Reaktors; 7 - Düse; 8 - Kernreaktor; 9 - Gasprobenverteiler für den Turbinenantrieb; 10 - Gastemperaturregler für die Turbine; 11 - Reaktorsteuerung; 12 – Gastemperatursensor am Ausgang des Reaktors; 14 - Hauptventil des Arbeitsmediums; 15 - Pumpe; 16 - Strahlenschutzschirm; 17 - Tank mit Arbeitsflüssigkeit |
Reaktorstrahlung verursacht induzierte, d.h. künstliche Radioaktivität der Struktur. Dies führt nach dem Abschalten zu einer erheblichen Restwärmefreisetzung in den Reaktorelementen HOF, die mehrere Stunden oder Tage andauern und zum Schmelzen von Teilen des Reaktors führen kann. Deshalb in HOF Durch die Mehrfachaktivierung wird die Reaktorstruktur nach jedem Betriebszyklus gekühlt (durch kontinuierliches oder periodisches Pumpen des Arbeitsmediums). Für die angegebene HOF Man sollte auch die Möglichkeit einer „Vergiftung“ des Reaktors aufgrund der Ansammlung radioaktiver Zerfallsprodukte (hauptsächlich Xenon) in seinem Kern in Betracht ziehen, die thermische Neutronen stark absorbieren. Der Inhalt dieser Produkte erreicht etwa 10 Stunden nach dem Ausschalten sein Maximum HOF.
Obwohl es funktioniert HOF stellt eine Gefahr für das Bedienpersonal dar; Sie können sich einen Tag nach dem Ausschalten in einer Entfernung von 50 m ohne persönliche Schutzausrüstung aufhalten HOF und ihn sogar ansprechen. Die einfachsten Schutzmaßnahmen ermöglichen Ihnen das Betreten des Arbeitsbereichs HOF kurz nach den Tests. Verschmutzungsgrad von Startkomplexen und Umfeld Wenn die erforderlichen Maßnahmen ergriffen werden, wird dies offenbar kein unüberwindbares Hindernis für die Nutzung darstellen HOF auf den unteren Stufen der Trägerrakete. Das Problem der Strahlengefährdung wird weitgehend durch die Tatsache gemildert, dass Wasserstoff das Hauptarbeitsmedium ist HOF- wird im Reaktor und damit im Jetstream praktisch nicht aktiviert HOF nicht gefährlicher als ein Flüssigkeitsraketentriebwerk.
Praktische Entwicklung der Festphase HOF, begann Mitte der 50er Jahre und führte zur Gründung Ende der 60er Jahre. Tischproben HOF mit einer Schubkraft von mehreren hundert kN. Ihr Arbeitsmedium ist Wasserstoff – aus dem Grund, dass, wie bei Flüssigtreibstoffmotoren, der spezifische Impulswert gegeben ist HOF umgekehrt Quadratwurzel vom Molekulargewicht des Arbeitsmediums vor der Strahldüse. Wie beim Flüssigkeitsraketentriebwerk ist der spezifische Impulswert HOF direkt proportional zur Quadratwurzel der Temperatur des Arbeitsmediums vor der Düse. Die Energie von Spaltungsreaktionen ermöglicht es im Prinzip, das Arbeitsmedium im Reaktor auf Temperaturen zu erhitzen, die viel höher sind als diejenigen, die in den Brennkammern von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken herrschen. In fester Phase HOF Es ist jedoch möglich, eine Temperatur von nur ~ 3000 K zu erreichen, da die weitere Erwärmung des Arbeitsmediums durch die Festigkeit der Brennelemente begrenzt ist, deren Temperatur 200–300 K höher ist als die Temperatur des Arbeitsmediums ( Bei einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk ist die Temperatur der Struktur dagegen viel niedriger als die Temperatur des Arbeitsmediums. Aber auch in diesem Fall ist der spezifische Impuls HOF beträgt etwa 9 km/s – doppelt so viel wie die besten modernen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke.
