Кіріспе

Ядролық қозғалту әдісінің түрі, өте жоғары нақты импульсқа ие. Бөліну фрагменті қозғалтқышы – бұл жұмыс денесі ретінде жеке сұйықтықты пайдаланудың орнына, қозғалту күшін тікелей ыстық ядролық бөліну өнімдерінен алатын қозғалтқыш құрылымы. Теориялық тұрғыдан алғанда, бұл конструкция қазіргі технологиялардың қабілеттері шегінде тұрып, өте жоғары нақты импульс бере алады.

Құрылыс мәселесі

Дәстүрлі ядролық термиялық зымырандар мен оған байланысты конструкцияларда ядролық энергия реактордың қандай да бір түрінде өндіріліп, итергіш күш жасау үшін жұмыс сұйықтығын қыздыруға қолданылады. Бұл конструкцияларды реактордың тұтастығын сақтайтын температурамен шектейді, бірақ тиімді жобалау осы шекті температураны ондаған мың градусқа дейін арттыра алады. Ракеталық қозғалтқыштың тиімділігі шығарылатын жұмыс сұйықтығының температурасына тікелей байланысты, ал ең жетілген газ ядролы қозғалтқыштарда бұл шамамен 7000 с Isp нақты импульске сәйкес келеді. Дәстүрлі реактордың температурасы отынның орташа температурасы болып табылады, оның көп бөлігі кез келген уақытта реакцияға қатыспайды. Ядролық бөлінуге ұшыраған атомдар миллиондаған градус температурада болады, ол айналасындағы отынға таралып, жалпы температураны бірнеше мың градусқа дейін төмендетеді. Отынды өте жұқа қабаттарға немесе бөлшектерге физикалық түрде орналастыру арқылы ядролық реакцияның фрагменттері беттен шығып кетуі мүмкін. Реакцияның жоғары энергиясының салдарынан олар иондалады, содан кейін магниттік өріс арқылы басқарылып, итергіш күш жасау үшін бағытталады. Дегенмен, әлі де көптеген технологиялық қиындықтар бар.

Оралды отын реакторы

Айдахо Ұлттық инженерлік зертханасы мен Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасы жасаған жобада отын радиалды түрде дөңгелектерге орналастырылған өте жұқа көміртек талшықтарының бетіне салынады. Дөңгелектер әдетте сындырмас күйде болады. Мұндай бірнеше дөңгелек ортақ білікке жиналып, бір үлкен цилиндр құрайды. Цилиндрдің өзі айналдырылады, соның арқасында кейбір талшықтар әрқашан реакторлық өзегінде болады, онда айналасындағы модератор талшықтарды сындырады. Талшықтардың бетіндегі бөліну өнімдері босап, итеру күшіне бағытталады. Содан кейін талшық реакциялық аймақтан шығып, балқымай үшін суытылады. Жүйенің тиімділігі таң қалдырады; қолда бар материалдарды пайдаланып 100 000 секундтан жоғары нақты импульстарға қол жеткізуге болады. Бұл – жоғары көрсеткіш, алайда реакторлық өзектің және басқа элементтердің салмағы бөліну өнімдері жүйесінің жалпы тиімділігін төмендетуі мүмкін. Дегенмен, жүйе жұлдызаралық алдын ала миссияны жүзеге асыруға қажетті деңгейдегі көрсеткіштерді қамтамасыз етеді.

Шаңлы плазма

Родни Л. Кларк пен Роберт Б. Шелдонның жаңа жобалау ұсынысы теориялық тұрғыдан фиссионды бөлшектік зымыранның тиімділігін арттырып, айналмалы талшықты дөңгелек ұсынысына қарағанда оның күрделілігін бірден төмендетеді. Олардың конструкциясы 100 нм-ден кіші диаметрлі, бөлінетін (немесе табиғи түрде радиоактивті ыдырайтын) отынның нанобөлшектерін қолданады. Нанобөлшектер вакуумдық камерада, осьтік магнит өрісінің (магниттік айна ретінде жұмыс істейді) және сыртқы электр өрісінің әсеріне ұшырайды. Фиссия жүргенде нанобөлшектер иондалып, шаң камера ішінде тоқтап қалады. Бөлшектердің өте жоғары беттік ауданы радиациялық салқындатуды жеңілдетеді. Осьтік магнит өрісі шаң бөлшектерінің қозғалысына жеткіліксіз әсер етеді, бірақ бөлшектерді қуат алу үшін баяулатуға, итергіш күш үшін шығаруға немесе осы екеуінің комбинациясына бағыттауға қабілетті. Жарық жылдамдығының 3%-5% мөлшеріндегі шығару жылдамдығы және 90%-ға дейінгі тиімділікпен, зымыран 1,000,000 секундтан асатын Isp-ге жете алады.

