Ядерная тепловая ракета ( NTR ) — это тип тепловой ракеты , в которой тепло от ядерной реакции заменяет химическую энергию топлива в химической ракете . В NTR рабочее тело , обычно жидкий водород , нагревается до высокой температуры в ядерном реакторе , а затем расширяется через сопло ракеты для создания тяги . Внешний ядерный источник тепла теоретически обеспечивает более высокую эффективную скорость истечения и, как ожидается, удвоит или утроит грузоподъемность по сравнению с химическим топливом, которое хранит энергию внутри.
NTR были предложены в качестве технологии движения космических аппаратов , самые ранние наземные испытания прошли в 1955 году. Соединенные Штаты поддерживали программу разработки NTR до 1973 года, когда она была закрыта по разным причинам, в том числе для того, чтобы сосредоточиться на разработке Space Shuttle . Хотя было построено и испытано более десяти реакторов различной выходной мощности, по состоянию на 2024 год [обновлять]ни одна ядерная тепловая ракета не летала. [1]
В то время как все ранние приложения для ядерного теплового ракетного движения использовали процессы деления , исследования в 2010-х годах перешли к подходам слияния . Проект прямого термоядерного привода в Принстонской лаборатории физики плазмы является одним из таких примеров, хотя «энергетически-положительный термоядерный синтез оставался неуловимым». В 2019 году Конгресс США одобрил финансирование разработки ядерных тепловых ракетных двигателей в размере 125 миллионов долларов США. [1]
В мае 2022 года DARPA выпустило запрос предложений на следующую фазу своей программы ядерного теплового двигателя Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) . [2] Это следует за выбором в 2021 году ранней конструкции двигателя от General Atomics и двух концепций космических аппаратов от Blue Origin и Lockheed Martin . Следующие фазы программы будут сосредоточены на проектировании, разработке, изготовлении и сборке ядерного теплового ракетного двигателя. [3] В июле 2023 года Lockheed Martin получила контракт на строительство космического аппарата, а BWX Technologies ( BWXT ) разработает ядерный реактор. Запуск ожидается в 2027 году. [4] [5]
Ядерные тепловые ракеты более эффективны, чем химические тепловые ракеты, в первую очередь потому, что они могут использовать низкомолекулярные топлива, такие как водород. [6] [7]
Как и тепловые ракеты, ядерные тепловые ракеты работают почти так же, как химические ракеты : источник тепла выделяет тепловую энергию в газообразное топливо внутри корпуса двигателя, а сопло на одном конце действует как очень простой тепловой двигатель: оно позволяет топливу расширяться от транспортного средства, перенося с собой импульс и преобразуя тепловую энергию в когерентную кинетическую энергию. Удельный импульс (Isp) двигателя задается скоростью выхлопного потока. [8] Который, в свою очередь, изменяется как квадратный корень кинетической энергии, загруженной на каждую единицу массы топлива. Кинетическая энергия на молекулу топлива определяется температурой источника тепла (будь то ядерный реактор или химическая реакция ). При любой конкретной температуре легкие молекулы топлива переносят столько же кинетической энергии, сколько и более тяжелые молекулы топлива, и, следовательно, имеют больше кинетической энергии на единицу массы. Это делает низкомолекулярные топлива более эффективными, чем высокомолекулярные топлива.
Поскольку химические ракеты и ядерные ракеты изготавливаются из тугоплавких твердых материалов, они обе ограничены температурой работы ниже 3000 °C (5000 °F) из-за прочностных характеристик высокотемпературных металлов. Химические ракеты используют наиболее доступное топливо, представляющее собой отходы химических реакций, производящих их тепловую энергию. Большинство химических ракет на жидком топливе используют либо водород, либо сгорание углеводородов, и поэтому в качестве топлива в основном используется вода (молекулярная масса 18) и диоксид углерода (молекулярная масса 44). Ядерные тепловые ракеты, использующие в качестве топлива газообразный водород (молекулярная масса 2), поэтому имеют теоретический максимальный удельный импульс, который в 3–4,5 раза больше, чем у химических ракет.