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Zyklogramm des Betriebs des Kernantriebsmotors (T und p sind jeweils die Temperatur und der Druck des Arbeitsmediums am Auslass des Reaktors): |
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Änderung des theoretischen spezifischen Impulses des nuklearen Raketentriebwerks für verschiedene Arbeitsflüssigkeiten in Abhängigkeit von deren Erwärmungstemperatur (Druck am Düseneintritt 10 MPa): |
Vorteile der Nutzung HOF Anstelle von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken sind sie aufgrund der relativen Zunahme der Masse der Raumfahrzeugstruktur, aufgrund des Vorhandenseins eines Kernreaktors, Strahlenschutz und schließlich eines massiven wärmeisolierten Tanks für flüssigen Wasserstoff (der (Sauerstoff-Wasserstoff-Kraftstoff von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken enthält nur 14-18 % dieses Produkts). Tsiolkovsky-Zahl für Raketenstufen mit Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentriebwerken beträgt 7-8, und zwar mit der Verwendung HOF sinkt auf 3-5. Allerdings verwenden HOF Anstelle von Flüssigkeitsraketentriebwerken auf den oberen Stufen von Trägerraketen würde es eine Verdoppelung der Masse von Raumfahrzeugen ermöglichen, die zur Mondoberfläche befördert und zum Mars, Jupiter und Saturn geschickt werden. Eine Expedition zum Mars, die bei Verwendung chemischer Raketentriebwerke sehr problematisch ist, wird durch die Ausrüstung von Raumfahrzeugen mit Festphasenraketen möglich HOF. Ein solches Raumschiff sollte in der erdnahen Umlaufbahn eine Masse von etwa 1000–1500 Tonnen haben, einschließlich mehrerer Booster HOF mit einer Schubkraft von 0,5-1 MN, einem spezifischen Impuls von ~ 8200 m/s und einer Betriebszeit von 30-60 Minuten, Bremsen HOF zum Starten von Raumfahrzeugen in die Marsumlaufbahn, Booster HOF für die Rückkehr zur Erde und ein Mars-Expeditionsraumschiff mit Flüssigtreibstoffmotoren für Landung und Start. Der Flug ist auf einen Zeitraum von 1,5-2 Jahren ausgelegt.
Auf der Bühne der wissenschaftlichen und technischen Forschung - das Problem des Schaffens Gasphasen-Atomraketentriebwerk(mit einem Spaltreaktor), bei dem ein spezifischer Impuls von bis zu 25 km/s oder mehr erwartet wird. Ein bemanntes Raumschiff mit einer Anfangsmasse im erdnahen Orbit von 2000 Tonnen, ausgestattet mit einer Gasphase HOF mit einer Schubkraft von 250 kN und einem spezifischen Impuls von 50 km/s könnte es in 2 Monaten um den Mars fliegen; dabei HOF sollte etwa 100 Stunden lang funktionieren. Im Vergleich zur Gasphase scheint es weniger vielversprechend kolloidales Atomraketentriebwerk Es nimmt in seinen Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen der Festphase und der Gasphase ein HOF. Untere Schubgrenze erwähnt HOF in der Regel auf einen Wert von mehreren kN begrenzt. Gegen, Radioisotop-Raketentriebwerk bezieht sich auf Mikromotoren: In experimentellen Proben wurde ein maximaler Schub von ~ 1 N erreicht. Dies scheint problematisch thermonuklearer Raketentriebwerk. Impuls-Atomraketentriebwerke, wodurch durch periodische Schubkraft erzeugt wird nukleare Explosionen, befinden sich im Engineering- und technischen Entwicklungsstadium. Zum Hypothetischen HOF Einige Typen umfassen Photonenraketentriebwerke Und Radioisotopensegel.
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 Errungenschaften der Menschheit bei der Erforschung des erdnahen Weltraums können sicher auf chemische Strahltriebwerke zurückgeführt werden. Die Arbeit solcher Aggregate- 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
In den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts begannen ernsthafte experimentelle Arbeiten zur Entwicklung serieller chemischer Strahltriebwerke. 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 deutlich, dass das Theoretische maximale Geschwindigkeit Der Jetstream wird 5 km/s nicht überschreiten können. 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. Nach der Katastrophe von Tschernobyl wurden die Arbeiten in diesem Bereich jedoch auf öffentlichen Druck 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 vom Aggregatzustand des Brennstoffs für den Reaktor werden nukleare Raketentriebwerke 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 nuklearen Raumfahrtmaschine ist ein Reaktor, der aus einem Kern und einem Berylliumreflektor besteht, der in einem Energiegehäuse untergebracht ist. Im Kern findet die Spaltung von Atomen einer brennbaren Substanz, meist Uran U238, angereichert mit U235-Isotopen, statt. Um dem Zerfallsprozess von Kernen bestimmte Eigenschaften zu verleihen, befinden sich hier 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 auch eine Arbeitsflüssigkeitsversorgungseinheit, Steuerungen und Schatten Schutz vor Radioaktivität, 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:
Offener Zyklus, in dem Kernreaktion fließt innerhalb einer Plasmawolke aus einem enthaltenen Arbeitsmedium 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 ein Erfinder Kraftwerk Der amerikanische Wissenschaftler und Physiker Richard Feynman gilt als Pionier der Atomenergie. Der Beginn groß angelegter Arbeiten zur Entwicklung und Herstellung von Kerntriebwerken für Raumfahrzeuge im Rahmen des Rover-Programms erfolgte 1955 am Los Alamos Research Center (USA). 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 nur etwa 5 Minuten bei geringer Leistung arbeitete, inspirierte der Erfolg die Entwickler.
