Rachete nucleare: pentru a cuceri sistemul solar
** Reactor Kiwi (Kiwi A ') **
Testul a început conform planificării. Reactorul a fost activat și hidrogenul lichid - care a servit și ca agent de răcire și agent de răcire în același timp - a început să curgă prin miez. La contactarea tijelor de combustibil la 2000 ° C, hidrogenul s-a încălzit brusc. Gazul rezultat ar fi expulzat printr-o duză situată în partea superioară a dispozitivului.
Testarea unui motor nuclear termic în timpul programului NERVA
Cu toate acestea, la doar un minut după atingerea puterii maxime, tijele de combustibil ale reactorului au început să se fractureze. Bucăți de material fisibil - dioxid de uraniu - și izotopi radioactivi generați în timpul fisiunii au fost expulzați în atmosferă prin duză. Testul a fost imediat anulat.
Proiect de navă nucleară sovietică pentru o călătorie pe Marte
Niciunul dintre cei prezenți nu ar putea suspecta atunci că incidentul reactorului Kiwi B1B ar sfârși prin a marca un punct de cotitură în popularitatea acestui sistem de propulsie. La acea vreme, motoarele nucleare termice au promis că vor face o călătorie pilotată pe Marte o realitate la începutul anilor 1980. O jumătate de secol mai târziu, suntem încă prinși pe orbită mică. Povestea motorului nuclear este povestea viselor frustrate de explorare spațială.
Propulsia nucleară în spațiu
Punerea unui obiect pe orbită necesită multă energie. Fântâna gravitațională a planetei noastre este foarte profundă și este dificil să atingem viteza orbitală de 8 km/s. De la începutul erei spațiale, propulsia chimică a fost utilizată în toate lansatoarele și în marea majoritate a navelor spațiale create de om. Nu este o opțiune proastă pentru a ajunge pe orbita Pământului, dar dacă vrem să călătorim dincolo de Lună este clar că avem nevoie de ceva mai bun. Alături de alte alternative, propulsia nucleară este una dintre marile speranțe ale explorării echipate a sistemului solar. Confruntată cu limitările motoarelor chimice tradiționale, energia nucleară promite să obțină impulsuri ridicate și impulsuri specifice, necesare pentru a face o călătorie pe Marte o realitate.
** Versiunea navei spațiale marțiene pilotate cu propulsie nucleară electrică de la RKK Energía. Puteți vedea, de asemenea, scutul termic al aparatului descendent marțian și o navă Klíper pentru întoarcerea pe Pământ **
Există două modalități principale de valorificare a energiei nucleare în misiunile spațiale. Prima, mai simplă ca concept, este propulsia nucleară termică. Conform acestui sistem, căldura generată de un reactor de fisiune este utilizată pentru a încălzi un propulsor care acționează ca un fluid de reacție. Cealaltă este propulsia electrică nucleară, constând în utilizarea unui reactor nuclear pentru alimentarea unei serii de motoare electrice (ionice sau plasmatice). În acest post vom studia propulsia termică nucleară.
Motoare nucleare termice
Testarea unui motor principal al navetei spațiale (SSME), un motor chimic criogen
Al doilea parametru care influențează Isp este, de asemenea, ușor de asimilat. Cu cât masa moleculelor care scapă prin duză este mai mică, cu atât viteza acestora este mai mare, deoarece dacă avem două obiecte de masă diferită cu aceeași energie cinetică, cu atât cea mai ușoară va avea o viteză mai mare. În motoarele chimice, această masă este dictată de tipul de reacție pe care l-am ales. De exemplu, într-un motor criogen, evacuarea este alcătuită din molecule de apă (cu o masă de 18 amu-unitate de masă atomică - fiecare). Acesta este motivul pentru care în acest tip de motor putem obține un Isp mai mare dacă introducem mai mult hidrogen decât este necesar în camera de ardere. Deși temperatura camerei scade, aceasta este compensată de viteza mai mare pe care o capătă moleculele de hidrogen (cu o masă moleculară de doar 2 amu).
Bine, ce zici de un motor termic nuclear? În acest caz, nu suntem limitați de temperatură, deoarece putem ajunge teoretic la milioane de grade Celsius în interiorul unui reactor de fisiune. În realitate, problema este chiar opusă: trebuie să învățăm să controlăm aceste temperaturi ridicate fără a topi materialele care alcătuiesc structura motorului.
