Как работает ядерный двигатель

• Технологии

11 декабря 2018 г. | Автор: Александр Ким

Как работает ядерный двигатель

Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(20). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.

Космический аппарат New Horizons

Что же отличает эффективный двигатель от неудачного или устаревшего аналога? Прежде всего то, сколько топлива потребуется двигателю, чтобы разогнать ракету до нужной скорости. Этот важнейший параметр ракетного двигателя называется удельный импульс, который определяется как отношение общего импульса к расходу топлива: чем больше этот показатель, тем эффективнее ракетный двигатель. Если ракета практически целиком состоит из топлива (это означает, что в ней нет места для полезного груза, предельный случай), удельный импульс можно считать равным скорости истечения топлива (рабочего тела) из ракетного сопла. Запуск ракеты — крайне дорогостоящее мероприятие, учитывается каждый грамм не только полезного груза, но и топлива, которое тоже весит и занимает место. Поэтому инженеры подбирают всё более и более активное горючее, единица которой давала бы максимальную отдачу, увеличивая удельный импульс.

Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.

Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.

Космический аппарат Pioneer

Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.

​Газофазный ядерный двигатель

Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.

RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока).

Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).

Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радио­активных элементов. Давайте сравним эти подходы.

Из жидкостных двигателей выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). h3O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.

Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.

В ядерных двигателях предлагается использовать только водород и разгонять (разогревать) его за счёт энергии ядерного распада. Тем самым идёт экономия на окислителе (кислороде), что уже замечательно, но не всё. Так как у водорода относительно малая удельная масса, нам проще его разогнать до более высоких скоростей. Конечно, можно использовать и другие тепловосприимчивые газы (гелий, аргон, аммиак и метан), но все они не менее чем в два раза проигрывают водороду в самом главном — достижимом удельном импульсе (более 8 км/c).

Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.

​«Летающий» реактор

Как работает ядерный двигатель? Реак­тор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.

Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.

«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.

Тепловыделяющие элементы — это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны

Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.

Проекты ядерных двигателей

Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.

«ОРИОН» (США, 1950–1960)

Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного ­пространства.

Принцип работы. Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.

«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)

Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.

Принцип работы. Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.

«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)

Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Принцип работы. Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.

NERVA (США, 1952–1972)

(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.

Принцип работы. Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.

Тэги:

технологиикак это работаеткосмостранспорткак это устроено

Ядерный реактор — принцип работы, устройство, схема

Принцип работы ядерного реактора

Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:

Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.

Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.

Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома атомной массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.

Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Деление урана

Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.

Результаты деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Еще больше наглядных примеров — на курсах по физике для 9 класса в онлайн-школе Skysmart.

Управляемая ядерная реакция

Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.

Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!

Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H₂O) или тяжелую (D₂O).

Оказывается…

На Земле был природный ядерный реактор. Он находился в урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без человеческого участия. Но есть один нюанс: этот реактор остыл больше миллиарда лет назад.

Учёба без слёз (бесплатный гайд для родителей)

Пошаговый гайд от Екатерины Мурашовой о том, как перестать делать уроки за ребёнка и выстроить здоровые отношения с учёбой.

Техническая реализация

Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество.

Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.

АЭС

Если коротко, то атомная электростанция — это сооружение, которое производит электричество за счет ядерного реактора.

А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.

В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉

Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.

Чернобыльская АЭС

Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.

Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.

В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Шок-контент 😱

Ядерная энергия — самый экологически чистый вид энергии на сегодняшний день.

Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.

Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.

В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.

Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но даже съев около сотни бананов массой 150 г, вы получите всего лишь нормальную суточную дозу радиации. Чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.

Виды современных реакторов

Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:

• в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
• в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.

Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.

Использование атомной энергии

Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.

В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.

Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Есть исследования, которые подтверждают, что радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.

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

Как работают атомные подводные лодки? Ученый-ядерщик объясняет

Австралийское правительство только что объявило об историческом оборонном соглашении с Соединенными Штатами и Великобританией, согласно которому новый флот атомных подводных лодок будет патрулировать наши берега и окружающие воды.

