Введение

Проект США 1946–1961
Программа ВВС США

Программа ядерной двигательной установки для самолетов (ANP) и предшествующий проект «Ядерная энергия для двигателей самолетов» (NEPA) были направлены на разработку ядерной двигательной системы для самолетов. Военно-воздушные силы США инициировали проект NEPA 28 мая 1946 года. NEPA функционировала до мая 1951 года, когда проект был передан совместной комиссии по атомной энергии (AEC) и ВВС США (ANP). ВВС США вели разработку двух различных систем для ядерных реактивных двигателей: концепции прямого воздушного цикла, разработанной компанией General Electric, и концепции непрямого воздушного цикла, порученной компании Pratt & Whitney. Программа предусматривала разработку и испытания самолета Convair X-6, но была отменена в 1961 году до начала его строительства. Общая стоимость программы с 1946 по 1961 год составила около 1 миллиарда долларов.

Прямой цикл воздуха

Ядерные двигатели прямого цикла будут напоминать обычный реактивный двигатель, за исключением отсутствия камер сгорания. Воздух, поступающий из компрессорной секции, направлялся бы в полость, которая затем направляет воздух в активную зону ядерного реактора. Там происходит теплообмен: реактор охлаждается, но при этом нагревает воздух, который затем поступает во вторую полость. Вторая полость направляет воздух через турбину (приводящую в действие компрессор), а затем выпускает его в сопло, создавая тягу. В результате, вместо использования реактивного топлива, самолет мог бы использовать тепло, выделяемое в ядерных реакциях, для получения энергии. Программа General Electric, расположенная в Эвендейле, штат Огайо, была выбрана благодаря своей простоте, надежности, пригодности и возможности быстрого запуска. В конструкции использовались стандартные компрессорные и турбинные секции реактивных двигателей, при этом сжатый воздух проходил через реактор для нагрева перед тем, как поступать на турбину.

Косвенный цикл воздуха

Косвенный цикл предполагает теплообмен вне активной зоны, при котором воздух от компрессора направляется в теплообменник. Активная зона ядерного реактора нагревала бы воду под давлением или жидкий металл и отправляла его в тот же теплообменник. Этот горячий теплоноситель охлаждался бы воздухом, который, нагреваясь, поступал бы на турбину (приводящую в действие компрессор), а затем выбрасывался бы через сопло, создавая тягу. Программа "Косвенный воздушный цикл" была поручена компании Pratt & Whitney на предприятии вблизи Миддлтауна, штат Коннектикут. Эта концепция позволила бы значительно снизить радиоактивное загрязнение. Один или два контура с жидким металлом должны были отводить тепло от реактора к двигателю. В рамках этой программы проводились обширные исследования и разработки множества легких систем, пригодных для использования в авиации, таких как теплообменники, турбонасосы для жидкого металла и радиаторы. Программа "Косвенный цикл" так и не приблизилась к созданию аппаратного обеспечения, готового к полетам.

Эксперимент с реактором самолета

Эксперимент по созданию авиационного ядерного реактора (ARE) представлял собой ядерный реактор с тепловым спектром мощностью 2,5 МВт, разработанный для достижения высокой плотности мощности и высокой температуры на выходе с целью использования в качестве двигателя в атомном бомбардировщике. Преимуществом самолета с ядерной энергетической установкой перед самолетом с традиционным двигателем является возможность оставаться в воздухе на порядки дольше и обеспечивать эффективное ядерное стратегическое сдерживание против советского противника, обладающего ядерным оружием. ARE был первым реактором на расплавленных солях (РСС), который был построен и введен в эксплуатацию. В качестве топлива использовалась расплавленная фторидная соль NaF ZrF4 UF4 (53, 41, 6 моль%), в качестве замедлителя – оксид бериллия (BeO) шестиугольной конфигурации, а максимальная температура достигала 860 °C. Для охлаждения замедлителя и отражателя использовалась резервная система охлаждения жидким натрием. Вторичный контур охлаждения гелием циркулировал вокруг первичного теплоносителя для передачи тепла водяному радиатору, где тепло отводилось в атмосферу. Были установлены регулирующие стержни, и было обнаружено, что они не определяют выходную мощность ARE; скорее, определяющей была потребность в мощности, которая влияла на температуру на выходе и входе из-за отрицательного температурного коэффициента реактивности. ARE работал на мощности в течение 221 часа, достигнув пиковой мощности 2,5 МВт.

