Cos'è un motore a razzo nucleare?
Il motore a razzo nucleare (NRE) è un tipo di razzo
Il tradizionale sistema di propulsione nucleare nel suo insieme lo èun progetto costituito da una camera di riscaldamento con un reattore nucleare come fonte di calore, un sistema di alimentazione del fluido di lavoro e un ugello. Il fluido di lavoro (solitamente idrogeno) viene fornito dal serbatoio al nocciolo del reattore, dove, passando attraverso canali riscaldati dalla reazione di decadimento nucleare, viene riscaldato ad alte temperature e quindi espulso attraverso l'ugello, creando una spinta a getto.
Esistono vari modelli di NRE:fase solida, fase liquida e fase gassosa - corrispondenti allo stato aggregato del combustibile nucleare nel nocciolo del reattore - gas solido, fuso o ad alta temperatura (o anche plasma).
YARD NERVA
Motore a razzo nucleare a stato solido
Nei motori a razzo a propellente nucleare in fase solida (SPNRD), la sostanza fissile ècome nei reattori nucleari convenzionali, è collocato in gruppi di barre (barre di combustibile) di forma complessa con una superficie sviluppata, che consente di riscaldare efficacemente il fluido di lavoro gassoso (solitamente idrogeno, meno spesso ammoniaca), che è anche un refrigerante che raffredda gli elementi strutturali e gli assemblaggi stessi.
Temperatura di riscaldamento limitata dalla temperaturafusione degli elementi strutturali (non più di 3000 K). L'impulso specifico di un motore a razzo nucleare in fase solida, secondo le stime moderne, sarà di 850-900 s, che è più del doppio di quello dei motori a razzo chimici più avanzati.
I dimostratori a terra delle tecnologie TfNRD nel 20 ° secolo sono stati creati e testati con successo presso gli stand (programma NERVA negli Stati Uniti, RD-0410 in URSS).
TFYARD
Motore a razzo nucleare in fase gassosa
Motore a reazione nucleare in fase gassosa (GNRE) -un tipo concettuale di motore a reazione in cui la forza reattiva viene creata dal rilascio di un refrigerante (fluido di lavoro) da un reattore nucleare, in cui il combustibile è in forma gassosa o plasma. Si ritiene che in tali motori l'impulso specifico sarà di 30-50 mila m/s.
Il trasferimento di calore dal carburante al refrigerante è ottenuto principalmente a causa della radiazione, principalmente nella regione ultravioletta dello spettro (a temperature del carburante di circa 25.000 ° C).
Motore a impulsi nucleari
Cariche atomiche con una potenza di circa un kiloton perDurante il decollo, dovrebbero esplodere al ritmo di una carica al secondo. L'onda d'urto - una nuvola di plasma in espansione - avrebbe dovuto essere ricevuta da uno "spintore" - un potente disco metallico con un rivestimento termoprotettivo e quindi, riflessa da esso, creare una spinta a getto.
L'impulso ricevuto dal piatto di spinta attraversogli elementi strutturali devono essere trasferiti alla nave. Quindi, all'aumentare dell'altitudine e della velocità, la frequenza delle esplosioni può essere ridotta. Durante il decollo, il veicolo spaziale deve volare rigorosamente in verticale per ridurre al minimo l'area di contaminazione radioattiva dell'atmosfera.
Negli Stati Uniti, lo sviluppo spaziale utilizzando motori a razzo nucleare pulsato è stato effettuato dal 1958 al 1965 come parte del progetto Orion dalla General Atomics per ordine della US Air Force.
Per il progetto Orion, non sono stati effettuati solo calcoli,ma anche prove su vasta scala. Prove di volo di modelli di aeromobili a impulso (per le esplosioni sono stati utilizzati esplosivi chimici convenzionali).
Navicella spaziale del progetto Orion, disegno dell'artista
Sono stati ottenuti risultati positivi circala possibilità fondamentale di volo controllato di un dispositivo con un motore a impulsi. Inoltre, per studiare la resistenza della piastra di trazione, sono stati effettuati test sull'atollo di Enewetak.
Durante i test nucleari su questo atollosfere di acciaio rivestite di grafite sono state poste a 9 m dall'epicentro dell'esplosione. Le sfere sono state trovate intatte dopo l'esplosione; un sottile strato di grafite è evaporato (ablato) dalle loro superfici.
In URSS è stato sviluppato un progetto simile1950-1970. Il dispositivo conteneva ulteriori motori a reazione chimici che lo spingevano a 30-40 km dalla superficie terrestre. Quindi avrebbe dovuto accendere il principale motore a impulsi nucleari.
La durabilità era la preoccupazione principaleuno schermo di spinta che non poteva sopportare gli enormi carichi di calore delle esplosioni nucleari nelle vicinanze. Allo stesso tempo, sono state proposte diverse soluzioni tecniche che consentono lo sviluppo di un design del piatto di spinta con una risorsa sufficiente. Il progetto non è stato completato. Non sono stati effettuati test reali di NMR pulsato con detonazione di dispositivi nucleari.
Sistema di propulsione elettrica nucleare
Un sistema di propulsione elettrica nucleare (NPP) viene utilizzato per generare elettricità, che, a sua volta, viene utilizzata per alimentare un motore a razzo elettrico.