În ceea ce privește masa moleculară a evacuării, putem folosi aproape orice substanță ca agent de propulsie. Pur și simplu avem nevoie de el pentru a intra în contact direct cu reactorul, astfel încât să se încălzească și să fie aruncat din duză. În teorie am putea folosi apă, amoniac, înălbitor sau chiar o sifon cu gaze din supermarket, nu contează. Dar, după cum am văzut, idealul este să folosiți o substanță cu cea mai mică masă moleculară posibilă, astfel încât hidrogenul este uneori cel mai bun candidat pentru a servi drept propulsor într-un motor nuclear. Și spunem uneori pentru că, în momentul adevărului, acest lucru nu este atât de simplu. Pentru a menține hidrogenul în stare lichidă, trebuie să îl răciți până la -250º C, ceea ce este dificil, mai ales dacă vrem să-l folosim în spațiu profund. Mai mult, începând cu 2500 K, hidrogenul molecular începe să se disocieze în hidrogen atomic în cameră, scăzând Isp-ul final. Din aceste motive, există modele care utilizează alte substanțe, cum ar fi metanul sau amoniacul.
În orice caz, nu contează dacă folosim hidrogen, metan, apă sau amoniac. Atunci când facem cifre, avem în vedere că un motor termic nuclear poate atinge un Isp de până la 10.000 de secunde pe hârtie, în timp ce cel al unui motor chimic criogen este de aproximativ 450 de secunde. Prin urmare, se arată că, teoretic, propulsia termică nucleară este mai bună decât chimia. Următorul pas este să aflăm dacă este posibil să construim un astfel de motor cu tehnologia existentă.
Construirea unui motor nuclear termic
Motor termic nuclear NERVA
Hidrogenul lichid (sau, rețineți, orice alt fluid adecvat) trece prin reactor, se încălzește la temperaturi foarte ridicate și este expulzat cu viteză mare prin duză. Cea mai simplă opțiune este ca propulsorul să fie limitat pentru a înconjura miezul reactorului, deoarece am putea folosi diferite modele de reactoare comerciale în acest fel. Problema este că temperatura atinsă de acest sistem ar fi foarte scăzută și Isp nu ar depăși 500 de secunde. Deși poate părea ciudat, în Uniunea Sovietică aceste modele au fost studiate serios la sfârșitul anilor 1950. Paradoxal, în acel moment se credea că era mai ușor să construiești un motor nuclear de acest tip decât să dezvolți tehnologie criogenică. Este clar că, dacă dorim cu adevărat să profităm pe deplin de capacitățile acestui sistem de propulsie, trebuie să facem ca propulsorul să treacă prin miezul reactorului.
Reactorul ar avea deci o formă cilindrică și ar fi format din bare cu materialul fisibil plus moderatorul, toate cu găuri prin care ar curge hidrogenul, acționând în același timp ca un propulsor și un agent de răcire. Structura ar fi înconjurată de un material capabil să reflecte neutronii de fisiune, reducând astfel dimensiunea reactorului și putând controla criticitatea acestuia.
Ușor nu? Din păcate, această simplitate aparentă este înșelătoare. Există mai mulți factori care determină proiectarea reactorului unui motor nuclear. Primul, evident, este dimensiunea. Este clar că nu ar fi foarte practic să folosim un reactor care cântărește mii de tone într-o navă spațială, deoarece am pierde orice avantaj în Isp pe care ne-ar putea-l oferi propulsia nucleară. Mărimea unui reactor depinde de mai mulți factori, dar - simplificând mult - putem spune că este proporțional cu cantitatea de uraniu-235 care există în combustibil. Un reactor care utilizează 90% uraniu îmbogățit (adică 90% uraniu-235 și 10% uraniu-238) ar putea fi foarte mic și s-ar bucura de un raport mare greutate-forță. Apoi am avea o fisiune rapidă datorită neutronilor epitermali și practic nu am avea nevoie de un moderator. Combustibilul ar putea fi un amestec de dioxid de uraniu cu ceramică și material refractar (tungsten, de exemplu).
