Природный ядерный реактор. Самый маленький атомный реактор
Не лей мне соль в реактор или не-импульсные ядерные ракетные двигатели / Хабр
Идея бросать за корму атомные бомбы в проекте «Орион» оказалась слишком брутальной, но объемы энергии, которые дает реакция ядерного расщепления, не говоря уже о синтезе, крайне привлекательны для космонавтики. Поэтому было создано множество не-импульсных систем, избавленных от проблем с хранением сотен ядерных бомб на борту и циклопических амортизаторов. О них сегодня мы и поговорим.Ядерная физика на пальцах
Что такое ядерная реакция? Если объяснять очень просто, картина будет примерно следующая. Из школьной программы мы помним, что вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы — из протонов, электронов и нейтронов (есть уровни ниже, но нам хватит и этого). Некоторые тяжелые атомы имеют интересное свойство — если в них попадает нейтрон, они распадаются на более легкие атомы и выпускают несколько нейтронов. Если эти выпущенные нейтроны попадут в находящиеся рядом другие тяжелые атомы, распад повторится, и мы получим цепную ядерную реакцию. Движение нейтронов с большой скоростью означает, что это движение превращается в тепло при замедлении нейтронов. Поэтому атомный реактор — это очень мощный нагреватель. Им можно кипятить воду, полученный пар направить на турбину, и получить атомную электростанцию. А можно нагревать водород и выбрасывать его наружу, получив ядерный реактивный двигатель. Из этой идеи родились первые двигатели — NERVA и РД-0410.
NERVA
История проекта
Формальное авторство (патент) на изобретение атомного ракетного двигателя принадлежит Ричарду Фейнману, согласно его же мемуарам «Вы, конечно же шутите, мистер Фейнман». Книга, кстати, всячески рекомендуется к прочтению. Лос-Аламосская лаборатория стала разрабатывать ядерные ракетные двигатели в 1952 году. В 1955 году Был начат проект Rover. На первом этапе проекта, KIWI, было построено 8 экспериментальных реакторов и с 1959 по 1964 год изучалась продувка рабочего тела сквозь активную зону реактора. Для временнОй привязки, проект «Орион» существовал с 1958 по 1965 год. У «Ровера» были второй и третий этапы, изучавшие реакторы большей мощности, но NERVA базировалась на Kiwi из-за планов первого испытательного пуска в космосе в 1964 году. Сроки постепенно съехали, и первый наземный пуск двигателя NERVA NRX/EST (EST — Engine System Test — тест двигательной системы) состоялся в 1966 году. Двигатель успешно проработал два часа, из которых 28 минут составила работа на полной тяге. Второй двигатель NERVA XE был запущен 28 раз и проработал в общей сложности 115 минут. Двигатель был признан пригодным для космической техники, а испытательный стед был готов к испытаниям новых собранных двигателей. Казалось, что NERVA ждет блестящее будущее — полёт на Марс в 1978, постоянная база на Луне в 1981, орбитальные буксиры. Но успех проекта вызвал панику в Конгрессе — лунная программа оказалась очень дорогой для США, марсианская программа оказалась бы ещё дороже. В 1969 и 1970 годах финансирование космоса серьезно сокращалось — были отменены «Аполлоны»-18,19 и 20, и огромные объемы денег на марсианскую программу никто бы не стал выделять. В итоге работа по проекту велась без серьезной подпитки деньгами и в итоге он был закрыт в 1972 году.
Конструкция
Водород из бака поступал в реактор, нагревался там, и выбрасывался наружу, создавая реактивную тягу. Водород был выбран как рабочее тело потому, что у него легкие атомы, и их проще разогнать до большой скорости. Чем больше скорость реактивного выхлопа — тем эффективнее ракетный двигатель. Отражатель нейтронов использовался для того, чтобы нейтроны возвращались обратно в реактор для поддержания цепной ядерной реакции. Управляющие стержни использовались для управления реактором. Каждый такой стержень состоял из двух половин — отражателя и поглотителя нейтронов. Когда стержень поворачивался отражателем нейтронов, их поток в реакторе увеличивался и реактор повышал теплоотдачу. Когда стержень поворачивался поглотителем нейтронов, их поток в реакторе уменьшался, и реактор понижал теплоотдачу. Водород также использовался для охлаждения сопла, а теплый водород от системы охлаждения сопла вращал турбонасос для подачи новых порций водорода.
Двигатель в работе. Водород поджигался специально на выходе из сопла во избежание угрозы взрыва, в космосе горения бы не было.
