Ядерно -тепловая ракета ( NTR ) — это тип тепловой ракеты , в которой тепло ядерной реакции , часто ядерного деления , заменяет химическую энергию топлива в химической ракете . В НТР рабочее тело , обычно жидкий водород , нагревается до высокой температуры в ядерном реакторе , а затем расширяется через сопло ракеты , создавая тягу . Внешний ядерный источник тепла теоретически обеспечивает более высокую эффективную скорость выхлопа и, как ожидается, удвоит или утроит полезную нагрузку по сравнению с химическим топливом, которое хранит энергию внутри.
NTR были предложены в качестве технологии движения космических кораблей , причем самые ранние наземные испытания прошли в 1955 году. Соединенные Штаты поддерживали программу разработки NTR до 1973 года, когда она была закрыта по разным причинам, например, чтобы сосредоточиться на разработке космических кораблей . Хотя было построено и испытано более десяти реакторов различной мощности, по состоянию на 2023 год [обновлять]ни одна ядерная тепловая ракета не летала. [1]
В то время как все ранние применения ядерных тепловых ракетных двигателей использовали процессы деления , исследования в 2010-х годах перешли к подходам термоядерного синтеза . Проект Direct Fusion Drive в Принстонской лаборатории физики плазмы является одним из таких примеров, хотя «энергоположительный термоядерный синтез остается недостижимым». В 2019 году Конгресс США одобрил финансирование разработки ядерных ракет с тепловыми двигателями в размере 125 миллионов долларов США. [1]
В мае 2022 года DARPA опубликовало запрос предложений на следующий этап своей программы создания ядерно-тепловых двигателей «Демонстрационная ракета для маневренных ци-лунных операций» (DRACO). Это следует из того, что в 2021 году они выбрали раннюю конструкцию двигателя General Atomics и две концепции космических кораблей от Blue Origin и Lockheed Martin . Следующие этапы программы будут сосредоточены на проектировании, разработке, изготовлении и сборке ядерного теплового ракетного двигателя. [2] В июле 2023 года компания Lockheed Martin получила контракт на постройку космического корабля, а компания BWX Technologies ( BWXT ) разработает ядерный реактор. Запуск ожидается в 2027 году. [3]
Тепловые ракеты с ядерным двигателем более эффективны, чем химические тепловые ракеты, прежде всего потому, что они могут использовать топливо с низкой молекулярной массой, такое как водород.
Как 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, неся с собой импульс и преобразуя тепловую энергию в когерентную кинетическую энергию. Удельный импульс (Isp) двигателя задается скоростью потока выхлопных газов. Она, в свою очередь, изменяется как квадратный корень из кинетической энергии, приложенной к каждой единице массы топлива. Кинетическая энергия, приходящаяся на молекулу топлива, определяется температурой источника тепла (будь то ядерный реактор или химическая реакция ). При любой конкретной температуре легкие молекулы топлива несут столько же кинетической энергии, что и более тяжелые молекулы топлива, и, следовательно, имеют больше кинетической энергии на единицу массы. Это делает пороха с низкой молекулярной массой более эффективными, чем пороха с высокой молекулярной массой.
Поскольку химические ракеты и ядерные ракеты изготавливаются из тугоплавких твердых материалов, они оба могут работать при температуре ниже ~ 3000 ° C (5430 ° F) из-за прочностных характеристик высокотемпературных металлов. В химических ракетах используется наиболее доступное топливо, которое представляет собой отходы химических реакций, производящих тепловую энергию. В большинстве химических ракет на жидком топливе сжигается либо водород, либо углеводород, поэтому в качестве топлива используется в основном вода (молекулярная масса 18) и/или углекислый газ (молекулярная масса 44). Таким образом, ядерные тепловые ракеты, использующие газообразный водород (молекулярная масса 2), имеют теоретический максимальный Isp, который в 3–4,5 раза выше, чем у химических ракет.
