Газофазный ЯРД

Основные исследования по двигателям и энергоустановкам с газофазными ядерными реакторами (ГФЯР) были направлены на отработку схемы, в которой высокотемпературная урановая плазма непосредственно контактирует с нагреваемым рабочим телом, а гидродинамические процессы стабилизируются с помощью внешнего магнитного поля. Удельный импульс газофазных ЯРД, по расчетам, может достигать 20000 м/с (более 2000 с).

Большой объем проведенных в этом направлении исследовательских работ, в том числе конструкторская проработка проектов газофазных ЯРД и энергоустановок (НИИТП, КБ «Энергомаш» и др.), позволили выявить как большие перспективы такой схемы, так и значительные трудности, связанные с ее реализацией.

Теоретические исследования по ГФЯР выполнялись с 1957 г. под руководством член-корреспондента АН СССР В.М.Иевлева в НИИ тепловых процессов. Решение о разработке двигателей и энергоустановок на основе ГФЯР было принято в 1963 г. руководителем ОКБ-456 (ныне НПО «Энергомаш») академиком В.П.Глушко, а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР. К этому времени научный коллектив предприятия имел шестилетний опыт проектно-конструкторской и технологической разработки ЯРД с твердофазным реактором. На решение столь сложной и требующей колоссальных финансовых затрат научно-технической проблемы, какой является создание ГФЯР, в то время посягнули только две страны – СССР и США.

Предполагалось, что основным элементом конструкции ГФЯР будет одна или несколько рабочих камер, окруженных замедлителем – отражателем нейтронов. Ядерное горючее должно удерживаться изолированно от стенок камер в плазменном состоянии в количестве, необходимом для самоподдерживающейся цепной реакции.

Поток рабочего тела течет в промежутке между зоной делящейся плазмы и стенка ми. Его нагрев обеспечен лучистым теплопереносом, при этом его средняя температура на выходе из рабочей камеры достигает значений порядка 104 К. Рабочее тело поглощает лучистую энергию, обеспечивая одновременно и теплозащиту стенок.

Основная проблема при разработке газофазного реактора – снижение потерь делящегося вещества, которые не должны превышать долей процента от расхода рабочего тела. Ламинеаризация потока поступающего рабочего тела, профилирование поля его начальных скоростей, наложение внешнего магнитного поля, специальный подбор состава рабочих компонентов и выбор геометрии полости должны были обеспечить приемлемый уровень выноса ядерного горючего из камеры. Вынос компенсировался подачей горючего в рабочую камеру либо в жидкометаллическом виде (1500 К), либо путем введения пастообразной смеси его порошка с NaK-эвтектикой (расплавом, находящимся в равновесии с твердыми фазами).

Космические ЯЭДУ проектировались по открытой и замкнутой схемам. Первая включала однополостной реактор с кольцевым выходным каналом и газофазным твэлом (ГФТЭ) с застойной плазменной зоной ядерного горючего, стабилизированной мощным внешним соленоидом. Применение ЯРД такой схемы по экологическим соображениям возможно лишь на КА, но не на носителях, стартующих с Земли.

В установках замкнутой схемы энергия преобразуется магнитогидродинамическим (МГД) генератором, а все рабочие компоненты циркулируют по контуру, не имеющему связи с внешней средой. В этом случае получаем ЯЭДУ с весьма высоким КПД (30…40%), низкие значения удельной массы преобразователя и удельного расхода рабочего тела.

Крупным достижением отечественных специалистов, вобравшим в себя весь предшествующий опыт, можно считать концептуальную разработку ЯДЭУ для марсианской экспедиции на базе комбинированного однополостного газофазно-твердофазного реактора трансформируемой конструкции. Твердофазные тепловыделяющие сборки (ТВС), размещенные по кольцу вокруг центральной полости реактора и снабженные приводными механизмами, обеспечивают необходимый уровень нейтронного потока и критичность при запуске, когда ядерное горючее в полости газофазного твэла отсутствует. По мере подачи и накопления горючего в центральной полости, т.е. образования плазменной зоны и формирования газофазного твэла, ТВС из активной зоны извлекаются, а реактор превращается в ГФЯР.