В 1944 году Станислав Улам и Фредерик де Хоффманн размышляли над идеей управления мощностью ядерных взрывов для запуска космических аппаратов. [9] После Второй мировой войны американские военные начали разработку межконтинентальных баллистических ракет (МБР) на основе немецких ракет V-2 . Некоторые крупные ракеты были спроектированы для перевозки ядерных боеголовок с ядерными двигателями. [9] Еще в 1946 году были подготовлены секретные отчеты для ВВС США в рамках проекта NEPA компаниями North American Aviation и Douglas Aircraft Company в рамках проекта Rand . [10] Эти новаторские отчеты определили реакторный двигатель, в котором рабочая жидкость с низкой молекулярной массой нагревается с помощью ядерного реактора, как наиболее перспективную форму ядерного двигателя, но выявили множество технических проблем, которые необходимо было решить. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
В январе 1947 года, не зная об этом секретном исследовании, инженеры Лаборатории прикладной физики опубликовали свое исследование по ядерному энергетическому движению, и их отчет в конечном итоге был засекречен. [19] [9] [20] В мае 1947 года китайский ученый Цянь Сюэсэнь , получивший образование в Америке, представил свое исследование «тепловых струй», приводимых в действие пористым графитовым замедлителем ядерного реактора, на семинарах по ядерной науке и технике LIV, организованных Массачусетским технологическим институтом . [21] [20]
В 1948 и 1949 годах физик Лесли Шепард и ракетный ученый Вэл Кливер опубликовали ряд новаторских научных работ, в которых рассматривалось, как ядерная технология может быть применена для межпланетных путешествий . В работах рассматривались как ядерно-термические, так и ядерно-электрические двигатели. [22] [23] [24] [25]
В рамках проекта Rover Национальная лаборатория Лос-Аламоса начала разрабатывать ядерные тепловые двигатели уже в 1955 году и испытала первый в мире экспериментальный ядерный ракетный двигатель KIWI-A в 1959 году. [26] Эта работа в Лос-Аламосе была затем продолжена в рамках программы НАСА NERVA (1961–1973). NERVA достигла многих успехов и усовершенствовала ранние прототипы, создав мощные двигатели, которые были в несколько раз эффективнее химических аналогов. Однако программа была отменена в 1973 году из-за бюджетных ограничений. На сегодняшний день ни одна ядерная тепловая двигательная установка не была реализована в космосе. [27]
Ядерную тепловую ракету можно классифицировать по типу реактора, начиная от относительно простого твердотельного реактора до гораздо более сложного в изготовлении, но теоретически более эффективного газового реактора. Как и во всех конструкциях тепловых ракет , удельный импульс, производимый пропорционален квадратному корню температуры, до которой нагревается рабочая жидкость (реакционная масса). Для получения максимальной эффективности температура должна быть как можно выше. Для данной конструкции температура, которая может быть достигнута, обычно определяется материалами, выбранными для конструкций реактора, ядерного топлива и оболочки топлива. [ необходима цитата ] Эрозия также вызывает беспокойство, особенно потеря топлива и связанные с этим выбросы радиоактивности. [28]
Твердотельные ядерные реакторы заправлялись соединениями урана , которые существуют в твердой фазе в условиях, с которыми они сталкиваются, и подвергаются ядерному делению для высвобождения энергии. Летные реакторы должны быть легкими и способными выдерживать чрезвычайно высокие температуры, поскольку единственным доступным охладителем является рабочая жидкость/топливо. [1] Ядерный твердотельный двигатель является самой простой конструкцией для изготовления и является концепцией, используемой во всех испытанных NTR. [29]
Используя водород в качестве топлива, конструкция с твердым сердечником обычно обеспечивает удельные импульсы (I sp ) порядка 850–1000 секунд, что примерно вдвое больше, чем у конструкций с жидким водородом и кислородом , таких как главный двигатель Space Shuttle . Также были предложены другие виды топлива, такие как аммиак, вода или LOX , но эти виды топлива обеспечат пониженную скорость истечения и производительность при незначительно сниженной стоимости топлива. Еще одним признаком в пользу водорода является то, что при низких давлениях он начинает диссоциировать примерно при 1500 К, а при высоких давлениях — около 3000 К. Это снижает массу выхлопных газов, увеличивая I sp .
