Seringkali, dalam publikasi pendidikan umum tentang astronotika, perbedaan antara mesin roket nuklir (NRE) dan sistem propulsi listrik roket nuklir (YEDU) tidak dibedakan. Namun, singkatan ini menyembunyikan tidak hanya perbedaan dalam prinsip-prinsip konversi energi nuklir menjadi kekuatan penggerak roket, tetapi juga sejarah yang sangat dramatis dari perkembangan astronotika.
Sifat dramatis sejarah adalah bahwa jika penelitian tentang racun dan keracunan nuklir dihentikan baik di Uni Soviet maupun di AS, dihentikan terutama karena alasan ekonomi, maka penerbangan manusia ke Mars sejak lama akan menjadi hal biasa.
Semuanya dimulai dengan pesawat udara yang disedot secara alami
Desainer di Amerika Serikat dan Uni Soviet menganggap "bernapas" instalasi nuklir yang bisa menarik udara luar dan memanaskannya ke suhu kolosal. Mungkin, prinsip pembentukan dorong ini dipinjam dari mesin ramjet, tetapi alih-alih bahan bakar roket, energi fisi uranium dioksida 235 digunakan.
Di AS, mesin seperti itu dikembangkan sebagai bagian dari proyek Pluto [1]. Orang Amerika berhasil membuat dua prototipe mesin baru - Tory-IIA dan Tory-IIC, di mana reaktor bahkan dihidupkan. Kekuatan instalasi adalah 600 megawatt.
Mesin yang dikembangkan di bawah proyek Pluto itu rencananya akan dipasang pada rudal jelajah, yang pada 1950-an diciptakan dengan sebutan SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, supersonic low altitude missile).
Di Amerika Serikat, mereka berencana membangun roket sepanjang 26,8 meter, berdiameter tiga meter, dan berat 28 ton. Hulu ledak nuklir, serta sistem propulsi nuklir, yang memiliki panjang 1,6 meter dan diameter 1,5 meter, seharusnya ditempatkan di badan rudal. Dengan latar belakang ukuran lain, instalasi tampak sangat ringkas, yang menjelaskan prinsip operasi aliran langsung.
Para pengembang percaya bahwa, berkat mesin nuklir, jangkauan penerbangan roket SLAM akan setidaknya 182 ribu kilometer.
Pada tahun 1964, Departemen Pertahanan AS menutup proyek tersebut. Alasan resmi adalah bahwa dalam penerbangan, rudal jelajah bertenaga nuklir mencemari segala sesuatu di sekitarnya. Namun faktanya, alasannya adalah biaya perawatan yang signifikan dari rudal semacam itu, terlebih lagi pada saat itu ilmu roket yang didasarkan pada mesin roket berbahan bakar cair berkembang pesat, pemeliharaannya jauh lebih murah.
Uni Soviet tetap setia pada gagasan untuk menciptakan mesin bertenaga nuklir aliran-langsung lebih lama dari AS, setelah menutup proyek hanya pada tahun 1985 [2]. Tetapi hasilnya jauh lebih signifikan. Jadi, mesin roket nuklir Soviet pertama dan satu-satunya dikembangkan di biro desain Himavtomatika, Voronezh. Ini adalah RD-0410 (Indeks GRAU - 11B91, juga dikenal sebagai "Irbit" dan "IR-100").
Reaktor neutron termal heterogen digunakan dalam RD-0410, zirkonium hidrida digunakan sebagai moderator, reflektor neutron terbuat dari berilium, bahan bakar nuklir adalah bahan yang didasarkan pada uranium dan tungsten karbida, dengan pengayaan 80% untuk 235 isotop.
Desainnya termasuk 37 rakitan bahan bakar yang dilapisi dengan isolasi termal yang memisahkannya dari moderator. Proyek tersebut menyatakan bahwa aliran hidrogen pada awalnya melewati reflektor dan moderator, mempertahankan suhu mereka pada tingkat ruangan, dan kemudian memasuki zona aktif, di mana ia mendinginkan rakitan bahan bakar, memanaskan hingga 3100 K. Pada dudukan, reflektor dan moderator didinginkan oleh aliran hidrogen terpisah.
Reaktor lulus serangkaian uji signifikan, tetapi tidak pernah diuji selama durasi penuh pekerjaan. Namun, di luar unit reaktor dikembangkan sepenuhnya.