Трансформируемая конструкция позволяет ЯДЭУ работать в двух режимах:

• двигательном (газофазном) тягой 17 тс при удельном импульсе 2000 с – на разгонных и тормозных участках траектории;

• энергетическом (твердофазном) с электрической мощностью 200 кВт для обеспечения внутренних нужд КА без расхода рабочего тела. Режим обеспечивается замкнутым газотурбинным контуром (рабочее тело – гелий-ксеноновая смесь), преобразованием тепловой энергии в электрическую (КПД – 20%) и сбросом избыточного тепла через холодильник-излучатель (цикл Брайтона).

На двигательном режиме работы электроснабжение обеспечивает встроенный в сопло многополюсный МГД-генератор мощностью 25 МВт с электродами и шинами возбуждения, ориентированными по образующим сопла.

Минимизацию массогабаритных характеристик ГФЯР обеспечивает:

• применение в качестве ядерного горючего урана-233;

• максимально возможное использование в замедлителе-отражателе реактора металлического, в т.ч. крупнокристаллического, бериллия, а в остальной части – графита;

• максимально возможное использование для высокотемпературных элементов конструкции рабочей камеры тугоплавких металлов улучшенного изотопного состава, а для силовых корпусов реактора – высокопрочных титановых сплавов и упрочняющих углекомпозитов;

• применение для сильноточных систем магнитной стабилизации, возбуждения МГД-генератора и электропривода насосов сверхпроводящего алюминия (чистотой 0.9999), допускающего (при охлаждении жидким водородом) плотность тока 50...100 А/мм2 при удельном сопротивлении в десятки раз ниже, чем у меди.

Экстремальные температурные режимы работы элементов конструкции ГФЯР и крайне агрессивная среда (расплавленный уран, водород высокого давления, щелочные металлы) потребовали проведения глубоких материаловедческо-технологических проработок. В результате были разработаны и внедрены в экспериментальное производство тугоплавкие сплавы на основе тантала-вольфрама-гафния, а также ниобия для системы подачи горючего, пористые тугоплавкие материалы на основе вольфрама и молибдена для некоторых участков стенок рабочей камеры, а никеля и нихрома – для высокотемпературных фильтров.

Конкуренцию газофазным ЯРД открытой схемы составляли электроракетные двигатели (ЭРД) с ядерными источниками энергии, для которых была выполнена концептуальная проработка ЯЭДУ замкнутой схемы массой 125 т и электрической мощностью 150 МВт с 19-твэльным струйным реактором без магнитной стабилизации, фарадеевским коаксиально-вихревым МГД-генератором со сверхпроводящей системой возбуждения и холодильной машиной с излучателем, с контуром циркуляции с сепарацией ядерного горючего от рабочего тела (гелий с добавкой NaK). Установка имела весьма хороший показатель удельной массы (0.83 кг/кВт); при этом масса реактора составила 35% от массы установки, МГД-генератора – 17%, систем теплосброса – 35%.

Конструктивная схема энергоблока:

1 – электроприводы; 2 – ходовые винты; 3 – подвижные твердофазные тепловыделяющие сборки; 4 – радиационная защита; 5 – коаксиальные катушки; 6 – полость реактора; 7 – силовой корпус; 8 – соленоид; 9 – упрочняющая намотка из углепластика; 10 – теплоизоляция соленоида; 11 – боковой замедлитель–отражатель; 12 – высокотемпературная молибденовая стенка; 13 – встроенный МГД-генератор; 14 – сверхзвуковое сопло; 15 – передний торцевой блок; 16 – твэлы (стержни из графита с диспергированным карбидом урана); 17 – задний торцевой блок; 18 – каналы, заполненные ³Не (исполнительные органы системы регулирования реактора); 19 – электроды фарадеевского многополюсного МГД-генератора

Плазменные ЭРД, запитываемые от подобной энергоустановки, при удельном импульсе 5000 с могли развивать тягу примерно 450 кгс. Марсианский экспедиционный комплекс (МЭК) с такой двигательной установкой имел бы тяговооруженность порядка 10^-3, что во много раз превосходит значение этого параметра для ЯЭДУ, использующих твердофазные твэлы.

В период 1963–1973 гг. работы по проблеме ГФЯР и двигательно-энергетических установок на его основе в НПО «Энергомаш» вел отдел под руководством Р.А. Глиника численностью около 90 человек. В 1975 г. предполагалось выполнить демонстрационные реакторные испытания, однако в 1974 г. началась разработка мощного ЖРД РД-170/171 для системы «Энергия-Буран», в связи с чем исследования по ГФЯР были приостановлены, а коллектив отдела сокращен до 30 человек. В течение последующих лет шли лишь «бумажные» работы, а в конце 1989 г. финансирование практически полностью прекратилось.