Еще в 1944 году Станислав Улам и Фредерик де Гофман задумались над идеей управления мощностью ядерных взрывов для запуска космических аппаратов. [4] После Второй мировой войны американские военные начали разработку межконтинентальных баллистических ракет (МБР) на основе немецкой конструкции ракеты Фау-2 . Некоторые большие ракеты были предназначены для перевозки ядерных боеголовок с ядерными маршевыми двигателями. [4] Еще в 1946 году секретные отчеты были подготовлены для ВВС США в рамках проекта NEPA компаниями North American Aviation и Project Rand компании Douglas Aircraft . [5] Эти новаторские отчеты определили реакторный двигатель, в котором рабочее тело с низкой молекулярной массой нагревается с помощью ядерного реактора, как наиболее многообещающую форму ядерной двигательной установки, но выявили множество технических проблем, которые необходимо решить. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
В январе 1947 года, не зная об этом секретном исследовании, инженеры Лаборатории прикладной физики опубликовали свои исследования по ядерной энергетике, и их отчет в конечном итоге был засекречен. [14] [4] [15] В мае 1947 года китайский ученый Цянь Сюэсэн , получивший американское образование, представил свое исследование «тепловых струй», приводимых в действие ядерным реактором с пористым графитовым замедлителем, на семинарах по ядерной науке и технике LIV, организованных Массачусетским институтом . технологии . [16] [15]
В 1948 и 1949 годах физик Лесли Шеперд и ученый-ракетчик Вэл Кливер опубликовали серию новаторских научных работ, в которых рассматривалось, как ядерные технологии могут быть применены к межпланетным путешествиям . В докладах рассматривались как ядерно-тепловые, так и ядерно-электрические двигательные установки. [17] [18] [19] [20]
В рамках проекта Rover Лос -Аламосская национальная лаборатория начала разработку ядерных тепловых двигателей уже в 1955 году и испытала первый в мире экспериментальный ядерный ракетный двигатель KIWI-A в 1959 году.[1] Эта работа в Лос-Аламосе была затем продолжена в рамках программы НАСА NERVA (1961-1973). NERVA добилась многих успехов и усовершенствовала ранние прототипы, создав мощные двигатели, которые были в несколько раз более эффективны, чем химические аналоги. Однако программа была отменена в 1973 году из-за бюджетных ограничений. На сегодняшний день ни одна ядерная тепловая двигательная установка никогда не использовалась в космосе.[2]
Ядерные тепловые ракеты можно разделить на категории по типу реактора: от относительно простого твердотопливного реактора до гораздо более сложного в конструкции, но теоретически более эффективного реактора с газовым сердечником. Как и во всех тепловых конструкциях ракет, производимый удельный импульс пропорционален корню квадратному из температуры, до которой нагревается рабочее тело (реакционная масса). Для достижения максимальной эффективности температура должна быть как можно выше. Для данной конструкции температура, которую можно достичь, обычно определяется материалами, выбранными для конструкций реактора, ядерным топливом и оболочкой твэла. [ нужна цитата ] Эрозия также вызывает беспокойство, особенно потеря топлива и связанные с этим выбросы радиоактивности. [21]
Ядерные реакторы с твердой активной зоной питаются соединениями урана , которые существуют в твердой фазе в существующих условиях и подвергаются ядерному делению с высвобождением энергии. Летные реакторы должны быть легкими и способными выдерживать чрезвычайно высокие температуры, поскольку единственным доступным теплоносителем является рабочее тело/топливо. [1] Ядерный твердотопливный двигатель представляет собой простейшую конструкцию и используется на всех испытанных NTR. [22]
Используя водород в качестве топлива, конструкция с твердым ядром 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 космического корабля «Шаттл» . Были также предложены другие виды топлива, такие как аммиак, вода или LOX , но эти топлива обеспечат снижение скорости и производительности выхлопных газов при незначительном снижении стоимости топлива. Еще одним свидетельством 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 уд .
