Термоядерный ракетный двигатель

Термоядерный ракетный двигатель

Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.

Содержание

• 1 Принцип работы и устройство ТЯРД
  • 1.1 ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы
  • 1.2 ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор)
• 2 Типы реакций и термоядерное топливо
  • 2.1 Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)
  • 2.2 Реакция дейтерий + гелий-3
  • 2.3 Другие виды реакций
• 3 История, современное состояние и перспективы разработок ТЯРД
• 4 См. также
• 5 Ссылки

Принцип работы и устройство ТЯРД [ править | править код ]

В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД:

ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы [ править | править код ]

В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors ), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.

Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.

ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор) [ править | править код ]

Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи электромагнитной пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. На сегодняшний день уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия и разогрева топливных таблеток — тупиковый путь: невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием и нагревом топливных таблеток, как более эффективный, компактный и с гораздо большим физическим ресурсом. Тем не менее, в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса с 2013 года более четырёх раз в процессе экспериментов на 192 лазерной установке National Ignition Facility получили энергии больше, чем было затрачено для инициации реакции [1].

Однако есть мнение, что инерционно-импульсный ТЯРД получится слишком громоздким из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей при худших, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим характером его действия. Идеологически к ТЯРД на инерционно-импульсном принципе примыкают взрыволёты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».

Типы реакций и термоядерное топливо [ править | править код ]

ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T) [ править | править код ]

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет. То есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3 [ править | править код ]

2 H + 3 He = 4 He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

• Сниженный нейтронный поток (реакцию можно отнести к «безнейтронным»),
• Меньшая масса радиационной защиты,
• Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D- 3 He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций [ править | править код ]

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3 He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.

Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeV

Нейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.

Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и прочее. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведённую радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая ещё одну опасность для экипажа. Реакция дейтерий-гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.
В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.

История, современное состояние и перспективы разработок ТЯРД [ править | править код ]

Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на момент 2020 года ещё не созданы.

Значение словосочетания «термоядерные двигатели»

Значение словосочетания «термоядерный ракетный двигатель&raquo

1. техн. ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги используется истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции (Викисловарь)

Значение слова «термоядерный&raquo

ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ , —ая, —ое. (Малый академический словарь, МАС)

Значение слова «двигатель&raquo

ДВИ́ГАТЕЛЬ , -я, м. 1. Машина, превращающая какой-л. вид энергии в механическую энергию. Паровой двигатель. Двигатель внутреннего сгорания. Реактивный двигатель. Двигатель механизмов экскаватора. Двигатель бурового станка. (Малый академический словарь, МАС)

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.

Насколько понятно значение слова выпь (существительное):

Ассоциации к слову «двигатель&raquo

Синонимы к словосочетанию «термоядерные двигатели&raquo

Предложения со словосочетанием «термоядерные двигатели&raquo

• Неимоверной белизны след от трёх огромных термоядерных двигателей, тянулся за ним на расстояние нескольких сотен тысяч километров.

Цитаты из русской классики со словосочетанием «термоядерные двигатели»

• Но зачем приходить от него в такой восторг? зачем приписывать ему исправление нравов общества, зачем считать его каким-то двигателем ?

Сочетаемость слова «термоядерный&raquo

• термоядерная реакция
  термоядерный синтез
  термоядерный взрыв
• в области термоядерного синтеза
• (полная таблица сочетаемости)

Сочетаемость слова «двигатель&raquo

• реактивные двигатели
  вечный двигатель
  мощный двигатель
• двигатель внутреннего сгорания
  двигатель машины
  двигатели корабля
• шум двигателя
  рёв двигателей
  звук двигателя
• двигатель работал
  двигатель взревел
  двигатель заглох
• взреветь двигателем
  глушить двигатель
  прогреть двигатель
• (полная таблица сочетаемости)

Афоризмы русских писателей со словом «двигатель&raquo

• Я не знаю более сильного двигателя творчества, чем зависть.

Отправить комментарий

Дополнительно

• Как правильно пишется слово «термоядерный»
• Как правильно пишется слово «двигатель»
• Разбор по составу слова «термоядерный» (морфемный разбор)
• Разбор по составу слова «двигатель» (морфемный разбор)

Значение словосочетания «термоядерный ракетный двигатель&raquo

1. техн. ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги используется истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции

Значение слова «термоядерный&raquo

Значение слова «двигатель&raquo

ДВИ́ГАТЕЛЬ , -я, м. 1. Машина, превращающая какой-л. вид энергии в механическую энергию. Паровой двигатель. Двигатель внутреннего сгорания. Реактивный двигатель. Двигатель механизмов экскаватора. Двигатель бурового станка.