АМ 242м ядролық отын ретінде

1987 жылы Ронен мен Лейбсон 242mAm (америций изотоптарының бірі) ғарыш ядролық реакторларында ядролық отын ретінде қолданылуы жөніндегі зерттеу жариялады, оның өте жоғары жылулық қимасы және энергия тығыздығына тоқталды. 242mAm отыны бар ядролық жүйелерге дәстүрлі ядролық отынға қарағанда 2-100 есе аз отын қажет. 1988 жылы LLNL-дегі Джордж Чаплин 242mAm пайдаланатын бөліну фрагменттері зымыранын ұсынды, ол бөлінуге қабілетті материалдың бөлінуінен пайда болатын фрагменттер арқылы итеру газын тікелей қыздыруға негізделген қозғалтқышты қарастырды. Ронен және авторлар тобы 242mAm-ның ядролық отын ретіндегі әлеуеті оның ең жоғары жылулық бөліну қимасы (мыңдаған барн) бар екендігімен байланысты, бұл барлық белгілі изотоптар арасындағы екінші ең жоғары қимадан шамамен 10 есе жоғары. 242mAm бөлінуге қабілетті және 239Pu-мен салыстырылатын төмен сыныпты массаға ие. Оның бөлінуге өте жоғары қимасы бар және ядролық реакторда салыстырмалы түрде жылдам жойылады. Тағы бір есепте 242mAm тіпті жұқа пленка ретінде тізбекті реакцияны сақтай алатыны және жаңа типтегі ядролық зымыран үшін қолданылуы мүмкін екені айтылады. 242mAm-ның жылулық сіңіру қимасы өте жоғары болғандықтан, 242mAm-ды алудың ең тиімді жолы – жылдам реакторда сәулеленген америций-241-де жылдам немесе эпитермальды нейтрондарды ұстау болып табылады. Алайда, жылдам спектрлі реакторлар кеңінен қолжетімді емес. 242mAm өндірісінің егжей-тегжейлі талдауы келтірілген. Карлсруэ технология институтының 2008 жылғы зерттеуінде 242mAm-ның таралуға қарсы тұру қабілеті туралы мәліметтер берілген. 2000 жылы ЦЕРН-дегі Карло Руббия Роненнің жұмысын одан әрі дамытты. Руббияның жобасына негізделген 242 жобасы 242mAm негізіндегі жұқа пленкалық бөліну фрагменттерімен қыздырылатын NTR тұжырымын зерттеді, бөліну фрагменттерінің кинетикалық энергиясын тікелей итеру газының энтальпиясын арттыруға пайдаланды. 242 жобасы осы қозғалтқыш жүйесін Марсқа адамдарды тасымалдау миссиясына қолдануды зерттеді. Алдын ала нәтижелер өте қанағаттанарлық болды және мұндай сипаттамалары бар қозғалтқыш жүйесі миссияны жүзеге асыруға мүмкіндік беретіні байқалды. Тағы бір зерттеуде 242mAm-ды дәстүрлі термоядролық реакторларда өндіру мәселелері қарастырылды.

Аэрогель өзегі

2023 жылғы 23 қаңтарда НАСА «Аэрогель ядролық бөлініс фрагменттері зымыран қозғалтқышы» зерттеуін қаржыландыру туралы хабарлады, онда бөлінетін отын бөлшектері өте төмен тығыздықтағы аэрогель матрицасына орналастырылып, сындық массаға жетуге мүмкіндік беріледі. Аэрогель матрицасы (және күшті магниттік өріс) бөлініс фрагменттерінің ядродан шығуына, сонымен қатар жеке отын бөлшектерінен жылудың өткізгіштік және сәулелену арқылы жоғалуын күшейтуге мүмкіндік береді.