Введение
Ракетный двигатель, использующий ядерный реактор для создания тяги.
Ядерная тепловая ракета (ЯТР) – это тип тепловой ракеты, в котором тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, заменяет химическую энергию топлива в химической ракете. В ЯТР рабочее тело, как правило, жидкий водород, нагревается до высокой температуры в ядерном реакторе и затем расширяется в ракетном сопле, создавая тягу. Теоретически, внешний источник ядерного тепла позволяет достичь более высокой эффективной скорости истечения и, как ожидается, удвоить или утроить грузоподъемность по сравнению с химическими двигателями, которые запасают энергию внутри себя. ЯТР рассматривались как технология для двигательных установок космических аппаратов, первые наземные испытания которых были проведены в 1955 году. Соединенные Штаты поддерживали программу разработки ЯТР до 1973 года, когда она была прекращена по ряду причин, включая необходимость сосредоточиться на разработке космических челноков. Хотя было построено и испытано более десяти реакторов различной мощности, по состоянию на 2023 год ни одна ядерная тепловая ракета не совершала полетов. В 2021 году был выбран предварительный проект двигателя от General Atomics и две концепции космических аппаратов от Blue Origin и Lockheed Martin. Следующие этапы программы будут посвящены проектированию, разработке, изготовлению и сборке ядерного теплового ракетного двигателя. В июле 2023 года Lockheed Martin получила контракт на строительство космического аппарата, а BWX Technologies (BWXT) займется разработкой ядерного реактора. Запуск запланирован на 2027 год.
Принцип действия
Тепловые ракеты с ядерным двигателем более эффективны, чем химические тепловые ракеты, главным образом потому, что они могут использовать рабочее тело с низкой молекулярной массой, такое как водород. Ядерные тепловые ракеты работают почти так же, как и химические: источник тепла высвобождает тепловую энергию в газообразное рабочее тело внутри корпуса двигателя, а сопло на одном конце действует как очень простой тепловой двигатель, позволяя рабочему телу расширяться и уносить импульс, преобразуя тепловую энергию в направленную кинетическую энергию. Удельный импульс (Isp) двигателя определяется скоростью истечения рабочего тела. Эта скорость, в свою очередь, изменяется пропорционально квадратному корню из кинетической энергии, приходящейся на единицу массы рабочего тела. Кинетическая энергия, приходящаяся на одну молекулу рабочего тела, определяется температурой источника тепла (будь то ядерный реактор или химическая реакция). При заданной температуре легкие молекулы рабочего тела несут столько же кинетической энергии, сколько и тяжелые, но при этом имеют большую кинетическую энергию на единицу массы. Это делает рабочее тело с низкой молекулярной массой более эффективным, чем с высокой. Поскольку химические и ядерные ракеты изготавливаются из жаропрочных материалов, их работа ограничена температурой ниже 3000 °C (5432 °F) из-за прочностных характеристик высокотемпературных металлов. Химические ракеты используют наиболее доступное рабочее тело – продукты химических реакций, выделяющих тепловую энергию. Большинство жидкостных химических ракет используют либо водород, либо углеводороды, поэтому их рабочее тело состоит в основном из воды (молекулярная масса 18) и углекислого газа (молекулярная масса 44). Ядерные тепловые ракеты, использующие газообразный водород (молекулярная масса 2), теоретически могут достигать удельного импульса в 3–4,5 раза большего, чем у химических ракет.
Ранняя история
В 1944 году Станислав Улам и Фредерик де Хоффманн размышляли о возможности управления мощностью ядерных взрывов для запуска космических аппаратов. После Второй мировой войны американские военные приступили к разработке межконтинентальных баллистических ракет (МБР) на основе конструкций немецкой ракеты V-2. Некоторые крупные ракеты проектировались для несения ядерных боеголовок с ядерными двигательными установками. Эти новаторские отчеты определили реакторный двигатель, в котором теплоноситель с низкой молекулярной массой нагревается ядерным реактором, как наиболее перспективную форму ядерной двигательной установки, но выявили множество технических проблем, требующих решения. В январе 1947 года, не подозревая об этих засекреченных исследованиях, инженеры Лаборатории прикладной физики опубликовали свои исследования в области ядерной энергетической двигательной установки, и их отчет впоследствии был засекречен. В мае 1947 года американский ученый китайского происхождения Цянь Сюэсэн представил свои исследования "тепловых струй", работающих на пористом графитовом ядерном реакторе, на семинаре LIV по ядерной науке и инженерии, организованном Массачусетским технологическим институтом.