Ранние публикации сомнительно относились к космическому применению ядерных двигателей. В 1947 году полный ядерный реактор был настолько тяжелым, что твердотельные ядерные тепловые двигатели были бы совершенно неспособны [30] достичь отношения тяги к весу 1:1, которое необходимо для преодоления гравитации Земли при запуске. В течение следующих двадцати пяти лет конструкции ядерных тепловых ракет США в конечном итоге достигли отношения тяги к весу приблизительно 7:1. Это все еще гораздо более низкое отношение тяги к весу, чем то, что достижимо для химических ракет, которые имеют отношение тяги к весу порядка 70:1. В сочетании с большими баками, необходимыми для хранения жидкого водорода, это означает, что твердотельные ядерные тепловые двигатели лучше всего подходят для использования на орбите за пределами гравитационного колодца Земли , не говоря уже о том, чтобы избежать радиоактивного загрязнения , которое возникло бы в результате использования в атмосфере [1] (если бы использовалась конструкция «открытого цикла», в отличие от конструкции «закрытого цикла» с более низкими характеристиками, где никакие радиоактивные материалы не могли бы улетучиться с ракетным топливом. [31] )
Одним из способов повышения рабочей температуры реактора является замена ядерных топливных элементов. Это основа реактора с твердым слоем, который питается несколькими (обычно сферическими) элементами, которые «плавают» внутри водородной рабочей жидкости. Вращение всего двигателя может предотвратить выброс топливного элемента из сопла. Считается, что эта конструкция способна увеличить удельный импульс примерно до 1000 секунд (9,8 кН·с/кг) за счет увеличения сложности. Такая конструкция может использовать общие элементы конструкции с реактором с твердым слоем , несколько из которых в настоящее время вырабатывают электроэнергию. [ необходима цитата ] С 1987 по 1991 год Управление стратегической оборонной инициативы (SDI) финансировало проект Timberwind , невращающуюся ядерную тепловую ракету, основанную на технологии твердым слоем. Проект был отменен до начала испытаний. [32]
В обычной конструкции твердого ядра максимальная температура выхлопа рабочей массы равна температуре реактора, а на практике ниже. Эта температура представляет энергию, намного меньшую, чем у отдельных нейтронов , высвобождаемых реакциями деления. Их энергия распространяется по массе реактора, заставляя ее термализоваться. В конструкциях электростанций ядро затем охлаждается, как правило, водой. В случае ядерного двигателя вода заменяется водородом, но в остальном концепция похожа.
Импульсные реакторы пытаются передавать энергию непосредственно от нейтронов к рабочей массе, позволяя выхлопным газам достигать температур, значительно превышающих температуру плавления активной зоны реактора. Поскольку удельный импульс напрямую зависит от температуры, захват энергии релятивистских нейтронов позволяет резко повысить производительность. [33]
Для этого импульсные реакторы работают в серии коротких импульсов, а не в непрерывной цепной реакции обычного реактора. Обычно реактор выключен, что позволяет ему остыть. Затем он включается вместе с системой охлаждения или потоком топлива, работая на очень высоком уровне мощности. На этом уровне активная зона быстро начинает нагреваться, поэтому после достижения заданной температуры реактор снова быстро выключается. Во время этих импульсов вырабатываемая мощность намного больше, чем реактор того же размера мог бы вырабатывать непрерывно. Ключ к этому подходу заключается в том, что хотя общее количество топлива, которое может быть прокачано через реактор во время этих коротких импульсов, невелико, результирующая эффективность этих импульсов намного выше.
