Научная работа

Научная работа

ЦЕЛЬ НИР и ОКР

Создание газофазного ядерного ракетного двигателя (ГФЯРД) с большим удельным импульсом (J> 3000 c.) для полетов на планеты Солнечной системы

1957 г. Начало работ по проекту по предложению В.М.Иевлева и поддержанного И.В.Курчатовым, М.В.Келдышем и С.П.Королевым.

Келдыш, Трескин, Иевлев, Курчатов, Александров.

1953 Постановление Правительства по созданию «крылатых ракет с прямоточным двигателем с использованием атомной энергии»

1955 Создание группы в НИИ-1 МАП по разработка концепции ЯРД во главе с В.М.Иевлевым (К.И.Артамонов, А.С. Коротеев, и др.), с удельным импульсом J=(850-900) сек «А» и до 2000 сек «В».

1956 Постановление Правительства по «созданию баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем» ГК ракеты – С.П.Королев, ГК двигателя – В.П.Глушко, НР реактора – А.И.Лейпунский. Организация подготовки специалистов в МАИ отв. инженер Н.Н.Пономарев-Степной.

1958 Постановление Правительства по созданию ЯРД , научное руководство поручить М.В.Келдышу, И.В.Курчатову и С.П.Королеву

1958 Начало строительства на полигоне №2 МО СССР (ядерный полигон в Семипалатинске) стенда с реактором и горячей лабораторией

1964 Постановление ЦК КПСС и СМ о строительстве стартового комплекса «Байкал» на Семипалатинском полигоне испытательной базы ЯРД

1966 Создание ЯРД 11Б91 («А») научное руководство- Центр Келдыша (В.М.Иевлев), изготовление — КБХА (А.Б.Конопатов), ТВС ЯРД – ПНИТИ (И.И.Федик)

1968 Разработка ГФЯР двигателя РД-600 научное рук-во – Центр Келдыша, разработка НПО «Энергомаш», В.П.Глушко с тягой 6 МН, J=2000 сек

1968 Постановление Правительства о создании ГФЯР РД-600 и строительство стендовой базы «Байкал-2»

1970 НПО «Энергомаш», Центр Келдыша – эскизный проект космической энергоустановки с ГФЯР ЭУ-610 W=3,3 ГВт

1972 Физический пуск реактора ИВГ на комплексе «Байкал» (Н.Н.Пономарев-Степной)

1978 Энергетический пуск первого реактора ЯРД 11Б91

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВАРИАНТ ГФЯРД (схема «В»)

РАБОТЫ по ГФЯР В США

1955 Начало работ по по программе Ровера по ЯРД типа «А» (SCNR) в Лос-Аламосе

1960 Разработка концепции ЯРД типа «В» (GCNR ) Weinstein, Kerrebrock (MIT) и Лос-Аламос с удельным импульсом J=(600-2000) сек

1963 Создание ядерного двигателя для ракетныз приложений (NERVA) – Вестинхауз и Лос-Алсмос

1962-68 Проведение экспериментов по гидродинамике, устойчивости плазмы, теплофизики и излучения урановой плазмы, оптических свойств водорода, нейтронные расчеты критичности реактора.

1973 Прекращение работ по ЯРД

(СОГЛАШЕНИЕ СССР И США)

НОВЫЙ ЭТАП ЯРД

1985 Лос-Аламос и НАСА – исследование всех аспектов лунной миссии. Вывод: необходимо возобновление работ по «В» (снижение в 2 раза стоимости и времени полета). Оборудование и системы сохранены в Лос-Аламосе и Неваде (ЦК и Семипалатинск)

1989 Президент Буш объявил программу SEI (Space Exploration Initiative) – пилотируемый полет на Марс в 2018 (см. КП России). ЯРД рассматривается базовой системой в НАСА и Лос-Аламосе. Создана команда DOE/NASA для исследования и реализации ЯРД.