Ранние публикации подвергали сомнению возможность применения ядерных двигателей в космосе. В 1947 году полный ядерный реактор был настолько тяжелым, что твердотопливные ядерные тепловые двигатели были совершенно неспособны [23] достичь тяговооруженности 1:1 , необходимой для преодоления гравитации Земли при запуске. В течение следующих двадцати пяти лет конструкции ядерных тепловых ракет США в конечном итоге достигли соотношения тяги к весу примерно 7:1. Это все еще гораздо более низкая тяговооруженность, чем то, что достижимо с химическими ракетами, у которых тяговооруженность порядка 70:1. В сочетании с большими резервуарами, необходимыми для хранения жидкого водорода, это означает, что ядерные тепловые двигатели с твердым сердечником лучше всего подходят для использования на орбите за пределами гравитационного колодца Земли , не говоря уже о том, чтобы избежать радиоактивного загрязнения , которое может возникнуть в результате использования в атмосфере [1] (если Использовалась конструкция «открытого цикла» в отличие от менее эффективной конструкции «замкнутого цикла», в которой радиоактивный материал не мог улетучиться вместе с ракетным топливом. [24] )
Одним из способов повышения рабочей температуры реактора является замена ядерных топливных элементов. Это основа реактора с частицами, который питается несколькими (обычно сферическими) элементами, которые «плавают» внутри водородной рабочей жидкости. Вращение всего двигателя может помешать выбросу 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 иметь общие элементы с реактором с галечным слоем , некоторые из которых в настоящее время вырабатывают электроэнергию. [ нужна цитата ] С 1987 по 1991 год Управление Стратегической оборонной инициативы (SDI) финансировало проект Timberwind , невращающуюся ядерную тепловую ракету, основанную на технологии слоя частиц. Проект был отменен до начала испытаний. [25]
В традиционной конструкции с твердой активной зоной максимальная температура выхлопа рабочей массы равна температуре реактора, а на практике ниже этой. Эта температура представляет собой энергию, намного более низкую, чем у отдельных нейтронов , выделяемых в результате реакций деления. Их энергия распространяется по массе реактора, вызывая его термализацию. В конструкциях электростанций активная зона затем охлаждается, обычно с использованием воды. В случае ядерного двигателя вода заменяется водородом, но в остальном концепция аналогична.
Импульсные реакторы пытаются передавать энергию непосредственно от нейтронов к рабочей массе, позволяя выхлопным газам достигать температур, значительно превышающих точку плавления активной зоны реактора. Поскольку удельный импульс напрямую зависит от температуры, улавливание энергии релятивистских нейтронов позволяет значительно повысить производительность. [26]
Для этого импульсные реакторы работают серией коротких импульсов, а не непрерывной цепной реакцией, как в обычном реакторе. Реактор обычно выключен, позволяя ему остыть. Затем он включается вместе с системой охлаждения или потоком топлива и работает на очень высоком уровне мощности. На этом уровне активная зона быстро начинает нагреваться, поэтому при достижении заданной температуры реактор снова быстро отключается. Во время этих импульсов вырабатываемая мощность намного превышает мощность, которую реактор того же размера может производить постоянно. Ключом к этому подходу является то, что, хотя общее количество топлива, которое можно прокачать 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 той, что используется в традиционной конструкции с твердотельным сердечником. Но во время длительного круиза двигатель переключался в импульсный режим, чтобы лучше использовать топливо.
Ядерные двигатели с жидкой активной зоной работают на соединениях делящихся элементов в жидкой фазе . Предлагается двигатель с жидкой активной зоной работать при температурах выше температуры плавления твердого ядерного топлива и оболочки, при этом максимальная рабочая температура двигателя определяется не корпусом реактора и материалом отражателя нейтронов . Ожидается, что более высокие рабочие температуры обеспечат удельную импульсную мощность порядка 1300–1500 секунд (12,8–14,8 кН·с/кг). [ нужна цитата ]
Реактор с жидкой активной зоной было бы чрезвычайно сложно построить при нынешних технологиях. Одна из основных проблем заключается в том, что время реакции ядерного топлива намного превышает время нагрева рабочего тела. Если ядерное топливо и рабочее тело физически не разделены, это означает, что топливо должно удерживаться внутри двигателя, в то время как рабочее тело должно легко выходить через сопло. Одним из возможных решений является вращение топливно-жидкостной смеси на очень высоких скоростях, чтобы вытолкнуть топливо с более высокой плотностью наружу, но это подвергнет корпус реактора воздействию максимальной рабочей температуры, одновременно увеличивая массу, сложность и движущиеся части. [ нужна цитата ]