В США также не удалось довести дело до минимальных демонстрационных испытаний.

Создание высокотемпературного ГФЯР и ЯЭДУ на его основе требует очень крупных инвестиций. Использование такого рода сложных и дорогих систем будет востребовано лишь тогда, когда на повестку дня встанет вопрос об индустриализации космоса с интенсивными транспортными потоками при большом наборе характеристических скоростей (например, многократные межорбитальные перемещения Земля–Луна, Земля–Марс и т.п.).

Кроме основных схем ЯРД – твердо- и газофазных, в 60–80-е годы широко исследовались и другие: с центробежным удержанием топлива (удельный импульс до 11000 м/с), твердофазные на стабильных компонентах топлива и с рабочим телом на основе гидрида лития, газофазные с шестифтористым ураном и др. По каждому из направлений получены ценные материалы, имеющие не только прикладное, но и фундаментальное теоретические и практическое значение. Начатое в середине 70-х годов изучение установок с циркулирующим топливом на основе шестифтористого урана привело к разработке предложений по использованию такой схемы в энергодвигательном комплексе марсианской экспедиции.

В области создания ЭРД и ЯЭДУ основные направления исследований – после начальной фазы поисковых работ – были сосредоточены на разработке установок с турбомашинным и непосредственным (термоэлетрическим и термоэмиссионным) преобразованием ядерной энергии в электрическую.

В течение всего периода разработки объектов космической ядерной энергетики большое внимание уделялось исследованиям вопросов обеспечения радиационной и ядерной безопасности (защита экипажа корабля, обслуживающего персонала, населения земного шара на всех этапах испытаний и эксплуатации).

К концу 60-х годов была выбрана общая концепция пилотируемой марсианской экспедиции и схема ее организации, требования к энергетике и ПГ, к характеристикам траекторного, взлетно-посадочного и десантного комплексов. Было показано, что штатный вариант разрабатывавшегося в то время носителя Н-1 обеспечивает реализацию пролетной (без высадки на поверхность) экспедиции к Марсу на корабле с кислородно-водородными ЖРД при пуске пяти-шести носителей и, соответственно, при четырех-пяти орбитальных стыковках элементов МЭК. Энергообеспечение экспедиции в таком полете предполагалось с помощью солнечных батарей.

Существовал также вариант решения задачи с использованием ЯЭУ термоэмиссионного типа и ЭРД малой тяги (проект НПО «Энергия»), позволяющий осуществить не только облетную, но и облетно-посадочную экспедицию. Правда, с учетом высокого требуемого уровня надежности экспедиции (необходимость подготовки и одновременного пуска двух кораблей), характеристики Н-1 представлялись для такой задачи уже недостаточными.

Еще один проект, с использованием ЯРД на основе твердофазного реактора, был разработан в те же годы в НПО машиностроения на базе перспективного варианта носителя УР-700. Были детально проработаны все специфические аспекты экспедиции, что позволяло (технически) осуществить подготовку и реализацию программы в течение 10–15 лет.

По одной из наиболее перспективных разработок, выполненной совместно НИИ тепловых процессов и НПО «Энергомаш», марсианский экспедиционный комплекс с блоком из двух трансформируемых ЯЭДУ, описанных выше, при массе ПГ 150 т имел расчетную стартовую массу на околоземной орбите 520...540 т (в зависимости от даты старта). Для сравнения: в случае применения «твердофазного» ЯРД стартовая масса комплекса составляла бы 730…800 т, а с ЖРД – 1700…2500 т.

Тем не менее в 60–70 годы ни один из разрабатываемых марсианских проектов не получил развития по двум причинам: отсутствие в то время экспериментальных подтверждений возможности длительной (до двух лет) работы человека в космосе и неприемлемо высокие для одной страны затраты на реализацию программы.

В конце 1980-х – начале 1990-х годов интерес к пилотируемой экспедиции на Марс вспыхнул с новой силой. Надежды были связаны с приоритетными работами в России по реализации длительных космических полетов (до года, что позволяло с известной осторожностью экстраполировать результаты и на двухлетний период) и с появившейся возможностью создания многосторонней международной кооперации по типу той, что образована для разработки, создания и эксплуатации МКС.