Ядерный реактивный двигатель принцип работы

Ядерный ракетный двигатель

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают жидкостными (нагрев жидкого рабочего тела в нагревательной камере от ядерного реактора и вывод газа через сопло) и импульсно-взрывными (ядерные взрывы малой мощности при равном промежутке времени).

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором, как источником тепла, системы подачи рабочего тела, и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) — подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД — твёрдофазный, жидкофазный и газофазный, соответственно агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма). ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (см. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования ведутся и в настоящее время [1] .

Деление урана

Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.

Результаты деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Жидкофазные и коллоидные ядерный ракетный двигатель [ | код ]

Работы по жидкофазным и коллоидным ЯРД не получили большого развития, так как эти ЯРД по своей эффективности сравнительно мало превосходят твердофазные, а по технической сложности сравнимы с газофазными (проблемы организации запуска, регулирования и выключения для жидкофазных и коллоидных ЯРД являются столь же сложными).

Газофазный ядерный ракетный двигатель [ править | править код ]

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30—50 тыс. м/с. Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счёт излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Обусловлено гонкой вооружения между СССР и США во время холодной войны.

Постановлением СМ СССР [6] 1960 г начато проектирование торпеды НИИ-24 (ныне — ОАО ГНПП «Регион»). Проект торпеды утвержден в 1963 г.

Советские ученые и конструкторы создают совершенно новый вид вооружения высокоскоростные кавитирующие подводные ракеты.

Использование новых технологий при создании высокоскоростной подводной ракеты стали возможны благодаря фундаментальным исследованиям отечественных ученых в области:

• движения тел при развитой кавитации;

• взаимодействия каверны и реактивных струй разного типа;

• устойчивости движения при кавитации.

Кавитация (от лат. cavita — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает.

Исследования по кавитации в Советском Союзе ведутся в отделение гидродинамики ЦАГИ [7] . Научным руководителем работ данного исследования был Логвинович Георгий Владимирович. Итогом исследования стала возможность производства подобных высокоскоростных подводных ракет.

После серии модификаций, по истечении 13 лет в ноябре 1976 г. Постановлением Совмина СССР комплекс ВА-111 «Шквал» с реактивной торпедой М-5 был принят на вооружение ВМФ СССР.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты. В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232). Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Цепная реакция

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо. ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Боевое применение

На вооружении России сегодня стоят 75 баллистических ракетных комплексов «Сатана». Ракеты заключают в себе 750 ядерных боезарядов. Всего ядерный щит РФ насчитывает больше чем 1670 боевых зарядов и половина из них – это «Сатана». Но с 2015 года часть ракет этой модификации постепенно заменяется более современными боевыми ракетными комплексами.

Боевое применение «Сатаны» не осуществлялось ни разу из-за того, что это очень мощное смертоносное оружие может нанести непоправимый ущерб экологии и человечеству в целом. Применение даже одной ракеты может привести к исчезновению, например, целого штата на территории США. В середине 80-х гг. производилась массовая замена Р-36М на усовершенствованные установки.

Вместо утилизации из-за ее дороговизны, было принято решение об их использовании для запуска искусственных спутников.

Р-36М недоступна электромагнитным импульсам, так как СУ «Воеводы» продублированы пневматическими и электронными автоматами. Для преодоления противоракетной обороны неприятеля «Сатану» оснастили ложными целями, как легкими, так и квазитяжелыми, дипольными отражателями и генераторами активных помех.

Благодаря усилиям советских ученых и конструкторов, работавших над созданием баллистического ракетного комплекса «Сатана» или «Воевода», было создано уникальнейшее и сильнейшее оружие на планете. Эти межконтинентальные ракеты являются гордостью Российских РВСН и в наше время.

Несмотря на огромные прилагаемые усилия, потенциальные противники Российской Федерации до сих пор не смогли создать ничего подобного по мощи и эффективности. России можно не опасаться за безопасность нашей Родины и ее жителей.