Karakteristik teknis RD 0410Deadlift: 3,59 tf (35,2 kN)
Tenaga termal reaktor: 196 MW
Impuls dorongan khusus dalam ruang hampa: 910 kgf · s / kg (8927 m / s)
Jumlah Inklusi: 10
Sumber daya kerja: 1 jam
Komponen bahan bakar: hidrogen cair - cair, eksipien - heptana
Berat dengan proteksi radiasi: 2 ton
Dimensi mesin: tinggi 3,5 m, diameter 1,6 m.
Dimensi dan berat keseluruhan yang relatif kecil, suhu tinggi bahan bakar nuklir (3100 K) dengan sistem pendinginan yang efektif oleh aliran hidrogen membuktikan fakta bahwa RD0410 adalah prototipe roket bertenaga nuklir yang hampir ideal untuk rudal jelajah modern. Dan, mengingat teknologi modern untuk memproduksi bahan bakar nuklir yang berhenti sendiri, meningkatkan sumber daya dari satu jam menjadi beberapa jam adalah tugas yang sangat nyata.
Desain mesin roket nuklir
Mesin roket nuklir (NRE) adalah mesin jet di mana energi yang timbul dari reaksi fisi atau fusi memanaskan fluida kerja (paling sering, hidrogen atau amonia) [3].
Ada tiga jenis NRE berdasarkan jenis bahan bakar untuk reaktor:
- fase padat;
- fase cair;
- fase gas.
Yang paling lengkap adalah versi fase padat dari mesin. Gambar tersebut menunjukkan diagram NRE paling sederhana dengan reaktor bahan bakar nuklir padat. Fluida kerja terletak di tangki eksternal. Menggunakan pompa, itu dimasukkan ke dalam ruang mesin. Di dalam ruangan, fluida yang bekerja disemprot dengan bantuan nozel dan bersentuhan dengan bahan bakar nuklir yang menghasilkan panas. Saat dipanaskan, ia mengembang dan dengan kecepatan tinggi terbang keluar dari ruang melalui nozzle.
Dalam NRE fase gas, bahan bakar (misalnya, uranium) dan fluida kerja berada dalam kondisi gas (dalam bentuk plasma) dan ditahan di area kerja oleh medan elektromagnetik. Dipanaskan hingga puluhan ribu derajat, plasma uranium mentransfer panas ke fluida yang berfungsi (misalnya, hidrogen), yang, pada gilirannya, dipanaskan hingga suhu tinggi dan membentuk aliran jet.
Menurut jenis reaksi nuklir, mesin roket radioisotop, mesin roket termonuklir, dan mesin nuklir yang tepat digunakan (energi fisi nuklir digunakan).
Opsi yang menarik juga merupakan NRE berdenyut - diusulkan untuk menggunakan muatan nuklir sebagai sumber energi (bahan bakar). Instalasi semacam itu bisa dari tipe internal atau eksternal.
Keuntungan utama NRE adalah:- impuls spesifik tinggi;
- cadangan energi yang signifikan;
- sistem propulsi kompak;
- kemungkinan mendapatkan traksi yang sangat tinggi - puluhan, ratusan dan ribuan ton dalam ruang hampa.
Kerugian utama adalah bahaya radiasi yang tinggi dari sistem propulsi:- penetrasi fluks radiasi (radiasi gamma, neutron) selama reaksi nuklir;
- menghilangkan senyawa uranium dan paduannya yang sangat radioaktif;
- berakhirnya gas radioaktif dengan fluida kerja.
Pembangkit listrik tenaga nuklir
Menimbang bahwa tidak mungkin untuk memperoleh informasi yang dapat dipercaya tentang keracunan nuklir dari publikasi, termasuk dari artikel ilmiah, prinsip pengoperasian fasilitas tersebut paling baik dilihat dengan menggunakan contoh bahan paten terbuka, meskipun mengandung pengetahuan.
Jadi, misalnya, ilmuwan Rusia terkemuka Koroteev Anatoly Sazonovich, penulis penemuan ini sesuai dengan paten [4], memberikan solusi teknis untuk komposisi peralatan untuk sistem propulsi nuklir modern.
Selanjutnya, saya mengutip bagian dari dokumen paten tersebut kata demi kata dan tanpa komentar.