Предложения со словосочетанием «термоядерные двигатели&raquo

Неимоверной белизны след от трёх огромных термоядерных двигателей, тянулся за ним на расстояние нескольких сотен тысяч километров.

Эта задача опять же превосходит наши нынешние технические возможности, но пятая волна технических достижений сделает её выполнение возможным: у нас появятся нанокорабли, лазерные паруса, прямоточные термоядерные двигатели, двигатели на антивеществе.

Это означало, что даже корабли с термоядерными двигателями оказывались бесполезными.

Термоядерный ракетный двигатель

Термоя́дерный раке́тный дви́гатель (ТЯРД) — ракетный двигатель, в котором основным источником энергии являются термоядерные реакции. В настоящее время практически работающий двигатель ещё не создан, и работы над ним представляют теоретические изыскания и эксперименты на мощных исследовательских лазерных установках. Практическое значение этого двигателя крайне велико, так как в настоящее время именно в этом двигателе могут быть достигнуты предельные параметры удельного импульса и тяги на единицу веса.

Содержание

• 1 История работ по ЛТС
• 2 Основные теоретические характеристики двигателя
• 3 Устройство и принцип работы ЛТЯРД
• 4 Топливо. Термоядерные реакции. Мишени
• 5 Преимущества перед ядерными двигателями на основе реакций деления
• 6 Основные недостатки
• 7 Основной комплекс базовых задач выполняемый с помощью ЛТЯРД
  • 7.1 Полёты в Солнечной системе
  • 7.2 Грузоперевозки в Солнечной системе
  • 7.3 Задачи военного характера
  • 7.4 Межзвёздные полёты автоматических зондов
• 8 См. также
• 9 Ссылки
• 10 Литература

История работ по ЛТС [ править | править код ]

История термоядерного ракетного двигателя берёт своё начало с середины XX столетия, с того времени когда человечество овладело управляемой ядерной реакцией деления и получило возможность выделять термоядерную энергию в ходе мощных взрывов с использованием атомной бомбы в качестве источника тепла. Кроме того в тот период времени были открыты способы генерации лазерного излучения и было установленно что при фокусировке лазерного луча в его фокусе температуры достигают уровня необходимого для инициирования термоядерных реакций (миллионы К). В ходе исследований было установленно что для наиболее приемлемого к использованию в ЛТЯРД способа контролируемого проведения термоядерных реакций, пригоден лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В США и СССР со второй половины 50-х годов и по сегодняшний день в связи с перспективностью ЛТС идёт создание всё более мощных лазерных комплексов, и изучение термоядерных реакций в фокусе лазерного сжатия и нагрева специальных топливных мишеней содержащих смесь дейтерия с тритием. Помимо лазерного сжатия, также проводились и проводятся эксперименты по сжатию и нагреву термоядерных мишеней с помощью сфокусированных электронных и ионных пучков. Последние более выгодны для нагрева вещества до термоядерных температур ввиду более высокого КПД преобразования энергии, но имеют крупный недостаток — большую расходимость и рассеяние энергии в плазме. Именно лазерный нагрев считается поэтому наиболее приемлимым для создания практически работающих реакторов и двигателей на основе инерциального синтеза.

В 1968 году в СССР (ФИАН) была создана первая мощная лазерная установка для экспериментов по сжатию дейтерида лития (П. Г. Крюков, С. Д. Захаров, Ю. В. Сенатский), а в 1971 году в ФИАНе была создана ещё более мощная установка для сферического лазерного облучения топливных мишеней «Кальмар». В 1980 году в ФИАНе была запущена самая мощная в мире установка для сферического лазерно сжатия «Дельфин» на которой была показана принципиальная практическая осуществимость ЛТС с положительным выходом. Помимо этих установок также были созданы установки для экспериментов по УЛТС: «Сокол», «Прогресс», «Мишень», «Искра», «ТИР-1», «Перун» (совместно с Чехословакией). В дальнейшем была создана крупнейшая лазерная установка в мире «Искра-5», и в настоящее время создаётся мощнейшая в мире установка «Искра-6», мощность которой достаточно велика для создания практического лазерного термоядерного реактора или двигателя для космических полётов. В этом направлении достигнуты весьма значительные успехи, и на сегодняшний день ЛТЯРД может быть создан, хотя стоимость его будет очень высока (свыше 1 млрд.долл) по оценке американских специалистов.

