In allgemeinpädagogischen Veröffentlichungen zur Astronautik wird der Unterschied zwischen einem Atomraketenmotor (NRE) und einem Atomraketenantriebssystem (YEDU) häufig nicht unterschieden. Diese Abkürzungen verbergen jedoch nicht nur den Unterschied in den Prinzipien der Umwandlung von Kernenergie in die Kraft des Raketenantriebs, sondern auch die sehr dramatische Geschichte der Entwicklung der Astronautik.
Die dramatische Natur der Geschichte ist, dass, wenn die Erforschung von Gift und Atomvergiftung sowohl in der UdSSR als auch in den Vereinigten Staaten vor allem aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt worden wäre, menschliche Flüge zum Mars bereits alltäglich geworden wären.
Alles begann mit atmosphärischen Saugflugzeugen
Designer in den USA und der UdSSR erwogen, Kernanlagen zu „atmen“, die Außenbordluft ansaugen und auf kolossale Temperaturen erwärmen könnten. Wahrscheinlich wurde dieses Prinzip der Schubbildung von Staustrahltriebwerken übernommen, aber anstelle von Raketentreibstoff wurde die Spaltungsenergie von Urandioxid 235 verwendet.
In den USA wurde ein solcher Motor im Rahmen des Pluto-Projekts entwickelt [1]. Den Amerikanern gelang es, zwei Prototypen des neuen Motors zu erstellen - Tory-IIA und Tory-IIC, an denen sogar Reaktoren eingeschaltet waren. Die Leistung der Anlage sollte 600 Megawatt betragen.
Die im Rahmen des Pluto-Projekts entwickelten Triebwerke sollten auf Marschflugkörpern installiert werden, die in den 1950er Jahren unter der Bezeichnung SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, Supersonic Low-Altitude Missile) hergestellt wurden.
In den Vereinigten Staaten planten sie den Bau einer 26,8 Meter langen Rakete mit einem Durchmesser von drei Metern und einem Gewicht von 28 Tonnen. Ein nuklearer Sprengkopf sowie ein nukleares Antriebssystem mit einer Länge von 1,6 Metern und einem Durchmesser von 1,5 Metern sollten sich im Raketenkörper befinden. Vor dem Hintergrund anderer Größen sah die Installation sehr kompakt aus, was das Funktionsprinzip des Direktflusses erklärt.
Die Entwickler glaubten, dass die Flugreichweite der SLAM-Rakete dank des Atomtriebwerks mindestens 182.000 Kilometer betragen würde.
1964 schloss das US-Verteidigungsministerium das Projekt ab. Der offizielle Grund war, dass im Flug eine nuklear angetriebene Marschflugkörper alles um sie herum zu stark verschmutzen. Tatsächlich war der Grund jedoch der erhebliche Wartungsaufwand für solche Raketen, zumal sich zu diesem Zeitpunkt die Raketenwissenschaft auf der Basis von Raketentriebwerken mit flüssigem Treibstoff rasch entwickelte, deren Wartung viel billiger war.
Die UdSSR blieb der Idee treu, einen Kernmotor mit Direktstrom viel länger als die USA zu schaffen, nachdem sie das Projekt erst 1985 abgeschlossen hatte [2]. Die Ergebnisse waren jedoch viel bedeutender. So wurde der erste und einzige sowjetische Nuklearraketenmotor im Designbüro Himavtomatika in Woronesch entwickelt. Dies ist RD-0410 (GRAU Index - 11B91, auch bekannt als "Irbit" und "IR-100").
In RD-0410 wurde ein heterogener thermischer Neutronenreaktor verwendet, Zirkoniumhydrid wurde als Moderator verwendet, Neutronenreflektoren wurden aus Beryllium hergestellt, Kernbrennstoff bestand aus Uran und Wolframcarbiden mit einer Anreicherung von 235 Isotopen von etwa 80%.
Das Design umfasste 37 mit Wärmeisolierung beschichtete Brennelemente, die sie vom Moderator trennten. Das Projekt sah vor, dass der Wasserstoffstrom zunächst durch den Reflektor und den Moderator lief, wobei die Temperatur auf Raumniveau gehalten wurde, und dann in die aktive Zone gelangte, wo die Brennelemente auf 3100 K abgekühlt wurden. Am Stand wurden Reflektor und Moderator durch einen separaten Wasserstoffstrom gekühlt.
Der Reaktor bestand eine bedeutende Reihe von Tests, wurde jedoch nie für die gesamte Dauer der Arbeiten getestet. Außerhalb der Reaktoreinheiten waren jedoch voll entwickelt.
Technische Eigenschaften von RD 0410Kreuzheben: 3,59 tf (35,2 kN)
Wärmeleistung des Reaktors: 196 MW
Spezifischer Schubimpuls im Vakuum: 910 kgf · s / kg (8927 m / s)
Anzahl der Einschlüsse: 10
Arbeitsressource: 1 Stunde
Kraftstoffkomponenten: Arbeitsmedium - flüssiger Wasserstoff, Hilfsstoff - Heptan
Gewicht mit Strahlenschutz: 2 Tonnen
Motorabmessungen: Höhe 3,5 m, Durchmesser 1,6 m.