Ранние разработки двигателя НАСА
В рамках проекта "Ровер" Лос-Аламосская национальная лаборатория начала разработку ядерных тепловых двигателей уже в 1955 году и в 1959 году провела испытания первого в мире экспериментального ядерного ракетного двигателя KIWI A. Эта работа в Лос-Аламосе затем была продолжена в рамках программы НАСА NERVA (1961–1973). NERVA добилась значительных успехов и усовершенствовала ранние прототипы, создав мощные двигатели, которые превосходили химические аналоги по эффективности в несколько раз. Однако программа была закрыта в 1973 году из-за бюджетных ограничений. На сегодняшний день ни одна система ядерной тепловой тяги не была внедрена в космос.
Типы ядерного топлива
Ядерную тепловую ракету можно классифицировать по типу реактора, от относительно простого твердофазного реактора до гораздо более сложного в изготовлении, но теоретически более эффективного газоядерного реактора. Как и во всех конструкциях тепловых ракет, удельный импульс пропорционален квадратному корню температуры, до которой нагревается рабочее тело (реакционная масса). Для достижения максимальной эффективности температура должна быть максимально высокой. Для конкретной конструкции достижимая температура обычно определяется материалами, используемыми для конструкций реактора, ядерным топливом и оболочкой топливных элементов. Эрозия также представляет собой проблему, особенно потеря топлива и связанный с этим выброс радиоактивных веществ.
Твердая основа
Твердоядерные ядерные реакторы работают на соединениях урана, которые находятся в твердом состоянии в создаваемых условиях и подвергаются ядерному делению с выделением энергии. Летные реакторы должны быть легкими и способными выдерживать экстремально высокие температуры, поскольку единным охладителем является рабочее тело/топливо. Ядерный твердотельный двигатель – простейшая конструкция и используется во всех испытанных NTR. При использовании водорода в качестве топлива, твердотельная конструкция обычно обеспечивает удельный импульс (Isp) порядка 850–1000 секунд, что примерно вдвое больше, чем у жидководородно-кислородных двигателей, таких как главный двигатель космического челнока. Рассматривались и другие топлива, такие как аммиак, вода или LOX, но они обеспечивают меньшую скорость истечения и производительность при незначительном снижении стоимости топлива. Дополнительным преимуществом водорода является то, что при низком давлении он начинает диссоциировать примерно при 1500 К, а при высоком – около 3000 К. Это уменьшает массу выхлопных продуктов, увеличивая Isp. Первоначальные публикации ставили под сомнение возможность применения ядерных двигателей в космосе. В 1947 году полный ядерный реактор был настолько тяжелым, что твердотельные ядерные тепловые двигатели не могли достичь соотношения тяги к весу 1:1, необходимого для преодоления земной гравитации при запуске. В течение последующих двадцати пяти лет американские конструкции ядерных тепловых ракет достигли соотношения тяги к весу примерно 7:1. Это все еще значительно ниже, чем у химических ракет, где соотношение тяги к весу составляет около 70:1. В сочетании с большими топливными баками, необходимыми для хранения жидкого водорода, это означает, что твердотельные ядерные тепловые двигатели лучше всего подходят для использования на орбите за пределами гравитационного поля Земли, не говоря уже об избежании радиоактивного загрязнения, которое могло бы возникнуть при использовании в атмосфере.
Один из способов повышения рабочей температуры реактора – изменение ядерных топливных элементов. Это лежит в основе реактора с плавающей загрузкой, который работает на нескольких (обычно сферических) элементах, "плавающих" в рабочей жидкости – водороде. Вращение всего двигателя может предотвратить выброс топливных элементов через сопло. 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 кипящим слоем, несколько из которых в настоящее время производят электроэнергию. В период с 1987 по 1991 год Управление стратегической оборонной инициативы (SDI) финансировало проект Timberwind – невращающуюся ядерную тепловую ракету, основанную на технологии плавающей загрузки. Проект был отменен до проведения испытаний.
