Принцип работы атомного двигателя

ЖРД: W = 4599 м/с, k_ду = 0.001, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
ЯРД: W = 9000 м/с, k_ду = 0.01, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
n = 1, g = 9.81 мс -2 , M_пг = 128000 кг

1. Силовые установки

Рис. 1. Схема отсеков атомной подводной лодки проекта 949А «Антей»

2. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Рис. 2. Модель американского двигателя «Nerva»

2.1. Устройство и принцип действия ЯРД.

Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n + 17.6 МэВ

Реакция дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p + 18.3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

• Сниженный нейтронный поток (реакцию можно отнести к «безнейтронным»),
• Меньшая масса радиационной защиты,
• Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D- 3 He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D- 3 He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакции между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо):

2 H + 2 H → 3 He + n + 3.3 МэВ,

2 H + 2 H →> 3 H + p + 4 МэВ.

Нейтронный выход в данном случае весьма значителен.
Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6 Li → 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MэВ)

3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16.9 MэВ

p + 11 B → 3 4 He + 8.7 MэВ

Рис.3 Строение жидкофазного ядерного двигателя

2.2 Ядерный импульсный двигатель

2.3 Другие разработки

Рис. 4. Прототип двигателя в рамках проекта Pluto

Рис. 5. Двигатель РД-0410

Технические характеристики РД 0410 [9]:

3. Проблема межпланетных полетов

3.1 Использование гравитационного маневра при полете к Марсу

Рассмотрим изменение характеристической скорости при полёте с околоземной круговой (опорной) орбиты к Марсу с использованием гравитационного манёвра у Луны [7].

Рис. 6. Эллиптическая орбита Гомана

Для перехода с круговой орбиты Земли вокруг Солнца на эллиптическую орбиту перелёта к Марсу (орбиту Гомана) необходима дополнительная характеристическая скорость (рис. 6) [8]:

Рис. 7. 1 – Орбита Земли вокруг Солнца, 2 – Эллиптическая орбита Гомана

Здесь V 1 – скорость отлёта из неподвижной относительно Земли точки, расположенной на круговой околоземной орбите. Учитывая, что мы уже движемся по этой орбите с круговой скоростью, для окончательной скорости отлёта к Марсу требуется скорость

Аналогично для перехода с эллиптической орбиты на орбиту вокруг Марса имеем

где

Здесь – первая (круговая) скорость относительно Марса, – первая (круговая) скорость на орбите Земли (рис. 6), – первая (круговая) скорость на орбите Марса (рис. 6), – первая (круговая) скорость относительно Земли, μ = GM – произведение массы тела M на гравитационную постоянную G . Значения параметра μ для Солнца, Земли и Марса
μ_с = 1.327·10 20 м 3 /с 2 , μ_з = 3.99·10 14 м 3 /с 2 , μ_мар = 4.228·10 13 м 3 /с 2

С учётом дополнительных затрат на управление и ориентацию (добавляем 5%) получим полную характеристическую скорость:

Если использовать гравитационный манёвр, то характеристическая скорость уменьшится

Соответственно выигрыш в скорости составит

Проведём расчёт характеристической скорости с учетом следующих значений радиусов орбит движения Земли и Марса вокруг Солнца:

R₁ = 1.5·10 11 м, R₂ = 2.28·10 11 м,

а также примем значения радиусов околоземной орбиты и орбиты около Марса

R₀₁ = 6.8·10 6 м, R₀₂ = 3.4·10 6 м

Максимальная скорость, которую мы можем получить при использовании гравитационного маневра у Луны, равняется:

ΔV_з = 3561 м/с, ΔV_мар = 2133 м/с,
ΔV_хар1 = 5979 м/с, ΔV_хар2 = 4379 м/с.

Выигрыш в скорости при использовании гравитационного маневра

При дальнейших расчетах будем использовать значение скорости ΔV_хар2 так как это позволяет нам сэкономить топливо.

3.2 Время полета к Марсу по орбите Гомана

Также необходимо рассчитать время полета к Марсу по выбранной нами траектории. Для этого используем формулы [8]:

Тогда время полета составит: Т ≈ 260 суток.

