Введение

Тип ядерного метода движения с ультравысоким удельным импульсом.

Ракета на осколках деления — это конструкция ракетного двигателя, которая непосредственно использует горячие продукты ядерного деления для создания тяги, в отличие от использования отдельной жидкости в качестве рабочего тела. Теоретически, эта конструкция может обеспечивать очень высокий удельный импульс, оставаясь при этом в рамках возможностей современных технологий.

Относительно конструкции

В традиционных ядерных тепловых ракетах и связанных с ними конструкциях ядерная энергия генерируется в той или иной форме реактора и используется для нагрева рабочего тела с целью создания тяги. Это ограничивает конструкции температурами, при которых реактор сохраняет целостность, хотя продуманная конструкция может повысить эту критическую температуру до десятков тысяч градусов. Эффективность ракетного двигателя тесно связана с температурой выходящего рабочего тела, и в случае самых передовых газоядерных двигателей она соответствует удельному импульсу около 7000 с Isp. Температура в традиционном реакторе – это средняя температура топлива, подавляющее большинство которого в любой момент времени не участвует в реакции. Атомы, подвергающиеся делению, находятся при температуре в миллионы градусов, которая затем рассеивается в окружающем топливе, приводя к общей температуре в несколько тысяч градусов. Физически структурируя топливо в очень тонкие слои или частицы, можно обеспечить выход фрагментов ядерной реакции на поверхность. Поскольку они будут ионизированы из-за высокой энергии реакции, ими можно управлять магнитным полем и направлять для создания тяги. Однако, многочисленные технологические задачи остаются нерешенными.

Ротационный топливный реактор

В проекте, разработанном Национальной инженерной лабораторией Айдахо и Национальной лабораторией Лоуренса Ливермора, используется топливо, нанесенное на поверхность множества очень тонких углеродных волокон, расположенных радиально в виде колес. Колеса обычно находятся в подкритическом состоянии. Несколько таких колес устанавливались на общий вал, образуя единый большой цилиндр. Весь цилиндр вращался таким образом, чтобы некоторые волокна постоянно находились в активной зоне реактора, где окружающий замедлитель приводил их в критическое состояние. Фрагменты деления с поверхности волокон высвобождались и направлялись для создания тяги. Затем волокно выходило из зоны реакции для охлаждения и предотвращения плавления. Эффективность системы поразительна: с использованием существующих материалов возможны удельные импульсы более 100 000 секунд. Это высокие характеристики, однако вес активной зоны реактора и других элементов снизит общую эффективность системы на основе фрагментов деления. Тем не менее, система обеспечивает уровень производительности, достаточный для осуществления предварительной межзвездной миссии.

Пыльная плазма

Новое конструкторское предложение Родни Л. Кларка и Роберта Б. Шелдона теоретически повышает эффективность и одновременно снижает сложность ракеты на осколках деления по сравнению с концепцией вращающегося волокнистого колеса. В их конструкции используются наночастицы делящегося топлива (или даже топлива, подвергающегося естественному радиоактивному распаду) диаметром менее 100 нм. Наночастицы удерживаются в вакуумной камере под воздействием осевого магнитного поля (выполняющего функцию магнитного зеркала) и внешнего электрического поля. По мере ионизации наночастиц в процессе деления, частицы пыли взвешиваются внутри камеры. Исключительно большая площадь поверхности частиц облегчает радиационное охлаждение. Осевое магнитное поле недостаточно сильное, чтобы влиять на движение частиц пыли, но достаточно сильное, чтобы формировать осколки в пучок, который можно замедлить для выработки энергии, направить для создания тяги или использовать их комбинацию. При скорости истечения продуктов реакции 3–5% от скорости света и эффективности до 90%, ракета должна достигать удельного импульса более 1 000 000 секунд.

Am 242m в качестве ядерного топлива

В 1987 году Ronen & Leibson опубликовали исследование о применении 242mAm (одного из изотопов америция) в качестве ядерного топлива для космических ядерных реакторов, отметив его исключительно высокое тепловое сечение и плотность энергии. Ядерные системы, работающие на 242mAm, требуют на 2–100 % меньше топлива по сравнению с традиционными ядерными топливами. Ракета на основе фрагментов деления с использованием 242mAm была предложена Джорджем Чаплином в LLNL в 1988 году, который предложил двигательную установку, основанную на прямом нагреве рабочего газа фрагментами деления, образующимися при делении расщепляющегося материала. Ронен и др. отмечают, что потенциал 242mAm как ядерного топлива обусловлен тем, что он обладает самым высоким тепловым сечением деления (тысячи барнов), примерно в 10 раз превышающим следующее по величине сечение среди всех известных изотопов. 242mAm является расщепляющимся и имеет низкую критическую массу, сопоставимую с 239Pu. Он имеет очень высокое сечение деления и относительно быстро разрушается в ядерном реакторе. В другом отчете утверждается, что 242mAm способен поддерживать цепную реакцию даже в виде тонкой пленки и может быть использован для создания нового типа ядерного ракетного двигателя. Поскольку тепловое сечение поглощения 242mAm очень велико, наиболее эффективный способ его получения – захват быстрых или эпитермальных нейтронов в америции-241, облучаемом в быстром реакторе. Однако быстрые реакторы не всегда доступны. Подробный анализ производства 242mAm в существующих водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) был представлен в [укажите источник]. Устойчивость 242mAm к распространению ядерных материалов была изучена в исследовании, проведенном Институтом Карлсруэ в 2008 году. В 2000 году Карло Руббиа в ЦЕРН продолжил работу Ронана в рамках проекта «242», основанного на конструкции Руббии, изучив концепцию NTR (ядерного ракетного двигателя) с нагревом тонкой пленки фрагментами деления на основе 242mAm, используя прямое преобразование кинетической энергии фрагментов деления в увеличение энтальпии рабочего газа. В рамках проекта «242» изучалось применение этой двигательной установки к пилотируемой миссии на Марс. Предварительные результаты оказались весьма удовлетворительными, и было установлено, что двигательная установка с такими характеристиками может сделать миссию осуществимой. Другое исследование было посвящено производству 242mAm в обычных тепловых ядерных реакторах.

Аэрогелевая основа

23 января 2023 года NASA объявило о финансировании исследования "Ракетного двигателя на ядерном делении с аэрогельным сердечником", в котором делящиеся топливные частицы будут внедрены в ультранизкоплотную аэрогельную матрицу для достижения критической массы. Аэрогельная матрица (и сильное магнитное поле) позволят фрагментам деления покидать активную зону, одновременно увеличивая теплоотдачу за счет теплопроводности и излучения от отдельных топливных частиц.