Исследования ядерных двигателей морских судов начались в 1940-х годах, на заре «ядерной эры». С тех пор только шесть стран владели и эксплуатировали атомные подводные лодки: Китай, Франция, Индия, Россия, Великобритания и США.

Учитывая, что Австралия только что разорвала контракт на 90 миллиардов австралийских долларов на строительство нового арсенала обычных подводных лодок, вчерашнее объявление, вероятно, станет для многих неожиданностью.

Читать далее:
Австралия будет строить атомные подводные лодки в рамках нового партнерства с США и Великобританией

Так что же «ядерного» в атомной подводной лодке? Первое, что нужно сказать, это то, что атомная подводная лодка не является ядерным оружием.

На поверхности они выглядят как любая другая подводная лодка. Ключевое отличие заключается в том, как они питаются.

В первые дни атомных исследований ученые быстро поняли, что огромное количество энергии, высвобождаемой при «расщеплении атома», может быть использовано для производства электричества. Ядерные реакторы внутри электростанций обеспечивают электроэнергией дома и промышленность по всему миру уже 70 лет. Точно так же каждая атомная подводная лодка получает энергию от собственного миниатюрного бортового ядерного реактора.

Премьер-министр Скотт Моррисон объявил о создании нового подводного флота в рамках нового трехстороннего пакта о безопасности с Соединенным Королевством и Соединенными Штатами.
Мик Цикас / AAP Image

В основе каждого атома лежит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Количество протонов определяет, к какому химическому элементу принадлежит этот атом; ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами этого элемента.

Некоторые очень тяжелые ядра очень восприимчивы к процессу, известному как ядерное деление, в результате чего они распадаются на два более легких ядра с общей массой меньше, чем исходное ядро. Остальное преобразуется в энергию.

Количество высвобождаемой энергии огромно, как мы видим из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc² , которое говорит нам, что энергия равна изменению массы, умноженному на квадрат скорости света!

Реакторы атомных подводных лодок обычно работают на уране. Природный уран, добываемый из-под земли, состоит в основном из изотопа урана-238, смешанного с небольшими количествами (0,7%) ключевого изотопа урана-235.

Чтобы реактор работал, урановое топливо должно быть «обогащено», чтобы содержать желаемую долю урана-235. Для подводных лодок это обычно около 50%. Степень обогащения топлива является решающим фактором в поддержании цепной реакции, обеспечивающей постоянный безопасный уровень выхода энергии.

Внутри реактора уран-235 подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего некоторые ядра подвергаются ядерному делению. В свою очередь, высвобождается больше нейтронов, и процесс продолжается в так называемой «цепной ядерной реакции». Энергия выделяется в виде тепла, которое можно использовать для привода турбин, вырабатывающих электричество для подводной лодки.

Концептуальная схема цепной реакции ядерного деления.
АНУ, автор предоставил

Каковы плюсы и минусы перехода на ядерное оружие?

Огромным преимуществом атомных подводных лодок является то, что они не требуют дозаправки. Когда один из них вступит в строй, он будет сдан в эксплуатацию с достаточным количеством уранового топлива, которого хватит более чем на 30 лет.

Высокая эффективность ядерной энергии также позволяет этим подводным лодкам работать на высокой скорости в течение более длительного времени, чем обычные дизель-электрические подводные лодки. Более того, в отличие от сжигания обычного топлива, для ядерных реакций не требуется воздух. Это означает, что атомные подводные лодки могут оставаться под водой на больших глубинах в течение нескольких месяцев, что дает им лучшие возможности скрытности и позволяет проводить более длительное и удаленное развертывание.

Недостатком является высокая стоимость. Строительство каждой атомной подводной лодки обычно стоит несколько миллиардов долларов и требует высококвалифицированной рабочей силы с опытом в ядерной науке. Благодаря специальным учебным программам, предлагаемым университетами мирового уровня и государственными учреждениями, Австралия имеет хорошие возможности для удовлетворения растущих потребностей в этой сфере, а также получит пользу от существующего опыта Великобритании и США в рамках нового трехстороннего пакта о безопасности.

