A menudo, en publicaciones educativas generales sobre astronáutica, no se distingue la diferencia entre un motor de cohete nuclear (NRE) y un sistema de propulsión eléctrica de cohete nuclear (YEDU). Sin embargo, estas abreviaturas ocultan no solo la diferencia en los principios de la conversión de la energía nuclear en el poder de la propulsión de cohetes, sino también la dramática historia del desarrollo de la astronáutica.
La naturaleza dramática de la historia es que si la investigación sobre el veneno y el envenenamiento nuclear, ambos detenidos en la URSS y los Estados Unidos, continuaran principalmente por razones económicas, entonces los vuelos humanos a Marte ya se habrían convertido en algo común.
Todo comenzó con aviones atmosféricos de aspiración natural.
Los diseñadores en los Estados Unidos y la URSS consideraron las instalaciones nucleares "respirantes" que podrían aspirar aire externo y calentarlo a temperaturas colosales. Probablemente, este principio de formación de empuje se tomó prestado de los motores ramjet, pero en lugar del combustible para cohetes, se utilizó la energía de fisión del dióxido de uranio 235.
En los Estados Unidos, dicho motor fue desarrollado como parte del proyecto Plutón [1]. Los estadounidenses lograron crear dos prototipos del nuevo motor: Tory-IIA y Tory-IIC, en los que incluso se activaron los reactores. El poder de la instalación era de 600 megavatios.
Los motores desarrollados bajo el proyecto Plutón se planearon para instalarse en misiles de crucero, que en la década de 1950 se crearon bajo la designación SLAM (Misil supersónico de baja altitud, misil supersónico de baja altitud).
En los Estados Unidos, planearon construir un cohete de 26.8 metros de largo, tres metros de diámetro y un peso de 28 toneladas. Una ojiva nuclear, así como un sistema de propulsión nuclear, que tiene una longitud de 1,6 metros y un diámetro de 1,5 metros, debería haberse ubicado en el cuerpo del misil. En el contexto de otros tamaños, la instalación parecía muy compacta, lo que explica su principio de funcionamiento de flujo directo.
Los desarrolladores creyeron que, gracias al motor nuclear, el rango de vuelo del cohete SLAM sería de al menos 182 mil kilómetros.
En 1964, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos cerró el proyecto. La razón oficial fue que, en vuelo, un misil de crucero de propulsión nuclear contamina demasiado todo lo que lo rodea. Pero, de hecho, la razón fueron los costos de mantenimiento significativos de tales misiles, más aún para ese momento la ciencia de cohetes basada en motores de cohete de propulsión líquida se estaba desarrollando rápidamente, cuyo mantenimiento era mucho más barato.
La URSS se mantuvo fiel a la idea de crear un motor nuclear de flujo directo mucho más tiempo que los EE. UU., Habiendo cerrado el proyecto solo en 1985 [2]. Pero los resultados fueron mucho más significativos. Entonces, el primer y único motor de cohete nuclear soviético fue desarrollado en la oficina de diseño de Himavtomatika, Voronezh. Este es RD-0410 (Índice GRAU - 11B91, también conocido como "Irbit" e "IR-100").
Se usó un reactor de neutrones térmicos heterogéneos en el RD-0410, el hidruro de circonio fue un moderador, los reflectores de neutrones se hicieron de berilio, el combustible nuclear era un material basado en uranio y carburos de tungsteno, con un enriquecimiento de 235 de aproximadamente el 80%.
El diseño incluyó 37 conjuntos de combustible recubiertos con aislamiento térmico que los separó del moderador. El proyecto preveía que la corriente de hidrógeno inicialmente pasara a través del reflector y el moderador, manteniendo su temperatura a nivel ambiente, y luego ingresó a la zona activa, donde enfrió los conjuntos de combustible, calentando hasta 3100 K. En el stand, el reflector y el moderador se enfriaron con una corriente de hidrógeno separada.
El reactor pasó una serie significativa de pruebas, pero nunca se probó durante todo el trabajo. Sin embargo, fuera de las unidades del reactor se desarrollaron completamente.
Características técnicas del RD 0410Peso muerto: 3.59 tf (35.2 kN)
Potencia térmica del reactor: 196 MW.