Inti dari solusi teknis yang diusulkan diilustrasikan oleh skema yang ditunjukkan dalam gambar. Mesin tenaga nuklir yang beroperasi dalam mode energi-energi mengandung sistem propulsi roket listrik (ERP) (diagram menunjukkan, misalnya, dua mesin roket listrik 1 dan 2 dengan sistem umpan 3 dan 4 yang sesuai), unit reaktor 5, turbin 6, kompresor 7, generator 8, heat exchanger-recuperator 9, Rank-Hilsh vortex tube 10, cooler-radiator 11. Selain itu, turbin 6, kompresor 7 dan generator 8 digabungkan menjadi satu unit tunggal - turbogenerator-kompresor. NEDU dilengkapi dengan saluran pipa 12 dari fluida kerja dan saluran listrik 13 yang menghubungkan generator 8 dan sistem propulsi listrik. Recuperator penukar panas 9 memiliki apa yang disebut suhu tinggi 14 dan suhu rendah 15 input fluida kerja, serta suhu tinggi 16 dan suhu rendah 17 output fluida kerja.
Keluaran unit reaktor 5 dihubungkan ke input turbin 6, output turbin 6 dihubungkan ke input suhu tinggi 14 dari penukar panas-recuperator 9. Output suhu-rendah 15 dari penukar panas-recuperator 9 terhubung ke pintu masuk ke tabung vortex Rank-Hilsch 10. Output-Rank-Hilsch memiliki dua tabung output salah satunya (melalui fluida kerja "panas") dihubungkan ke kulkas-emitor 11, dan yang lainnya (oleh fluida kerja "dingin") terhubung ke input kompresor 7. Output dari emitor-kulkas 11 juga dihubungkan ke input ke kompresor 7. Output komp pegas 7 dihubungkan ke inlet 15 suhu rendah ke recuperator penukar panas 9. Output suhu tinggi 16 dari recuperator penukar panas 9 dihubungkan ke inlet ke unit reaktor 5. Dengan demikian, elemen utama dari sistem tenaga nuklir saling terhubung oleh satu sirkuit fluida kerja.
YaEDU bekerja sebagai berikut. Fluida kerja yang dipanaskan dalam instalasi reaktor 5 diarahkan ke turbin 6, yang menyediakan operasi kompresor (7) dan generator (8) dari turbogenerator-kompresor. Generator 8 menghasilkan energi listrik, yang dikirim melalui saluran listrik 13 ke mesin roket listrik 1 dan 2 dan sistem pasokan mereka 3 dan 4, memastikan operasi mereka. Setelah keluar dari turbin 6, fluida kerja diarahkan melalui saluran masuk suhu tinggi (14) ke recuperator penukar panas (9), di mana fluida kerja didinginkan sebagian.
Kemudian, dari saluran keluar bersuhu rendah 17 dari recuperator penukar panas 9, fluida kerja dikirim ke tabung vortex Rank-Hilsch 10, di dalamnya aliran fluida kerja dibagi menjadi komponen-komponen “panas” dan “dingin”. Bagian "panas" dari fluida kerja kemudian mengikuti ke emitor-kulkas (11), di mana ada pendinginan efektif dari fluida kerja ini. Bagian "dingin" dari fluida kerja mengikuti pintu masuk ke kompresor (7), bagian pendingin fluida kerja meninggalkan emitor-kulkas (11) juga mengikuti di sana.
Kompresor 7 mengirimkan fluida kerja yang didinginkan ke recuperator penukar panas 9 melalui saluran masuk suhu rendah 15. Cairan kerja yang didinginkan ini dalam recuperator penukar panas 9 menyediakan pendinginan sebagian dari aliran fluida kerja yang masuk yang memasuki penukar panas-recuperator 9 dari turbin 6 melalui inlet suhu 14. Selanjutnya, fluida kerja yang dipanaskan sebagian (karena pertukaran panas dengan aliran fluida kerja yang berasal dari turbin 6) dari recuperator penukar panas 9 melalui outlet suhu tinggi 16 lagi menuju ke reaktor Dalam pengaturan 5, siklus berulang lagi.
Dengan demikian, fluida kerja tunggal yang terletak di loop tertutup memastikan operasi terus menerus dari sistem tenaga nuklir, dan penggunaan tabung vortex Rank-Hilsh sebagai bagian dari sistem tenaga nuklir sesuai dengan solusi teknis yang diklaim meningkatkan karakteristik massa dan ukuran sistem tenaga nuklir, meningkatkan keandalannya, menyederhanakan desainnya dan memungkinkan untuk meningkatkan efektivitas keracunan nuklir secara umum.
Referensi:
1.
Roket yang tidak diketahui siapa pun.2.
RD-0410.3.
Mesin roket nuklir.4.
RU 2522971