3.3 Сравнение затрат топлива жидкостного (Ж) и твердофазного ядерного (ТЯ) ракетного двигателя при полете к Марсу

Для нахождения массы топлива используем формулу К. Э. Циолковского [3]:

где M_т − масса топлива, M_к − конечная масса ракеты (без топлива), V_к − конечная скорость полета, V₀ − начальная скорость, W − скорость истечения газов из двигателя.
Обозначим:

Здесь: k ТО – весовой коэффициент топливного отсека, k су – весовой коэффициент системы управления, k ду – весовой коэффициент двигательной установки, n – коэффициент перегрузки, g 0 – ускорение силы тяжести, M пг – масса полезного груза. Также можно рассчитать какой процент топлива мы сэкономим при использовании ТЯРД по формуле:

Произведем расчеты при следующих параметрах для ЖРД и ЯРД:

ЖРД: W = 4599 м/с, k_ду = 0.001, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
ЯРД: W = 9000 м/с, k_ду = 0.01, k_су = 0.01, k_ТО = 0.1
n = 1, g = 9.81 мс -2 , M_пг = 128000 кг

Тогда имеем: D_ж = 1.65, D_я = 0.63, M_ж = 269903 кг, M_я = 105994 кг

Соответствующая экономия топлива составит ΔM = 69.7%.
Таким образом, использование гравитационного маневра у Луны дает значительный выигрыш в скорости, также следует отметить преимущество использования ТЯРД перед ЖРД.

Заключение

Проходя внутри теплообменных трубок парогенератора, вода первого контура отдает тепло воде второго контура, не соприкасаясь с ней. Что исключает попадание радиоактивных веществ за пределы реакторного зала.

Устройства, в которых осуществляется контролируемые цепные реакции деления, называются ядерными реакторами. Принцип работы ядерного реактора основан на реакции ядерного распада. Нейтроны, высвобождающиеся в таких реакциях обладают чрезвычайно высокой скоростью. Поэтому, для контроля цепной реакции в реакторах используют материалы, в которых нейтроны теряют часть энергии. Такие материалы, снижающие скорость нейтронов называются замедлителями ядерных реакций.

Принцип работы ядерного реактора следующий. Внутри реактора циркулирует обычная вода, очищенная от всех примесей. Реактор запускается, когда из его активной зоны извлекаются стержни, поглощающие нейтроны. Во время цепной реакции высвобождается большая тепловая энергия, циркулируя через активную зону реактора и омывая топливные элементы, твэлы, вода нагревается до 320 градусов.

Проходя внутри теплообменных трубок парогенератора, вода первого контура отдает тепло воде второго контура, не соприкасаясь с ней. Что исключает попадание радиоактивных веществ за пределы реакторного зала.

А далее все как на обычной теплоэлектростанции. Вода второго контура превращается в пар. Пар с бешеной скоростью вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор. Он то и вырабатывает электрический ток.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Реактор

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

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Если не управлять цепной ядерной реакцией и она пойдет слишком быстро, то получится самый настоящий ядерный взрыв. Поэтому за процессом надо тщательно следить и не давать распадаться урану слишком быстро. Для этого ядерное топливо в металлических трубках помещают в замедлитель — вещество, которое замедляет нейтроны и переводит их кинетическую энергию в тепловую.

Управляемая реакция

Если не управлять цепной ядерной реакцией и она пойдет слишком быстро, то получится самый настоящий ядерный взрыв. Поэтому за процессом надо тщательно следить и не давать распадаться урану слишком быстро. Для этого ядерное топливо в металлических трубках помещают в замедлитель — вещество, которое замедляет нейтроны и переводит их кинетическую энергию в тепловую.

Для управления скоростью реакции в замедлитель погружают стержни из поглощающего нейтроны материала. Когда эти стержни поднимают, они улавливают меньше нейтронов и реакция ускоряется. Если стержни опустить, то реакция опять замедлится.