На данном этапе подробности о том, где будет браться топливо, неясны. В то время как Австралия имеет достаточные запасы урана в недрах земли, ей не хватает мощностей для обогащения или производства топлива для реакторов, которое можно было бы получить из-за границы.

Что будет с отработавшим топливом? Королевская комиссия по ядерному топливному циклу 2015 года признала коммерческую жизнеспособность объектов долгосрочного хранения и захоронения радиоактивных отходов в Южной Австралии. Вопрос о том, произойдет ли это, несомненно, станет предметом обсуждения на уровне местных и федеральных органов власти в ближайшие годы.

Читать далее:
Почему атомные подводные лодки — умный военный шаг для Австралии и могут еще больше сдерживать Китай

Популярные заблуждения

Повторю еще раз. Это не призыв Австралии разместить ядерное оружие в наших водах. Чтобы уран был обозначен как «оружейный», его необходимо обогатить до 90% урана-235 — топливо для атомной подводной лодки не подходит.

В любом случае Австралия никогда не производила ядерное оружие и является участником договоров о нераспространении ядерного оружия и международных режимов экспортного контроля, включая Договор о нераспространении ядерного оружия и Инициативу по нераспространению и разоружению.

Тактическое преимущество подводных лодок заключается в их малозаметности и способности незаметно определять цели.

Обеспечение безопасности экипажа и окружающей среды имеет решающее значение на борту любого морского судна. Голливудские фильмы, такие как «К19: Роковая вдова», в котором атомная подводная лодка выходит из строя во время своего первого рейса, играют на наших эмоциях и нашем инстинктивном страхе перед ядерной радиацией.

Но успехи в современных средствах контроля и процедурах безопасности означают, что аварии реакторов на подводных лодках остались в прошлом.

Стратегические и геополитические результаты этого политического решения еще предстоит увидеть. Но одно уже ясно: последнее внешнеполитическое предприятие Австралии также связано с ядерной наукой.

Ядерная и космическая: ядерная тепловая тяга — энергия X: HTGR

Ядерная и космическая

Ядерная тепловая тяга

Как построить лучшую марсианскую ракету

Ваш браузер не поддерживает тег видео HTML5.

Куда-то собираетесь?

Химические ракеты возглавляют список самых быстрых объектов, когда-либо созданных. Но если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования человеком, их скорости недостаточно.

Введите ядерную тепловую двигательную установку

Ядерный тепловой двигатель

Сегодня полет на Марс в один конец занимает минимум шесть месяцев. Для астронавта это долгий срок пребывания в космическом корабле размером с однокомнатную квартиру. Это также создает серьезные оперативные проблемы для миссии. Чем дольше астронавт находится в пути, тем больше он подвергается воздействию высоких доз опасного космического излучения и тем больше припасов ему нужно взять с собой для выполнения миссии.

За последние полвека инженеры выжали все до последней капли из обычных химических ракетных двигателей. Если мы действительно хотим совершать регулярные полеты на Марс, нам потребуется резкое изменение эффективности ракетных двигателей.

Если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования людьми, их скорости недостаточно.

Как попасть на Марс?

Путешествие человека на Марс требует значительно более быстрой транспортировки. Ядерная тепловая двигательная установка позволяет космическим кораблям двигаться быстрее, сокращая время, в течение которого люди подвергаются воздействию радиации.

Faster Spacecraft

Как это работает

Ядерный реактор быстро нагревает топливо, такое как жидкий водород, который расширяется через сопло ракеты и обеспечивает значительную тягу.

Жидкий водород

Раннее происхождение

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра… идея когда-то опережала свое время.

НАСА

NTP: новый тип двигателя

В обычном жидкостном ракетном двигателе окислитель и топливо смешиваются в камере сгорания и воспламеняются. Это заставляет газы быстро расширяться, что резко увеличивает давление в камере сгорания и выталкивает выхлоп через сопло ракетного двигателя на высоких скоростях.

