Souvent, dans les publications pédagogiques générales sur l'astronautique, la différence entre un moteur-fusée nucléaire (NRE) et un système de propulsion électrique de fusée nucléaire (YEDU) n'est pas distinguée. Cependant, ces abréviations cachent non seulement la différence dans les principes de la conversion de l'énergie nucléaire en puissance de propulsion de fusée, mais aussi l'histoire très dramatique du développement de l'astronautique.
La nature dramatique de l'histoire est que si la recherche sur le poison et l'empoisonnement nucléaire s'arrêtait à la fois en URSS et aux États-Unis, arrêtée principalement pour des raisons économiques, alors les vols humains vers Mars seraient depuis longtemps monnaie courante.
Tout a commencé avec des avions atmosphériques à aspiration naturelle
Les concepteurs des États-Unis et de l'URSS ont envisagé de «respirer» des installations nucléaires qui pourraient aspirer l'air extérieur et le chauffer à des températures colossales. Probablement, ce principe de formation de poussée a été emprunté aux moteurs statoréacteurs, mais au lieu du carburant de fusée, l'énergie de fission du dioxyde d'uranium 235 a été utilisée.
Aux États-Unis, un tel moteur a été développé dans le cadre du projet Pluton [1]. Les Américains ont réussi à créer deux prototypes du nouveau moteur - Tory-IIA et Tory-IIC, sur lesquels des réacteurs ont même été allumés. La puissance de l'installation devait être de 600 mégawatts.
Les moteurs développés dans le cadre du projet Pluton devaient être installés sur des missiles de croisière, qui dans les années 1950 ont été créés sous la désignation SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, supersonic low-altitude missile).
Aux États-Unis, ils prévoyaient de construire une fusée de 26,8 mètres de long, trois mètres de diamètre et pesant 28 tonnes. Une ogive nucléaire, ainsi qu'un système de propulsion nucléaire, d'une longueur de 1,6 mètre et d'un diamètre de 1,5 mètre, auraient dû se trouver dans le corps du missile. Dans le contexte d'autres tailles, l'installation semblait très compacte, ce qui explique son principe de fonctionnement en flux direct.
Les développeurs pensaient que, grâce au moteur nucléaire, la portée de vol de la fusée SLAM serait d'au moins 182 000 kilomètres.
En 1964, le département américain de la Défense a fermé le projet. La raison officielle était qu'en vol, un missile de croisière à propulsion nucléaire pollue trop tout ce qui l'entoure. Mais en fait, la raison en était les coûts de maintenance importants de ces missiles, d'autant plus qu'à cette époque, la science des fusées basée sur des moteurs-fusées à propergol liquide se développait rapidement, dont la maintenance était beaucoup moins chère.
L'URSS est restée fidèle à l'idée de créer un moteur nucléaire à flux direct beaucoup plus longtemps que les États-Unis, n'ayant fermé le projet qu'en 1985 [2]. Mais les résultats étaient beaucoup plus significatifs. Ainsi, le premier et le seul moteur de fusée nucléaire soviétique a été développé au bureau de conception Himavtomatika, Voronezh. Il s'agit du RD-0410 (indice GRAU - 11B91, également appelé "Irbit" et "IR-100").
Un réacteur hétérogène à neutrons thermiques a été utilisé dans le RD-0410, l'hydrure de zirconium a été utilisé comme modérateur, les réflecteurs à neutrons ont été faits de béryllium, le combustible nucléaire était un matériau à base d'uranium et de carbures de tungstène, avec un enrichissement d'environ 80% pour 235 isotopes.
La conception comprenait 37 assemblages combustibles recouverts d'isolation thermique qui les séparaient du modérateur. Le projet prévoyait que le flux d'hydrogène traversait initialement le réflecteur et le modérateur, maintenant leur température au niveau de la pièce, puis pénétrait dans la zone active, où il refroidissait les assemblages combustibles, chauffant jusqu'à 3100 K. Sur le stand, le réflecteur et le modérateur étaient refroidis par un flux d'hydrogène séparé.
Le réacteur a réussi une série importante de tests, mais n'a jamais été testé pendant toute la durée des travaux. Cependant, à l'extérieur des réacteurs, les unités étaient entièrement développées.