In der Sowjetunion gab das Treffen der „drei großen Cs“, das 1959 am Institut für Atomenergie – dem Schöpfer – stattfand, einen starken Impuls für diese Forschung Atombombe I. V. Kurchatov, Cheftheoretiker der russischen Kosmonautik M. V. Keldysh und Generaldesigner Sowjetische Raketen S. P. Koroleva. 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 dafür 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“ äußerte der sowjetische Akademiker A. Sacharow im Juli 1961. Um das Schiff in die Umlaufbahn zu bringen, schlug der Wissenschaftler die Verwendung herkömmlicher Turboprop-Flüssigkeitstriebwerke 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 werden bei den nächsten Umdrehungen der Brennstoffscheibe an der Reaktion teilnehmen.
Projekte eines Kernmotors für Schiffe, die bestimmte Aufgaben im erdnahen Raum 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 Kerntriebwerken als Antriebsaggregate für Raumfahrzeuge zählen ihre hohe Energieeffizienz, die Bereitstellung eines hohen spezifischen Impulses und einer guten Schubleistung (bis zu tausend Tonnen im luftleeren Raum) sowie beeindruckende Energiereserven 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 es inakzeptabel, ein mit einem Nuklearmotor ausgestattetes Raumschiff direkt von der Erdoberfläche aus zu starten.
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. Die wichtigsten Elemente und Systeme müssen getestet werden, auch an Bord der ISS.
Der neue russische Atommotor arbeitet in einem geschlossenen Kreislauf, der die Freisetzung radioaktiver Stoffe in den umgebenden Raum vollständig verhindert. Die Massen- und Dimensionseigenschaften der Hauptelemente des Kraftwerks gewährleisten den Einsatz mit vorhandenen inländischen Proton- und Angara-Trägerraketen.
Seien Sie vorsichtig, es sind viele Buchstaben.
Bis 2025 soll in Russland ein Flugmodell eines Raumfahrzeugs mit nuklearem Antrieb (KKW) entstehen. Die entsprechenden Arbeiten sind im Entwurf des Bundesraumfahrtprogramms 2016–2025 (FKP-25) enthalten, den Roskosmos den Ministerien zur Genehmigung übermittelt.
Kernenergiesysteme gelten als die wichtigsten vielversprechenden Energiequellen im Weltraum bei der Planung groß angelegter interplanetarer Expeditionen. Das derzeit von Rosatom-Unternehmen im Bau befindliche Kernkraftwerk wird künftig in der Lage sein, Megawatt-Leistung im Weltraum bereitzustellen.
Alle Arbeiten zur Errichtung eines Kernkraftwerks verlaufen termingerecht. Wir können mit großer Zuversicht sagen, dass die Arbeiten pünktlich und im Rahmen des Zielprogramms abgeschlossen werden“, sagt Andrey Ivanov, Projektleiter der Kommunikationsabteilung des Staatskonzerns Rosatom.
Vor kurzem hat das Projekt zwei wichtige Phasen abgeschlossen: Es wurde ein einzigartiges Design des Brennelements geschaffen, das den Betrieb unter Bedingungen hoher Temperaturen, großer Temperaturgradienten und hochdosierter Strahlung gewährleistet. Auch die technologischen Tests des Reaktorgefäßes des künftigen Weltraumkraftwerks wurden erfolgreich abgeschlossen. Im Rahmen dieser Tests wurde das Gehäuse mit Überdruck beaufschlagt und 3D-Messungen im Grundmetall-, Umfangsschweiß- und konischen Übergangsbereich durchgeführt.