Die relativ geringen Gesamtabmessungen und das relativ geringe Gewicht, die hohe Temperatur des Kernbrennstoffs (3100 K) mit einem effektiven Kühlsystem durch einen Wasserstoffstrom zeugen davon, dass RD0410 ein nahezu idealer Prototyp von Atomraketen für moderne Marschflugkörper ist. Angesichts moderner Technologien zur Herstellung von selbststoppendem Kernbrennstoff ist es eine sehr reale Aufgabe, die Ressource von einer Stunde auf mehrere Stunden zu erhöhen.
Konstruktionen von Nuklearraketenmotoren
Ein Kernraketenmotor (NRE) ist ein Strahltriebwerk, bei dem die Energie, die aus einer Kernspaltung oder einer Fusionsreaktion entsteht, das Arbeitsfluid (meistens Wasserstoff oder Ammoniak) erwärmt [3].
Es gibt drei Arten von NRE nach Brennstoffart für den Reaktor:
- feste Phase;
- flüssige Phase;
- Gasphase.
Am vollständigsten ist die Festphasenversion des Motors. Die Abbildung zeigt ein Diagramm des einfachsten NRE mit einem Reaktor für feste Kernbrennstoffe. Das Arbeitsmedium befindet sich in einem externen Tank. Mit einer Pumpe wird es in den Motorkammer gefördert. In der Kammer wird das Arbeitsfluid mit Hilfe von Düsen gesprüht und kommt mit dem wärmeerzeugenden Kernbrennstoff in Kontakt. Beim Erhitzen dehnt es sich aus und fliegt mit großer Geschwindigkeit durch die Düse aus der Kammer.
In der Gasphase NRE befinden sich Kraftstoff (z. B. Uran) und das Arbeitsfluid in einem gasförmigen Zustand (in Form von Plasma) und werden durch ein elektromagnetisches Feld im Arbeitsbereich gehalten. Auf Zehntausende Grad erhitzt, überträgt Uranplasma Wärme auf das Arbeitsfluid (z. B. Wasserstoff), das wiederum auf hohe Temperaturen erhitzt wird und einen Strahl bildet.
Je nach Art der Kernreaktion werden ein Radioisotop-Raketentriebwerk, ein thermonukleares Raketentriebwerk und ein eigentliches Kerntriebwerk verwendet (Kernspaltungsenergie wird verwendet).
Eine interessante Option ist auch ein gepulstes NRE - es wird vorgeschlagen, eine Kernladung als Energiequelle (Brennstoffquelle) zu verwenden. Solche Installationen können vom internen oder externen Typ sein.
Die Hauptvorteile von NRE sind:- hoher spezifischer Impuls;
- erhebliche Energiereserve;
- kompaktes Antriebssystem;
- die Möglichkeit, eine sehr hohe Traktion zu erzielen - Zehntausende, Hunderttausende Tonnen im Vakuum.
Der Hauptnachteil ist die hohe Strahlungsgefahr des Antriebssystems:- durchdringende Strahlungsflüsse (Gammastrahlung, Neutronen) während Kernreaktionen;
- Entfernung hochradioaktiver Verbindungen von Uran und seinen Legierungen;
- Ausatmen radioaktiver Gase mit einem Arbeitsmedium.
Kernkraftwerk
In Anbetracht der Tatsache, dass es unmöglich ist, verlässliche Informationen über Atomvergiftungen aus Veröffentlichungen, einschließlich wissenschaftlicher Artikel, zu erhalten, lässt sich das Funktionsprinzip solcher Anlagen am besten anhand von Beispielen offener Patentmaterialien betrachten, obwohl es Know-how enthält.
So bietet beispielsweise der herausragende russische Wissenschaftler Koroteev Anatoly Sazonovich, der Autor der Erfindung gemäß dem Patent [4], eine technische Lösung für die Zusammensetzung von Geräten für moderne Kernantriebssysteme.
Als nächstes zitiere ich einen Teil des Patentdokuments wörtlich und ohne Kommentar.
Das Wesentliche der vorgeschlagenen technischen Lösung wird durch das in der Zeichnung gezeigte Schema veranschaulicht. Ein Kernkraftmotor, der in einem Energie-Energie-Modus arbeitet, enthält ein elektrisches Raketenantriebssystem (ERP) (das Diagramm zeigt beispielsweise zwei elektrische Raketenmotoren 1 und 2 mit entsprechenden Zufuhrsystemen 3 und 4), eine Reaktoreinheit 5, eine Turbine 6, einen Kompressor 7, einen Generator 8, Wärmetauscher-Rekuperator 9, Rank-Hilsh-Wirbelrohr 10, Kühler-Kühler 11. Darüber hinaus sind Turbine 6, Kompressor 7 und Generator 8 zu einer Einheit zusammengefasst - einem Turbogenerator-Kompressor. NEDU ist mit Rohrleitungen 12 des Arbeitsmediums und elektrischen Leitungen 13 ausgestattet, die den Generator 8 und das elektrische Antriebssystem verbinden. Der Wärmetauscher-Rekuperator 9 hat die sogenannten Hochtemperatur-14- und Niedertemperatur-15-Eingänge des Arbeitsfluids sowie Hochtemperatur-16- und Niedertemperatur-17-Ausgänge des Arbeitsfluids.