Impulso específico de empuje en el vacío: 910 kgf · s / kg (8927 m / s)
Número de inclusiones: 10
Recurso de trabajo: 1 hora
Componentes del combustible: fluido de trabajo - hidrógeno líquido, excipiente - heptano
Peso con protección radiológica: 2 toneladas
Dimensiones del motor: altura 3.5 m, diámetro 1.6 m.
Las dimensiones y peso generales relativamente pequeños, la alta temperatura del combustible nuclear (3100 K) con un sistema de enfriamiento efectivo por una corriente de hidrógeno atestigua el hecho de que RD0410 es un prototipo casi ideal de cohetes de propulsión nuclear para misiles de crucero modernos. Y, dadas las tecnologías modernas para producir combustible nuclear de parada automática, aumentar el recurso de una hora a varias horas es una tarea muy real.
Diseños de motores de cohetes nucleares
Un motor de cohete nuclear (NRE) es un motor a reacción en el que la energía que surge de una fisión nuclear o reacción de fusión calienta el fluido de trabajo (con mayor frecuencia, hidrógeno o amoníaco) [3].
Hay tres tipos de NRE por tipo de combustible para el reactor:
- fase sólida
- fase liquida;
- fase gaseosa
La más completa es la versión en fase sólida del motor. La figura muestra un diagrama de la NRE más simple con un reactor de combustible nuclear sólido. El fluido de trabajo se encuentra en un tanque externo. Usando una bomba, se alimenta a la cámara del motor. En la cámara, el fluido de trabajo se rocía con la ayuda de boquillas y entra en contacto con el combustible nuclear generador de calor. Cuando se calienta, se expande y con gran velocidad sale de la cámara a través de la boquilla.
En la NRE en fase gaseosa, el combustible (por ejemplo, uranio) y el fluido de trabajo están en estado gaseoso (en forma de plasma) y se mantienen en el área de trabajo mediante un campo electromagnético. Calentado a decenas de miles de grados, el plasma de uranio transfiere calor al fluido de trabajo (por ejemplo, hidrógeno), que, a su vez, se calienta a altas temperaturas y forma una corriente en chorro.
Según el tipo de reacción nuclear, se utilizan un motor de cohete radioisotópico, un motor de cohete termonuclear y un motor nuclear propiamente dicho (se utiliza energía de fisión nuclear).
Una opción interesante es también una NRE pulsada: se propone utilizar una carga nuclear como fuente de energía (combustible). Dichas instalaciones pueden ser de tipo interno o externo.
Las principales ventajas de NRE son:- alto impulso específico;
- reserva de energía significativa;
- sistema de propulsión compacto;
- La posibilidad de obtener una tracción muy alta: decenas, cientos y miles de toneladas en el vacío.
La principal desventaja es el alto riesgo de radiación del sistema de propulsión:- flujos de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones) durante las reacciones nucleares;
- eliminación de compuestos altamente radiactivos de uranio y sus aleaciones;
- expiración de gases radiactivos con un fluido de trabajo.
Planta de energía nuclear
Teniendo en cuenta que es imposible obtener información confiable sobre envenenamiento nuclear a partir de publicaciones, incluidos artículos científicos, el principio de funcionamiento de tales instalaciones se ve mejor utilizando ejemplos de materiales de patentes abiertos, aunque contengan conocimientos.
Así, por ejemplo, el destacado científico ruso Koroteev Anatoly Sazonovich, autor de la invención según la patente [4], proporciona una solución técnica para la composición de equipos para sistemas modernos de propulsión nuclear.
A continuación, cito parte de dicho documento de patente textualmente y sin comentarios.
La esencia de la solución técnica propuesta se ilustra mediante el esquema que se muestra en el dibujo. Un motor de energía nuclear que funciona en un modo de energía de energía contiene un sistema de propulsión de cohete eléctrico (ERP) (el diagrama muestra, por ejemplo, dos motores de cohete eléctricos 1 y 2 con los sistemas de alimentación correspondientes 3 y 4), una unidad de reactor 5, una turbina 6, un compresor 7, un generador 8, intercambiador de calor-recuperador 9, tubo de vórtice Rank-Hilsh 10, radiador más frío 11. Además, la turbina 6, el compresor 7 y el generador 8 se combinan en una sola unidad: un turbogenerador-compresor. NEDU está equipado con tuberías 12 del fluido de trabajo y líneas eléctricas 13 que conectan el generador 8 y el sistema de propulsión eléctrica. El intercambiador de calor-recuperador 9 tiene las llamadas entradas de alta temperatura 14 y baja temperatura 15 del fluido de trabajo, así como salidas de alta temperatura 16 y baja temperatura 17 del fluido de trabajo.