Тепловая ядерная двигательная установка также работает за счет выброса горячих газов из двигателя под высоким давлением. Ключевое отличие заключается в том, как эти газы доводятся до температуры. Вместо сгорания реакторная система NTP прокачивает жидкое топливо — обычно водород — через активную зону высокотемпературного ядерного реактора. Когда газ проходит через активную зону реактора, он нагревается до невероятно высоких температур (> 2500 ° C), что заставляет его быстро расширяться через сопло и создавать тягу.

Одним из основных преимуществ ядерных тепловых двигателей является их эффективность. Ядерная тепловая ракета может более чем в два раза повысить эффективность по сравнению с обычной химической ракетой, потому что ее топливо нагревается до гораздо более высокой температуры, чем в обычной камере сгорания. Это означает, что ядерная тепловая ракета может сократить время полета до Марса (и обратно домой) вдвое.

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжел», — говорит Майк Кинард, бывший руководитель проекта NASA Space Nuclear Propulsion Project. «Но вам все еще нужно нести много водорода на Марс, чтобы вы могли вернуться, а для этого требуется чрезвычайно эффективная система. NTP создан специально для этого».

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжелый»

— Майк Кинард (бывший руководитель проекта НАСА по космическим ядерным двигателям)

Ядерная мечта НАСА

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра. В начале 1960-х НАСА объединило усилия с Комиссией по атомной энергии для изучения конструкции двигателя NTP. Новаторская программа NERVA завершилась серией наземных испытаний прототипа ядерного двигателя и вдохновила Вернера фон Брауна, директора Центра космических полетов НАСА имени Маршалла и отца современной ракетной техники, предложить отправить астронавтов на Марс на ядерной тепловой ракете с помощью 1980-е годы. Пыль после «гигантского прыжка» Нила и Базза едва осела, но фон Браун уже осознал огромный потенциал ядерных тепловых двигателей.

Несмотря на ранний энтузиазм НАСА по поводу ядерных тепловых двигателей, их двигатель NERVA так и не был запущен в космос. Программа столкнулась с техническими трудностями, особенно когда речь шла о поиске материалов, способных выдерживать интенсивные температуры реактора, которые являются ключом к эффективности ядерной ракеты. Материаловедение просто не было готово справиться с жарой — до сих пор.

Seeing Red

Теперь, когда НАСА снова обратило свои взоры на Марс, ядерные тепловые двигатели готовы к возрождению. В течение многих лет инженеры НАСА изучали фундаментальную физику и материаловедение критических компонентов ядерного теплового двигателя. Программа получила мощную поддержку Конгресса, который выделил более 100 миллионов долларов на программу ядерных тепловых двигателей НАСА в своем бюджете на каждый из последних четырех лет.

Цель НАСА — запустить первую демонстрационную полетную миссию ядерного теплового двигателя к середине 2020-х годов. Но они не могут сделать это в одиночку, поэтому агентство использовало энергию X, чтобы помочь разработать концепции реактора и топлива для космического ядерного теплового двигателя.

NTP @ XE

Летом 2020 года компания X-energy представила свои концепции ядерного теплового двигательного реактора, способного развивать удельный импульс в 900 секунд. Удельный импульс является мерой того, насколько эффективно ракетный двигатель использует свое топливо. Это похоже на расход бензина для автомобиля: более высокий удельный импульс означает, что вы можете ехать быстрее и дальше на заданном количестве топлива. Проект X-energy для ядерной тепловой двигательной установки будет способен более чем в два раза увеличить удельный импульс двигателей Saturn V, доставивших астронавтов на Луну, которые остаются самыми мощными и эффективными ракетными двигателями, когда-либо летавшими в космос.

Большой вопрос для НАСА заключается в том, какой тип ядерного топлива использовать в этих планетарных исследовательских реакторах. Обеспокоенность по поводу риска распространения ослабила энтузиазм по поводу использования высокообогащенного урана, но низкообогащенный уран, используемый в существующих наземных ядерных реакторах, не обладает достаточной плотностью энергии для удовлетворения потребностей высокотемпературной двигательной реакторной установки. Высокопробное низкообогащенное урановое топливо (HALEU), которое занимает промежуточное положение между низко- и высокообогащенным ураном (обогащение до 20%), является сильным претендентом на ядерные тепловые ракеты.