Альтернативной конструкцией с жидкостным ядром является ядерная ракета на морской воде . В этой конструкции вода является рабочим телом, а также служит замедлителем нейтронов . Ядерное топливо не сохраняется, что резко упрощает конструкцию. Однако ракета будет выбрасывать огромное количество чрезвычайно радиоактивных отходов, и ее можно будет безопасно эксплуатировать только за пределами атмосферы Земли и, возможно, даже полностью за пределами магнитосферы Земли . [ нужна цитата ]
Последняя классификация деления — двигатель с газовым сердечником . Это модификация конструкции с жидкой активной зоной, в которой используется быстрая циркуляция жидкости для создания тороидального кармана из 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 обеспечить 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 исследованию двигателя «замкнутого цикла» или двигателя с ядерной лампочкой , в котором газообразное ядерное топливо содержится в сверхвысокой температуре. -температурный кварцевый контейнер, по которому течет водород. Двигатель замкнутого цикла имеет гораздо больше общего с твердотопливной конструкцией, но на этот раз время ограничено критической температурой кварца, а не топлива и оболочки. Ожидается, что конструкция с замкнутым циклом, хотя и менее эффективна, чем конструкция с открытым циклом, будет обеспечивать удельный импульс около 1500–2000 секунд (15–20 кН·с/кг). [ нужна цитата ]
Советский РД-0410 прошел серию испытаний на ядерном полигоне недалеко от Семипалатинского полигона . [27] [28]
В октябре 2018 года российский Научно-исследовательский центр Келдыша подтвердил успешные наземные испытания радиаторов-утилизаторов ядерного космического двигателя, а также предыдущие испытания топливных стержней и ионных двигателей . [29]
Разработка NTR с твердой активной зоной началась в 1955 году в рамках Комиссии по атомной энергии ( AEC) под названием Project Rover и продолжалась до 1973 года . Невадский испытательный полигон . В результате этого проекта были созданы четыре основных проекта: КИВИ, Феб, Пьюи и Ядерная печь. Было испытано двадцать отдельных двигателей с общей продолжительностью работы более 17 часов. [30]
Когда НАСА было создано в 1958 году, ему были переданы полномочия по всем неядерным аспектам программы марсоходов. Чтобы обеспечить сотрудничество с AEC и сохранить секретную информацию в секрете, в то же время было сформировано Управление космических ядерных силовых установок (СНПО). Программа NERVA 1961 года была призвана привести к использованию ядерных тепловых ракетных двигателей в освоении космоса. В отличие от работы AEC, целью которой было изучение самой конструкции реактора, целью NERVA было создание настоящего двигателя, который можно было бы использовать в космических миссиях. Базовая конструкция NERVA с тягой 334 кН (75 000 фунтов силы ) была основана на серии KIWI B4. [ нужна цитата ]
Испытанные двигатели включали Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 и Nuclear Furnace. Постепенно увеличивающаяся плотность мощности достигла кульминации в Pewee. [30] Испытания улучшенной конструкции Pewee 2 были отменены в 1970 году в пользу более дешевой ядерной печи (NF-1), а программа ядерных ракет США официально завершилась весной 1973 года. В ходе этой программы NERVA накопила более 2 часов работы, включая 28 минут на полной мощности. [1] SNPO считало NERVA последним реактором для разработки технологий, необходимым для перехода к летным прототипам. [ нужна цитата ]
Несколько других твердотопливных двигателей также были в той или иной степени изучены. Малый ядерный ракетный двигатель, или SNRE, был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) для использования на верхних этапах как на беспилотных пусковых установках, так и на космических шаттлах . Он имел раздельное сопло, которое можно было поворачивать в сторону, что позволяло ему занимать меньше места в грузовом отсеке шаттла. Конструкция обеспечивала тягу 73 кН и работала при удельном импульсе 875 секунд (8,58 кН·с/кг), а планировалось увеличить это время до 975 секунд, добившись массовой доли около 0,74 по сравнению с 0,86 у космического корабля . Главный двигатель шаттла (SSME), один из лучших обычных двигателей. [ нужна цитата ]