Импульсная ядерная терморакета
В обычной конструкции твердого ядра максимальная температура выхлопных газов рабочего тела равна температуре реактора, но на практике она ниже. Эта температура представляет собой энергию, значительно меньшую, чем энергия отдельных нейтронов, высвобождаемых в реакциях деления. Их энергия рассеивается в реакторной массе, вызывая её замедление. В конструкциях энергоустановок ядро затем охлаждается, как правило, с использованием воды. В случае ядерного двигателя вода заменяется водородом, но концепция в остальном аналогична. Импульсные реакторы стремятся передавать энергию непосредственно от нейтронов к рабочему телу, позволяя выхлопным газам достигать температур, значительно превышающих температуру плавления ядра реактора. Поскольку удельный импульс изменяется прямо пропорционально температуре, захват энергии релятивистских нейтронов позволяет существенно повысить эффективность. Для этого импульсные реакторы работают серией кратковременных импульсов, а не непрерывной цепной реакцией обычного реактора. Реактор обычно выключен, что позволяет ему охлаждаться. Затем он включается вместе с системой охлаждения или потоком топлива, работая на очень высокой мощности. На этом уровне ядро быстро нагревается, поэтому, как только достигается заданная температура, реактор быстро выключается снова. Во время этих импульсов производимая мощность намного выше, чем та, которую реактор того же размера мог бы производить непрерывно. Ключевым моментом этого подхода является то, что, хотя общее количество топлива, прокачиваемого через реактор во время этих кратковременных импульсов, невелико, эффективность этих импульсов значительно выше. Как правило, конструкции не будут работать исключительно в импульсном режиме, но смогут изменять свой рабочий цикл в зависимости от потребностей. Например, во время фазы высокой тяги, такой как выход на низкую околоземную орбиту, двигатель может работать непрерывно и обеспечивать удельный импульс, аналогичный традиционной конструкции твердого ядра. Но во время длительного крейсерского полета двигатель переключится в импульсный режим, чтобы более эффективно использовать топливо.
Жидкое ядро
Ядерные двигатели с жидким ядром работают на соединениях делящихся элементов в жидкой фазе. Предлагается конструкция двигателя с жидким ядром, способного работать при температурах выше температуры плавления твердого ядерного топлива и оболочки, при этом максимальная рабочая температура двигателя определяется не корпусом реактора и материалом нейтронного отражателя. Ожидается, что более высокие рабочие температуры обеспечат удельную импульсную характеристику в диапазоне 1300–1500 секунд (12,8–14,8 кН·с/кг). Создание реактора с жидким ядром представляется крайне сложной задачей с использованием современных технологий. Одна из основных проблем заключается в том, что время протекания ядерной реакции значительно превышает время нагрева рабочего тела. Если ядерное топливо и рабочее тело не разделены физически, это означает, что топливо должно удерживаться внутри двигателя, в то время как рабочее тело должно свободно выходить через сопло. Одним из возможных решений является вращение смеси топлива и рабочего тела на очень высокой скорости, чтобы отделить более плотное топливо и направить его наружу, однако это приведет к воздействию максимальной рабочей температуры на корпус реактора, а также увеличит массу, сложность и количество движущихся частей. Альтернативной конструкцией двигателя с жидким ядром является ядерная ракета на соленой воде. В этой конструкции вода служит одновременно рабочим телом и нейтронным замедлителем. Ядерное топливо не удерживается, что значительно упрощает конструкцию. Однако такая ракета будет выбрасывать огромные количества высокорадиоактивных отходов и сможет безопасно функционировать только за пределами атмосферы Земли и, возможно, даже за пределами магнитосферы Земли.