«Я думаю, что самым большим прорывом в последнее время является тот факт, что мы нашли способы использования [высокопробного] низкообогащенного урана для получения характеристик, которые нам нужны для ядерных тепловых двигателей», — говорит Кинард.

X-energy — одна из немногих компаний в США, способных производить формы топлива с керамическим покрытием с использованием HALEU, который лежит в основе нашего топлива TRISO. Каждый топливный сердечник TRISO состоит из 0,5-микронной таблетки оксикарбида урана (размером с маковое зернышко), обернутой тремя чередующимися слоями графита и карбида кремния. Тысячи этих частиц заключены в форму графитового топлива: либо галька, либо призматические компакты. В наземном реакторе X-energy, Xe-100, более 60 000 таких камешков (размером примерно с биток) будут проходить через активную зону реактора в течение года.

«Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так делали». на фундаментальном уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

— Д-р Даниэль Браун (инженер-технолог по топливу в X-energy)

«TRISO топливо впервые было создано в 1960-х годов, и во многих процессах, используемых для изготовления этого топлива, до сих пор используются технологии 1960-х годов», — говорит д-р Дэниел Браун, инженер-технолог по топливу в X-energy. «Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так поступали». уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

Вернувшись к основам, мы смогли определить ключевые области, в которых производство TRISO можно улучшить. После многих лет исследований и разработок компания X-energy создала запатентованные процессы производства топлива из твердых частиц с керамическим покрытием, которые значительно улучшили качество, стабильность и безопасность топлива TRISO, а также обеспечили надежные поставки в промышленных масштабах.

Мы называем наше творение TRISO-X .

Критическая температура

Самое главное в топливе X-energy TRISO-X заключается в том, что его можно безопасно использовать при экстремально высоких температурах. Слои графита и карбида кремния вокруг зерен урана действуют как автономный экран, удерживающий продукты деления урана. Это означает, что уран можно довести до температуры намного выше 3000 градусов по Фаренгейту — более чем в 7 раз выше рабочей температуры обычного ядерного реактора — без риска расплавления. Это критическая особенность ядерной тепловой ракеты, которая должна работать при гораздо более высоких температурах, чтобы достичь повышения эффективности по сравнению с двигателями на химическом топливе.

«Недостаточно быть «устойчивым к расплавлению» топливом… для ядерной тепловой ракеты требуется такое же прочное ядро».

— Д-р Ханс Гугар (менеджер X-energy по разработке продуктов для разработки микрореакторов)

Но быть «устойчивым к расплавлению» топливом недостаточно, говорит д-р Ханс Гугар, менеджер X-energy по продуктам Инжиниринг для разработки микрореакторов. Ядерная тепловая ракета нуждается в таком же прочном сердечнике. Предложенная X-energy конструкция высокотемпературного газоохлаждаемого реактора восходит к программе НАСА NERVA. Как и в двигателе NERVA, конструкция X-energy пропускает горячий водород через графитовый сердечник для создания тяги. Ключевое отличие состоит в том, что в нашей топливной матрице TRISO-X используются современные материалы, которые не разрушаются при работе двигателя при экстремальных температурах. Наши усовершенствованные замедлители повышают эффективность реакции деления, позволяя использовать топливо HALEU, сохраняя при этом достаточно легкий вес реактора для полета.

Эффективность нашей ядерной тепловой двигательной установки является ключевым отличием нашей конструкции. Для любого космического приложения вес всегда является ключевым фактором, а это означает наличие минимального количества топлива, возможного для безопасного завершения миссии. В X-energy мы занимаемся производством небольших ядерных реакторов, но даже наши наземные блоки слишком велики для ракеты. Наш реактор Xe-100 слишком тяжел на несколько сотен тонн, чтобы его можно было запустить в космос. Будущее ядерных тепловых двигателей зависит от нашей способности производить примерно такую ​​же выходную мощность, как и типичный коммерческий усовершенствованный реактор, но работать при гораздо более высокой температуре, уменьшая его размер на порядки.