Caractéristiques techniques du RD 0410Soulevé de terre: 3,59 tf (35,2 kN)
Puissance thermique du réacteur: 196 MW
Impulsion spécifique de poussée dans le vide: 910 kgf · s / kg (8927 m / s)
Nombre d'inclusions: 10
Ressource de travail: 1 heure
Composants combustibles: fluide de travail - hydrogène liquide, excipient - heptane
Poids avec radioprotection: 2 tonnes
Dimensions du moteur: hauteur 3,5 m, diamètre 1,6 m.
Les dimensions et le poids globaux relativement petits, la température élevée du combustible nucléaire (3100 K) avec un système de refroidissement efficace par un flux d'hydrogène témoignent du fait que le RD0410 est un prototype presque idéal de fusées à propulsion nucléaire pour les missiles de croisière modernes. Et, étant donné les technologies modernes de production de combustible nucléaire à arrêt automatique, augmenter la ressource d'une heure à plusieurs heures est une tâche très réelle.
Conceptions de moteurs-fusées nucléaires
Un moteur-fusée nucléaire (NRE) est un turboréacteur dans lequel l'énergie résultant d'une réaction de fission ou de fusion nucléaire chauffe le fluide de travail (le plus souvent, l'hydrogène ou l'ammoniac) [3].
Il existe trois types de NRE par type de combustible pour le réacteur:
- phase solide;
- phase liquide;
- phase gazeuse.
Le plus complet est la version en phase solide du moteur. La figure montre un diagramme du NRE le plus simple avec un réacteur à combustible nucléaire solide. Le fluide de travail est situé dans un réservoir externe. À l'aide d'une pompe, il est introduit dans la chambre du moteur. Dans la chambre, le fluide de travail est pulvérisé à l'aide de buses et entre en contact avec le combustible nucléaire générateur de chaleur. Lorsqu'il est chauffé, il se dilate et s'envole à grande vitesse de la chambre à travers la buse.
Dans le NRE en phase gazeuse, le combustible (par exemple, l'uranium) et le fluide de travail sont à l'état gazeux (sous forme de plasma) et sont maintenus dans la zone de travail par un champ électromagnétique. Chauffé à des dizaines de milliers de degrés, le plasma d'uranium transfère la chaleur au fluide de travail (par exemple, l'hydrogène), qui, à son tour, est chauffé à des températures élevées et forme un courant-jet.
Selon le type de réaction nucléaire, un moteur-fusée à radio-isotopes, un moteur-fusée thermonucléaire et un moteur nucléaire proprement dit sont utilisés (l'énergie de fission nucléaire est utilisée).
Une option intéressante est également un NRE pulsé - il est proposé d'utiliser une charge nucléaire comme source d'énergie (combustible). Ces installations peuvent être de type interne ou externe.
Les principaux avantages de NRE sont:- impulsion spécifique élevée;
- réserve d'énergie importante;
- système de propulsion compact;
- la possibilité d'obtenir une traction très élevée - des dizaines, des centaines et des milliers de tonnes sous vide.
Le principal inconvénient est le risque de rayonnement élevé du système de propulsion:- les flux de rayonnement pénétrant (rayonnement gamma, neutrons) lors des réactions nucléaires;
- élimination des composés hautement radioactifs de l'uranium et de ses alliages;
- expiration des gaz radioactifs avec un fluide de travail.
Centrale nucléaire
Étant donné qu'il est impossible d'obtenir des informations fiables sur l'empoisonnement nucléaire à partir de publications, y compris d'articles scientifiques, le principe de fonctionnement de ces installations est mieux perçu à l'aide d'exemples de documents de brevet ouverts, bien que contenant un savoir-faire.
Ainsi, par exemple, le remarquable scientifique russe Koroteev Anatoly Sazonovich, l'auteur de l'invention selon le brevet [4], fournit une solution technique pour la composition des équipements des systèmes modernes de propulsion nucléaire.
Ensuite, je cite une partie dudit document de brevet textuellement et sans commentaire.