В Соединённых Штатах Америки работы по ЛТС и возможности создания ТЯРД начались практически сразу после положительных результатов экспериментов полученных на лазерных установках в Советском Союзе. В середине 60-х г.г фирма «Аэроджет-дженерал нуклеоникс» по контракту с ВВС США начала исследования под руководством доктора Джона Льюиса по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Конечной целью этих исследований было обеспечение условий протекания самоподдерживающейся термоядерной реакции для получения энергии и ее использования в ракетных двигателях. Термоядерная реакция в этих случаях должна происходить в стационарных условиях, включая протекание ядерной реакции в «камере сгорания» термоядерного ракетного двигателя. Такой переход от внешнего цикла действия, как в случае импульсного ЯРД, к внутреннему циклу без упомянутых выше ограничений достижимого удельного импульса оказался возможен благодаря повышению температуры реакции приблизительно до 100 млн К. При такой температуре газ превращается в полностью ионизированную электропроводную плазму, которая может быть удержана магнитным полем в заданном пространстве. При значительном финансировании и поддержке правительства были созданы мощные установки: в 70-е годы «Янус», «Аргус», в дальнейшем «Шива», «Гелиос», при Рочестерском университете установка «OMEGA», и в апреле 1985 года в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса установка «NOVA». Также были созданы установки «Антарес», «Аврора» при Лос-Аламосской лаборатории которые вплотную приблизились к порогу положительного выхода энергии термоядерных реакций. В настоящее время в США строится новая мощная установка «NIF».

Работы в других странах:

Эксперименты и создания установок ЛТС проводились и проводятся в Германии «Астерикс», Японии по программе «KONGO» установки «LЕККО-VIII» и «GЕККО ХП», Франции «PHEBUS» и ряде других стран, но ощутимого успеха и оправданных практических результатов на сегодняшний день они не получили.

Основные теоретические характеристики двигателя [ править | править код ]

Использование тепловой энергии термоядерных реакций позволяет реализовать предельные возможности внутриядерной энергии в достижении максимальных характеристик ракетного двигателя по удельному импульсу и тяге. Так например при подсчёте энергии выделяющейся при образовании 1 кг гелия в ходе термоядерных реакций оказывается что она эквивалентна 60 300 тонн обычного ракетного топлива смеси керосина с кислородом, и в 7,1 раза больше чем деление 1 кг урана-235 (экв 8500 т керосино-кислородной смеси, экв 6161 тонн кислородно-водородной смеси). Скорости разлёта термоядерной плазмы достигают значения 25 000 — 30 000 км/сек, и соответственно достижимый в термоядерном двигателе удельный импульс примерно равен 2 500 000 — 3 000 000 сек.

Устройство и принцип работы ЛТЯРД [ править | править код ]

Условия практического осуществления:

Практическое осуществление такого ЛТЯРД возможно при удовлетворении трех основных требований:

1. Получение плазмы в процессе устойчивой самоподдерживающейся ядерной реакции, при которой лишь незначительная доля энергии всей системы выделяется в виде нейтронов.
2. Создание сверхсильного магнитного поля соответствующей конфигурации, позволяющей обеспечить условия устойчивой самоподдерживающейся реакции, и удержания плазмы в заданном ограниченном объёме камеры сгорания двигателя.
3. Конструктивная разработка устройства с минимальными весовыми характеристиками, обеспечивающего получение и стабилизацию сверхмощного магнитного поля для удержания высокотемпературной плазмы; требование «минимальных весовых характеристик» подразумевает также и требование низких расходных мощностей на поддержание и инициирование термоядерных реакций.

Принцип работы двигателя:

Принцип работы ЛТЯРД достаточно прост. В центр рабочей полости двигателя, посредством электромагнитной пушки подаются сферические лазерные термоядерные мишени наполненные смесью дейтерия с тритием, и оказавшись в эпицентре полости они облучаются со всех сторон мощным импульсным лазерным излучением. При мощном сжатии мишень разогревается свыше 100—1000 млн К и в ней происходит быстрая термоядерная реакция (термоядерный микровзрыв). Продукты реакций — гелий, остатки оболочки мишени, и непрореагировавший дейтерий и тритий, рентгеновское излучение, разлетаются во все стороны, но так как в камере двигателя создано сверхсильное магнитное поле сферической конфигурации, а в сопле продольное магнитное поле, то образующийся поток сверхгорячих газов не соприкасаясь со стенками полости вытекает в наружное пространство (в космос). Таким образом в конструкции двигателя обеспечивается управление потоком газов и выбрасывание их в определённом направлении (через сопло). Для возможности регулирования тяги в конструкции двигателя предусматривается форсажная камера (на рисунке не показана) в которую вводится дополнительное количество рабочего тела (водород).