Как правило, конструкции не будут работать исключительно в импульсном режиме, а могут изменять свой рабочий цикл в зависимости от необходимости. Например, во время фазы полета с высокой тягой, например, при выходе с низкой околоземной орбиты , двигатель может работать непрерывно и обеспечивать Isp, аналогичный Isp традиционной конструкции с твердым сердечником. Но во время длительного крейсерского полета двигатель будет переключаться в импульсный режим, чтобы лучше использовать свое топливо.
Жидкостные ядерные двигатели работают на основе соединений делящихся элементов в жидкой фазе . Жидкостный двигатель предлагается использовать при температурах выше точки плавления твердого ядерного топлива и оболочки, при этом максимальная рабочая температура двигателя не будет определяться корпусом реактора и материалом отражателя нейтронов . Более высокие рабочие температуры, как ожидается, обеспечат удельные импульсные характеристики порядка 1300–1500 секунд (12,8–14,8 кН·с/кг). [ необходима цитата ]
Реактор с жидким сердечником было бы чрезвычайно сложно построить с использованием современных технологий. Одной из основных проблем является то, что время реакции ядерного топлива намного больше времени нагрева рабочей жидкости. Если ядерное топливо и рабочая жидкость физически не разделены, это означает, что топливо должно быть захвачено внутри двигателя, в то время как рабочая жидкость может легко выходить через сопло. Одним из возможных решений является вращение смеси топлива и жидкости на очень высоких скоростях, чтобы вытеснить топливо с более высокой плотностью наружу, но это подвергнет корпус реактора воздействию максимальной рабочей температуры, одновременно добавляя массу, сложность и движущиеся части. [ необходима цитата ]
Альтернативная конструкция с жидким сердечником — ядерная ракета на солёной воде . В этой конструкции вода является рабочей жидкостью и также служит замедлителем нейтронов . Ядерное топливо не удерживается, что радикально упрощает конструкцию. Однако ракета будет выбрасывать огромное количество чрезвычайно радиоактивных отходов и может безопасно эксплуатироваться только далеко за пределами атмосферы Земли и, возможно, даже магнитосферы . [ требуется цитата ]
Последняя классификация деления — двигатель с газовым сердечником . Это модификация конструкции с жидким сердечником, которая использует быструю циркуляцию жидкости для создания тороидального кармана газообразного уранового топлива в середине реактора, окруженного водородом. В этом случае топливо вообще не касается стенки реактора, поэтому температура может достигать нескольких десятков тысяч градусов, что позволит получить удельные импульсы от 3000 до 5000 секунд (от 30 до 50 кН·с/кг). В этой базовой конструкции, «открытом цикле», потери ядерного топлива будет трудно контролировать, что привело к исследованиям «замкнутого цикла» или ядерного лампочкового двигателя, где газообразное ядерное топливо содержится в сверхвысокотемпературном кварцевом контейнере, по которому протекает водород. Двигатель с замкнутым циклом имеет гораздо больше общего с конструкцией с твердым сердечником, но на этот раз время ограничено критической температурой кварца, а не топлива и оболочки. Хотя конструкция с закрытым циклом менее эффективна, чем конструкция с открытым циклом, ожидается, что конструкция с закрытым циклом будет обеспечивать удельный импульс около 1500–2000 секунд (15–20 кН·с/кг). [ необходима цитата ]
Советский РД-0410 прошёл серию испытаний на ядерном полигоне вблизи Семипалатинского полигона . [34] [35]
В октябре 2018 года российский Центр исследований имени М. В. Келдыша подтвердил успешное наземное испытание радиаторов отработанного тепла для ядерного космического двигателя, а также предыдущие испытания топливных стержней и ионных двигателей . [36]
Разработка твердотельных ядерных реакторов началась в 1955 году под эгидой Комиссии по атомной энергии (AEC) как проект Rover и продолжалась до 1973 года. [1] Работа над подходящим реактором велась в Лос-Аламосской национальной лаборатории и Зоне 25 (Невадский полигон национальной безопасности) на Невадском испытательном полигоне . Из этого проекта вышли четыре базовых проекта: KIWI, Phoebus, Pewee и Nuclear Furnace. Было испытано двадцать отдельных двигателей, общее время работы которых составило более 17 часов. [37]