L'essence de la solution technique proposée est illustrée par le schéma présenté sur le dessin. Un moteur nucléaire fonctionnant en mode énergie-énergie contient un système de propulsion de fusée électrique (ERP) (le diagramme montre, par exemple, deux moteurs-fusées électriques 1 et 2 avec les systèmes d'alimentation correspondants 3 et 4), une unité de réacteur 5, une turbine 6, un compresseur 7, un générateur 8, échangeur de chaleur-récupérateur 9, tube vortex Rank-Hilsh 10, refroidisseur-radiateur 11. De plus, la turbine 6, le compresseur 7 et le générateur 8 sont combinés en une seule unité - un turbogénérateur-compresseur. La NEDU est équipée de canalisations 12 de fluide de travail et de lignes électriques 13 reliant le générateur 8 et le système de propulsion électrique. L'échangeur-récupérateur de chaleur 9 a les entrées dites haute température 14 et basse température 15 du fluide de travail, ainsi que les sorties haute température 16 et basse température 17 du fluide de travail.
La sortie de l'unité de réacteur 5 est connectée à l'entrée de la turbine 6, la sortie de la turbine 6 est connectée à l'entrée haute température 14 de l'échangeur-récupérateur 9. La sortie basse température 15 de l'échangeur-récupérateur 9 est connectée à l'entrée du tube vortex Rank-Hilsch 10. Le tube vortex Rank-Hilsch 10 a deux sorties dont l'un (via le fluide de travail "chaud") est connecté au réfrigérateur-émetteur 11, et l'autre (par le fluide de travail "froid") est connecté à l'entrée du compresseur 7. La sortie du réfrigérateur-émetteur 11 est également connectée à l'entrée du compresseur 7. La sortie du comp le ressort 7 est relié à l'entrée basse température 15 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9. La sortie haute température 16 de l'échangeur-récupérateur 9 est reliée à l'entrée du réacteur 5. Ainsi, les principaux éléments du système nucléaire sont reliés entre eux par un seul circuit du fluide de travail.
YaEDU fonctionne comme suit. Le fluide de travail chauffé dans l'installation de réacteur 5 est dirigé vers la turbine 6, qui assure le fonctionnement du compresseur 7 et du générateur 8 du turbogénérateur-compresseur. Le générateur 8 génère de l'énergie électrique, qui est envoyée par les lignes électriques 13 aux moteurs-fusées électriques 1 et 2 et à leurs systèmes d'alimentation 3 et 4, assurant leur fonctionnement. Après avoir quitté la turbine 6, le fluide de travail est dirigé à travers une entrée à haute température 14 vers un échangeur-récupérateur de chaleur 9, où le fluide de travail est partiellement refroidi.
Puis, à partir de la sortie basse température 17 de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9, le fluide de travail est envoyé vers le tube vortex Rank-Hilsch 10, à l'intérieur duquel le flux du fluide de travail est divisé en composants "chauds" et "froids". La partie "chaude" du fluide de travail suit ensuite vers le réfrigérateur-émetteur 11, où il y a un refroidissement efficace de cette partie du fluide de travail. La partie "froide" du fluide de travail suit l'entrée du compresseur 7, la partie de refroidissement du fluide de travail sortant du réfrigérateur-émetteur 11 y suit également.
Le compresseur 7 délivre le fluide de travail refroidi à l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 par l'entrée basse température 15. Ce fluide de travail refroidi dans l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 fournit un refroidissement partiel du flux entrant du fluide de travail entrant dans l'échangeur-récupérateur 9 de la turbine 6 par l'entrée haute température 14. Ensuite, un fluide de travail partiellement chauffé (en raison de l'échange de chaleur avec un flux venant en sens inverse du fluide de travail de la turbine 6) de l'échangeur-récupérateur de chaleur 9 à travers la sortie à haute température 16 va à nouveau vers le réacteur Au réglage 5, le cycle se répète.
Ainsi, un seul fluide de travail situé en boucle fermée assure un fonctionnement continu du système nucléaire, et l'utilisation du tube vortex Rank-Hilsh dans le cadre du système nucléaire conformément à la solution technique revendiquée améliore les caractéristiques de masse et de taille du système nucléaire, améliore sa fiabilité, simplifie sa conception et permet d'augmenter l'efficacité de l'intoxication nucléaire en général.
Références:
1. Une
fusée que personne ne connaissait.2.
RD-0410.3.
Moteurs de fusées nucléaires.4.
RU 2522971