Устройство двигателя:

Лазерный термоядерный двигатель является очень сложным сооружением, выполняемым с наиболее высокой степенью точности сборки, и применением нескольких взаимозависимых систем для обеспечения работы этого двигателя. В целом он состоит из следующих основных систем:

• Система равномерного лазерного облучения сферических топливных мишеней с регулировкой частоты.
• Система подачи мишеней синхронно с лазерными импульсами и регулируемой частотой
• Сверхпроводящая система магнитного удержания и направления продуктов термоядерных реакций.
• Система регенерации трития (облучение лития-6, сепарация и концентрирование трития).
• Фабрика мишеней (быстрое производство сферических мишеней с термоядерной смесью).
• Криогенная система охлаждения.
• Система охлаждения корпуса и стенок двигателя и выработки электроэнергии.

Помимо основных систем обеспечивающих равномерную работу двигателя, также имеются такие системы как:

• Система аккумулирования электроэнергии.
• Система контроля (общий контроль всех взаимоувязанных систем двигателя).
• Система хранения и подачи компонентов топлива (баки, насосы, клапана, датчики, трубопроводы и проч).
• Система радиационной защиты от рентгеновского, нейтронного и гамма-излучения работающего двигателя, или наведённой радиации.

Топливо. Термоядерные реакции. Мишени [ править | править код ]

Простая термоядерная мишень используемая в ЛТЯРД представляет собой правильную полую сферу изготовляемую с высочайшей степенью точности, и состоящую из двух частей: тонкую полую сферу (баллон, оболочку) из боросиликатного стекла и топливную смесь заполняющую оболочку. Мишень может иметь и более сложную структуру (многослойную) в зависимости от планируемой скорости термоядерных реакций и их направления. В простейшем случае полая оболочка заполняется смесью дейтерия с тритием в жидком виде, или газообразном с дальнейшим намораживанием смеси на стенку оболочки. Принципиально применение мишени достаточно простое: мишень выстреливается с большой скоростью в центр камеры двигателя, где обжимается со всех сторон действием импульса лазерных лучей. При импульсном сжатии достигаются необходимые условия для нормального протекания термоядерной реакции (критерий Лоусона). Размеры мишеней могут варьироваться в зависимости от планируемого режима работы двигателя (реактора), и его расчётной мощности.

Ядерные двигатели — быстрый способ достичь Марса?

Концепт корабля с ядерным двигателем для быстрого перемещения по Солнечной системе.

Современные полеты на Марс — дело небыстрое: чтобы добраться до Красной планеты, потребуется от 7 до 9 месяцев. Разумеется, для большинства зондов время полета не играет никакой роли, чего не скажешь о людях: за такое время в космосе они получат ощутимую дозу радиации, будут проблемы с потерей мышечной массы, нужно будет вести с собой серьезные запасы еды, да и вообще за больше чем полгода в космосе с кораблем может случиться все что угодно.

Выход? Использовать ядерные двигатели. Они, несмотря на все научные споры, все же могут производить энергию и тягу, необходимые для быстрой доставки большого космического корабля на Марс и, при желании, за его пределы. Идея ядерных ракетных двигателей возникла в 1940-х годах и тогда дальше теорий не зашла. Однако на этот раз планы межпланетных миссий, основанные на ядерном делении и синтезе, подкрепляются новыми проектами, которые имеют гораздо больше шансов оторваться от Земли.

Важно отметить, что ядерные двигатели предназначены только для межпланетных путешествий, а не для использования в атмосфере Земли. Иными словами, все равно понадобятся старые добрые химические ракеты для вывода аппарата за пределы низкой околоземной орбиты. И только после этого можно использовать ядерную двигательную установку.

Основная задача заключалась в том, чтобы сделать такие ядерные двигатели безопасными и достаточно легкими для космического полета. Новые виды топлива и конструкции реакторов, похоже, соответствуют необходимым параметрам, поскольку НАСА в настоящее время работает с партнерами по ядерной отрасли над возможными будущими пилотируемыми космическими полетами на ядерном топливе.

Быстрые полеты на Марс возможны только раз в два года, да и длятся они больше полугода. Ядерные ракетные двигатели могут это изменить.

«Ядерная силовая установка будет выгодна, если вы хотите отправиться на Марс и вернуться обратно менее чем за два года», — говорит Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий НАСА. По его словам, для реализации этой миссии «ключевой технологией, которую необходимо усовершенствовать, является топливо».

В частности, топливо должно выдерживать сверхвысокие температуры и нестабильные условия в ядерном тепловом двигателе. И теперь две компании заявляют, что их топливо достаточно надежно для создания безопасного, компактного и высокопроизводительного реактора. Фактически, одна из этих компаний уже предоставила НАСА детальный концептуальный проект.