Похожий дизайн, который претерпел некоторую доработку, но так и не дошел до стадии прототипа, был Дамбо. Дамбо был похож на KIWI/NERVA по своей концепции, но в нем использовались более совершенные методы строительства для снижения веса реактора. Реактор Дамбо состоял из нескольких больших бочкообразных труб, которые, в свою очередь, были построены из сложенных друг на друга пластин гофрированного материала. Гофры располагались так, чтобы образовавшаяся стопка имела каналы, идущие изнутри наружу. Некоторые из этих каналов были заполнены урановым топливом, другие — замедлителем, а некоторые остались открытыми как газовый канал. Водород закачивался в середину трубки и нагревался топливом, проходя по каналам и выходя наружу. Получившаяся система оказалась легче традиционной конструкции для любого конкретного количества топлива. [ нужна цитата ]
В период с 1987 по 1991 год усовершенствованная конструкция двигателя изучалась в рамках проекта Timberwind в рамках Стратегической оборонной инициативы , которая позже была расширена до более крупной конструкции в программе Space Thermal Nuclear Propulsion (STNP). Достижения в области высокотемпературных металлов, компьютерного моделирования и ядерной техники в целом привели к значительному улучшению производительности. Хотя предполагалось, что двигатель NERVA будет весить около 6803 кг (14 998 фунтов), окончательный вариант STNP обеспечивал чуть более 1/3 тяги двигателя массой всего 1650 кг (3640 фунтов) за счет улучшения I sp до уровня от 930 до 1000 секунд. [ нужна цитата ]
КИВИ был запущен первым, начиная с июля 1959 года с КИВИ 1. Реактор не предназначался для полета и был назван в честь нелетающей птицы Киви. Ядро представляло собой просто стопку непокрытых пластин оксида урана , на которые сбрасывался водород . Была создана тепловая мощность 70 МВт при температуре выхлопных газов 2683 К. В двух дополнительных испытаниях базовой концепции, А1 и А3, на пластины было добавлено покрытие для проверки концепции топливных стержней. [ нужна цитата ]
Серия KIWI B питалась крошечными сферами диоксида урана (UO 2 ), заключенными в графитовую матрицу с низким содержанием бора и покрытыми карбидом ниобия . По всей длине жгутов проходило девятнадцать отверстий, через которые протекал жидкий водород. При первых запусках из-за сильного жара и вибрации пучки топлива треснули. Графитовые материалы, использованные в конструкции реактора, были устойчивы к высоким температурам, но разрушались под действием потока перегретого восстановителя водорода . Позже в качестве топлива был заменен карбид урана , последний запуск двигателя состоялся в 1964 году. Проблемы эрозии и растрескивания топливного пучка были улучшены, но так и не решены полностью, несмотря на многообещающие работы с материалами в Аргоннской национальной лаборатории . [ нужна цитата ]
NERVA NRX (экспериментальный ядерный ракетный двигатель) начал испытания в сентябре 1964 года. Последним двигателем в этой серии был XE, разработанный с типичным для полета оборудованием и запущенный в камеру низкого давления для имитации вакуума. В марте 1968 года SNPO запустила NERVA NRX/XE двадцать восемь раз. Все эти серии произвели 1100 МВт, и многие испытания завершились только тогда, когда на испытательном стенде кончился водород. NERVA NRX/XE обеспечивал базовую тягу 334 кН (75 000 фунтов силы ), которая требовалась Центру космических полетов Маршалла в планах миссии на Марс . При последнем запуске NRX за 2 часа испытаний было потеряно 17 кг (38 фунтов) ядерного топлива, что было сочтено SNPO достаточным для космических полетов. [ нужна цитата ]
Серия «Фебус», основанная на серии KIWI, представляла собой гораздо более крупные реакторы. Первое испытание 1А в июне 1965 года длилось более 10 минут при мощности 1090 МВт и температуре выхлопных газов 2370 К. Испытание B в феврале 1967 года улучшило это значение до 1500 МВт в течение 30 минут. Последнее испытание 2А в июне 1968 года длилось более 12 минут при мощности 4000 МВт, самом мощном на тот момент ядерном реакторе, когда-либо построенном. [ нужна цитата ]
Также была построена уменьшенная версия KIWI, Pewee. Его несколько раз запускали на мощности 500 МВт для проверки покрытий из карбида циркония (вместо карбида ниобия ), но Pewee также увеличила удельную мощность системы. Система с водяным охлаждением, известная как NF-1 (от «Ядерная печь» ), использовала топливные элементы Pewee 2 для будущих испытаний материалов, что еще больше снизило коррозию топлива в 3 раза. Pewee 2 никогда не тестировался на стенде и стал основой для текущих проектов NTR, которые исследуются в Исследовательском центре Гленна НАСА и Центре космических полетов Маршалла. [ нужна цитата ]
Проект NERVA/Rover в конечном итоге был отменен в 1972 году из-за общего закрытия НАСА в эпоху после Аполлона . Без миссии человека на Марс необходимость в ядерной тепловой ракете неясна. Еще одной проблемой может стать обеспокоенность общественности по поводу безопасности и радиоактивного загрязнения .