Газовая ядра
Окончательная классификация ядерного расщепления – газовый ядерный двигатель. Это модификация конструкции с жидким ядром, использующая быструю циркуляцию рабочего тела для создания тороидального кармана газообразного уранового топлива в центре реактора, окруженного водородом. В этом случае топливо вообще не контактирует со стенками реактора, что позволяет достигать температур в несколько десятков тысяч градусов, обеспечивая удельный импульс от 3000 до 5000 секунд (30–50 кН·с/кг). В данной базовой конструкции, так называемом "открытом цикле", контроль потерь ядерного топлива был бы затруднен, что привело к изучению "замкнутого цикла", или ядерного двигателя типа "ядерная лампочка", в котором газообразное ядерное топливо содержится в кварцевом контейнере, способном выдерживать сверхвысокие температуры, через который продувается водород. Двигатель с замкнутым циклом имеет больше сходства с конструкцией твердого ядра, однако в данном случае его работа ограничена критической температурой кварца, а не топлива и оболочки. Хотя конструкция с открытым циклом более эффективна, ожидается, что конструкция с замкнутым циклом обеспечит удельный импульс примерно от 1500 до 2000 секунд (15–20 кН·с/кг).
Советский Союз и Россия
Советский РД 0410 прошёл серию испытаний на ядерном полигоне вблизи Семипалатинского испытательного полигона. В октябре 2018 года Российский исследовательский центр имени Келдыша подтвердил успешное наземное испытание радиаторов отвода тепла для ядерного космического двигателя, а также предыдущие испытания топливных элементов и ионных двигателей.
Соединенные Штаты
Разработка твердотопливных ядерных НТР началась в 1955 году под эгидой Комиссии по атомной энергии (AEC) в рамках проекта Rover и продолжалась до 1973 года. Когда в 1958 году было создано НАСА, ему были переданы полномочия по всем неядерным аспектам программы Rover. Для обеспечения сотрудничества с AEC и разделения доступа к секретной информации одновременно было сформировано Управление космической ядерной энергетики (SNPO). Программа NERVA, запущенная в 1961 году, была направлена на внедрение ядерных тепловых ракетных двигателей в освоение космоса. В отличие от работ AEC, которые были сосредоточены на изучении конструкции реактора как таковой, целью NERVA было создание реального двигателя для использования в космических миссиях. Базовая конструкция NERVA с заданным уровнем тяги основывалась на серии KIWI B4. Среди испытанных двигателей – Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 и Nuclear Furnace. Постепенное увеличение удельной мощности привело к созданию Pewee.
Великобритания
По состоянию на январь 2012 года рабочая группа по двигательной установке проекта «Икар» изучала систему ядерных тепловых ракетных двигателей (NTR), однако с 2019 года её активность значительно снизилась.
Израиль
В 1987 году Ронен и Лейбсон 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 в 2-100 раз меньше топлива по сравнению с традиционными ядерными топливами. В 1988 году Джордж Чаплин из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) предложил ракету на основе 242mAm, основанную на прямом нагреве рабочего газа фрагментами деления, образующимися при делении расщепляющегося материала. Ронен и др. Использование 242mAm в качестве ядерного топлива обусловлено 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 делящимся (поскольку содержит нечетное число нейтронов) и имеет низкую критическую массу, сопоставимую с массой 239Pu. Он обладает очень высоким сечением 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, облученном в быстром реакторе. Однако быстрые реакторы не всегда доступны. Был проведен детальный анализ воспроизводства 242mAm в существующих водо-водяных реакторах (ВВЭР). Стойкость 242mAm к распространению ядерных материалов была изучена в исследовании, проведенном Карлсруэским технологическим институтом в 2008 году.
Италия
В 2000 году Карло Руббиа в ЦЕРН продолжил работу Ронен и Чаплина над ракетным двигателем, использующим фрагменты деления, с применением 242mAm в качестве топлива. Проект 242, основанный на конструкции Руббии, изучал концепцию жидкостного ракетного двигателя на основе 242mAm, в котором тепло от фрагментов деления используется для нагрева рабочего тела, с использованием прямого преобразования кинетической энергии фрагментов деления в увеличение энталпии рабочего газа. В рамках проекта 242 также рассматривалось применение этой двигательной установки для пилотируемой миссии на Марс. Полученные предварительные результаты оказались весьма обнадеживающими, и было установлено, что двигательная система с такими характеристиками может сделать эту миссию реализуемой. Другое исследование было посвящено производству 242mAm в традиционных тепловых ядерных реакторах.