Двигатель NERVA создавал тягу 34 тонны, примерно в полтора раза меньше двигателя J-2, стоявшего на второй и третьей ступенях ракеты «Сатурн-V». Удельный импульс составлял 800-900 секунд, что было в два раза больше лучших двигателей на топливной паре «кислород-водород», но меньше ЭРД или двигателя «Ориона».
Немного о безопасности
Только что собранный и не запущенный ядерный реактор с новыми, ещё не работавшими топливными сборками достаточно чист. Уран ядовит, поэтому необходимо работать в перчатках, но не более. Никаких дистанционных манипуляторов, свинцовых стен и прочего не нужно. Вся излучающая грязь появляется уже после запуска реактора из-за разлетающихся нейтронов, «портящих» атомы корпуса, теплоносителя и т.п. Поэтому, в случае аварии ракеты с таким двигателем радиационное заражение атмосферы и поверхности было бы небольшим, и конечно же, было бы сильно меньше штатного старта «Ориона». В случае же успешного старта заражение было бы минимальным или вообще отсутствовало, потому что двигатель должен был бы запускаться в верхних слоях атмосферы или уже в космосе.РД-0410
Советский двигатель РД-0410 имеет похожую историю. Идея двигателя родилась в конце 40-х годов среди пионеров ракетной и ядерной техники. Как и в проекте Rover первоначальной идеей была атомный воздушно-реактивный двигатель для первой ступени баллистической ракеты, затем разработка перешла в космическую отрасль. РД-0410 разрабатывался медленнее, отечественные разработчики увлеклись идеей газофазного ЯРД (об этом будет ниже). Проект был начат в 1966 году и продолжался до середины 80-х годов. В качестве цели для двигателя называлась миссия «Марс-94» — пилотируемый полёт на Марс в 1994 году. Схема РД-0410 аналогична NERVA — водород проходит через сопло и отражатели, охлаждая их, подается в активную зону реактора, нагревается там и выбрасывается. По своим характеристикам РД-0410 был лучше NERVA — температура активной зоны реактора составляла 3000 К вместо 2000 К у NERVA, а удельный импульс превышал 900 с. РД-0410 был легче и компактней NERVA и развивал тягу в десять раз меньше.
Испытания двигателя. Боковой факел слева внизу поджигает водород во избежание взрыва.
Развитие твердофазных ЯРД
Мы помним, что чем выше температура в реакторе, тем больше скорость истечения рабочего тела и тем выше удельный импульс двигателя. Что мешает повысить температуру в NERVA или РД-0410? Дело в том, что в обоих двигателях тепловыделяющие элементы находятся в твердом состоянии. Если повысить температуру, они расплавятся и вылетят наружу вместе с водородом. Поэтому для бОльших температур необходимо придумать какой-то другой способ осуществления цепной ядерной реакции.
Двигатель на солях ядерного топлива
В ядерной физике есть такое понятие как критическая масса. Вспомните цепную ядерную реакцию в начале поста. Если делящиеся атомы находятся очень близко друг к другу (например, их обжали давлением от специального взрыва), то получится атомный взрыв — очень много тепла в очень небольшие сроки. Если атомы обжаты не так плотно, но поток новых нейтронов от деления растет, получится тепловой взрыв. Обычный реактор в таких условиях выйдет из строя. А теперь представим, что мы берем водный раствор делящегося материала (например, солей урана) и подаем их непрерывно в камеру сгорания, обеспечивая там массу больше критической. Получится непрерывно горящая ядерная «свечка», тепло от которой разгоняет прореагировавшее ядерное топливо и воду.
Идея была предложена в 1991 году Робертом Зубриным и, по различным подсчетам, обещает удельный импульс от 1300 до 6700 с при тяге, измеряющейся тоннами. К сожалению, подобная схема имеет и недостатки:
- Сложность хранения топлива — необходимо избегать цепной реакции в баке, размещая топливо, например, в тонких трубках из поглотителя нейтронов, поэтому баки будут сложными, тяжелыми и дорогими.
- Большой расход ядерного топлива — дело в том, что КПД реакции (количество распавшихся/количество потраченных атомов) будет очень низким. Даже в атомной бомбе делящийся материал «сгорает» не полностью, тут же бОльшая часть ценного ядерного топлива будет выбрасываться впустую.
- Наземные тесты практически невозможны — выхлоп такого двигателя будет очень грязным, грязнее даже «Ориона».
- Есть некоторые вопросы насчет контроля ядерной реакции — не факт, что простая в словесном описании схема будет легкой в технической реализации.
