Как работает ядерный двигатель — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Ядерный ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.

Давайте разберем варианты и принципы из действия…

Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела — порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа — твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым — режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.

Это копия статьи, находящейся по адресу http://masterokblog.ru/?p=20860.

Tags: Технологии, Энергия

Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки / Хабр

Часто в общеобразовательных публикациях о космонавтике не различают разницу между ядерным ракетным двигателем (ЯРД) и ядерной ракетной электродвигательной установкой (ЯЭДУ). Однако под этими аббревиатурами скрывается не только разница в принципах преобразования ядерной энергии в силу тяги ракеты, но и весьма драматичная история развития космонавтики.

Драматизм истории состоит в том, что если бы остановленные главным образом по экономическим причинам исследования ЯДУ и ЯЭДУ как в СССР, так и в США продолжились, то полёты человека на марс давно бы уже стали обыденным делом.

Всё начиналось с атмосферных летательных аппаратов с прямоточным ядерным двигателем

Конструкторы в США и СССР рассматривали «дышащие» ядерные установки, способные втягивать забортный воздух и разогревать его до колоссальных температур. Вероятно, этот принцип образования тяги был заимствован от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, только вместо ракетного топлива использовалась энергия деления атомных ядер диоксида урана 235.

В США такой двигатель разрабатывался в рамках проекта Pluto[1]. Американцы сумели создать два прототипа нового двигателя — Tory-IIA и Tory-IIC, на которых даже производились включения реакторов. Мощность установки должна была составить 600 мегаватт.

Двигатели, разработанные в рамках проекта Pluto, планировалось устанавливать на крылатые ракеты, которые в 1950-х годах создавались под обозначением SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая маловысотная ракета).

В США планировали построить ракету длинной 26,8 метра, диаметром три метра, и массой в 28 тонн. В корпусе ракеты должен был располагаться ядерный боезаряд, а также ядерная двигательная установка, имеющая длину 1,6 метра и диаметр 1,5 метра. На фоне других размеров установка выглядела весьма компактной, что и объясняет её прямоточный принцип работы.

Разработчики полагали, что, благодаря ядерному двигателю, дальность полета ракеты SLAM составит, по меньшей мере, 182 тысячи километров.

В 1964 году министерство обороны США проект закрыло. Официальной причиной послужило то, что в полете крылатая ракета с ядерным двигателем слишком сильно загрязняет все вокруг. Но на самом деле причина состояла в значительных затратах на обслуживание таких ракет, тем более к тому времени бурно развивалось ракетостроение на основе жидкостных реактивных ракетных двигателей, обслуживание которых было значительно дешевле.

СССР оставалась верной идеи создания ЯРД прямоточной конструкции значительно дольше, чем США, закрыв проект только в 1985 году [2]. Но и результаты получились значительно весомее. Так, первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель был разработан в конструкторском бюро «Химавтоматика», Воронеж. Это РД-0410 (Индекс ГРАУ — 11Б91, известен также как «Ирбит» и «ИР-100»).

В РД-0410 был применён гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов — из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, с обогащением по изотопу 235 около 80 %.

Конструкция включала в себя 37 тепловыделяющих сборок, покрытых теплоизоляцией, отделявшей их от замедлителя. Проектом предусматривалось, что поток водорода вначале проходил через отражатель и замедлитель, поддерживая их температуру на уровне комнатной, а затем поступал в активную зону, где охлаждал тепловыделяющие сборки, нагреваясь при этом до 3100 К. На стенде отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода.

Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы. Однако, вне реакторные узлы были отработаны полностью.

Технические характеристики РД 0410

Тяга в пустоте: 3,59 тс (35,2 кН)

Тепловая мощность реактора: 196 МВт

Удельный импульс тяги в пустоте: 910 кгс·с/кг (8927 м/с)

Число включений: 10

Ресурс работы: 1 час

Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан

Масса с радиационной защитой: 2 тонны

Габариты двигателя: высота 3,5 м, диаметр 1,6 м.

Относительно небольшие габаритные размеры и вес, высокая температура ядерного топлива (3100 K) при эффективной системе охлаждения потоком водорода свидетельствует от том, что РД0410 является почти идеальным прототипом ЯРД для современных крылатых ракет. А, учитывая современные технологии получения самоостанавливающегося ядерного топлива, увеличение ресурса с часа до нескольких часов является вполне реальной задачей.