Проект ракеты NASA с ядерным тепловым двигателем

Луна обещает стать новой Америкой для человечества. На это намекают попытки приватизировать территорию и будущие месторождения на Луне, предпринимаемые США и их сателлитами. Для поддержки установленного порядка потребуется космический флот. Но с двигателями для патрулирования не просто плохо, а очень плохо. Современные решения от ионных (электрических) до химических не позволяют длительные и быстрые перелёты. И помочь в этом может ядерный двигатель, разработку которого инициировали военные.

Проект ракеты NASA с ядерным тепловым двигателем

Деньги на создание ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) получила компания Gryphon Technologies из Вашингтона. Она стала победителем конкурса DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) по программе DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Программа DRACO предусматривает разработку проекта прототипа ракеты для окололунных операций между Землёй и её естественным спутником.

Для работы ядерного теплового двигателя предполагается использовать обогащённый до 5–20 % уран. Это больше, чем в реакторах атомных электростанций, но ниже отметки, после которой уран становится оружейным.

«Успешно продемонстрированная система NTP обеспечит скачок в возможностях космической двигательной установки, обеспечив маневренность и быстрое перемещение на огромные расстояния по сравнению с нынешними подходами к двигательной установке», — сказала доктор Табита Додсон (Tabitha Dodson), главный инженер Gryphon в группе поддержки и национальный эксперт в системах NTP.

Иллюстрация к программе DRACO (DARPA)

Добавим, что длительность полёта на Марс с использованием ядерного теплового двигателя можно будет сократить едва ли не в два раза — до трёх–четырёх месяцев, что в условиях постоянной космической радиации сохранит астронавтам здоровье во время полёта.

Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.

Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(20). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.

Космический аппарат New Horizons

Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.

Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.

Космический аппарат Pioneer

Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.

Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.

RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока). Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).

Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радио­активных элементов. Давайте сравним эти подходы.

Из жидкостных двигателей выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). H2O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.

Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.

Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.

Как работает ядерный двигатель? Реак­тор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.

Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.

«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.

Тепловыделяющие элементы — это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны

Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.

Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.

«ОРИОН» (США, 1950–1960)

Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного ­пространства.

Принцип работы. Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.

«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)

Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.

Принцип работы. Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.

«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)

Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Принцип работы. Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.

NERVA (США, 1952–1972)

(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.

Принцип работы. Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

• » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;» rel=»nofollow»> Печать
• E-mail

Дата Категория: Транспорт

Атомные подлодки и прочие суда с ядерными энергоустановками используют радиоактивное топливо — главным образом уран — для превращения воды в пар. Полученный пар вращает турбогенераторы, а те производят электроэнергию для движения судна и питания различного бортового оборудования.

Принципиальная схема машинного отсека с ядерным реактором

Ядерная реакция

В полости реактора атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, подвергается удару свободного нейтрона (рисунок ниже). От удара ядро расщепляется, и при этом, в частности, освобождаются нейтроны, которые бомбардируют другие атомы. Так возникает цепная реакция деления ядер. При этом освобождается огромное количество тепловой энергии, то есть тепла.

Атомная подлодка курсирует вдоль побережья в надводном положении. Таким кораблям надо пополнять топливо лишь один раз в два-три года.

Группа управления в боевой рубке наблюдает за прилегающей акваторией в перископ. Радиолокатор, гидролокатор, средства радиосвязи и фотокамеры со сканирующей системой также помогают вождению этого судна.

«Китай активно инвестирует в атомную энергетику, последовательно развивая эту отрасль. КНР в силу экономического роста и проблем с экологией необходимо большое количество «чистой» энергии. Российская технология реакторов на быстрых нейтронах вписывается в этот контекст очень хорошо — она позволяет утилизировать ядерные отходы», — сказал Баклицкий.

Восточный вектор

Деятельность ОКБМ не ограничивается военным направлением. Подразделение «Росатома» продолжает реализацию ряда международных проектов, как следует из годового отчёта.