Текущие исследования в США с 2000 года
Текущие конструкции ядерных тепловых ракет с твердым топливом предназначены для значительного ограничения распыления и разрушения радиоактивных топливных элементов в случае катастрофического отказа. По состоянию на 2013 год в Космическом центре Маршалла совместно с Исследовательским центром Гленна изучается НТР для межпланетных перелетов с околоземной орбиты на околомарсианскую орбиту. При наземных испытаниях НТР продемонстрировали эффективность как минимум в два раза выше, чем у самых передовых химических двигателей, что позволило бы сократить время перелета и увеличить грузоподъемность. Более короткая продолжительность полета, оцениваемая в 3–4 месяца с использованием двигателей НТР по сравнению с 6–9 месяцами при использовании химических двигателей, снизит воздействие на экипаж потенциально вредного и трудно экранируемого космического излучения. Двигатели НТР, такие как Pewee проекта Rover, были выбраны в качестве основы в архитектуре Mars Design Reference Architecture (DRA). В 2017 году NASA продолжило исследования и разработки в области НТР, проектируя системы для космических применений с использованием материалов, одобренных для гражданского использования, в рамках трехлетнего контракта на сумму 18,8 млн долларов США. В 2019 году законопроект об ассигнованиях, принятый Конгрессом США, предусматривал выделение 125 миллионов долларов США.
По состоянию на 2021 год Космические силы США и DARPA проявляют значительный интерес к ядерным тепловым ракетам для орбитального и окололунного использования. Помимо военных США, администратор NASA Джим Брайденстайн также выразил заинтересованность в проекте и его потенциальных применениях для будущей миссии на Марс. DARPA заключила два контракта в рамках программы Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (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. Были выбраны два концептуальных проекта космических аппаратов, разработанных компаниями Blue Origin и Lockheed Martin. Предложения по проведению летных испытаний ядерной тепловой двигательной установки в 2026 финансовом году должны были быть представлены 5 августа 2022 года. В январе 2023 года NASA и DARPA объявили о партнерстве в рамках программы DRACO для демонстрации двигателя НТР в космосе, что является ключевым фактором для реализации пилотируемых миссий NASA на Марс. В июле 2023 года американские ведомства объявили о заключении контракта с Lockheed Martin на сумму 499 миллионов долларов на сборку экспериментального ядерного теплового реактора (X NTRV) и его двигателя.
Риски
Неисправность атмосферной или орбитальной ракеты может привести к рассеиванию радиоактивных материалов в окружающей среде. Столкновение с орбитальным мусором, разрушение материала из-за неконтролируемой цепной реакции, дефекты материала, усталость или ошибки проектирования могут привести к нарушению герметичности, содержащей делящиеся материалы. Такая катастрофическая неисправность в полете может привести к выбросу радиоактивных материалов на Землю на обширной и непредсказуемой территории. Степень загрязнения будет зависеть от размера ядерного теплового ракетного двигателя, а зона загрязнения и ее концентрация – от текущих погодных условий и орбитальных параметров в момент входа в атмосферу. Считается маловероятным, что топливные элементы реактора будут широко рассеяны, поскольку они изготавливаются из материалов, таких как углеродные композиты или карбиды, и обычно покрываются гидридом циркония. До достижения критического состояния твердотопливный NTR не представляет особой опасности. После первого запуска реактора образуются высокорадиоактивные продукты деления с коротким периодом полураспада, а также менее радиоактивные, но чрезвычайно долгоживущие продукты деления. Количество продуктов деления равно нулю при запуске с новым топливом и приблизительно пропорционально (фактически: ограничено) общему количеству тепловой энергии, выделенной в результате деления с момента запуска с новым топливом. Кроме того, все элементы конструкции двигателя подвергаются непосредственному нейтронному облучению, что приводит к их радиоактивной активации.