Ядерная тепловая двигательная установка использует энергию, выделяющуюся в результате ядерных реакций, для нагрева жидкого водорода примерно до 2430 °C, что приблизительно в восемь раз превышает температуру активной зоны атомных электростанций. В итоге водород очень сильно расширяется и выбрасывается из сопла с огромной скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.

Такой двигатель может производить вдвое большую тягу на массу топлива по сравнению с химическими ракетами, позволяя кораблям с ядерными установками путешествовать дольше и быстрее. Кроме того, оказавшись в пункте назначения, будь то спутник Сатурна Титан или Плутон, ядерный реактор может переключиться с силовой установки на производство энергии, что позволит аппарату отправлять обратно высококачественные данные в течение многих лет.

Принцип работы ядерного ракетного двигателя.

Раньше, чтобы получить достаточную тягу от ядерной ракеты, требовался оружейный высокообогащенный уран. Более доступное низкообогащенное урановое топливо, используемое на коммерческих электростанциях, было бы более безопасным в использовании, но оно может стать хрупким и развалиться под воздействием высоких температур и химических воздействий со стороны чрезвычайно реактивного водорода.

Компания Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), базирующаяся в Сиэтле, создала урановое топливо с обогащением ниже 20%, что в разы выше, чем используемое в АЭС, но уже «не может быть использовано для гнусных целей, поэтому это значительно снижает риски нелегального распространения», — говорит технический директор компании Майкл Идс. Топливо от USNC-Tech содержит микроскопические частицы уранового топлива с керамическим покрытием, встроенные в матрицу из карбида циркония. Микрокапсулы удерживают радиоактивные побочные продукты деления внутри, позволяя при этом уйти выделившемуся в результате распада теплу.

Компания BWX Technologies из Линчбурга, штат Вирджиния, работает по контракту с НАСА и проектирует реакторы, использующие подобное керамическое композитное топливо, а также исследует альтернативную форму топлива, заключенную в металлическую матрицу. «Мы работаем над проектом нашего реактора с 2017 года», — говорит Джо Миллер, генеральный менеджер отдела передовых технологий компании.

В моделях «топливных ячеек» обеих компаний используются разные типы замедлителей. Они нужны чтобы замедлять высокоэнергетические нейтроны, образующиеся при делении, чтобы те могли поддерживать цепную реакцию, а не вызывать дальнейший лавинообразный распад с нагревом и разрушением реактора.

BWX размещает свои топливные блоки между гидридными элементами, а уникальная конструкция USNC-Tech включает в себя замедлитель из металлического бериллия. «Наше топливо выдерживает контакт с горячим водородом, не разрушается от излучений и не поглощает все нейтроны в реакторе», — говорит Идс.

Экспериментальный термоядерный двигатель, способный достигать температуры в 1 миллион градусов.

По словам Сэмюэля Коэна из Принстонской лаборатории физики плазмы, есть еще один путь к маленьким безопасным ракетам с ядерными двигателями: термоядерные реакторы. Обычный термоядерный синтез использует дейтерий и тритиевое топливо, но Коэн возглавляет группу ученых, разрабатывающих реактор, работающий благодаря синтезу между атомами дейтерия и гелием-3 в высокотемпературной плазме, в результате чего появляется очень мало нейтронов.

«Нам не нравятся нейтроны, потому что они могут изменить структуру материала, такого как сталь, на что-то типа сыра с дырками, и сделать его радиоактивным», — говорит он. По словам Коэна, концепт Принстонской лаборатории под названием Direct Fusion Drive также требует гораздо меньше топлива, чем нужно для традиционного термоядерного синтеза, и такой реактор может быть в тысячу раз меньше.

По словам Шихи из НАСА, термоядерная тяга теоретически может намного превзойти тягу, основанную на делении урана, потому что реакции термоядерного синтеза выделяют в разы больше энергии. Однако эта технология находится на ранней стадии развития и сталкивается с рядом проблем, включая создание и удержание плазмы и эффективное преобразование высвобождаемой энергии в направленную струю выхлопных газов. «Едва ли [термоядерные реакторы] будут готовы к полетам на Марс в конце 2030-х годов», — говорит он.

USNC-Tech, напротив, уже сделала небольшие прототипы ядерных реакторов на основе своего нового топлива. «Мы на пути к достижению цели НАСА — к 2027 году подготовить к запуску демонстрационную систему в половинном масштаба», — говорит Идс. Следующим шагом будет создание полномасштабной ядерной системы, которая вполне может быстро доставить астронавтов на Марс в 2035 году.