Так, бюро окажет помощь Китаю в создании ядерного реактора на быстрых нейтронах, отмечается в документе. Специалисты выполнят экспертизу проекта будущего китайского демонстрационного ядерного реактора на быстрых нейтронах CFR-600. Сотрудничество также предполагает поставку реактора и сопутствующего оборудования, помощь в строительстве установки и обучении персонала, а также пусконаладочные работы.

Как сообщает РИА Новости, инициатива по сооружению CFR-600 принадлежит КНР. Строительство началось в конце 2017 года. Проектная мощность установки — 600 МВт.

Как отметил Баклицкий, строительство CFR-600 является логическим продолжением запуска экспериментального реактора на быстрых нейтронах — CEFR (The China Experimental Fast Reactor). Прототип, запущенный в 2010 году, был маломощным — всего 20 МВт.

«Китай активно инвестирует в атомную энергетику, последовательно развивая эту отрасль. КНР в силу экономического роста и проблем с экологией необходимо большое количество «чистой» энергии. Российская технология реакторов на быстрых нейтронах вписывается в этот контекст очень хорошо — она позволяет утилизировать ядерные отходы», — сказал Баклицкий.

Эксперт пояснил, что инфраструктура «большой девятки» ядерных государств преимущественно нацелена на использование тепловых атомных реакторов. Однако в этом случае остаётся существенное количество отходов — отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Реакторы типа БН позволяют переработать ОЯТ, оставляя гораздо меньшие объёмы загрязняющего материала. Китай, вероятно, будет утилизировать на реакторе CFR-600 продукты, полученные в ходе деятельности своих тепловых атомных электростанций, предположил Баклицкий.

Отметим, в настоящий момент только Россия использует промышленные реакторы на быстрых нейтронах: БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС в Свердловской области. Ещё один реактор, мощностью 1200 МВт, планируется построить в рамках пятого энергоблока станции в 2024 году. Помимо Китая, интерес к этому направлению проявляют азиатские страны — Индия, Япония и Южная Корея, отмечают эксперты.

Проектирование атомной подводной лодки проекта 705 (советский шифр «Лира») началось после выхода Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР летом 1960 г. Главная задача – создание высокоманевренной, скоростной, малого водоизмещения подводной лодки с ЯЭУ, с титановым корпусом, с резким сокращением численности экипажа, с внедрением новых образцов оружия и технических средств.

Для руководства работами и рассмотрения научных и конструкторских вопросов, связанных с постройкой подводной лодки, при Научно-техническом совете ПГУ была организована Секция № 8, которую возглавил В.А. Малышев. Выполнение основных работ по ЯЭУ наряду с Курчатовским институтом поручалось Лаборатории «В», а ее директор Д.И. Блохинцев был назначен заместителем научного руководителя. Постановлением Совмина на Лабораторию «В» было возложено выполнение расчетно-теоретических работ, разработка твэлов, сооружение и испытание опытного реактора подводной лодки.

Первой и важнейшей задачей стал выбор типа реактора в качестве основного источника энергии, а также общего облика энергетической установки. Сначала это были реакторы на графитовом и бериллиевом замедлителе с тепловыделяющими трубами, несущими давление, близкие по типу к строящейся тогда Первой АЭС. Несколько позднее возникли установки, у которых замедлителем была тяжелая вода. И только потом (а по тем темпам это был один месяц!) появился корпусной водо-водяной реактор.

В октябре 1952 г. Блохинцев уже докладывал Секции № 8 НТС ПГУ о проведенных в Лаборатории «В» первых предварительных расчетах и предложил для обсуждения два варианта:

а) Технологическую схему на основе реактора АМ с перегревом пара внутри реактора, разработанную в отделе тов. А.К. Красина и б) Схемы с применением металлического охлаждения, разработанные в отделе тов. Лейпунского А.И.»

Таким образом, уже с самого начала в Лаборатории «В» рассматривались два варианта ЯЭУ для подводных лодок: с водным теплоносителем и жидкометаллическим теплоносителем свинец-висмут. По инициативе А.И. Лейпунского работы по созданию транспортных ядерных установок были начаты в Лаборатории «В» еще в 1949 г.