Funktionsprinzip. Geschichte der Schöpfung.
Bei einem Kernreaktor für Weltraumanwendungen gibt es keine grundsätzlichen Schwierigkeiten. In der Zeit von 1962 bis 1993 hat unser Land umfangreiche Erfahrungen in der Herstellung ähnlicher Anlagen gesammelt. Ähnliche Arbeiten wurden in den USA durchgeführt. Seit den frühen 1960er Jahren wurden weltweit verschiedene Arten elektrischer Antriebsmotoren entwickelt: Ionenmotoren, stationäre Plasmamotoren, Anodenschichtmotoren, gepulste Plasmamotoren, Magnetoplasmamotoren und Magnetoplasmodynamikmotoren.
Im letzten Jahrhundert wurde in der UdSSR und den USA aktiv an der Entwicklung von Kerntriebwerken für Raumfahrzeuge gearbeitet: Die Amerikaner schlossen das Projekt 1994 ab, die UdSSR 1988. Die Schließung der Arbeiten wurde maßgeblich durch die Katastrophe von Tschernobyl erleichtert, die sich negativ auf die öffentliche Meinung zur Nutzung der Kernenergie auswirkte. Darüber hinaus verliefen Tests nuklearer Anlagen im Weltraum nicht immer wie geplant: 1978 drang der sowjetische Satellit Kosmos-954 in die Atmosphäre ein, zerfiel und zerstreute Tausende radioaktiver Fragmente über eine Fläche von 100.000 Quadratmetern. km im Nordwesten Kanadas. die Sowjetunion zahlte Kanada eine finanzielle Entschädigung in Höhe von mehr als 10 Millionen US-Dollar.
Im Mai 1988 machten zwei Organisationen – die Federation of American Scientists und das Committee of Sowjet Scientists for Peace Against the Nuclear Threat – einen gemeinsamen Vorschlag, die Nutzung der Kernenergie im Weltraum zu verbieten. Dieser Vorschlag hatte keine formalen Konsequenzen, aber seitdem hat kein Land ein Raumschiff mit Atomkraftwerken an Bord gestartet.
Die großen Vorteile des Projekts sind praktisch wichtige Betriebseigenschaften – eine lange Lebensdauer (10 Betriebsjahre), ein langes Überholungsintervall und eine lange Betriebszeit an einem Schalter.
Im Jahr 2010 wurden technische Vorschläge für das Projekt formuliert. Der Entwurf begann dieses Jahr.
Das Kernkraftwerk enthält drei Hauptgeräte: 1) eine Reaktoranlage mit einem Arbeitsmedium und Hilfsgeräten (Wärmetauscher-Rekuperator und Turbogenerator-Kompressor); 2) elektrisches Raketenantriebssystem; 3) Kühlschrank-Emitter.
Reaktor.
Aus physikalischer Sicht handelt es sich um einen kompakten gasgekühlten Reaktor für schnelle Neutronen.
Der verwendete Brennstoff ist eine Verbindung (Dioxid oder Carbonitrid) von Uran. Da die Konstruktion jedoch sehr kompakt sein muss, weist das Uran eine höhere Anreicherung des Isotops 235 auf als in Brennstäben in konventionellen (zivilen) Kernkraftwerken, möglicherweise über 20 %. Und ihre Hülle ist eine monokristalline Legierung aus hochschmelzenden Metallen auf Molybdänbasis.
Dieser Kraftstoff muss sehr lange arbeiten hohe Temperaturen. Daher war es notwendig, Materialien zu wählen, die negative temperaturbedingte Faktoren eindämmen und gleichzeitig dem Brennstoff ermöglichen, seine Hauptfunktion zu erfüllen – das Kühlgas zu erhitzen, das zur Stromerzeugung verwendet wird.
Kühlschrank.
Die Kühlung von Gas während des Betriebs einer Kernanlage ist unbedingt erforderlich. Wie leitet man Wärme in den Weltraum ab? Die einzige Möglichkeit ist die Kühlung durch Strahlung. Die erhitzte Oberfläche im Hohlraum kühlt ab und strahlt Elektromagnetische Wellen in einem weiten Bereich, einschließlich sichtbarem Licht. Die Einzigartigkeit des Projekts liegt in der Verwendung eines speziellen Kühlmittels – einer Helium-Xenon-Mischung. Die Installation gewährleistet eine hohe Effizienz.