В январе 1965 года в рамках программы US Rover намеренно модифицировали реактор Киви (KIWI-TNT), чтобы он сразу стал критическим, что привело к немедленному разрушению корпуса реактора, сопла и топливных сборок. Предназначенный для моделирования наихудшего сценария падения с высоты в океан, который может произойти при отказе ракеты-носителя после запуска, возникший в результате выброс радиации мог бы привести к гибели людей на высоте до 183 м (600 футов) и травмам до 610 человек. м (2000 футов). Реактор был установлен на железнодорожном вагоне в районе Джекасс-Флэтс испытательного полигона в Неваде . [31]
По состоянию на январь 2012 года двигательная группа проекта «Икар» изучала двигательную установку NTR, [32], но с 2019 года не проявляла особой активности. [33]
В 1987 году Ронен и Лейбсон [34] [35] опубликовали исследование по применению 242m Am (одного 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 с использованием 242m Am была предложена Джорджем Чаплином [36] из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в 1988 году, который предложил движение, основанное на прямом нагреве порохового газа осколками деления, генерируемыми делящимся материалом. Ронен и др. [37] демонстрируют, что 242m Am может поддерживать устойчивое деление ядер в виде чрезвычайно тонкой металлической пленки толщиной менее 1/1000 миллиметра. Для достижения критического состояния 242m Am требуется всего 1% массы 235 U или 239 Pu. Группа Ронена из Университета Бен-Гуриона в Негеве также показала, что ядерное топливо на основе 242m Am может ускорить космические аппараты с Земли на Марс всего за две недели. [38]
242m Am в качестве ядерного топлива получен из того факта, что он имеет самое высокое сечение термического деления (тысячи амбаров ), что примерно в 10 раз превышает следующее по величине сечение среди всех известных изотопов. 242m Am делится ( поскольку у него нечетное число нейтронов ) и имеет низкую критическую массу , сравнимую с критической массой 239 Pu . [39] [40]
Он имеет очень высокое сечение деления и при попадании в ядерный реактор 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 . [37] [41] [42] [43]
Поскольку сечение теплового поглощения 242m Am очень велико, лучшим способом получения 242m Am является захват быстрых или надтепловых нейтронов в америции-241 , облученном в быстром реакторе . Однако реакторы быстрого спектра недоступны. Был проведен детальный анализ воспроизводства 242m Am в существующих водо-водяных реакторах (PWR). [44] Устойчивость к распространению 242m Am была обнаружена в исследовании Технологического института Карлсруэ, проведенном в 2008 году. [45]
В 2000 году Карло Руббиа из ЦЕРН продолжил работу Ронена [46] и Чаплина [47] над ракетой на осколках деления , использующей 242m Am в качестве топлива. [48] В проекте 242 [49] , основанном на конструкции Руббиа, изучалась концепция тонкопленочного НТР с подогревом осколков деления на основе 242m Am [50] с использованием прямого преобразования кинетической энергии осколков деления в увеличение энтальпии порохового газа. Проект 242 изучал применение этой двигательной установки в пилотируемом полете на Марс. [51] Предварительные результаты были весьма удовлетворительными, и было замечено, что двигательная установка с такими характеристиками могла бы сделать миссию осуществимой. Другое исследование было посвящено производству 242m Am в обычных тепловых ядерных реакторах. [52]
Современные конструкции ядерных тепловых ракет с твердым сердечником призваны значительно ограничить рассеивание и разрушение радиоактивных топливных элементов в случае катастрофического отказа. [53]
По состоянию на 2013 год NTR для межпланетных путешествий с околоземной орбиты на орбиту Марса изучается в Центре космических полетов Маршалла совместно с Исследовательским центром Гленна . [54] В ходе исторических наземных испытаний NTR оказались как минимум в два раза более эффективными , чем самые совершенные химические двигатели, что позволило сократить время перемещения и увеличить грузоподъемность. Более короткая продолжительность полета, оцениваемая в 3–4 месяца с двигателями NTR [55] по сравнению с 6–9 месяцами с использованием химических двигателей [56] , позволит снизить воздействие на экипаж потенциально вредных и трудно экранируемых космических лучей . [57] [58] [59] [60] Двигатели NTR, такие как Pewee из Project Rover , были выбраны в эталонной архитектуре проекта Mars (DRA). [58] [59] [61] [62]