К этому времени было известно, что в США ведутся работы по установкам двух типов: реакторы на тепловых нейтронах с водой под давлением и реакторы на промежуточных нейтронах с натриевым теплоносителем. Поэтому работы по созданию энергетических установок для атомных подводных лодок были развернуты в двух направлениях: водо-водяные реакторы и реакторы с жидкометаллическим теплоносителем.

Научным руководителем работ по созданию реакторов с жидкометаллическим теплоносителем был назначен А.И. Лейпунский, а после его смерти в 1972 г. – Б.Ф. Громов. Проекты серийных реакторных установок для подводных лодок разрабатывали ОКБ «Гидропресс» (г. Подольск) и ОКБМ (г. Нижний Новгород), а проекты самих кораблей – Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения (СПМБМ) «Малахит».

В отличие от американцев, А.И. Лейпунский предложил и обосновал в качестве теплоносителя эвтектический сплав свинец-висмут, несмотря на его худшие теплофизические свойства в сравнении с натрием. Последующий опыт развития этих конкурирующих направлений подтвердил правильность выбора, сделанного им. (После нескольких аварий на наземном стенде-прототипе и опытной подлодке работы в США по этому направлению были прекращены.)

Крейсерская атомная подводная лодка К-27 (проект 645)

Проектирование атомной подводной лодки проекта 705 (советский шифр «Лира») началось после выхода Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР летом 1960 г. Главная задача – создание высокоманевренной, скоростной, малого водоизмещения подводной лодки с ЯЭУ, с титановым корпусом, с резким сокращением численности экипажа, с внедрением новых образцов оружия и технических средств.

Атомная подводная лодка проекта 705

«Сейчас, оглядываясь назад, – пишет главный конструктор СПМБМ «Малахит» (где разрабатывался проект лодки) Р.А. Шмаков, – следует признать, что эта лодка была проектом XXI века. Она обогнала свое время на несколько десятилетий. Поэтому не удивительно, что для многих специалистов, испытателей, личного состава ВМФ она оказалась слишком трудной в освоении и эксплуатации».

Командиры и офицеры подводных лодок с реакторными установками, разработанными в ФЭИ, давали очень высокую оценку самой лодке и её ядерной энергетической установке, называя ее «чудо-лодкой», сильно опередившей своё время.

Сегодня можно считать общепризнанным, что в ФЭИ под руководством А.И. Лейпунского заложены основы нового направления ядерной энергетики, а также в промышленном масштабе продемонстрирована уникальная реакторная технология. Это позволило обеспечить компактность реакторной установки, что важно при создании подводных лодок ограниченного водоизмещения, обеспечить высокие маневренные качества, повысить надёжность и безопасность реакторной установки.

Большой вклад в развитие этого направления внесли А.А. Бакулевский, Б.Ф. Громов, К.И. Карих, В.А. Кузнецов, И.М. Курбатов, В.А. Малых, Г.И. Марчук, Д.М. Овечкин, Ю.И. Орлов, Д.В. Панкратов, Ю.А. Прохоров, В.Н. Степанов, В.И. Субботин, Г.И. Тошинский, А.П. Трифонов, В.В. Чекунов и многие другие.

По словам Уикса, создание малоразмерного термоядерного реактора, способного вырабатывать достаточно энергии для функционирования самолета (причем в случае с концепцией Виналса речь идет о сверхзвуковом самолете), представляет собой гораздо большую трудность, чем постройка собственно летательного аппарата, способного развивать скорость, в три раза превышающую скорость звука.

Автор фото, Oscar Vinals

Сверхзвуковой авиалайнер с термоядерным реактором на борту, развивающий скорость в три раза выше скорости звука — звучит фантастически, но такая концепция существует. Обозреватель BBC Future рассказывает о трудностях, с которыми придется столкнуться его конструкторам.

Этот самолет, способный развивать скорость, равную 3700 км/ч, мог бы перенести вас из лондонского Хитроу в аэропорт имени Джона Кеннеди в Нью-Йорке всего за три часа.