Проект MX-1589

5 сентября 1951 года ВВС США заключили с компанией Convair контракт на проведение испытаний ядерного реактора на борту модифицированного бомбардировщика Convair B-36 Peacemaker в рамках проекта MX 1589 программы ANP. Самолет-лаборатория NB-36H (NTA) должен был изучить требования к радиационной защите для бортового реактора и определить возможность создания ядерного самолета. Это был единственный известный эксперимент в США с действующим ядерным реактором, установленным на борту летательного аппарата. NTA совершил в общей сложности 47 полетов для испытаний реактора над западным Техасом и южным Нью-Мексико. Реактор, получивший название "Испытательный реактор радиационной защиты" (ASTR), был работоспособен, но не использовался для питания самолета; основной целью программы полетов было тестирование эффективности радиационной защиты. На основе результатов, полученных в ходе испытаний NTA, проект X-6 и вся программа по созданию ядерных самолетов были закрыты в 1961 году.

Эксперименты с теплопередающим реактором

В рамках программы AEC/USAF ANP в 1956 году модифицированные двигатели General Electric J47 впервые были запущены на ядерной энергии с использованием испытательной сборки реактора, известной как эксперимент по теплопередаче реактора 1 (HTRE 1). HTRE 1, использовавший вертикально расположенные управляющие стержни, был переоборудован со съемным активным ядром для проведения дополнительных испытаний и стал HTRE 2. HTRE 3 был построен отдельно для испытания горизонтально расположенных управляющих стержней, что было целесообразно для использования в конструкции самолета. Выведенные из эксплуатации реакторы HTRE 2 и HTRE 3 и их испытательные сборки доступны для обозрения публикой на парковке экспериментального реактора I в Национальной лаборатории Айдахо.

Аэрофлотный реактор Пратт и Уитни-1

5 февраля 1957 года на Центре критических экспериментов Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) был введен в критическое состояние еще один реактор в рамках программы реактора с циркулирующим топливом, разработанной авиационной компанией Pratt & Whitney Aircraft (PWAC). Он получил название PWAR 1, реактор Pratt & Whitney Aircraft №1. Целью эксперимента являлась экспериментальная проверка теоретически предсказанных ядерных характеристик реактора PWAC. Эксперимент был непродолжительным; к концу февраля 1957 года все необходимые данные были собраны, и началась разборка. Реактор работал практически на нулевой мощности. Рабочая температура поддерживалась постоянной на уровне примерно , что близко к проектной рабочей температуре модератора PWAR 1 и обеспечивалось внешними нагревателями. Как и реактор ARE мощностью 2,5 МВт, в PWAR 1 в качестве основного топлива и теплоносителя использовались NaF, ZrF4 и UF4.

Отмена

Технологическая конкуренция с Советским Союзом (особенно после запуска "Спутника-1") и постоянная сильная поддержка со стороны ВВС позволили программе продолжаться, несмотря на разделение руководства между Министерством обороны и AEC. В 1950-х и в период с 1960 по 1961 год было профинансировано и построено множество испытательных комплексов для создания ядерной энергоустановки, пригодной для полетов, в том числе в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL). Хотя программа ARE успешно продемонстрировала работоспособность концепции MSR, она была отменена президентом Кеннеди 26 марта 1961 года. Тем не менее, результаты программы ARE побудили ученых и инженеров ORNL представить в Комиссию по атомной энергии предварительное проектное предложение по созданию экспериментальной MSR мощностью 30 МВт для изучения возможности использования MSR в качестве концепции гражданской электростанции. В ответ на это предложение Комиссия по атомной энергии поручила ORNL спроектировать, построить и эксплуатировать Экспериментальный реактор с расплавленной солью (MSRE).