1991 Конференция по ГФЯР в Лос-Аламосе

1992 Исследования по устойчивости, нейтронам, смещению, численному моделированию, МГД

2005 Китай и Казахстан объявили приоритетными работы по ядерной энергии в космосе

Программа ГФЯР в США не была успешной по причине

«недостатка экспериментальных данных по теплофизческим свойствам веществ и вычислительных мощностей для моделирования высокотемпературной гидродинамики и турбулентности » (Из отчета МИТ, R.Patrick, Kerrebrock). Эти проблемы были решены в СССР с участием кафедры физической механики

Организация работ по крупному атомному Ракетному проекту в космосе в СССР и США выполнялась триадой Научный Центр – Университет — Исптытельный полигнон.

В США это Лос-Аламос – МИТ — Невада

В СССР это Центр Келдыша — МФТИ — Семипалатинск

Основные направления работ

Реализация рабочего процесса в газофазном ТВЭЛе . Теплофизика ядерного горючего и рабочего тела, вихревая и магнитная гидродинамика, лучистый и конвективный тепло– и массообмен, теплозащита стенок и торцов рабочей камеры и выходного канала, достижение критичности ГФЯР, обеспечение устойчивости работы ГФЯР вследствие высокой подвижности ядерного горючего.

Параметры ГФЯР

· давление – 1000 атм

· температура ядерного горючего – 40-60 тыс. К, рабочего тела — 8.10 тыс К

· расплавленный уран при температуре 1500. 2300 К

· водород высокого давления при температуре до 2800 К,

· жидкометаллические щелочные металлы до 2800 К дают образование агрессивных сред.

Литература

А.С.Коротеев, Э.Е.Сон. Развитие работ по газофазному ядерному реактору в России. AIAA-2007-0035, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, Nevada.

Газофазный ядерный реактивный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГФЯРД) — двигатель, в котором для образования реактивной струи используется энергия деления ядерного топлива, находящегося в газообразной плазменной форме, и передаваемая эффективному теплоносителю (гелий, водород). Отличается исключительно большой мощностью, теплонапряжением в так называемой «горячей зоне», и высоким удельным импульсом.

Перспективный двигатель для ракет, осваивающих глубокий космос.

Содержание

Принцип работы

Принцип работы ГФЯРД достаточно прост: в критической сборке реактора расположены специальные ТВЭЛы, в которых, в зависимости от конструктивного типа ТВЭЛа, происходит деление урана, плутония и др. в паровой (газообразной) фазе (урановая плазма). Разогретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передаёт тепловую энергию теплоносителю (водород, гелий) с помощью лучистого теплообмена, а теплоноситель в свою очередь будучи нагрет до высоких температур и образует реактивную струю с высоким удельным импульсом.

ГТВЭЛ

ГТВЭЛ (газофазный топливный элемент) в ГФЯРД подразделятся на различные группы, в зависимости от того как организован процесс деления урановой плазмы. В настоящее время достаточно точно исследованы пять групп ГТВЭЛ, и именно на них базируется та или иная конструкция ГФЯРД. Группы ГТВЭЛ:

• ТВЭЛ с прозрачной перегородкой (с закрытым контуром)

В конструкции ТВЭЛ с прозрачной перегородкой и замкнутым контуром используются так же передача энергии от урановой плазмы к рабочему телу с помощью излучения, но в отличие от схемы ТВЭЛ с открытым контуром, уран в данном случае циркулирует по замкнутому циклу и после очистки и сгущения вновь направляется в полость ТВЭЛ для энерговыделения. Двигатель на основе данной схемы ТВЭЛ обладает существенно более высокой экономичностью и потери урана в нём относительно невелики. Другим достоинством его является возможность получения не только высокого удельного импульса, но и больших величин удельной тяги (десятки-сотни тонн). Температуры в полости деления урановой плазмы в таком ТВЭЛ достигают 25 000 — 30 000 °К.

• ТВЭЛ с разделением урановой плазмы и рабочего тела в активной зоне реактора

Используется разделение сред в поле центробежных сил за счет разницы в массе рабочего тела и урана. Твэл — цилиндрический канал, в который тангенсально вводится смесь. Силы действующие в вихре компенсируются центробежными силами. Размер выходного сопла выбирается с учетом допустимой потери урана. Наиболее сложно осуществление разделения урана и рабочего тела в вихре при жестком ограничении потери урана. Необходимо оценивать степень турбулизации потока, так как она влияет на распределение урана.

• ТВЭЛ со стабилизацией течения струи плазмы магнитным полем

ТВЭЛ струйного типа с рециркуляцией урана по замкнутой схеме экономичен и надёжен, но как показали исследования наложение сильного продольного магнитного поля на столб ионизированной урановой плазмы позволяет существенно улучшить геометрию столба урановой плазмы и как следствие повысить не только её устойчивость, но и резко уменьшить смешение паров ядерного топлива с рабочим телом. В настоящее время такая схема является наиболее предпочтительной для создания мощных и долговечных ГФЯРД с наиболее высокими температурами в зоне деления и соответственно с наиболее высоким удельным импульсом. В пределе могут быть достигнуты и использоваться в ТВЭЛах такого типа температуры до 60 000-90 000К (!) и выше, а удельный импульс может быть доведён до 6000-10000 сек. Мнение большинства специалистов рассматривает именно этот тип ТВЭЛ как наиболее вероятный для создания двигателей для полётов к другим планетам.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Преимущество ГФЯРД перед другими типами и видами реактивных двигателей состоит в том, что в нём могут быть реализованы чрезвычайно высокие мощностные характеристики, удельный импульс, и относительно малая масса на единицу мощности. Подобно мощным жидкостным ракетным двигателям, в ГФЯРД может быть получена тяга в сотни и даже тысячи тонн. При этом если химическое топливо позволяет достичь предельного удельного импульса в 600 сек (max’), то в ГФЯРД удельный импульс превышает 1000 сек и может быть доведён до 10 000 сек (max’). Помимо этого ГФЯРД обладает удельной мощностью в десятки и сотни раз большей чем ТФЯРД (твердофазный ядерный ракетный двигатель) и более широким спектром топливных композиций (уран-233, уран-235, плутоний-239 и некоторые трансураны).

Недостатки

Основным недостатком ГФЯРД является его радиационная опасность, напрямую зависящая от коэффициента деления урана. При любом, даже самом минимальном выносе урана и его продуктов деления из сопла двигателя, общий объём радиоактивного загрязнения оказывается недопустимо большим. Вынос газообразного урана и радиоактивных продуктов его деления, представляет серьёзную экологическую опасность и исключает возможность применения ГФЯРД для старта с Земли. Единственно приемлемым способом его эксплуатации является использование ГФЯРД для разгона космических кораблей и иных грузов исключительно в космическом пространстве, а также на иных планетах и их спутниках (допускающих возможность загрязнения).

История ядерного газофазного двигателя начинает свой путь с конца 50-х годов, в то время когда человечеством была достигнута устойчивая технология производства ядерной энергии в реакторах и был накоплен солидный объём данных о ядерном топливе и его поведении в самых различных условиях эксплуатации. Сама возможность реализации принципов деления ядерного топлива в газообразной фазе предопределила и стремление учёных-атомщиков и разработку газообразного ТВЭЛа. Появилось несколько схем устройства газофазных ядерных реакторов и ракетных двигателей, но существенное отставание в практическом материаловедении от теоретических разработок не позволило создать рабочий образец газофазного реактора и ракетного двигателя по сегодняшний день. Трудности практической реализации оказались весьма велики, и в их ряду: организация устойчивого деления, создание критических условий в ГТВЭЛ (газофазный топливный элемент), подбор тугоплавких конструкционных материалов, и КПД деления топлива, оказались полностью взаимоувязаны и представляют комплексную проблему.

В связи с этим разработчики стали вести поиски направлений реализации ГТВЭЛ в области физического удержания урановой плазмы с помощью сверхсильных магнитных полей. В этом направлении был достигнут наиболее ощутимый успех, и в этом прямая заслуга атомщиков-профессионалов России, но как и прежде ещё существует значительная масса технических трудностей. Ведущей страной в направлении разработки и конструирования ГФЯРД является Россия.

Значение для космонавтики

Значение ГФЯРД для освоения космического пространства весьма велико, так как именно в таком двигателе на сегодняшний день может быть реализована не только очень большая тяга и общий энергозапас, но и ввиду громадного удельного импульса очень высокие скорости до которых может быть разогнан пилотируемый или непилотируемый космический аппарат. Достижение возможности ускорения космических кораблей до сотен и первых тысяч километров в секунду открывает путь пилотируемым полётам к самым отдалённым уголкам Солнечной системы (Пояс Койпера) за разумно короткие сроки.

Помимо этого применение ГФЯРД позволит обеспечить практическое освоение и колонизацию Луны и Марса. Гигантские величины удельной тяги ГФЯРД позволят осуществлять быструю буксировку достаточно крупных астероидов с ценными полезными ископаемыми или запасами необходимых элементов требуемых в процессах терраформирования планет.

Космическая тяга: сможет ли Россия создать ядерный двигатель для ракет

В России провели испытания системы охлаждения ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) — одного из ключевых элементов космического аппарата будущего, на котором можно будет совершать межпланетные полеты. Зачем в космосе нужен ядерный двигатель, как он работает и почему «Роскосмос» считает эту разработку главным российским космическим козырем, рассказывают «Известия».

История атома

Если положить руку на сердце, то со времен Королева ракеты-носители, используемые для полетов в космос, кардинальных изменений не претерпели. Общий принцип работы — химический, основанный на сгорании топлива с окислителем, остается прежним. Меняются двигатели, система управления, виды топлива. Основа путешествий в космосе остается неизменной — реактивная тяга толкает ракету или космический аппарат вперед.

Очень часто можно услышать, что нужен серьезный прорыв, разработка, способная заменить реактивный двигатель, чтобы повысить эффективность и сделать полеты к Луне и Марсу более реалистичными. Дело в том, что в настоящее время едва ли не большая часть массы межпланетных космических аппаратов, — это топливо и окислитель. А что если отказаться от химического двигателя вообще и начать использовать энергию ядерного двигателя?

Идея создания ядерной двигательной установки не нова. В СССР развернутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано еще в далеком 1958 году. Уже тогда были проведены исследования, показавшие, что, используя ядерный ракетный двигатель достаточной мощности, можно добраться до Плутона (еще не утратившего свой планетный статус) и обратно за шесть месяцев (два туда и четыре обратно), потратив на путешествие 75 т топлива.

Занимались в СССР разработкой ядерного ракетного двигателя, однако приближаться к реальному прототипу ученые стали только сейчас. Дело не в деньгах, тема оказалась настолько сложной, что ни одна из стран не смогла до сих пор создать работающий прототип, а в большинстве случаев всё заканчивалось планами и чертежами. В США проводились испытания двигательной установки для полета на Марс в январе 1965 года. Но дальше тестов KIWI проект NERVA по покорению Марса на ядерном двигателе не сдвинулся, да и был он значительно проще, чем нынешняя российская разработка. Китай поставил в свои планы космического развития создание ядерного двигателя поближе к 2045 году, что тоже очень и очень не скоро.

В России же новый виток работы над проектом ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем начался в 2010 году. Проект создается силами «Роскосмоса» и «Росатома» совместно, и его можно назвать одним из самых серьезных и амбициозных космических проектов последнего времени. Головным исполнителем по ЯЭДУ является Исследовательский центр им. М.В. Келдыша.

Ядерное движение

На протяжении всего времени разработки в прессу просачиваются новости о готовности то одной, то другой части будущего ядерного двигателя. При этом в целом, кроме специалистов, мало кто представляет себе, как и за счет чего он будет работать. Собственно, суть космического ядерного двигателя примерно такая же, как и на Земле. Энергия ядерной реакции используется для нагрева и работы турбогенератора-компрессора. Если говорить проще, то ядерная реакция используется для получения электричества, практически точно так же, как и на обычной атомной электростанции. А уже при помощи электричества работают электроракетные двигатели. В данной установке это ионные двигатели высокой мощности.

В ионных двигателях тяга создается путем создания реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Ионные двигатели есть и сейчас, они испытываются в космосе. Пока у них только одна проблема — практически все они имеют очень небольшую тягу, хоть и расходуют очень мало топлива. Для космических путешествий такие двигатели — прекрасный вариант, особенно если решить проблему получения электричества в космосе, что и сделает ядерная установка. К тому же работать ионные двигатели могут достаточно долго, максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трех лет.

Если посмотреть на схему, можно заметить, что ядерная энергия начинает свою полезную работу совсем не сразу. Сначала нагревается теплообменник, затем вырабатывается электричество, оно уже используется для создания тяги ионного двигателя. Увы, более простым и эффективным образом использовать ядерные установки для движения человечество пока не научилось.

В СССР запускались спутники с ядерной установкой в составе комплекса целеуказания «Легенда» для морской ракетоносной авиации, но это были совсем маленькие реакторы, а их работы хватало только на выработку электричества для повешенных на спутник приборов. Советские космические аппараты имели мощность установки в три киловатта, сейчас же российские специалисты работают над созданием установки с мощностью более мегаватта.

Проблемы космического масштаба

Естественно, что проблем у ядерной установки в космосе гораздо больше, чем на Земле, и самая главная из них — это охлаждение. В обычных условиях для этого используется вода, очень эффективно поглощающая тепло двигателя. В космосе же сделать это нельзя, и ядерным двигателям требуется эффективная система охлаждения — причем тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство, то есть делать это можно только в виде излучения. Обычно для этого в космических кораблях используются панельные радиаторы — из металла, с циркулирующей по ним жидкостью теплоносителем. Увы, такие радиаторы, как правило, имеют большой вес и габариты, кроме того, они никак не защищены от попадания метеоритов.

В августе 2015 года на авиасалоне МАКС была показана модель капельного охлаждения ядерных энергодвигательных систем. В ней жидкость, рассеянная в виде капель, пролетает в открытом космическом пространстве, охлаждается, а затем снова собирается в установку. Только представьте себе огромный космический корабль, в центре которого гигантская душевая установка, из которой вырываются наружу миллиарды микроскопических капель воды, летят в космосе, а затем засасываются в огромный раструб космического пылесоса.

Совсем недавно стало известно, что капельная система охлаждения ядерной двигательной установки была испытана в земных условиях. При этом система охлаждения — это важнейший этап в создании установки.

Теперь дело за тем, чтобы испытать ее работоспособность в условиях невесомости и уже только после этого систему охлаждения можно будет пробовать создать в размерах, требуемых для установки. Каждое такое успешное испытание по чуть-чуть приближает российских специалистов к созданию ядерной установки. Ученые спешат изо всех сил, ведь считается, что вывод ядерного двигателя в космос сможет России помочь вернуть лидерские позиции в космосе.

Ядерная космическая эра

Допустим, это получится, и уже через несколько лет в космосе начнет свою работу ядерный двигатель. Чем это поможет, как это можно будет использовать? Для начала стоит уточнить, что в том виде, в котором ядерная двигательная установка существует сегодня, она может работать только в космическом пространстве. Взлетать с Земли и садиться в таком виде она не может никак, тут пока без традиционных химических ракет не обойтись.

А зачем в космосе? Ну слетает человечество до Марса и Луны быстро, и всё? Не совсем так. В настоящее время все проекты орбитальных заводов и фабрик, работающих на орбите Земли, стопорятся из-за отсутствия сырья для работы. Нет смысла строить что-либо в космосе до тех пор, пока не найден способ выводить на орбиту большое количество требуемого сырья, например металлической руды.

Но зачем поднимать их с Земли, если можно, наоборот, привезти из космоса. В том же поясе астероидов в Солнечной системе есть просто огромные запасы различных металлов, в том числе и драгоценных. И вот в таком случае создание ядерного буксира станет просто палочкой-выручалочкой.

Привезти на орбиту огромный платино- или золотосодержащий астероид и начать его разделывать прямо в космосе. По расчетам специалистов такая добыча с учетом объема может оказаться одной из наиболее выгодных.

