П.3.1. Ядерный ракетный двигатель с газофазным реактором

В качестве источника энергии для ракетных двигателей и энергетических установок может применяться ядерный реактор, в котором делящееся вещество находится в газообразном виде: в виде урановой плазмы или в виде соединения урана, которое остается газообразным в рабочем диапазоне температур, например, гексафторид урана. Такой ЯРД может использоваться для будущих полетов на Марс и другие планеты солнечной системы.

Удельный импульс тяги двигателя определяется температурой нагрева и молекулярным составом газов, истекающих из сопла. Поэтому стремление увеличить удельный импульс тяги требует повышения температуры нагрева газа и использования газов, имеющих низкий молекулярный вес. Применение газофазного реактора, в котором рабочее тело нагревается излучением из зоны, заполненной урановой плазмой, позволяет использовать в качестве рабочего тела водород, который в принципе может быть нагрет до температуры, значительно превышающей температуру плавления конструкционных материалов.

Возможны различные варианты высокотемпературных тепловыделяющих элементов. Они отличаются друг от друга в основном способом организации течения и теплопередачи в твэле. Одной из наиболее перспективных схем газофазного полостного ядерного реактора представляется схема твэла с застойной зоной делящегося вещества [69]. В этом твэле делящееся вещество в виде урановой плазмы находится в центре полости, окруженной замедлителем-отражателем нейтронов. Вблизи стенок полости движется другой газ - рабочее тело, которое нагревается излучением высокотемпературной плазмы.

Исследования газофазных ЯРД с замедлителем-отражателем из окиси бериллия и рабочим телом - водородом показывают, что их максимальный удельный импульс тяги может составить 2000 секунд.

Рис.15. Схема твэла газофазного полостного ядерного реактора:

1 – отражатель-замедлитель; 2 – зона газообразного делящегося вещества; 3 – зона протока рабочего тела; 4 – подпитка убыли делящегося вещества; 5 – подача рабочего тела

Удельный импульс тяги газофазного ЯРД может быть, однако, существенно повышен, если использовать для снятия тепла с конструкции двигателя дополнительный контур охлаждения со сбросом тепла в космическое пространство посредством холодильника-излучателя. Этот контур может иметь свое рабочее тело или же использовать основное. Удельный импульс тяги в таких газофазных ЯРД может достигать 4000-6000 с.

Подобный двигатель может быть использован для обеспечения пилотируемой экспедиции к Марсу. При ограничении продолжительности полета 60 днями полная масса космического корабля на орбите Земли составляет 2000 тонн, а при продолжительности 80 дней - вдвое меньше. Тяга двигателя, необходимая для таких полетов, составит 200 кН, масса двигателя 100-120 т, удельный импульс тяги более 5000 секунд.

Газофазный ядерный реактор, использующий в качестве делящегося вещества плазму урана-235, может позволить получить в одном блоке сравнительно небольших габаритов очень большие мощности (десятки миллионов киловатт) при очень высоком уровне нагрева рабочего тела в реакторе (до 10000 К и выше). Эта особенность позволяет рассматривать газофазный реактор как основу перспективных энергетических установок будущего. Высокий уровень нагрева рабочего тела делает возможным применение эффективного прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью магнитогазодинамического генератора. Проекты космических ЯЭУ и ЯРД и планетных (в том числе наземных) электростанций с использованием газофазного реактора являются перспективным направлением применения ядерной энергии в освоении космоса в будущем.