Самолет Flash Falcon, внешне напоминающий космический корабль из видеоигр серии Halo, призван занять нишу, которая пустует с момента вывода из эксплуатации сверхзвукового лайнера Concorde в 2003 году.

• Когда вертолеты составят конкуренцию пассажирским лайнерам
• Почему США так и не построили свой аналог Concorde
• Крылья самолетов будущего? Их сделают другими
• «Летающее крыло» нацистской Германии, опередившее свое время

До постройки первого опытного образца еще далеко — пока что проект живет лишь в воображении испанского дизайнера Оскара Виналса, который также является автором проекта огромного, похожего на кита, пассажирского самолета (Sky Whale).

По замыслу Виналса, Flash Falcon должен перевозить 250 пассажиров со скоростью, втрое превышающей скорость звука.

Автор фото, Oscar Vinals

Гигантский авиалайнер мог бы перевозить до 250 пассажиров со скоростью, втрое превышающей скорость звука

Фюзеляж будет на 40 с лишним метров длиннее, чем у Concorde, а размах крыла — вдвое больше.

Согласно концепции, двигатели будут отклоняться вверх на 20 градусов, обеспечивая вертикальные взлет и посадку.

Еще более революционной выглядит силовая установка — в основу ее положен термоядерный реактор, питающий шесть электродвигателей.

«На мой взгляд, термоядерный синтез — наиболее перспективный источник больших объемов электроэнергии, — говорит Виналс. — Кроме того, он экологически чист и не ведет к производству опасных отходов».

«На данный момент мы достаточно хорошо представляем себе принцип работы термоядерного синтеза; уже имеется ряд проектов, основанных на этом источнике энергии, таких как Tokamak, Iter и Stellarator. Я верю в то, что в ближайшие пять-семь лет появится первый стабильно работающий термоядерный реактор», — заявляет дизайнер.

Автор фото, Oscar Vinals

Flash Falcon сможет взлетать и приземляться вертикально за счет двигателей с отклоняемым вектором тяги

Тезис Виналса о скором появлении долгожданного источника неограниченной и дешевой энергии можно оспаривать, но сама по себе концепция самолета с ядерным двигателем не нова — авиаконструкторы мечтали о чем-то подобном еще в 1950-х гг.

Вскоре после изобретения ядерного реактора его стали использовать на флоте — в 1950-х гг. в строй вступили первые корабли, оснащенные достаточно небольшими по размерам ядерными силовыми установками.

А еще через несколько лет реакторы стали настолько малы, что их стали устанавливать на подводные лодки.

Автор фото, Getty Images

ВВС США испытывали ядерный реактор на бомбардировщике B-36

В целом 1950-е гг. ознаменовались значительными технологическими прорывами в авиастроении, которые подстегивались как бурным послевоенным развитием авиатранспортного рынка, так и гонкой вооружений между США и СССР.

Вашингтон стремился увеличить продолжительность полета своих дальних бомбардировщиков, чтобы тем самым обезопасить их от атак на аэродромы базирования.

В теории, при наличии ядерного реактора самолет мог бы находиться в воздухе месяцами — при условии достаточного места на борту для сменного экипажа.

Однако, по словам Саймона Уикса из британского Института авиационных технологий, с установкой ядерного реактора на самолет был связан ряд серьезных проблем.

Потребовалось бы не только создать систему замкнутого цикла, в которой реактор вторично использовал бы отработанное топливо, но и обеспечить радиационную защиту силовой установки: «В процессе ядерной реакции высвобождается большое количество нейтронов, которые могут быть чрезвычайно опасны для здоровья».

Автор фото, US Department of Defence

Единственный экземпляр NB-36H совершил несколько десятков полетов, но установленный на нем ядерный реактор ни разу не использовался в качестве силовой установки

Единственным самолетом с ядерной установкой на борту, когда-либо поднимавшимся в воздух на Западе, был кардинальным образом модифицированный американский бомбардировщик Convair B-36 (в начале 1950-х гг).