После нескольких месяцев работы над концептуальным проектированием для НАСА мы уверены, что наши инновации и опыт работы с небольшими высокотемпературными газовыми реакторами и неплавящимся топливом TRISO-X позволят в ближайшем будущем осуществлять межпланетные миссии с экипажем. Мы уже начинаем проводить эксперименты по усовершенствованному производству топлива NTP на нашем пилотном производственном объекте TRISO-X в Национальной лаборатории Ок-Ридж, поэтому мы готовы масштабировать производство топлива, чтобы уложиться в сроки исследований НАСА. Мы также извлекаем выгоду из опыта исследования космоса наших дочерних компаний, Intuitive Machines и Axiom Space, которые разрабатывают первый в мире частный лунный посадочный модуль и коммерческую космическую станцию ​​соответственно.

«Тесное сотрудничество с нашей топливной командой TRISO-X и нашими дочерними компаниями, которые планируют и выполняют космические миссии в течение многих лет, значительно ускорило наш междисциплинарный процесс проектирования и улучшило наши решения», — говорит д-р Брэд Реарден, директор Архитектор технических решений и решений X-energy для космических реакторов. «Мы используем уроки, извлеченные из других инициатив по микрореакторам, и полагаемся на наш специальный передовой вычислительный инструментарий для создания действительно инновационного решения, которое можно будет изготовить, испытать и запустить к середине 2020-х годов, что соответствует графику НАСА».

Когда-то ядерная тепловая ракета была идеей, опередившей свое время.

Теперь пришло время.

Наша история с космосом

Axiom Space & Intuitive Machines

Что еще мы делаем в космосе?

Устойчивые лунные базы

Читайте: ЛСП

Ядерный двигатель

Ядерный двигатель

ФАС |
Военные |
ДОД 101 |
Системы |
Корабли |
Движение ||||

Индекс |
Поиск |
Присоединяйтесь к ФАС

Построен атомоход с ядерной силовой установкой внутри секции корабля.
заблокировал реакторный отсек. Компоненты атомной электростанции включают в себя высокопрочную сталь
корпус реактора, теплообменник(и) (парогенератор) и соответствующие трубопроводы, насосы и клапаны.
Каждая реакторная установка содержит более 100 тонн свинцовой защиты, часть которой становится радиоактивной из-за
контакт с радиоактивным материалом или нейтронной активацией примесей в свинце.

Силовая установка атомного корабля или подводной лодки использует ядерный реактор для выработки тепла. Тепло исходит от деления ядерного топлива, содержащегося в реакторе. Поскольку в процессе взрыва также образуется излучение, вокруг реактора размещают экраны, чтобы защитить экипаж.

В ядерной двигательной установке используется конструкция водо-водяного реактора, состоящая из двух основных систем — первичной системы и вторичной системы. Первичная система обеспечивает циркуляцию обычной воды и состоит из реактора, контуров трубопроводов, насосов и парогенераторов. Тепло, вырабатываемое в реакторе, передается воде под высоким давлением, поэтому она не кипит. Эта вода прокачивается через парогенераторы обратно в реактор для повторного нагрева.

В парогенераторах тепло воды в первичной системе передается во вторичную систему для создания пара. Вторичная система изолирована от первичной системы, чтобы вода в двух системах не смешивалась.

Во вторичной системе пар поступает от парогенераторов для привода турбогенераторов, снабжающих судно электроэнергией, и главных пропульсивных турбин, приводящих в движение гребной винт. После прохождения через турбины пар конденсируется в воду, которая подается обратно в парогенераторы питательными насосами. Таким образом, как первичная, так и вторичная системы представляют собой закрытые системы, в которых вода рециркулируется и обновляется.

Поскольку в генерации этой энергии нет этапа, требующего присутствия воздуха или кислорода, это позволяет кораблю работать полностью независимо от земной атмосферы в течение продолжительных периодов времени.