Motor.
Das Funktionsprinzip des Ionenmotors ist wie folgt. In der Gasentladungskammer wird mithilfe von Anoden und einem Kathodenblock, die sich in einem Magnetfeld befinden, ein verdünntes Plasma erzeugt. Von dort werden die Ionen des Arbeitsmediums (Xenon oder ein anderer Stoff) von der Emissionselektrode „gezogen“ und im Spalt zwischen dieser und der Beschleunigungselektrode beschleunigt.
Zur Umsetzung des Plans wurden zwischen 2010 und 2018 17 Milliarden Rubel versprochen. Von diesen Mitteln waren 7,245 Milliarden Rubel für den Staatskonzern Rosatom für den Bau des Reaktors selbst bestimmt. Weitere 3,955 Milliarden - FSUE „Keldysh Center“ für den Bau eines Kernkraftwerks. Weitere 5,8 Milliarden Rubel gehen an RSC Energia, wo im gleichen Zeitraum das funktionsfähige Erscheinungsbild des gesamten Transport- und Energiemoduls gestaltet werden muss.
Den Plänen zufolge soll bis Ende 2017 ein Kernkraftantriebssystem zur Vervollständigung des Transport- und Energiemoduls (Interplanetarer Transfermodul) vorbereitet werden. Bis Ende 2018 wird das Kernkraftwerk für Flugtests vorbereitet. Das Projekt wird aus dem Bundeshaushalt finanziert.
Es ist kein Geheimnis, dass in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts in den USA und der UdSSR mit der Entwicklung nuklearer Raketentriebwerke begonnen wurde. Wie weit sind sie gekommen? Und auf welche Probleme sind Sie unterwegs gestoßen?
Anatoly Koroteev: Tatsächlich wurde in den 1960er und 1970er Jahren hier und in den USA mit der Nutzung der Kernenergie im Weltraum begonnen und diese aktiv durchgeführt.
Ursprünglich bestand die Aufgabe darin, Raketentriebwerke zu entwickeln, die anstelle der chemischen Energie der Verbrennung von Treibstoff und Oxidationsmittel die Erhitzung von Wasserstoff auf eine Temperatur von etwa 3000 Grad nutzen würden. Es stellte sich jedoch heraus, dass ein so direkter Weg immer noch wirkungslos war. Wir erhalten für kurze Zeit einen hohen Schub, stoßen aber gleichzeitig einen Strahl aus, der sich bei einem abnormalen Betrieb des Reaktors als radioaktiv verseucht herausstellen kann.
Es wurden einige Erfahrungen gesammelt, aber weder wir noch die Amerikaner konnten zuverlässige Motoren entwickeln. Sie haben funktioniert, aber nicht viel, denn das Erhitzen von Wasserstoff auf 3000 Grad in einem Kernreaktor ist eine ernste Aufgabe. Darüber hinaus kam es bei Bodentests solcher Triebwerke zu Umweltproblemen, da radioaktive Strahlen in die Atmosphäre gelangten. Es ist kein Geheimnis mehr, dass solche Arbeiten auf dem speziell für Atomtests vorbereiteten Testgelände Semipalatinsk durchgeführt wurden, das in Kasachstan verblieb.
Das heißt, zwei Parameter erwiesen sich als kritisch – extreme Temperatur und Strahlungsemissionen?
Anatoly Koroteev: Im Allgemeinen ja. Aus diesen und einigen anderen Gründen wurde die Arbeit in unserem Land und in den USA eingestellt oder ausgesetzt – dies kann unterschiedlich beurteilt werden. Und es schien uns unvernünftig, sie so, würde ich sagen, frontal wieder aufzunehmen, um einen Atommotor mit all den bereits erwähnten Mängeln zu bauen. Wir haben einen völlig anderen Ansatz vorgeschlagen. Es unterscheidet sich vom alten in der gleichen Weise, wie sich ein Hybridauto von einem normalen unterscheidet. Bei einem normalen Auto dreht der Motor die Räder, aber bei Hybridautos wird vom Motor Strom erzeugt, der die Räder antreibt. Das heißt, es entsteht eine Art Zwischenkraftwerk.