Problema este că uraniul îmbogățit la 90% „nu este ceva ce poți cumpăra de la farmacia din colț”, precis. Pe lângă costul foarte ridicat, există restricții serioase privind utilizarea acestui material pentru a preveni proliferarea armelor nucleare. Un reactor de plutoniu ar prezenta probleme de siguranță și economice și mai mari, așa că nu este pus în discuție. Prin urmare, trebuie să se ajungă la un compromis între gradul de îmbogățire a uraniului utilizat ca combustibil și cantitatea de moderator (de obicei grafit sau hidrură de zirconiu). În general, cu cât avem mai mult moderator, cu atât reactorul va fi mai mare și mai greu.
A doua limitare este temperatura. Da, am spus că temperatura nu este un factor limitativ la un motor nuclear, dar acest lucru este doar teoretic. Atunci când îl construim, trebuie să alegem materialele adecvate care pot rezista la temperatura unui reactor dacă dorim ca acesta să rămână în stare solidă. Ce materiale putem folosi? Să vedem următorul tabel:
Privind datele, este clar că un reactor nu poate fi compus din uraniu pur, deoarece temperatura sa de topire este de 1400 K, cu mult sub 3200 K care se realizează cu un motor criogen. Dacă vrem să depășim propulsia chimică, avem nevoie de temperaturi mai ridicate pentru a-i depăși performanța. În plus, un reactor cu uraniu pur este extrem de periculos, deoarece riscăm ca nucleul să se topească și să se acumuleze în partea de jos a acestuia fără moderator, putând ajunge cu ușurință la criticitate. Combustibilul obișnuit pentru obiectivul nostru este dioxidul de uraniu, care deține până la 3075 K în stare solidă și, de asemenea, nu reacționează chimic cu hidrogenul. De asemenea, este posibil să utilizați nitrură de uraniu, carbură de uraniu sau un amestec de uraniu cu hidrură de zirconiu, printre alte variante.
Ei bine, aproape că avem motorul pregătit, dar trebuie să alegem moderatorul potrivit. În acest moment avem două opțiuni: optați pentru un reactor de tip omogen, în care materialul fissil este amestecat cu moderatorul sau unul eterogen, în care tijele de combustibil și moderatorul sunt separate. Până în prezent, doar două națiuni au construit prototipuri de motoare nucleare operaționale: Statele Unite și Uniunea Sovietică. Cu toate acestea, fiecare superputere a ales un design diferit pentru reactoarele utilizate la motoarele cu rachetă. Să vedem care erau caracteristicile sale.
Design american (Kiwi B/NERVA)
Dar acest material - care este doar una dintre formele de carbon - reacționează puternic cu hidrogenul pentru a forma hidrocarburi, ceea ce provoacă uzura elementelor reactorului și fragmentarea lor consecventă. Ca urmare a acestei uzuri, materialul fisibil și izotopii radioactivi rezultați din fisiune pot fi expulzați către exterior, cu riscul consecvent. Tocmai acest fenomen pe care tehnicienii de testare Kiwi B1B și Kiwi B4A l-au văzut îngrozit la începutul anilor 1960.
Proiectarea elementelor unui reactor omogen Kiwi B/NERVA. Găurile pentru curgerea hidrogenului sunt vizibile
Evident, dezintegrarea miezului reactorului este un eșec critic. Soluția constă în acoperirea grafitului cu un material inert la hidrogen și care nu modifică semnificativ caracteristicile fisiunii. Compușii aleși pentru această sarcină sunt de obicei carbură de niobiu sau carbură de zirconiu.
Secțiunea unui reactor Kiwi B/NERVA
Cu toate acestea, acesta este un concept foarte dificil de pus în practică și a fost, de fapt, una dintre cele mai mari probleme cu care s-au confruntat inginerii americani în programele Rover și NERVA, deoarece niobiul și acoperirile NERVA zirconiu din elementele reactorului au avut o tendință neplăcută de fragmentare, expunând matricea de grafit cu combustibilul din interior.
Miezul reactorului „Cuptor nuclear”
Pentru a lăsa hidrogenul să treacă, tijele trebuiau să conțină mai multe găuri. Alegerea formei și dimensiunii liniilor de hidrogen s-a dovedit a fi o sarcină extrem de complexă (dinamica fluidelor nu este ușoară), dar este suficient să spunem că, din punct de vedere al eficienței motorului, este de preferat să aveți multe găuri înguste decât să aveți o câțiva diametri mari.