В 2017 году НАСА продолжило исследования и разработки в области NTR, разрабатывая для космического применения материалы, одобренные для гражданского использования, по трехлетнему контракту на сумму 18,8 миллиона долларов США. [63]
В 2019 году законопроект об ассигнованиях, принятый Конгрессом США , включал 125 миллионов долларов США [1] на финансирование исследований в области ядерных тепловых двигателей, включая планирование демонстрационного полета к 2024 году. [64]
По состоянию на 2021 год Космические силы США и DARPA проявляют большой интерес к ядерным тепловым ракетам для орбитального и окололунного использования. Помимо военных США, интерес к проекту и его потенциальному применению для будущей миссии на Марс выразил также администратор НАСА Джим Брайденстайн . [65] DARPA заключило 2 контракта на свою программу «Демонстрационная ракета для маневренных цислунарных операций» (DRACO), целью которой является демонстрация ядерной тепловой двигательной установки на орбите: один контракт в сентябре 2020 года с компанией Gryphon Technologies на сумму 14 миллионов долларов США, [65] и еще одна награда в апреле 2021 года компании General Atomics на сумму 22 миллиона долларов США за предварительные проекты реактора. [66] Были выбраны два концептуальных проекта космического корабля компаний 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. [67]
В январе 2023 года НАСА и DARPA объявили о партнерстве по DRACO для демонстрации двигателя NTR в космосе, что позволит НАСА совершать пилотируемые миссии на Марс. [68] В июле 2023 года агентства США объявили, что Lockheed Martin получила контракт на сумму 499 миллионов долларов на сборку экспериментального транспортного средства с ядерным тепловым реактором (X-NTRV) и его двигателя. [69]
Отказ атмосферной или орбитальной ракеты может привести к рассеиванию радиоактивного материала в окружающую среду. Столкновение с орбитальным мусором, разрушение материала из-за неконтролируемого деления, несовершенство или усталость материала, а также ошибки в конструкции человека могут привести к нарушению условий содержания делящегося материала. Такой катастрофический сбой во время полета может привести к выбросу радиоактивного материала над Землей в обширной и непредсказуемой зоне. Количество загрязнения будет зависеть от размера ядерного теплового ракетного двигателя, а зона загрязнения и его концентрация будут зависеть от преобладающих погодных условий и параметров орбиты во время входа в атмосферу. [ нужна 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 . [70] До возникновения критичности твердое топливо NTR 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, произведенному с момента запуска на свежем топливе. [71] [72] Кроме того, все конструкции двигателя подвергаются прямой нейтронной бомбардировке, что приводит к их радиоактивной активации. [ нужна цитата ]
Первые испытания ядерных ракет начались в 1955 году с проекта «Ровер» в Лос-Аламосской научной лаборатории. Ключевым достижением стала миниатюризация реакторов настолько, чтобы их можно было разместить на ракете. За следующие несколько лет инженеры построили и испытали более десятка реакторов разных размеров и мощностей.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .Эта статья включает текст из этого источника, который находится в свободном доступе .Эта статья включает текст из этого источника, который находится в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .(Представлено на семинаре Массачусетского технологического института в 1947 году)
Предыдущие исследования NERVA показали, что двигатели с графитовым композитным топливом демонстрируют нежелательную эрозию и растрескивание.
Предварительные проекты были выбраны, но ни один компонент прототипа не был протестирован до отмены программы. Ни одна система так и не была запущена.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .