Газофазный ядерный реактивный двигатель

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

История[править | править код]

История ядерного газофазного двигателя начинает свой путь с конца 50-х годов, в то время когда человечеством была достигнута устойчивая технология производства ядерной энергии в реакторах и был накоплен солидный объём данных о ядерном топливе и его поведении в самых различных условиях эксплуатации. Сама возможность реализации принципов деления ядерного топлива в газообразной фазе предопределила и стремление учёных-атомщиков и разработку газообразного ТВЭЛа. Появилось несколько схем устройства газофазных ядерных реакторов и ракетных двигателей, но существенное отставание в практическом материаловедении от теоретических разработок не позволило создать рабочий образец газофазного реактора и ракетного двигателя по сегодняшний день. Трудности практической реализации оказались весьма велики, и в их ряду: организация устойчивого деления, создание критических условий в ГТВЭЛ (газофазный топливный элемент), подбор тугоплавких конструкционных материалов, и КПД деления топлива, оказались полностью взаимоувязаны и представляют комплексную проблему. В связи с этим разработчики стали вести поиски направлений реализации ГТВЭЛ в области физического удержания урановой плазмы с помощью сверхсильных магнитных полей. В этом направлении был достигнут наиболее ощутимый успех, и в этом прямая заслуга атомщиков-профессионалов России, но как и прежде ещё существует значительная масса технических трудностей. Общий ход и динамика разработки газофазного ядерного реактивного двигателя (равно и реактора) в настоящий момент позволяют утверждать что появление первых серийных и длительно работающих двигателей и реакторов большой мощности и с высокой степенью надёжности - перспектива ближайших 8-12 лет (2019-2029.г.г). Ведущей страной в направлении разработки и конструирования ГФЯРД является Россия.

Основные характеристики[править | править код]

Принцип работы[править | править код]

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

Группы ГТВЭЛ[править | править код]

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

ТВЭЛ полного смешения[править | править код]

Принципиальная схема ГФЯРД с ТВЭЛом полного смешения: (1-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов, 2-урановая плазма, 3-силовой корпус двигателя, 4-боковой обдув «камеры сгорания», 5-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель), 6-подача расплавленного (суспензированного) урана, 7-водородные форсунки, 8-урановые (пусковые) стержни, 9-рубашка охлаждения, 10-сопло Лаваля, А- продукты деления урана (осколки), вспомогательные добавки, водород).

ТВЭЛ полного смешения и ракетный двигатель на его основе представляет собой наиболее простую и надёжную конструкцию, но при этих достоинствах огромным недостатком такого типа ТВЭЛ является его крайне низкая экономичность при возможности получения высоких значений удельной тяги. При работе такого типа ТВЭЛ рабочее тело (водород) свободно смешивается с урановой плазмой и отсюда появляется колоссальный и совершенно недопустимый (из экологических и экономических соображений) расход дорогостоящего урана-233 -235. Деление урана происходит в полости ТВЭЛа после достижения нужных значений критической массы. При запуске двигателя в специальные каналы расположенные в бериллиевом замедлителе-отражателе нейтронов вводятся стержни из высокообогащённого урана, и одновременно в рубашку охлаждения двигателя и в рубашку охлаждения отражателя нейтронов вводится жидкий водород. Затем осуществляется впрыск тонкораспылённого металлического или шестифтористого урана-233 в полость ТВЭЛа полного смешения. По мере развития ядерных реакций и роста мощности в полости ТВЭЛ увеличивают подачу водорода через рубашку охлаждения в полость деления, и одновременно выдвигают урановые стержни из замедлителя отражателя с заменой их на одновременно вводимые стержни из бериллия. При развитии полной мощности развивается температура до 7000°С - 12000°С и давление в центральной полости до 1000 атм. Удельный импульс двигателя может быть доведён до 1000 - 2000 сек в зависимости от наличия дополнительного энергетического контура. В то же время расход металлического урана практически сравнивается с расходом рабочего тела и это условие существенно ограничивает перспективы применения ГФЯРД с ТВЭЛ полного смешения. Единственной возможностью приспособления такой схемы в качестве экономичной может быть осуществлено только в случае резкого снижения критической массы (применение тяжёлых трансуранов), и организация вихревого течения урановой плазмы в полости ТВЭЛ.

ТВЭЛ с прозрачной перегородкой (с открытым контуром)[править | править код]

Принципиальная схема ГФЯРД с ТВЭЛом с прозрачной перегородкой (открытый контур): (1-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов, 2-урановая плазма, 3-силовой корпус двигателя, 4-боковой обдув «камеры сгорания», 5-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель), 6-подача расплавленного (суспензированного) урана, 7-водородные форсунки, 8-урановые (пусковые) стержни, 9-рубашка охлаждения, 10-сопло Лаваля, 11 - прозрачная перегородка, 12 - охлаждающие каналы в замедлителе.

Для уменьшения потерь дорогостоящего урана предложен ТВЭЛ в котором удержание урановой плазмы осуществляется механически, и исключается практически полностью перемешивание урановой плазмы с рабочим телом. Для осуществления такого ТВЭЛа и двигателя на его основе применяется разделение полостей урановой плазмы и рабочего тела с помощью прозрачной перегородки. В качестве материалов для конструирования прозрачной перегородки предложены двуокись кремния, оксид магния и оксид алюминия, так как они практически полностью удовлетворяют как своими физико-механическими свойствами, так и ядерными и оптическими. Энергия из полости с урановой плазмой передаётся рабочему телу с помощью излучения. Так же в конструкции перегородок предусматривается их обдув и охлаждение с помощью инертных газов. В качестве рабочего инертного газа для охлаждения и обдува прозрачной перегородки наиболее эффективен неон и некоторые его смеси с другими инертными газами. Для увеличения оптической плотности рабочего тела (водород) применяется добавление в него паров лития в количестве от 0,3% до 10%.

ТВЭЛ с прозрачной перегородкой (с закрытым контуром)[править | править код]

В конструкции ТВЭЛ с прозрачной перегородкой и замкнутым контуром используются так же передача энергии от урановой плазмы к рабочему телу с помощью излучения, но в отличие от схемы ТВЭЛ с открытым контуром, уран в данном случае циркулирует по замкнутому циклу и после очистки и сгущения вновь направляется в полость ТВЭЛ для энерговыделения. Двигатель на основе данной схемы ТВЭЛ обладает существенно более высокой экономичностью и потери урана в нём относительно невелики. Другим достоинством его является возможность получения не только высокого удельного импульса, но и больших величин удельной тяги (десятки-сотни тонн). Температуры в полости деления урановой плазмы в таком ТВЭЛ достигают 25000 - 30000К

ТВЭЛ с разделением урановой плазмы и рабочего тела в активной зоне реактора[править | править код]

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

ТВЭЛ струйного типа (открытый контур)[править | править код]

Принципиальная схема ГФЯРД с ТВЭЛом струйного типа и открытым контуром: (1-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов, 2-зона лучистого теплообмена урановой плазмы и рабочего тела, 3-силовой корпус двигателя, 4-боковой обдув «камеры сгорания», 5-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель), 6-подача водорода, 7-водородные форсунки, 8-урановые (пусковые) стержни, 9-рубашка охлаждения, 10-сопло Лаваля, 11 -охлаждающие каналы в замедлителе-отражателе, 12 -охлаждающая полость перегородки, 13 -тугоплавкая перегородка застойной зоны, 14 -патрубки подачи расплавленного или суспензированного урана, 15 - патрубок ввода жидкого водорода в рубашку охлаждения, 16- продукты деления урана (осколки), вспомогательные добавки, водород), 17 -урановая струя, 18 - перегретый водород.

В конструкции ТВЭЛ струйного типа с открытым контуром применяется специальная перегородка через которую осуществляется впрыск жидкого урана в полость деления, и формирующая застойную зону деления урана. Конструктивно она выполняется из тугоплавкого сплава, имеет охлаждение и способность отражать некоторую часть нейтронов (встроенный отражатель). Делящийся уран в столбе плазмы передаёт тепловую энергию с помощью излучения непосредственно рабочему телу, и частично смешивается с ним. Вынос урана из двигателя с ТВЭЛом такого типа хотя и меньший чем из ТВЭЛа полного смешения, но всё же достаточно велик, и ввиду этого данная схема считается для практического использования неэкономичной и неперспективной.

ТВЭЛ струйного типа с рециркуляцией урана[править | править код]

Принципиальная схема ГФЯРД с ТВЭЛом струйного типа и рециркуляцией урана (замкнутый контур): (1-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель), 2-подача жидкого или диспергированного урана, 3-водородные форсунки, 4-силовой корпус двигателя, 5-урановые (пусковые) стержни, 6-охлаждающие каналы в замедлителе-отражателе, 7-рубашка охлаждения, 8-патрубок ввода жидкого водорода в рубашку охлаждения, 9-продукты деления урана (осколки), вспомогательные добавки, водород), 10-сопло Лаваля, 11-,12-,13-,14-,15-,16-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов,17-боковой обдув «камеры сгорания»,18- столб урановой плазмы

В этом типе ТВЭЛа реализуется схема непрерывной циркуляции урана через замкнутый контур. Потери делящегося вещества в нём невелики и приемлемы для выгодной и достаточно безопасной эксплуатации. Разогретый (жидкий уран) подаётся по трубопроводу в полость деления в виде медленно движущейся струи пара имеющей ламинарный характер течения. Струя урановой плазмы направляется вдоль оси ТВЭЛа к приёмнику паров урана. Приёмник паров урана засасывает эти пары вместе с небольшой примесью рабочего тела и вспомогательных добавок (смешение урана и водорода незначительно но имеет место) и далее эта смесь направляется в сепаратор. Отделённый от рабочего тела уран вновь направляется насосом в полость деления, а отфильтрованное рабочее тело и примеси сбрасывается в космос.

ТВЭЛ со стабилизацией течения струи плазмы магнитным полем[править | править код]

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

Основные преимущества[править | править код]

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

Основные недостатки[править | править код]

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

Топливо и рабочее тело[править | править код]

Зависимость теоретической удельной тяги от молекулярного веса рабочего тела и температуры в камере сгорания (реакторе). 1 — область современных ЖРД, 2 — область водорода и гелия.

Некоторые доступные и перспективные делящиеся изотопы приемлемые для обеспечения ГФЯРД энергией

Рабочий изотоп	Энергия осколков, Мэв	Плотность топл, г/см3
²³³U	171,5	19,04
²³⁵U	172,7	19,04
²³⁹Pu	178,6	19,84
²⁴³Am	177,5	13,67
²⁴⁵Cm	189,4	13,,51
²⁵¹Cf	185,0	15,1
²⁵²Cf	190	15,1

Значение ГФЯРД для космонавтики[править | править код]

Значение ГФЯРД для освоения космического пространства весьма велико, так как именно в таком двигателе на сегодняшний день может быть реализована не только очень большая тяга и общий энергозапас, но и ввиду громадного удельного импульса очень высокие скорости до которых может быть разогнан пилотируемый или непилотируемый космический аппарат. Достижение возможности ускорения космических кораблей до сотен и первых тысяч километров в секунду открывает путь пилотируемым полётам к самым отдалённым уголкам Солнечной системы (Пояс Койпера) за разумно короткие сроки. Помимо этого применение ГФЯРД позволит обеспечить практическое освоение и колонизацию Луны и Марса. Гигантские величины удельной тяги ГФЯРД позволят осуществлять быструю буксировку достаточно крупных астероидов с ценными полезными ископаемыми или запасами необходимых элементов требуемых в процессах терраформирования планет.

См.также[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Литература[править | править код]

Под ред А. С. Кортеньева. Ракетные двигатели и энергетические установки на основе газофазного ядерного реактора. Москва. «Машиностроение». 2002.г.