Ядерные ракеты однажды смогут обеспечить более быстрые космические путешествия. Фото предоставлено: НАСА
НАСА планирует отправить пилотируемые миссии на Марс в течение следующего десятилетия, но путешествие длиной в 140 миллионов миль (225 миллионов километров) к Красной планете может занять от нескольких месяцев до нескольких лет туда и обратно.
Такая относительно большая продолжительность обусловлена использованием обычного химического ракетного топлива. Альтернативная технология ракетам с химическим двигателем, которую в настоящее время разрабатывает агентство, называется ядерной тепловой двигательной установкой, которая использует ядерное деление и однажды сможет привести в действие ракету, которая сможет совершить путешествие всего за половину времени.
Ядерное деление использует невероятное количество энергии, выделяющейся при расщеплении атома нейтроном. Эта реакция называется реакцией расщепления. Технология деления хорошо зарекомендовала себя в производстве электроэнергии и на атомных подводных лодках, и ее применение для питания или приведения в движение ракет однажды может дать НАСА более быструю и мощную альтернативу ракетам с химическим двигателем.
НАСА и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов совместно разрабатывают технологию NTP. Они планируют развернуть прототип системы в космосе и продемонстрировать ее возможности в 2027 году, что потенциально сделает ее одной из первых в своем роде, которая будет построена и будет эксплуатироваться США.
Ядерная тепловая двигательная установка однажды сможет также привести в действие маневренные космические платформы, которые будут защищать американские спутники на околоземной орбите и за ее пределами. Но технология все еще развивается.
Я доцент кафедры ядерной инженерии в Технологическом институте Джорджии, чья исследовательская группа создает модели и симуляции для улучшения и оптимизации конструкций ядерных тепловых двигательных установок. Моя надежда и страсть — помочь в разработке ядерного теплового двигателя, который позволит осуществить пилотируемый полет на Марс.
Ядерная и химическая двигательная установка
Традиционные химические двигательные установки используют химическую реакцию с участием легкого топлива, такого как водород, и окислителя. Когда эти два компонента смешиваются, они воспламеняются, в результате чего топливо очень быстро выходит из сопла и приводит в действие ракету.
Эти системы не требуют системы зажигания и поэтому надежны. Однако этим ракетам необходимо доставлять кислород в космос, что может создать для них дополнительную нагрузку. В отличие от химических двигательных установок, ядерные тепловые двигательные установки полагаются на реакции ядерного деления для нагрева топлива, которое затем выбрасывается из сопла для создания движущей силы или тяги.
Во многих реакциях деления исследователи направляют нейтрон в сторону более легкого изотопа урана, урана-235. Уран поглощает нейтрон и образуется уран-236. Затем уран-236 распадается на два фрагмента – продукты деления – и в ходе реакции выделяются различные частицы.
В настоящее время в мире работают более 400 ядерных реакторов, использующих технологию ядерного деления. Большинство из этих действующих ядерных реакторов являются легководными реакторами. Эти реакторы ядерного деления используют воду для замедления нейтронов, поглощения и передачи тепла. Вода может производить пар непосредственно в активной зоне или в парогенераторе, который приводит в движение турбину для выработки электроэнергии.
Ядерные тепловые двигательные установки работают аналогичным образом, но используют другое ядерное топливо, содержащее больше урана-235. Они также работают при значительно более высоких температурах, что делает их чрезвычайно мощными и компактными. Ядерные тепловые двигательные установки имеют удельную мощность примерно в десять раз выше, чем у обычного легководного реактора.
Ядерная тяга может иметь преимущество перед химической тягой по нескольким причинам.
Ядерный двигатель очень быстро выбрасывал бы топливо из сопла двигателя, создавая высокую тягу. Такая высокая тяга позволяет ракете ускоряться быстрее.
Эти системы также имеют высокий удельный импульс. Удельный импульс измеряет, насколько эффективно топливо используется для создания тяги. Ядерные тепловые двигательные установки имеют примерно в два раза больший удельный импульс, чем химические ракеты, а это означает, что они могут сократить время полета в два раза.
История ядерной тепловой энергии
На протяжении десятилетий правительство США финансировало разработку технологии ядерных тепловых двигателей. В период с 1955 по 1973 год в рамках программ НАСА, General Electric и Аргоннских национальных лабораторий было изготовлено и испытано на земле 20 ядерных тепловых маршевых двигателей.
Но в этих проектах, созданных до 1973 года, в качестве топлива использовался высокообогащенный уран. Это топливо больше не используется из-за риска его распространения или опасности, связанной с распространением ядерных материалов и технологий.
Инициатива по уменьшению глобальной угрозы, запущенная Министерством энергетики и Национальной администрацией по ядерной безопасности, направлена на перевод многих исследовательских реакторов, использующих высокообогащенное урановое топливо, на низкообогащенное урановое топливо HALEU с высоким содержанием пробы.
Усовершенствованное низкообогащенное урановое топливо содержит меньше материала, способного вступать в реакцию деления, по сравнению с высокообогащенным урановым топливом. Поэтому в ракеты приходится загружать больше топлива HALEU, что утяжеляет двигатель. Чтобы решить эту проблему, исследователи ищут специальные материалы, которые могли бы более эффективно использовать топливо в этих реакторах.
Программа НАСА и DARPA «Демонстрационная ракета для маневренных цилунарных операций» (DRACO) намерена использовать это высокоаналитическое низкообогащенное урановое топливо в своем ядерном тепловом двигательном двигателе. Программа планирует запустить свою ракету в 2027 году.
В рамках программы DRACO аэрокосмическая компания Lockheed Martin работала с BWX Technologies над разработкой конструкции реактора и топлива.
Ядерные тепловые двигатели, разрабатываемые этими группами, должны соответствовать определенным стандартам производительности и безопасности. Им нужно ядро, которое сможет работать на протяжении всей миссии и выполнять необходимые маневры для быстрого путешествия на Марс.
В идеале двигатель должен быть способен генерировать высокие удельные импульсы, отвечая при этом требованиям высокой тяги и малой массы двигателя.
Текущие исследования
Прежде чем инженеры смогут спроектировать двигатель, соответствующий всем этим стандартам, они должны начать с моделей и симуляций. Эти модели помогают исследователям, таким как члены моей группы, понять, как двигатель будет справляться с запуском и остановкой. Это процессы, требующие быстрых и масштабных изменений температуры и давления.
Ядерный тепловой двигатель будет отличаться от любой существующей энергетической системы деления, поэтому инженерам необходимо будет разработать программные инструменты, которые будут работать с этим новым двигателем.
Моя группа проектирует и анализирует ядерные тепловые реакторы с использованием моделей. Мы моделируем эти сложные реакторные системы, чтобы увидеть, как такие вещи, как изменения температуры, могут повлиять на реактор и безопасность ракеты. Но моделирование этих эффектов может потребовать много дорогостоящих вычислительных мощностей.
Мы работаем над разработкой новых вычислительных инструментов, которые моделируют поведение этих реакторов во время запуска и эксплуатации, не используя при этом столько вычислительной мощности.
Мои коллеги и я надеемся, что это исследование однажды поможет разработать модели, которые смогут управлять ракетой автономно.
Информация от: Разговором