Конструкции ядерных ракетных двигателей

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак)[3].

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Ядерная энергодвигательная установка

Учитывая, что какую-либо достоверную информацию о ЯЭДУ по публикациям, в том числе и из научных статей, получить невозможно, принцип работы таких установок лучше всего рассматривать на примерах открытых патентных материалов, хотя и содержащих ноу-хау.

Так, например, выдающимся российским учёным Коротеевым Анатолием Сазоновичем, автором изобретения по патенту [4], приведено техническое решение по составу оборудования для современной ЯРДУ. Далее привожу часть указанного патентного документа дословно и без комментариев.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат — турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по «горячему» рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по «холодному» рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем, из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на «горячую» и «холодную» составляющие. «Горячая» часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. «Холодная» часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее, частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Ссылки:

1.Ракета, о которой никто не знал.

2.РД-0410.

3.Ядерные ракетные двигатели.

4. RU 2522971

Ядерные двигательные установки | ANSTO

Плотность энергии ядерного топлива значительно выше, чем плотность энергии всех других используемых видов топлива. Например, уголь — 33 МДж/кг, бензин — 47 МДж/кг, водород — 142 МДж/кг, а U-235 — 8×10 ⁷ МДж/кг. Причина в большой разнице между электронными связями и ядерными связями, что делает ядерное топливо очень привлекательным для двигательных установок. В современных технологиях используется процесс деления (расщепления атомов), который генерирует большое количество тепловой энергии, прямо или косвенно используемой для движения.

Применения

Космос

Использование ядерной силовой установки является единственной практической технологией, которая позволяет развивать полеты в дальний космос к внешним частям Солнечной системы. Фотоэлектрические солнечные батареи не подходят для этой среды. Существует несколько различных концепций реакторных двигателей; однако основное внимание уделяется двум типам ядерных двигательных установок: (i) ядерным электрическим двигателям и (ii) ядерным тепловым двигателям.

Spear Probe — сверхлегкий зонд НАСА с ядерной электрической тягой

Nuclear Electric Propulsion преобразует тепловую энергию, вырабатываемую ядерным реактором, в электричество, которое затем используется для ионизации (положительного заряда) инертного газа-вытеснителя (ксенона, Криптон). На последнем этапе ионизированное топливо ускоряется из двигателя с помощью электромагнитного поля, создавая небольшую тягу, толкая космический корабль вперед.

Эти ионные двигатели малой тяги могут разгонять космические корабли в течение продолжительного времени. Они превосходят химические ракетные двигатели большой тяги короткого замыкания. Ионные двигатели уже развернуты на спутниках и космических зондах; однако они обычно питаются от солнечных батарей, вырабатывающих электроэнергию. Поскольку использование фотоэлектрических солнечных элементов становится неэффективным дальше от Солнца, ядерные двигатели становятся единственным надежным вариантом для полетов в дальний космос.

Схема ядерной тепловой двигательной установки для применения в космосе

Ядерная тепловая двигательная установка напрямую использует тепловую энергию, вырабатываемую ядерным делением в ядерном реакторе. Это не похоже на ядерную электрическую двигательную установку, которая использует тепловую энергию для выработки электроэнергии.

В этом видео от Министерства энергетики США рассказывается о ядерной тепловой тяге для космических приложений.

Ядерная тепловая тяга использует жидкое топливо, такое как сжиженный водород, который прокачивается через активную зону реактора, где он быстро нагревается и расширяется до газа, который затем выталкивается из сопла ракеты, создавая большую тягу и разгоняя космический корабль вперед. Ядерная тепловая двигательная установка примерно в два раза эффективнее химических ракет и может сократить время полета, доставляя большую полезную нагрузку. Например, поездку на Марс можно сократить на четверть. Сокращение времени полета особенно важно для миссий с экипажем, так как короткое время в пути уменьшит воздействие летного экипажа на вредное космическое излучение.

Морской флот

На сегодняшний день наиболее успешным применением ядерной силовой установки является военно-морской флот для атомных авианосцев и подводных лодок.

Ядерная силовая установка дает ряд преимуществ, таких как отсутствие необходимости дозаправки в течение всего жизненного цикла судна, более высокие скорости и отсутствие выбросов парниковых газов. Кроме того, эти системы безопасны, надежны и широко распространены, поскольку они основаны на так называемом реакторе с водой под давлением 9.0008  (PWR) дизайн.

PWR является наиболее распространенной конструкцией реактора для гражданских энергетических реакторов. В этой конструкции реактора легкая вода используется в качестве замедлителя нейтронов, который замедляет быстрые нейтроны, чтобы поддерживать цепную ядерную реакцию в активной зоне реактора. Легкая вода под высоким давлением также используется в качестве теплоносителя, передающего выделяющееся в процессе деления тепло от активной зоны реактора к парогенератору.

В парогенераторе тепло передается воде низкого давления вторичной системы, где вырабатывается пар для привода турбин, которые вращают электрические генераторы, производящие электроэнергию. В принципе, морские ядерные силовые установки очень просто собирают тепло, выделяемое в процессе деления.

Как работает ядерная энергия

Что такое ядерная энергия?

Атомная энергия обеспечивает эффективную и надежную электроэнергию по всему миру. Сегодня более 400 коммерческих реакторов работают более чем в 30 странах.

Общее определение ядерной энергии — это энергия, высвобождаемая в результате цепной реакции, особенно при делении или синтезе. С практической точки зрения, ядерная энергетика использует топливо, изготовленное из добытого и переработанного урана, для получения пара и выработки электроэнергии.

Атомная генерация — единственный источник электроэнергии, который может производить постоянный источник электроэнергии, известный как мощность базовой нагрузки, без выбросов парниковых газов.

Атомная энергетика оказывает одно из самых низких воздействий на землю и природные ресурсы среди всех источников электроэнергии.

Ядерная энергетика в ОАЭ

В ОАЭ на атомной электростанции Барака, расположенной в регионе Аль-Дафра эмирата Абу-Даби, находятся четыре реактора. Каждый реактор рассчитан на производство 1400 мегаватт (МВт) электроэнергии с почти нулевым выбросом углерода.

Созданные для работы в течение 60 и более лет, эти реакторы обеспечат эффективную и надежную низкоуглеродную электроэнергию для будущих поколений. После выхода на полную мощность завод предотвратит выброс более 21 миллиона тонн парниковых газов в год. Это равносильно удалению с дорог ОАЭ 3,2 млн автомобилей-седанов.

В 2016 году ENEC учредила компанию Nawah Energy Company, которая отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание четырех реакторов в Бараке. По мере того, как команды ENEC и Nawah готовятся к переходу станции от строительного проекта к действующему объекту, они работают над тем, чтобы обеспечить ее соответствие самым высоким национальным и международным стандартам качества и извлечь выгоду из мирового опыта эксплуатации.

Как это работает?

Ядерный реактор производит электричество почти так же, как и другие электростанции. Цепная реакция производит энергию, которая превращает воду в пар. Давление пара приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество.

Разница в том, как создается тепло. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, сжигают уголь, нефть или природный газ для выработки тепла. На атомной электростанции тепло вырабатывается при расщеплении атомов — процесс, называемый ядерным делением.

• Ядерный реактор вырабатывает тепло, которое используется для производства пара
• Пар вращает турбину, соединенную с электромагнитом, называемую генератором
• Генератор производит электричество

В реакторе с водой под давлением (PWR) — тип реактора, строящегося в ОАЭ — высокое давление предотвращает кипение воды в корпусе реактора. Перегретая вода подается в парогенератор, состоящий из множества маленьких трубок. Тепло в этих трубах используется для превращения второй, изолированной подачи воды в пар, который, в свою очередь, используется для привода турбины. Вода из реактора перекачивается обратно в корпус реактора и повторно нагревается. Пар от турбины охлаждается в конденсаторе, а полученная вода направляется обратно в парогенератор.

Уран

Обогащенный уран является топливом для ядерных реакторов. Уран — широко распространенный естественно радиоактивный элемент, содержащийся в большинстве горных пород. Когда уран разлагается или распадается, он выделяет тепло внутри земной коры. Подобный процесс генерирует тепло внутри ядерного реактора.

Деление ядра

Деление — это процесс разделения ядра на две части.

Внутри каждой урановой топливной таблетки находятся миллионы ядер урана. Когда эти ядра расщепляются, высвобождается огромное количество энергии. Часть этой энергии исходит от излучения, но самым большим источником является кинетическая энергия. Это энергия, которая производит тепло внутри реактора, которое, в свою очередь, используется для производства пара и, в конечном итоге, вырабатывает электричество.