Un programma simile negli Stati Uniti (il progetto NERVA) è statochiuso nel 1971, ma nel 2020 gli americani sono tornati su questo argomento, ordinando lo sviluppo di una propulsione termica nucleare (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) da Gryphon Technologies per i predoni spaziali militari su motori nucleari per pattugliare lo spazio lunare e vicino alla Terra. dal 2015 lavora al progetto Kilopower.
Dal 2010, i lavori sul progetto sono iniziati in Russiasistema di propulsione elettrica nucleare di classe megawatt per sistemi di trasporto spaziale (rimorchiatore spaziale "Nuclon"). Il layout è in fase di sviluppo per il 2021; entro il 2025, si prevede di creare prototipi di questa centrale nucleare; viene annunciata la data prevista per i test di volo di un trattore spaziale con una centrale nucleare - 2030.
potere
Secondo A.V. Bagrov, M.A. Smirnov e S.A.Smirnov, un motore a razzo nucleare può arrivare su Plutone in 2 mesi e tornare indietro in 4 mesi con un costo di 75 tonnellate di carburante, su Alpha Centauri in 12 anni e su Epsilon Eridani in 24,8 anni.
Un motore nucleare è pericoloso?
Il principale svantaggio è l'elevato rischio di radiazioni del sistema di propulsione:
- flussi di radiazioni penetranti (radiazioni gamma, neutroni) nelle reazioni nucleari;
- riporto di composti di uranio altamente radioattivi e sue leghe;
- il deflusso di gas radioattivi con un fluido di lavoro.
L'uso della scoperta di scienziati russi nel settore civile è strettamente correlato alla sicurezza di una centrale nucleare. Era necessario garantire la sicurezza del suo scarico.
La protezione di un piccolo motore nucleare è minore,quanto più è grande, tanto più i neutroni penetreranno nella “camera di combustione”, rendendo con una certa probabilità radioattivo tutto ciò che lo circonda.
L'azoto e l'ossigeno hanno isotopi radioattivi con una breve emivita e non sono pericolosi. Il carbonio radioattivo è una cosa di lunga durata. Ma ci sono anche buone notizie.
Il carbonio radioattivo è generato nell'alta atmosfera dai raggi cosmici. Ma soprattutto, la concentrazione di anidride carbonica nell'aria secca è solo dello 0,02 ÷ 0,04%.
Considerando che la percentuale di carbonio diventaradioattivo, il valore è ancora inferiore di diversi ordini di grandezza, preliminare si può presumere che lo scarico dei motori nucleari non sia più pericoloso dello scarico di una centrale elettrica a carbone.
Utilizzeranno un motore nucleare per gli ultimi voli spaziali?
Sì, all'inizio di febbraio si è saputo che la NASAtesterà l'ultimo motore nucleare per i voli su Marte. Si prevede che con il suo aiuto sarà possibile raggiungere il Pianeta Rosso in soli tre mesi.
Negli ultimi anni, scienziati e ingegneri della NASA e di altre agenzie spaziali di tutto il mondo hanno discusso attivamente i piani per costruire basi abitabili permanenti sulla superficie della Luna e di Marte.
- Quali sono i suoi vantaggi?
La chiave principale per garantire la loro autonomia ePer ridurre i costi di costruzione, gli esperti della NASA considerano tecnologie di stampa tridimensionale che consentono di utilizzare l'acqua e le risorse locali - suolo, rocce e gas dall'atmosfera - per costruire edifici di base in loco.
Stampanti simili come dimostrano le esperienze a bordoLa ISS e sulla Terra consentono di stampare quasi tutto il necessario per la vita dei coloni su Marte, ad eccezione di uno, il componente più importante della base: una fonte di alimentazione, la cui potenza sarebbe sufficiente per alimentare la stampante 3D stessa , oltre ad alimentare e riscaldare l'intera base.
Nell'ambito dei preparativi della NASA per l'atterraggio su Marte nel 2035, la società americana Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) di Seattle ha proposto la sua soluzione: un motore termico nucleare (NTP)
- Come sarà il motore nucleare?
L’USNT offre una soluzione classica: il nuclearemotore che utilizza idrogeno liquefatto come fluido di lavoro: un reattore nucleare produce calore dal combustibile uranio, questa energia riscalda l'idrogeno liquido che passa attraverso i liquidi refrigeranti, che si espande in un gas e viene espulso attraverso l'ugello del motore, creando spinta.
Uno dei problemi principali durante la creazione di questo tipomotori: trova carburante all'uranio in grado di resistere a improvvisi sbalzi di temperatura all'interno del motore. L'USNT afferma di aver risolto questo problema sviluppando un carburante che può funzionare a temperature fino a 2.400 gradi Celsius.
Il gruppo del carburante contiene carburo di silicio:Questo materiale, utilizzato nello strato del rivestimento isotropo tristrutturale, forma una barriera a tenuta di gas che impedisce la fuoriuscita di prodotti radioattivi dal reattore nucleare, proteggendo gli astronauti.
- sicurezza
Inoltre, per proteggere l'equipaggio e nel casoIn situazioni impreviste, il motore nucleare non verrà utilizzato durante il lancio dalla Terra: inizierà a funzionare già in orbita per ridurre al minimo i possibili danni in caso di incidente o funzionamento anormale.
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