А есть ли менее фантастическое применение ядерному буксиру? Например, с его помощью можно развозить по нужным орбитам спутники или привозить в нужную точку пространства космические аппараты, например на лунную орбиту. В настоящее время для этого используются разгонные блоки, например российский «Фрегат». Они дорогие, сложные и одноразовые. Ядерный буксир сможет подхватывать их на низкой околоземной орбите и доставлять куда необходимо.

Аналогично и с межпланетными путешествиями. Без быстрого способа доставлять грузы и людей на орбиту Марса шансов начать колонизацию просто нет. Ракеты-носители нынешнего поколения будут делать это очень дорого и долго. До сих пор длительность полета остается одной из самых серьезных проблем при полете к другим планетам. Выдержать месяцы полета на Марс и обратно в закрытой капсуле космического корабля — задача не из простых. Ядерный буксир сможет помочь и тут, существенно сократив это время.

Необходимо и достаточно

В настоящее время всё это выглядит фантастикой, но до тестирования прототипа, как утверждают ученые, остаются считаные годы. Главное, что требуется, это не только завершить разработку, но и сохранить в стране необходимый уровень космонавтики. Даже при падении финансирования должны продолжать взлетать ракеты, строиться космические аппараты, работать ценнейшие специалисты.

Иначе один атомный двигатель без соответствующей инфраструктуры делу не поможет, для максимальной эффективности разработку будет очень важно не просто продать, но использовать самостоятельно, показав все возможности нового космического транспортного средства.

Пока же всем жителям страны, не завязанным на работе, остается только посматривать на небо и надеяться, что у российской космонавтики всё получится. И ядерный буксир, и сохранение нынешних возможностей. В другие исходы и верить не хочется.

Ракета с ядерным двигателем: миф или реальность

Проблема досягаемости территории США для СССР, окруженного со всех сторон американскими базами, возникла сразу после окончания Второй мировой войны. Американские и английские стратегические бомбардировщики с ядерным оружием размещались вокруг не для мифической защиты от международных террористов, а конкретно для нападения на Советский Союз. Достичь же территории США с советских аэродромов классические советские бомбардировщики не могли: для этого требовалась дальность не менее 16 000 км. Для поражения же удаленных целей на территории США и свободного выбора трассы полета для обхода районов ПВО требовалась дальность в 25 000 км. Обеспечить ее на сверхзвуковом режиме могли только самолеты с ядерными силовыми установками.

Турбореактивный. Атомный

Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» – КБ Архипа Люльки.

Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА – «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.

Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте – в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.

Космический буксир

За прошедшие 70 лет мало что изменилось: мы даже еще плотнее окружены американскими базами, досягаемость территории США все еще является проблемой, разве что мы научились делать прекрасные системы автономного управления – посадка «Бурана» тому подтверждение. И как в пятидесятые, никакой альтернативы для длительного межконтинентального полета в атмосфере, кроме ядерного двигателя, нет. А тема эта не просто секретная, а суперсекретная. Тем не менее что-то мы знаем, а о чем-то можно догадаться.

Последние открытые данные поступали из незавершенного проекта ядерной энергодвигательной установки для «космического буксира». Занимался космическим реактором Институт имени Келдыша, в котором до недавнего времени довольно охотно делились информацией об этом проекте. Но несколько лет назад все общение с журналистами на эту тему представители института прекратили – прямой признак, что работы, которые раньше велись для «мирного космоса», переросли в немирные. Но кое-что удалось узнать ранее.

Например, что в реакторе для ядерного реактивного двигателя (ЯРД) использовалось уникальное топливо, состоявшее из карбидов – соединений урана, вольфрама и ниобия с углеродом. Это позволило далеко опередить по допустимым температурам классический оксид урана, который плавится примерно при 2500 градусах. Такое топливо неплохо работало в водородной среде, в которую, правда, приходилось добавлять гептан для подавления химических реакций карбидов с водородом. Но в окислительной среде, какой является раскаленный до пары тысяч градусов воздух (а наша ядерная крылатая ракета летит в атмосфере), карбиды работать не смогут: углерод будет окисляться кислородом, а оставшиеся металлы расплавятся и улетят с потоком теплоносителя. Подольское НПО «Луч», производившее эти ТВЭЛы, научилось покрывать топливные стерж-ни металлическим ниобием, что расширило список различных сред, в которых это топливо устойчиво, но при тех температурах, которые нужны в ЯРД, ниобий реагирует с кислородом, образуя оксид, и тоже не может защитить топливо. Может быть, сплав тантала с гафнием мог бы быть достаточно стойким в этих условиях, но гафний сильно поглощает нейтроны, что затрудняет конструирование реактора.