Когда в 1958 году было сформировано NASA , ему были предоставлены полномочия по всем неядерным аспектам программы Rover. Чтобы обеспечить сотрудничество с AEC и сохранить секретную информацию в тайне, в то же время было сформировано Управление по ядерному движению (SNPO). Программа NERVA 1961 года была направлена на внедрение ядерных тепловых ракетных двигателей в космические исследования. В отличие от работы AEC, которая была направлена на изучение конструкции самого реактора, целью NERVA было создание реального двигателя, который можно было бы использовать в космических миссиях. Базовая конструкция NERVA с тягой 334 кН (75 000 фунт- сил ) была основана на серии KIWI B4. [ необходима цитата ]
Испытанные двигатели включали Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 и Nuclear Furnace. Постепенно более высокие удельные мощности достигли кульминации в Pewee. [37] Испытания улучшенной конструкции Pewee 2 были отменены в 1970 году в пользу более дешевой Nuclear Furnace (NF-1), и американская ядерная ракетная программа официально завершилась весной 1973 года. В ходе этой программы NERVA накопил более 2 часов времени работы, включая 28 минут на полной мощности. [1] SNPO посчитало NERVA последним реактором для разработки технологий, необходимым для перехода к летным прототипам. [ необходима цитата ]
Несколько других твердотельных двигателей также были изучены в некоторой степени. Малый ядерный ракетный двигатель, или SNRE, был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) для использования на верхней ступени, как на беспилотных пусковых установках, так и на космическом челноке . Он имел разделенное сопло, которое можно было повернуть в сторону, что позволяло ему занимать меньше места в грузовом отсеке шаттла. Конструкция обеспечивала тягу 73 кН и работала с удельным импульсом 875 секунд (8,58 кН·с/кг), и планировалось увеличить его до 975 секунд, достигнув массовой доли около 0,74 по сравнению с 0,86 для основного двигателя космического челнока (SSME).
Схожая конструкция, которая была немного доработана, но так и не дошла до стадии прототипа, была Dumbo. Dumbo был похож на KIWI/NERVA по концепции, но использовал более продвинутые методы строительства для снижения веса реактора. Реактор Dumbo состоял из нескольких больших бочкообразных труб, которые в свою очередь были построены из сложенных друг на друга пластин гофрированного материала. Гофры были выстроены так, что в результате получалась стопка каналов, идущих изнутри наружу. Некоторые из этих каналов были заполнены урановым топливом, другие — замедлителем, а некоторые были оставлены открытыми в качестве газового канала. Водород закачивался в середину трубы и нагревался топливом по мере его перемещения по каналам по мере продвижения наружу. Полученная система была легче обычной конструкции для любого конкретного количества топлива. [ необходима цитата ]
В период с 1987 по 1991 год в рамках проекта Timberwind в рамках Стратегической оборонной инициативы изучалась усовершенствованная конструкция двигателя , которая впоследствии была расширена до более крупной конструкции в программе Space Thermal Nuclear Propulsion (STNP). Достижения в области высокотемпературных металлов, компьютерного моделирования и ядерной инженерии в целом привели к значительному улучшению характеристик. В то время как двигатель NERVA, как предполагалось, должен был весить около 6803 килограммов (14998 фунтов), окончательный STNP предлагал чуть более 1/3 тяги от двигателя весом всего 1650 килограммов (3640 фунтов) за счет улучшения I sp до 930–1000 секунд. [ необходима цитата ]
KIWI был первым, запущенным, начиная с июля 1959 года с KIWI 1. Реактор не был предназначен для полета и был назван в честь нелетающей птицы Киви. Активная зона представляла собой просто стопку непокрытых пластин оксида урана , на которые сбрасывался водород . Была получена тепловая мощность 70 МВт при температуре выхлопа 2683 К. Два дополнительных испытания базовой концепции, A1 и A3, добавили покрытия к пластинам для проверки концепций топливных стержней. [ необходима цитата ]
