Ядерные реакторы для космоса. Возвращение

Схема ядерного ракетного двигателя NERVA ^[1], 1972 г, источник ^[2]

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) ведут давнюю историю с 60-х гг прошлого века, после чего были забыты на десятилетия. Последние испытания ЯРД в США состоялись более 50-ти лет назад в рамках проектов NERVA ^[1] и Rover ^[3].

Однако технологии не стоят на месте — и благодаря последним достижениям в области аэрокосмических материалов и инженерных разработок теперь ЯРД наконец-то созрели для практического использования в космосе.

▍ DRACO

Рендер космического аппарата DRACO ^[4] (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), который разрабатывает Lockheed Martin совместно с BWX Technologies. Последняя специализируется на изготовлении ядерных реакторов для ВМС США

В 2023 году НАСА и DARPA заключили соглашение ^[4] о запуске программы Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (демонстрационная ракета для манёвренных цислунарных операций, DRACO) для демонстрации в космосе ядерного ракетного двигателя (ЯРД) на тепловой тяге. По плану подрядчики должны разработать и продемонстрировать передовую технологию ядерной тепловой тяги уже в 2027 году. Ядерный двигатель является важным условием подготовки к полётам на Марс в экипаже, говорится в заявлении НАСА.

Рендер транзитной обитаемой базы с ядерным двигателем на орбите Марса, источник ^[5]

DARPA выступает в качестве подрядчика по разработке всей ступени и двигателя, который включает в себя реактор. Как указано выше, конструкторские работы сейчас ведут компании Lockheed Martin и BWX Technologies. Сама DARPA руководит процессом, включая интеграцию и закупку ракетных систем, согласование, составление графиков, обеспечение безопасности и ответственности, а также общую сборку и интеграцию двигателя с космическим аппаратом.

В то время как реакторы 50-х гг работали на высокообогащённом уране, DRACO использует новое топливо: высокопробный низкообогащённый уран (high-assay-low-enriched uranium, HALEU), из которого сделать бомбу довольно трудно, хотя возможно ^[6].

DRACO — корабль среднего размера, длиной менее 15 м и диаметром 5,4 м. Габариты продиктованы размерами стандартного обтекателя ракеты Vulcan Centaur ^[7], на которой его планируют запустить.

Vulcan Centaur

DRACO работает как ракеты типа NERVA из 60-х гг: водородные баки в головной части двигательного отсека, турбомашины подают водород через активную зону прямо за ними, но отделены от неё радиационным щитом. Реактор HALEU окружён барабанами управления и расположен перед выхлопным соплом.

Согласно требованиям DARPA, удельный импульс DRACO ограничен 700 секундами, что более, чем на 300 секунд лучше, чем у RL-10 ^[8], самого мощного химического космического двигателя на сегодняшний день.

Главная техническая проблема — хранение жидкого водорода при температуре −253 °С. На экспериментальном аппарате DRACO компания Lockheed выбрала пассивное охлаждение водорода. Резервуары будут теплоизолированы, чтобы Солнце их не нагревало. Для более длительных миссий ядерные придётся использовать активное охлаждение.

▍ Ядерные ракетные двигатели

В ядерном ракетном двигателе для создания чрезвычайно высоких температур используется ядерный реактор. Тепло, вырабатываемое реактором, передаётся жидкому топливу (рабочему телу), которое расширяется и выводится через сопло для приведения в движение космического аппарата. Ядерные тепловые ракеты в три и более раз эффективнее обычных химических двигателей за счёт большей температуры нагрева топлива.

Теоретически, существует несколько типов ЯРД ^[9]:

На практике мы видим, что сейчас близки к реализации двигатели, использующие тепловую энергию.

ЯРД сокращает время полёта, что снижает риск для астронавтов. Сокращение времени полёта — ключевой компонент для полётов человека на Марс, поскольку более длительные путешествия требуют большего количества припасов и более надёжных систем. Максимальный «пробег» ракеты имеет квадратную зависимость от температуры выхлопных газов. Другими словами, чем выше температура нагрева топлива — тем меньше его нужно для полёта, в этом главная польза ядерного реактора.

Среди преимуществ ЯРД — увеличение полезной нагрузки и повышение мощности приборов и средств связи.

Имитация ядерного элемента ракетного двигателя (нагрев вместо деления ядер) в Центре космических полётов имени Маршалла в НАСА, источник ^[5]

Как уже говорилось, это довольно старая идея, а ядерные ракетные двигатели проектировали в США и СССР более полувека назад, в 60-е и 70-е гг.

Диаграмма ядерного реактора Kiwi для проекта Rover, источник ^[10]

В СССР работы по ЯРД начались в 1955 году ^[11]. На первом этапе был выполнен расчётно-теоретический анализ принципиальных схем ЯРД, сформулированы основные проблемы, определяющие возможность их создания. В результате обсуждения были выбраны две наиболее перспективные схемы:

1. на основе реактора с твёрдофазной активной зоной (с твёрдыми поверхностями теплообмена),
2. на основе реактора с газофазной активной зоной (делящееся вещество в активной зоне реактора находится в плазменном состоянии, а рабочее тело нагревается излучением).

В 1958 году было подписано постановление правительства о создании ЯРД. К работам подключались десятки исследовательских, проектных и конструкторских организаций. Центром научных исследований стал Центр Келдыша.

В дальнейшем двигатель ЯРД активно разрабатывался конструкторским бюро «Химавтоматика» (КБХА) в Воронеже: РД-0410 ^[12] был первым и единственным советским ЯРД. Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы.

РД-0410

В США первым экспериментальным ректором стал Kiwi-A, а испытания 1 июля 1959 года показали, что концепция работает.