Deshalb haben wir ein Schema vorgeschlagen, bei dem der Weltraumreaktor den von ihm ausgestoßenen Strahl nicht erhitzt, sondern Strom erzeugt. Heißes Gas aus dem Reaktor treibt die Turbine an, die Turbine treibt den elektrischen Generator und den Kompressor an, durch den das Arbeitsmedium zirkuliert geschlossener Kreislauf. Der Generator erzeugt Strom für den Plasmamotor mit einem spezifischen Schub, der 20-mal höher ist als der chemischer Analoga.
Kniffliges Schema. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um ein Mini-Atomkraftwerk im Weltraum. Und was sind seine Vorteile gegenüber einem Staustrahl-Atomtriebwerk?
Anatoly Koroteev: Die Hauptsache ist, dass der Strahl, der aus dem neuen Triebwerk austritt, nicht radioaktiv ist, da ein völlig anderes Arbeitsmedium durch den Reaktor strömt, der in einem geschlossenen Kreislauf enthalten ist.
Darüber hinaus müssen wir bei diesem Schema den Wasserstoff nicht auf unerschwingliche Werte erhitzen: Im Reaktor zirkuliert ein inertes Arbeitsmedium, das sich auf 1500 Grad erhitzt. Wir machen es uns wirklich einfach. Dadurch erhöhen wir den spezifischen Schub im Vergleich zu Chemiemotoren nicht um das Zweifache, sondern um das 20-fache.
Wichtig ist auch noch etwas: Aufwändige Großtests, die die Infrastruktur des ehemaligen Testgeländes Semipalatinsk, insbesondere den in der Stadt Kurtschatow verbliebenen Prüfstandsstandort, erfordern, entfallen.
In unserem Fall können alle notwendigen Tests auf russischem Territorium durchgeführt werden, ohne in lange internationale Verhandlungen über die Nutzung der Kernenergie außerhalb der Grenzen des eigenen Staates verwickelt zu werden.
Gibt es derzeit ähnliche Arbeiten in anderen Ländern?
Anatoly Koroteev: Ich hatte ein Treffen mit dem stellvertretenden Chef der NASA, wir haben Fragen im Zusammenhang mit der Wiederaufnahme der Arbeit an der Kernenergie im Weltraum besprochen und er sagte, dass die Amerikaner großes Interesse daran zeigen.
Es ist durchaus möglich, dass China seinerseits mit aktiven Maßnahmen reagiert, daher müssen wir schnell handeln. Und das nicht nur, um jemandem einen halben Schritt voraus zu sein.
Wir müssen vor allem schnell arbeiten, damit wir in der entstehenden internationalen Zusammenarbeit gut dastehen und sie sich tatsächlich formiert.
Ich schließe nicht aus, dass in naher Zukunft ein internationales Programm für ein nukleares Weltraumkraftwerk gestartet wird, ähnlich dem derzeit umgesetzten Programm zur kontrollierten thermonuklearen Fusion.
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 daran zu erinnern, dass moderne Raketentriebwerke, sowohl mit festen als auch mit flüssigen Brennstoffen, für Flüge über relativ große Entfernungen mehr als unbefriedigende Eigenschaften haben. 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 Kraftstoff und Oxidationsmittel in den erforderlichen Mengen. 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 an geringe Menge Kernbrennstoff.
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 . Dabei sind noch nicht einmal alle Kosten berücksichtigt, die notwendig sind, um Atommotoren zur Praxistauglichkeit zu bringen.
Die Stilllegung „billiger“ Shuttles und der jüngste Mangel an revolutionären Durchbrüchen in der Raumfahrttechnologie erfordern neue Lösungen. Im April dieses Jahres gab der damalige Chef von Roskosmos 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. Nun ist klar, wer die nächsten Revolutionäre in der Raumfahrt werden sollen: Die Entwicklung nuklearer Antriebsmotoren wird vom Keldysh Center Federal State Unitary Enterprise durchgeführt. Der Generaldirektor des Unternehmens, A. Koroteev, hat der Öffentlichkeit bereits mitgeteilt, dass der vorläufige Entwurf des Raumfahrzeugs für den neuen Kernantriebsmotor im nächsten Jahr fertig sein wird. Das Motordesign soll bis 2019 fertig sein, die Tests sind für 2025 geplant.
Der Komplex wurde TEM genannt – Transport- und Energiemodul. Es wird einen gasgekühlten Kernreaktor tragen. 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 weitere Aggregate antreiben oder sogar das gesamte TEM als Raumkraftwerk nutzen kann.