Серия KIWI B работала на крошечных сферах диоксида урана (UO2 ) , встроенных в матрицу из графита с низким содержанием бора и покрытых карбидом ниобия . По всей длине пучков проходило девятнадцать отверстий, через которые протекал жидкий водород. При первых запусках огромный нагрев и вибрация растрескивали пучки топлива. Графитовые материалы, используемые в конструкции реактора, были устойчивы к высоким температурам, но разрушались под действием потока перегретого водорода, восстановителя . Позднее вид топлива был заменен на карбид урана , и последний запуск двигателя состоялся в 1964 году. Проблемы эрозии и растрескивания пучков топлива были улучшены, но так и не были полностью решены, несмотря на многообещающую работу по материалам в Аргоннской национальной лаборатории . [ необходима цитата ]
Испытания NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental) начались в сентябре 1964 года. Последним двигателем в этой серии был XE, разработанный с летным представительным оборудованием и запущенный в камеру низкого давления для имитации вакуума. SNPO запустила NERVA NRX/XE двадцать восемь раз в марте 1968 года. Все серии выработали 1100 МВт, и многие испытания завершились только тогда, когда на испытательном стенде закончилось водородное топливо. NERVA NRX/XE выработала базовую тягу 334 кН (75 000 фунт- сил ), которую Космический центр им. Маршалла требовал в планах миссии на Марс . Последний запуск NRX привел к потере 17 кг (38 фунтов) ядерного топлива за 2 часа испытаний, что было признано SNPO достаточным для космических миссий. [ необходима цитата ]
Серия реакторов Phoebus, созданная на основе серии KIWI, была гораздо более крупными реакторами. Первый тест 1A в июне 1965 года длился более 10 минут при мощности 1090 МВт и температуре выхлопных газов 2370 К. Запуск B в феврале 1967 года улучшил этот показатель до 1500 МВт в течение 30 минут. Последний тест 2A в июне 1968 года длился более 12 минут при мощности 4000 МВт, что на тот момент было самым мощным ядерным реактором из когда-либо построенных. [ требуется цитата ]
Также была построена уменьшенная версия KIWI, Pewee. Она запускалась несколько раз на мощности 500 МВт для тестирования покрытий из карбида циркония (вместо карбида ниобия ), но Pewee также увеличил плотность мощности системы. Система с водяным охлаждением, известная как NF-1 (от Nuclear Furnace ), использовала топливные элементы Pewee 2 для будущих испытаний материалов, показав еще большее снижение коррозии топлива в 3 раза. Pewee 2 никогда не испытывался на стенде и стал основой для текущих конструкций NTR, исследуемых в Исследовательском центре Гленна и Космическом центре имени Маршалла в NASA . [ необходима цитата ]
Проект NERVA/Rover был в конечном итоге отменен в 1972 году с общим сворачиванием деятельности NASA в эпоху после Apollo . Без пилотируемой миссии на Марс необходимость в ядерной тепловой ракете неясна. Другой проблемой были бы опасения общественности по поводу безопасности и радиоактивного заражения .
В январе 1965 года программа Rover США намеренно модифицировала реактор Kiwi (KIWI-TNT) для перехода в режим мгновенной критичности, что привело к немедленному разрушению корпуса реактора, сопла и топливных сборок. Предназначенный для моделирования наихудшего сценария падения с высоты в океан, который мог бы произойти при отказе ускорителя после запуска, полученный выброс радиации привел бы к гибели людей на расстоянии до 200 м (600 футов) и травмам на расстоянии до 600 м (2000 футов). Реактор был расположен на железнодорожном вагоне в районе Jackass Flats на испытательном полигоне в Неваде . [38]
По состоянию на январь 2012 года группа разработчиков двигателей проекта «Икар» изучала двигательную систему NTR [39] , но с 2019 года наблюдалась небольшая активность. [40]
В 1987 году Ронен и Лейбсон [41] [42] опубликовали исследование по применению 242m Am (один из изотопов америция ) в качестве ядерного топлива для космических ядерных реакторов , отметив его чрезвычайно высокое тепловое сечение и плотность энергии . Ядерные системы, работающие на 242m Am, требуют меньше топлива в 2–100 раз по сравнению с обычным ядерным топливом .