Газофазные ЯРД
Следующая идея — а что, если мы создадим вихрь рабочего тела, в центре которого будет идти ядерная реакция? В этом случае высокая температура активной зоны не будет доходить до стенок, поглощаясь рабочим телом, и её можно будет поднять до десятков тысяч градусов. Так родилась идея газофазного ЯРД открытого цикла:
Газофазный ЯРД обещает удельный импульс до 3000-5000 секунд. В СССР был начат проект газофазного ЯРД (РД-600), но он не дошёл даже до стадии макета. «Открытый цикл» означает, что ядерное топливо будет выбрасываться наружу, что, конечно, снижает КПД. Поэтому была придумана следующая идея, диалектически вернувшаяся к твердофазным ЯРД — давайте окружим область ядерной реакции достаточно термостойким веществом, которое будет пропускать излучаемое тепло. В качестве такого вещества предложили кварц, потому что при десятках тысяч градусов тепло передается излучением и материал контейнера должен быть прозрачным. Получился газофазный ЯРД закрытого цикла, или же «ядерная лампочка»:
В этом случае ограничением для температуры активной зоны будет термическая прочность оболочки «лампочки». Температура плавления кварца 1700 градусов Цельсия, с активным охлаждением температуру можно повысить, но, в любом случае, удельный импульс будет ниже открытой схемы (1300-1500 с), но ядерное топливо будет расходоваться экономней, и выхлоп будет чище.
Альтернативные проекты
Кроме развития твердофазных ЯРД есть и оригинальные проекты.Двигатель на делящихся фрагментах
Идея этого двигателя заключается в отсутствии рабочего тела — им служит выбрасываемое отработанное ядерное топливо. В первом случае из делящихся материалов делаются подкритические диски, которые не запускают цепную реакцию сами по себе. Но если диск поместить в реакторную зону с отражателями нейтронов, запустится цепная реакция. А вращение диска и отсутствие рабочего тела приведет к тому, что распавшиеся высокоэнергетические атомы улетят в сопло, генерируя тягу, а не распавшиеся атомы останутся на диске и получат шанс при следующем обороте диска:
Ещё более интересная идея состоит в создании пылевой плазмы (вспомним «плазменный кристалл» на МКС) из делящихся материалов, в которой продукты распада наночастиц ядерного топлива ионизируются электрическим полем и выбрасываются наружу, создавая тягу:
Обещают фантастический удельный импульс в 1 000 000 секунд. Энтузиазм охлаждает тот факт, что разработка находится на уровне теоретических изысканий.
Двигатели на ядерном синтезе
В ещё более отдаленной перспективе создание двигателей на ядерном синтезе. В отличие от реакций распада ядер, где атомные реакторы были созданы почти одновременно с бомбой, термоядерные реакторы до сих пор не передвинулись из «завтра» в «сегодня» и использовать реакции синтеза можно только в стиле «Ориона» — бросаясь термоядерными бомбами.Ядерная фотонная ракета
Теоретически можно разогреть активную зону до такой степени, что тягу можно будет создавать, отражая фотоны. Несмотря на отсутствие технических ограничений, подобные двигатели на текущем уровне технологии невыгодны — тяга будет слишком маленькой.Радиоизотопная ракета
Вполне рабочим будет ракета, нагревающая рабочее тело от РИТЭГа. Но РИТЭГ выделяет сравнительно мало тепла, поэтому такой двигатель будет очень малоэффективным, хотя и очень простым.Заключение
На текущем уровне технологии можно собрать твердотельный ЯРД в стиле NERVA или РД-0410 — технологии освоены. Но такой двигатель будет проигрывать связке «атомный реактор+ЭРД» по удельному импульсу, выигрывая по тяге. А более продвинутые варианты есть пока только на бумаге. Поэтому лично мне более перспективной кажется связка «реактор+ЭРД».
Источники информации
Главный источник информации — английская Википедия и ресурсы, указанные в ней как ссылки. Как ни парадоксально, но любопытные статьи по ЯРД есть на Традиции — твердофазный ЯРД и газофазный ЯРД. Статья про двигатели на делящихся фрагментах и пылевой плазме.habr.com
Минатом отключает самый старый в мире ядерный реактор
Атомная электростанция в Обнинске, маленьком городке к югу от Москвы, была торжественно открыта советским правительством 27 июня 1954 года. Первый ядерный генератор электрической энергии был назван АМ–1, по первым буквам словосочетания “атом мира”.
В этот самый мрачный период холодной войны открытие реактора стало для советской науки триумфальной победой над Соединенными Штатами в гонке за ядерное превосходство. Реактор использовали не только в целях получения электрической энергии для гражданских нужд, но и для военных исследований.
В прошлый понедельник, через почти 48 лет после первого запуска, посреди пышной церемонии в присутствии ученых-ядерщиков и официальных лиц из министерства, реактор удалился на заслуженный отдых. Николай Шингарев, заместитель министра ядерной энергетики по вопросам информационной политики, сообщил “Беллоне”, что закрытие реактора прошло без помех.