Испытания Kiwi-A, фото: Лос-Аламосская национальная лаборатория

За 18 лет НАСА, Комиссия по атомной энергии (AEC) и коммерческие подрядчики вроде Aerojet Corporation сконструировали и протестировали 23 ядерных реактора. Последним был XE Prime ^[13], который довели до уровня технической готовности TRL 6 (tech readiness level 6). Следующий седьмой уровень TRL предполагает уже испытания в космосе.

Последние испытания ядерного ракетного двигателя Phoebus 2A состоялись 26 июня 1968 года. Двигатель отработал 12 минут на полной мощности ^[14] и доказал, что способен доставить людей на Марс:

Phoebus 2A

Но в итоге от него решили отказаться. Основной причиной отказа стало то, что приоритеты НАСА и СССР сместились с освоения дальнего космоса в сторону орбитальных аппаратов (спутники Земли и баллистические ракеты), а для них ядерные двигатели не требуются.

Сейчас можно сказать, что старые проекты снова достают с полки. Специалисты считают, что благодаря новым технологиям теперь реально можно использовать ЯРД в космосе: «В рамках сотрудничества с DARPA мы будем использовать опыт, накопленный в ходе многих предыдущих проектов по космической ядерной энергетике и двигателям, — сказал ^[4] Джим Рейтер, помощник администратора Управления космических технологий НАСА (STMD). — Последние достижения в области аэрокосмических материалов и инженерных разработок открывают новую эру для космических ядерных технологий».

Ядерные реакторы планируется запустить не только на кораблях, но также на поверхности Луны и Марса.

В рамках проекта Fission Surface Power (использование атомной энергии на поверхности планет) министерство энергетики США одобрило разработку трёх проектов ^[15] ядерных электростанций на Луне и Марсе для программы «Артемида» ^[16]. Вот один из концептов:

НАСА и министерство энергетики работают над ещё одним проектом по разработке более высокотемпературного ядерного топлива с дизайном нового реактора. Это долгосрочный проект на будущее, он пока на стадии разработки и не входит в программу двигателя DRACO. Также идёт поиск материалов, которые надёжно выдерживают температуру выше 2500 °С в прямом контакте с реактором.

▍ Небольшое послесловие о ядерном оружии и безопасности

Критики утверждают, что вывод ядерного топлива на орбиту представляет угрозу из-за возможной аварии ракеты во время подъёма. После аварии ядерное топливо может «потеряться» и использоваться для сборки самодельных грязных бомб ^[17].

Самодельные ядерные бомбы давно вызывают интерес у исследователей. Ещё в 1977 году региональная американская газета Youngstone Vindicator писала ^[18] про 21-летнего студента факультета космических и механических наук Принстонского университета по имени Джон Аристотель Филипс (John Aristotle Philips), который написал 34-страничную курсовую работу с описанием грязной бомбы весом 57 кг (60 см в диаметре). Хотя схему и инструкцию по изготовлению он составил из открытых источников в университетской библиотеке и получил высшую оценку от преподавателя, это не спасло парня от визита агентов ФБР, которые конфисковали курсовую.

Иллюстрация из газеты Youngstone Vindicator, 8 мая 1977 года, скан ^[18]

Филипс сказал, что все компоненты для изготовления бомбы можно найти в открытой продаже примерно за $2000, кроме плутония. Его требуется примерно 6,96 кг, то есть шар размером с большой апельсин и стоимостью в несколько сотен тысяч долларов на сегодняшние цены (2024 г). По мнению учёных, предложенная Филипсом конструкция «практически гарантированно сработает» ^[19], хотя он описал «технологии 20-летней давности».

У потенциального злоумышленника есть несколько способов, где достать ядерное топливо. Его можно украсть или купить на чёрном рынке. Минимум шесть атомных бомб считаются потерянными ^[20], они до сих пор не найдены. Это только известные случаи. По экспертным оценкам, количество потерянных боеголовок — около полусотни ^[21]. Все они являются потенциальным источником урана и плутония для самодельных устройств.

Подъём термоядерной бомбы B28, которая случайно упала ^[22] с бомбардировщика B-52G в 1966 году и потерялась, источник ^[23]

После 2022 года специалисты прогнозируют новый виток гонки ядерных вооружений ^[24] с увеличением ядерных арсеналов в ближайшее десятилетие. Например, Китай в 2022 году строил более 300 новых ракетных шахт, а Франция начала разработку атомной подводной лодки с баллистическими ракетами третьего поколения. Ядерные боеголовки имелись у девяти стран, включая Израиль (90) и КНДР (20). Практически все они намерены модернизировать свои арсеналы.

Затонувшая атомная подлодка USS Scorpion с двумя торпедами Mark 45 находилась под водой 54 года, источник ^[23]

Безусловно, с ядерным топливом следует обращаться как можно осторожнее. Но научно-технический прогресс не стоит на месте. И кажется, что технологии изготовления ядерных реакторов и вооружения становятся всё доступнее, в том числе для небольших стран и отдельных энтузиастов.

---

DRACO — один из первых космических аппаратов с ядерным реактором. Но не последний. Разработки по ЯРД возобновлены также в РФ (ЯЭДУ ^[25], ядерная энергодвигательная установка мощностью 1 МВт) и Китае (тоже мегаваттного класса ^[26]).

Проект китайского космического аппарата с ядерным двигателем, источник ^[26]

Техническую разработку американского аппарата возглавляет Управление космических технологий НАСА. Если посмотреть на список проваленных или просроченных проектов НАСА ^[27], то его перспективы могут показаться сомнительными. Но ни о каких задержках пока не сообщалось.

Космические испытания DRACO запланированы на 2027 год.

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»