La salida de la unidad de reactor 5 está conectada a la entrada de la turbina 6, la salida de la turbina 6 está conectada a la entrada de alta temperatura 14 del intercambiador de calor-recuperador 9. La salida de baja temperatura 15 del intercambiador de calor-recuperador 9 está conectada a la entrada del tubo 10 de vórtice Rank-Hilsh 10. El tubo 10 de vórtice Rank-Hilsh tiene dos salidas uno de los cuales (a través del fluido de trabajo "caliente") está conectado al emisor del refrigerador 11, y el otro (a través del fluido de trabajo "frío") está conectado a la entrada del compresor 7. La salida del emisor del refrigerador 11 también está conectada a la entrada del compresor 7. La salida del comp el resorte 7 está conectado a la entrada de baja temperatura 15 al intercambiador de calor-recuperador 9. La salida de alta temperatura 16 del intercambiador de calor-recuperador 9 está conectada a la entrada de la unidad del reactor 5. Por lo tanto, los elementos principales del sistema de energía nuclear están interconectados por un solo circuito del fluido de trabajo.
YaEDU funciona de la siguiente manera. El fluido de trabajo calentado en la instalación del reactor 5 se dirige a la turbina 6, que proporciona el funcionamiento del compresor 7 y el generador 8 del turbogenerador-compresor. El generador 8 genera energía eléctrica, que se envía a través de las líneas eléctricas 13 a los motores de cohetes eléctricos 1 y 2 y sus sistemas de suministro 3 y 4, asegurando su funcionamiento. Después de salir de la turbina 6, el fluido de trabajo se dirige a través de una entrada de alta temperatura 14 a un intercambiador de calor-recuperador 9, donde el fluido de trabajo se enfría parcialmente.
Luego, desde la salida de baja temperatura 17 del intercambiador de calor-recuperador 9, el fluido de trabajo se envía al tubo de vórtice Rank-Hilsch 10, dentro del cual el flujo del fluido de trabajo se divide en componentes "calientes" y "fríos". La parte "caliente" del fluido de trabajo sigue luego al refrigerador-emisor 11, donde hay un enfriamiento efectivo de esta parte del fluido de trabajo. La parte "fría" del fluido de trabajo sigue la entrada al compresor 7, la parte de enfriamiento del fluido de trabajo que sale del refrigerador-emisor 11 también sigue allí.
El compresor 7 entrega el fluido de trabajo enfriado al intercambiador de calor-recuperador 9 a través de la entrada de baja temperatura 15. Este fluido de trabajo enfriado en el intercambiador de calor-recuperador 9 proporciona un enfriamiento parcial del flujo entrante del fluido de trabajo que ingresa al intercambiador de calor-recuperador 9 desde la turbina 6 a través de la entrada de alta temperatura 14. A continuación, un fluido de trabajo parcialmente calentado (debido al intercambio de calor con un flujo entrante del fluido de trabajo desde la turbina 6) desde el intercambiador de calor-recuperador 9 a través de la salida de alta temperatura 16 nuevamente va al reactor En la configuración 5, el ciclo se repite nuevamente.
Por lo tanto, un solo fluido de trabajo ubicado en un circuito cerrado garantiza el funcionamiento continuo del sistema de energía nuclear, y el uso del tubo de vórtice Rank-Hilsh como parte del sistema de energía nuclear de acuerdo con la solución técnica reclamada proporciona una mejora en las dimensiones generales del sistema de energía nuclear, aumenta la confiabilidad de su operación, simplifica su diseño y hace posible aumentar La efectividad del envenenamiento nuclear en general.
Referencias
1. Un
cohete que nadie conocía.2.
RD-0410.3.
Motores de cohetes nucleares.4.
RU 2522971