Реактор в Обнинске был собран по проекту, сходному с конструкцией энергоблока РБМК-1000, работавшего на Чернобыльской электростанции на Украине, фатальная неисправность которого стала причиной величайшей в мире радиационной катастрофы 1986 года. Чернобыльская электростанция была окончательно закрыта в 2000 году.
“[Обнинская] АЭС не только самая старая атомная электростанция, но и первая в мире, чье выключение прошло в соответствии со всеми правилами”, сказал Шингарев “Беллоне”, добавив, что выведение из эксплуатации Обнинской АЭС, возможно, установит стандарт для процедуры закрытия атомных станций в будущем.
“[Закрытие станции] произошло по чисто экономическим причинам … мы могли бы и дальше продолжать ее эксплуатацию, но она уже долгое время была нерентабельной и работала только за счет государственных субсидий”, сказал Шингарев. Агентство ИТАР-Тасс также сообщило, что по словам представителя пресс-службы Минатома Юрия Беспалько, пятимегаваттовый реактор уже перестал служить каким-либо научным или технологическим целям.
Согласно Шингареву, электростанция будет превращена в музей ядерной науки.
Сразу после запуска обнинский энергоблок стал помогать советским ученым в изучении возможности использования ядерного реактора в качестве двигателя для подводных лодок. Военные исследования продолжались многие годы, хотя электростанция также применялась для выработки электроэнергии для городского хозяйства.
Маленький, охлаждавшийся обычной водой и работавший на правительственных дотациях, реактор не производил электричества начиная с 1968 года, но постоянно использовался в экспериментах и для нагрева воды в центральной системе подачи горячей воды в городе.
bellona.ru
Природный ядерный реактор. Интересно знать
В далеком 1956 году ученый Пол Кадзуо Курода предположил, что в природе могут создаваться условия, при которых возможно протекание самоподдерживающейся реакции ядерного деления. В 1972 году физик Франсис Перрен обнаружил такой феномен. Природный ядерный реактор, в котором около 1,8 миллиарда лет назад происходила цепная реакция деления ядер урана, находится в урановом месторождении Окло в Габонской Республике (Центральная Африка).
В урановом месторождении Окло было обнаружено 16 рудных тел, в которых около 1,8 млрд лет сама по себе на протяжении нескольких сотен тысяч лет происходила ядерная реакция. Сейчас реакция прекратилась из-за уменьшения процентной концентрации изотопа урана-235. Рудные тела, где и происходила цепная реакция деления ядер урана, представляют собой линзовидные образования из уранинита диаметром около 10 м и толщиной до 90 см. Эти образования залегают в пористом песчанике.
Находка была сделана совершенно случайно. На урановой обогатительной фабрике во Франции гексафторид урана, добытый в Окло, проходил обычный анализ. Неожиданно были обнаружены некоторые отклонения от нормы изотопного состава урана. Для исключения возможности нелегального использования ядерных элементов в военных целях в Окло была направлена комиссия, которая обнаружила еще и аномалии в распределении изотопов рутения и неодима. Уран-235 является основным расщепляющим материалом для ядерного реактора, а уменьшение его концентрации присуще отработанному ядерному топливу. В результате всех исследований и были открыты 16 точек, в которых миллионы лет назад протекала ядерная реакция.
Начало ядерной реакции в рудных телах в Окло стало возможным в результате уникального стечения физических условий. Так, в дельте реки образовался слой песчаника, обогащенный урановой рудой. Произошла тектоническая активность и этот песчаник, располагавшийся на базальтовом фундаменте, погрузился в землю на довольно большую глубину. Песчаник постепенно растекался, а в трещины проникала грунтовая вода. Затем пласт песчаника снова поднялся до прежнего уровня. В итоге концентрация урана достигла критического уровня, и началась цепная реакция. В качестве замедлителя нейтронов выступила вода, которая кипела от выделяемого тепла и испарялась, приостанавливая таким образом реакцию. Ураноносная порода вновь охлаждалась, вода конденсировалась, а процесс ядерного деления возобновлялся.
Природный ядерный реактор в Окло является единственным естественным ядерным реактором на Земле, но ученые предполагают, что миллиарды лет назад на нашей планете таких реакторов могло быть очень много. В наше время возникновение природной цепной ядерной реакции невозможно из-за низкой концентрации урана-235 в его месторождениях, что объясняется радиоактивным распадом, но, например, около четырех миллиардов лет назад на планете концентрация этого изотопа составляла 19,2%, а уже около двух миллиардов лет назад — 3,7%.
anydaylife.com