И без того огромный самолет дополнительно утяжелили на 11 тонн, установив на него радиационный щит.

Данная модификация, известная под обозначением NB-36H, совершила 47 полетов, но использовалась лишь в качестве летающей лаборатории: бортовой реактор испытывался исключительно в воздухе, и в качестве собственно силовой установки не применялся ни разу.

Дальнейшего развития ядерная тематика в авиации не получила из-за потенциально катастрофических последствий в случае крушения подобного самолета.

Кроме того, если военному экипажу еще можно было бы приказать пилотировать такой летательный аппарат, то пассажирам какой-либо авиакомпании вряд ли пришлась бы по душе перспектива полета в считанных метрах от ядерного реактора.

Десятилетиями самолеты с ядерными двигателями оставались уделом художников-футуристов.

Однако в случае с концепцией Виналса речь идет не о ядерном реакторе.

«Cловосочетание «ядерная реакция», как правило, связано в сознании людей с опасностью, — отмечает он. — Но термоядерный синтез — совсем другое дело».

В отличие от ядерной реакции, в ходе которой атомы расщепляются, при термоядерном синтезе два или несколько атомов соединяются в более крупный. При этом высвобождается больше энергии, но «грязных» отходов не создается.

Автор фото, Oscar Vinals

Для того, чтобы поднять в воздух такой огромный самолет, потребуется гигантское количество энергии

Виналса не смущает тот факт, что термоядерный синтез пока технологически недоступен.

Концепции, подобные Flash Falcon, не связаны ограничениями сегодняшнего дня — отчасти их роль заключается в том, чтобы показать, какими могут быть разработки в будущем, когда мы овладеем соответствующими технологиями.

Но в случае с термоядерным синтезом, по словам Уикса, нас отделяет от работающих реакторов около 50 лет.

Такие реакторы все еще находятся в экспериментальной стадии. Так, для воплощения в жизнь французского проекта ядерного самолета Iter требуется около десяти лет.

Даже если подобные реакторы удастся создать, и они смогут производить дешевую и экологически чистую энергию, разработчикам придется решать и другие проблемы.

«Следующая трудность будет заключаться в том, чтобы создать чрезвычайно маленький и легкий реактор», — отмечает Уикс.

«В период с 1940-х до 1980-х гг. мы существенно продвинулись в области ядерной энергетики, и этот процесс занял сравнительно небольшой промежуток времени. Над термоядерным синтезом мы бьемся начиная с 1950-х гг., но рабочий реактор до сих пор так и не построен. Чтобы его создать, потребуется еще 20-30 лет».

Автор фото, Getty Images

Американский бомбардировщик XB-70 в свое время тоже планировалось использовать для испытаний ядерного двигателя

По словам Уикса, создание малоразмерного термоядерного реактора, способного вырабатывать достаточно энергии для функционирования самолета (причем в случае с концепцией Виналса речь идет о сверхзвуковом самолете), представляет собой гораздо большую трудность, чем постройка собственно летательного аппарата, способного развивать скорость, в три раза превышающую скорость звука.

Кроме того, ни один имеющийся тип альтернативного авиационного топлива не может сравниться по универсальности и энергоемкости с керосином, используемым в настоящее время в реактивных двигателях, отмечает Уикс.

«Это [авиационный керосин] чрезвычайно энергоемкое топливо, неприхотливое в обращении и сохраняющее свои свойства в широком диапазоне температур. Более того, его можно использовать для охлаждения, в качестве смазки и даже в гидравлических системах».

Глобальное потепление, безусловно, вынуждает конструкторов обращаться к альтернативным источникам энергии, но для того, чтобы самолет мог развивать большие сверхзвуковые скорости, энергии требуется чрезвычайно много, и в этом смысле с керосином мало что сравнится.

Так, аккумуляторные батареи, подобные тем, что установлены на недавно совершившем кругосветный перелет экспериментальном электрическом летательном аппарате Solar Impulse, производят лишь одну двадцатую от количества энергии, заключенного в объеме керосина с той же массой.