Следовательно, напрямую ЯРД в двигатель для полета в атмосфере не конвертируется. Хотя многие идеи заимствовать можно, и они являются общими для разных малогабаритных и космических реакторов. Например, органы управления реактором в виде поворотных барабанов, врезанных в боковой отражатель нейтронов из бериллия. Примерно такая схема применялась и в советских космических ядерных энергетических установках «Бук» и «Топаз», и в некоторых американских реакторах, тоже предназначенных для использования вне Земли. А топливо, скорее всего, придется применять оксидное, как в большинстве реакторов по всему миру. Во всяком случае, пока завеса секретности не опустилась на «космический буксир», келдышевцы планировали использовать в этой ЯЭДУ именно оксидное топливо.

Быстрые и медленные нейтроны

Но почему-то неспециалисты дружно решили, что основой двигателя крылатой ракеты должен стать реактор на быстрых нейтронах. Объяснение простое: ради компактности устройства в нем нужно применять ядерное топливо высокого обогащения, а тогда замедлитель оказывается не нужен, ведь он увеличивает сечение деления у урана-235, мало влияя на сечение захвата ураном-238. Кроме того, медленные нейтроны имеют ту же температуру, что и замедлитель, а значит, их энергия растет вместе с температурой в реакторе, уменьшая их преимущества. Действительно, «Бук» – самый массовый космический реактор – работал на быстрых нейтронах, а его наследник «Топаз» – на промежуточных. Однако реактор на тепловых нейтронах может быть не менее компактным: замедлитель из гидрида циркония позволяет создать реактор с диаметром активной зоны меньше полуметра, что и было реализовано в советском ЯРД. А для снижения температуры замедлитель должен охлаждаться отдельным потоком теплоносителя, тогда можно реализовать все преимущества медленных нейтронов. Кроме того, в реакторе на тепловых нейтронах можно использовать весьма экзотический изотоп – америций-242м. Несмотря на то что сейчас производство этого изотопа не налажено, организовать его гораздо проще, чем производство полумифического калифорния – в отработанном ядерном топливе америций-241 накапливается сам собой, и его можно выделять достаточно простыми химическими реакциями (и его выделяют, так как он используется, например, в некоторых детекторах дыма). Если из оксида америция-241 спрессовать таблетки и загрузить их в реактор на быстрых нейтронах, тот же БН-800, то можно быстро накопить достаточное количество америция-242м. Буква в конце названия означает, что это ядерный изомер, находящийся в возбужденном состоянии. Дело в том, что у обычного америция-242, чьи ядра находятся в наинизшем энергетическом состоянии, период полураспада всего 16 ч, а у ядра 242м – целых 140 лет. А зачем он нужен? С замедлителем из гидрида циркония он имеет критическую массу меньше 50 г! Соответственно, реактор на нем будет иметь диаметр (без отражателя) порядка 10 см. Такой реактор, правда, с водяным замедлителем, предлагалось использовать в медицине, для нейтронно-захватной терапии. А вот чего точно не будет в реакторе для крылатой ракеты, так это торцевых отражателей нейтронов. Для них просто не остается места: с одной стороны должен быть воздухозаборник, с другой – сопло.

Реконструкция

Несмотря на секретность, примерный внешний облик двигателя представить можно. Впрочем, он не изменился с 60-х годов прошлого века, когда случилась первая волна разработки ядерных самолетов – все схемы были ясны уже тогда. Они разделяются на два принципиально различных класса – с прямым нагревом воздуха в реакторе и с косвенным, когда между воздухом и реактором есть промежуточный теплоноситель и теплообменник. Вторая схема гораздо чище, так как продукты деления не попадают в воздух, но для одноразовых беспилотных аппаратов годится и первая.