Der Ausgang der Reaktoreinheit 5 ist mit dem Eingang der Turbine 6 verbunden, der Ausgang der Turbine 6 ist mit dem Hochtemperatureingang 14 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 verbunden. Der Niedertemperaturausgang 15 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 ist mit dem Eingang des Rank-Hilsch-Wirbelrohrs 10 verbunden. Das Rank-Hilsch-Wirbelrohr 10 hat zwei Ausgänge Eines davon (über das "heiße" Arbeitsmedium) ist mit dem Kühlschrank-Emitter 11 verbunden, und das andere (über das "kalte" Arbeitsmedium) ist mit dem Eingang des Kompressors 7 verbunden. Der Ausgang des Kühlschrank-Emitters 11 ist auch mit dem Eingang des Kompressors 7 verbunden. Der Ausgang des Comp Die Feder 7 ist mit dem Niedertemperatur-Einlass 15 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 verbunden. Der Hochtemperatur-Ausgang 16 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 ist mit dem Einlass der Reaktoreinheit 5 verbunden. Somit sind die Hauptelemente des Kernkraftwerks durch einen einzigen Kreislauf des Arbeitsmediums miteinander verbunden.
YaEDU funktioniert wie folgt. Das in der Reaktoranlage 5 erhitzte Arbeitsfluid wird zur Turbine 6 geleitet, die den Betrieb des Kompressors 7 und des Generators 8 des Turbogenerator-Kompressors bereitstellt. Der Generator 8 erzeugt elektrische Energie, die über die elektrischen Leitungen 13 an die elektrischen Raketentriebwerke 1 und 2 und deren Versorgungssysteme 3 und 4 gesendet wird, um deren Betrieb sicherzustellen. Nach dem Verlassen der Turbine 6 wird das Arbeitsfluid durch einen Hochtemperatureinlass 14 zu einem Wärmetauscher-Rekuperator 9 geleitet, wo das Arbeitsfluid teilweise gekühlt wird.
Dann wird vom Niedertemperaturauslass 17 des Wärmetauscher-Rekuperators 9 das Arbeitsfluid zum Rank-Hilsch-Wirbelrohr 10 geleitet, in dem der Fluss des Arbeitsfluids in "heiße" und "kalte" Komponenten aufgeteilt wird. Der "heiße" Teil des Arbeitsfluids folgt dann dem Kühlschrank-Emitter 11, wo dieser Teil des Arbeitsfluids effektiv gekühlt wird. Der "kalte" Teil des Arbeitsfluids folgt dem Eingang zum Kompressor 7, dort folgt auch der kühlende Teil des Arbeitsmediums, der den Kühlschrank-Emitter 11 verlässt.
Der Kompressor 7 liefert das gekühlte Arbeitsfluid über den Niedertemperatureinlass 15 zum Wärmetauscher-Rekuperator 9. Dieses gekühlte Arbeitsfluid im Wärmetauscher-Rekuperator 9 sorgt für eine teilweise Kühlung des entgegenkommenden Stroms des Arbeitsmediums, das von der Turbine 6 durch den Hochtemperatureinlass 14 in den Wärmetauscher-Rekuperator 9 eintritt. Ein teilweise erwärmtes Arbeitsfluid (aufgrund eines Wärmeaustauschs mit einem entgegenkommenden Strom des Arbeitsmediums von der Turbine 6) vom Wärmetauscher-Rekuperator 9 durch den Hochtemperaturauslass 16 gelangt wieder in den Reaktor In Einstellung 5 wird der Zyklus erneut wiederholt.
Somit stellt ein einzelnes Arbeitsfluid, das sich in einem geschlossenen Kreislauf befindet, einen kontinuierlichen Betrieb des Kernkraftwerks sicher, und die Verwendung des Rank-Hilsh-Wirbelrohrs als Teil des Kernkraftwerks gemäß der beanspruchten technischen Lösung verbessert die Masse- und Größenmerkmale des Kernkraftwerks, verbessert seine Zuverlässigkeit, vereinfacht seine Konstruktion und ermöglicht eine Erhöhung die Wirksamkeit der Atomvergiftung im Allgemeinen.
Referenzen:
1. Eine
Rakete, von der niemand etwas wusste.2.
RD-0410.3.
Nukleare Raketentriebwerke.4.
RU 2522971