Ракета на осколках деления, использующая 242m Am, была предложена Джорджем Чаплином [43] в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) в 1988 году, который предложил движение, основанное на прямом нагреве рабочего газа осколками деления, генерируемыми делящимся материалом. Ронен и др. [44] демонстрируют, что 242m Am может поддерживать устойчивое ядерное деление в виде чрезвычайно тонкой металлической пленки, толщиной менее 1/1000 миллиметра. 242m Am требует всего 1% массы 235 U или 239 Pu, чтобы достичь своего критического состояния. Группа Ронена в Университете Бен-Гуриона в Негеве далее показала, что ядерное топливо на основе 242m Am может ускорить космические аппараты от Земли до Марса всего за две недели. [45]
242m Am как ядерное топливо получено из того факта, что он имеет самое высокое сечение теплового деления (тысячи барнов ), примерно в 10 раз больше следующего по величине сечения среди всех известных изотопов. 242m Am является делящимся (потому что имеет нечетное число нейтронов ) и имеет низкую критическую массу , сравнимую с 239 Pu . [46] [ 47]
Он имеет очень высокое поперечное сечение деления, и если в ядерном реакторе он разрушается относительно быстро. В другом отчете утверждается, что 242m Am может поддерживать цепную реакцию даже в виде тонкой пленки и может быть использован для нового типа ядерной ракеты . [44] [48] [49] [50]
Поскольку сечение теплового поглощения 242m Am очень велико, наилучшим способом получения 242m Am является захват быстрых или эпитепловых нейтронов в америции-241, облученном в быстром реакторе . Однако реакторы с быстрым спектром не являются легкодоступными. Был предоставлен подробный анализ размножения 242m Am в существующих реакторах с водой под давлением (PWR). [51] Сопротивление распространению 242m Am было сообщено в исследовании Технологического института Карлсруэ 2008 года. [52]
В 2000 году Карло Руббиа в ЦЕРНе продолжил работу Ронена [53] и Чаплайна [54] над ракетой на осколках деления, использующей 242m Am в качестве топлива. [55] Проект 242 [56], основанный на конструкции Руббиа, изучал концепцию тонкопленочного ядерного реактора с подогревом осколками деления на основе 242m Am [57] с использованием прямого преобразования кинетической энергии осколков деления в увеличение энтальпии рабочего газа. Проект 242 изучал применение этой двигательной системы в пилотируемой миссии на Марс. [58] Предварительные результаты были весьма удовлетворительными, и было отмечено, что двигательная система с такими характеристиками может сделать миссию осуществимой. Другое исследование было сосредоточено на производстве 242m Am в обычных тепловых ядерных реакторах. [59]
Современные конструкции ядерных тепловых ракет с твердым сердечником призваны значительно ограничить рассеивание и разрушение радиоактивных топливных элементов в случае катастрофического отказа. [60]
По состоянию на 2013 год NTR для межпланетного путешествия с орбиты Земли на орбиту Марса изучается в Центре космических полетов имени Маршалла совместно с Исследовательским центром имени Гленна . [61] В ходе исторических наземных испытаний NTR оказались как минимум в два раза эффективнее самых современных химических двигателей, что позволило бы сократить время перехода и увеличить грузоподъемность. Более короткая продолжительность полета, оцениваемая в 3–4 месяца с двигателями NTR, [62] по сравнению с 6–9 месяцами при использовании химических двигателей, [63] снизила бы воздействие на экипаж потенциально вредных и трудно экранируемых космических лучей . [64] [65] [66] [67] Двигатели NTR, такие как Pewee из Project Rover , были выбраны в архитектуре Mars Design Reference Architecture (DRA). [65] [66] [68] [69]
В 2017 году НАСА продолжило исследования и разработки в области NTR, проектируя их для использования в космосе с использованием одобренных для гражданского использования материалов, в рамках трехлетнего контракта на сумму 18,8 млн долларов США. [70]
В 2019 году законопроект об ассигнованиях, принятый Конгрессом США, включал 125 миллионов долларов США [1] на финансирование исследований в области ядерного теплового движения, включая планирование демонстрационной миссии полета к 2024 году. [71]
По состоянию на 2021 год Космические силы США и DARPA проявили большой интерес к ядерным тепловым ракетам для орбитального и окололунного использования. Помимо американских военных, администратор NASA Джим Брайденстайн также выразил интерес к проекту и его потенциальному применению для будущей миссии на Марс . [72] DARPA заключило 2 контракта на свою программу Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), целью которой является демонстрация ядерной тепловой двигательной установки на орбите: один контракт в сентябре 2020 года компании Gryphon Technologies на сумму 14 миллионов долларов США, [72] и еще один контракт в апреле 2021 года компании General Atomics на сумму 22 миллиона долларов США, оба на предварительные проекты реактора. [73] Были выбраны два концептуальных проекта космических аппаратов от Blue Origin и Lockheed Martin. Предложения по летной демонстрации ядерной тепловой двигательной установки в 2026 финансовом году должны были быть поданы 5 августа 2022 года. [74]
В январе 2023 года NASA и DARPA объявили о партнерстве по проекту DRACO с целью демонстрации двигателя NTR в космосе, что позволит NASA осуществлять пилотируемые миссии на Марс. [75] В июле 2023 года американские агентства объявили, что Lockheed Martin получила контракт на сумму 499 миллионов долларов на сборку экспериментального ядерного теплового реактора (X-NTRV) и его двигателя. [76]
Атмосферный или орбитальный отказ ракеты может привести к рассеиванию радиоактивных материалов в окружающей среде. Столкновение с орбитальным мусором, разрушение материала из-за неконтролируемого деления, несовершенство или усталость материала или недостатки человеческого проектирования могут привести к нарушению герметичности делящегося материала. Такой катастрофический отказ во время полета может высвободить радиоактивные материалы над Землей в обширной и непредсказуемой области. Количество загрязнения будет зависеть от размера ядерного теплового ракетного двигателя, в то время как зона загрязнения и его концентрация будут зависеть от преобладающих погодных и орбитальных параметров во время входа в атмосферу. [ необходима цитата ]
Считается маловероятным, что топливные элементы реактора будут разбросаны по большой площади, поскольку они состоят из таких материалов, как углеродные композиты или карбиды, и обычно покрыты гидридом циркония . [77] До наступления критичности твердое ядро NTR-топлива не представляет особой опасности. После первого запуска реактора образуются чрезвычайно радиоактивные короткоживущие продукты деления, а также менее радиоактивные, но чрезвычайно долгоживущие продукты деления. Количество продуктов деления равно нулю при запуске на свежем топливе и примерно пропорционально (фактически: ограничено) общему количеству тепла деления, произведенного с момента запуска на свежем топливе. [78] [79] Кроме того, все конструкции двигателя подвергаются прямой бомбардировке нейтронами, что приводит к их радиоактивной активации. [ необходима цитата ]
испытания ядерных ракет начались в 1955 году с проекта Rover в Лос-Аламосской научной лаборатории. Ключевым достижением стала миниатюризация реакторов, достаточная для установки их на ракету. В течение следующих нескольких лет инженеры построили и испытали более дюжины реакторов разных размеров и выходной мощности.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .(Представлено на семинаре Массачусетского технологического института в 1947 году)
исследования NERVA показали, что двигатели на графитовом композитном топливе демонстрируют нежелательную эрозию и растрескивание.
Были выбраны предварительные проекты, но ни один прототип компонентов не был испытан до того, как программа была отменена. Ни одна система так и не была запущена.
В данной статье использован текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .