Ядрените реактори за космоса. Завръщането

Ядрените ракетни двигатели (ЯРД) имат дълга история, датираща от 60-те години на миналия век, след което са забравени за десетилетия. Последните тестове на ЯРД в САЩ са проведени преди повече от 50 години в рамките на проектите NERVA и Rover.

Технологиите обаче напреднаха – и благодарение на неотдавнашния напредък в областта на аерокосмическите материали и инженерството, ЯРД най-накрая са съзрели за практическа употреба в космоса.

DRACO

През 2023 г. НАСА и DARPA сключиха споразумение за стартиране на програмата „Демонстрационна ракета за гъвкави цислунарни операции“ (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, DRACO), за да демонстрират в космоса ядрен ракетен двигател с термично задвижване. По график изпълнителите трябва да разработят и демонстрират усъвършенствана технология за ядрено топлинно задвижване още през 2027 г. Ядреният двигател е от съществено значение за подготовката на мисии до Марс с екипаж, се казва в изявление на НАСА.

DARPA действа като изпълнител на разработването на цялата степен и двигател, които включват и реактора. Както е посочено по-горе, проектирането се извършва от Lockheed Martin и BWX Technologies. Самата DARPA ръководи процеса, включително интеграцията на ракетната система и снабдяването, координацията, планирането, безопасността и отговорността, както и цялостното сглобяване и интегриране на двигателя с космическия кораб.

Докато реакторите от 50-те години на миналия век работеха с високообогатен уран, DRACO използва ново гориво: нискообогатен уран с висока проба (high assay-low enriched uranium – HALEU), от който е твърде трудно, макар и възможно, да се направи атомна бомба.

DRACO е средно голям кораб, дълъг по-малко от 15 метра и с диаметър 5,4 метра. Размерите са продиктувани от размера на стандартния обтекател на ракетата Vulcan Centaur, на която се планира да бъде изстрелян.

DRACO функционира като ракетите NERVA от 60-те години на миналия век: водородни резервоари в началото на двигателния отсек, турбомашини подават водород през ядрото непосредствено зад тях, но отделени от него с радиационен щит. Реакторът с HALEU е заобиколен от барабани за управление и се намира пред изпускателната дюза.

Според изискванията на DARPA специфичният импулс на DRACO е ограничен до 700 секунди, което е с повече от 300 секунди по-добре от RL-10, най-мощния химически космически двигател до момента.

Основното техническо предизвикателство е съхраняването на течния водород при температура -253 °C. В експерименталния кораб DRACO компанията Lockheed е избрала пасивно охлаждане на водорода. Резервоарите ще бъдат топлоизолирани, така че Слънцето да не ги нагрява. За по-дълги мисии ще се наложи да се използва активно охлаждане.

Ядрените ракетни двигатели

Ядреният ракетен двигател използва ядрен реактор за създаване на изключително високи температури. Топлината, генерирана от реактора, се пренася към течното гориво (работния флуид), което се разширява и се изхвърля през дюза, за да движи космическия кораб. Ядрените термични ракети са три и повече пъти по-ефективни от конвенционалните химически двигатели поради по-високата температура на нагряване на горивото.

Теоретично съществуват няколко вида ядрени ракетни двигатели.

На практика виждаме, че двигателите за топлинна енергия вече са близо до реализация – те са на практика готови за работа.

ЯРД (Ядрените Ракетни Двигатели) намаляват времето на полета, което понижава риска за астронавтите. Намаляването на времето за полет е ключов компонент за човешките мисии до Марс, тъй като по-дългите пътувания изискват повече запаси и по-надеждни системи. Максималният „пробег“ на ракетата е в квадратична зависимост от температурата на отработените газове. С други думи, колкото по-висока е температурата на нагряване на горивото, толкова по-малко гориво е необходимо за полета, което е основното предимство на ядрения реактор.

Сред предимствата на ЯРД са увеличеният полезен товар и увеличената мощност на апаратурата, а също и на комуникациите.

Както беше споменато, това е доста стара идея и ядрени ракетни двигатели са били проектирани както в САЩ, така и в разбира се в СССР преди повече от половин век, през 60-те и 70-те години.

Според изтеклата в медиите информация в СССР работата по ЯРД започва през 1955 г. На първия етап е извършен изчислителен и теоретичен анализ на принципните схеми на потенциалния ядрен ракетен двигател (ЯРД) и са формулирани основните проблеми, определящи възможността за създаването на подобен енджин. В резултат на обсъждането са подбрани двете най-перспективни схеми:

• на базата на реактор с твърдофазна активна зона (с твърди топлообменни повърхности),
• на базата на реактор с газофазна активна зона (делящото се вещество в активната зона на реактора е в плазмено състояние, а работното тяло се нагрява посредством радиация).

През 1958 г. е подписан правителствен указ за създаването на ЯРД. В работата са включени десетки изследователски, проектантски и инженерни организации. Центърът „Келдиш“ се превръща в център на научните изследвания.

По-късно съветският ядрен двигател активно се разработва от конструкторското бюро „Химавтоматика“ (КБХА) във Воронеж: РД-0410 е първият и единствен съветски ядрен двигател. Реакторът е подложен на значителна серия от тестове, но никога не е изпробван за пълноценна експлоатация.

В САЩ първият експериментален ректор е Kiwi-A, а тестовете от 1-ви юли 1959 г. показват, че концепцията работи и е много перспективна.

За 18 години НАСА, Комисията по атомна енергия (AEC) и редица търговски изпълнители като Aerojet Corporation проектираха и тестваха цели 23 ядрени реактора за ракетни двигатели. Най-новият е XE Prime, който е доведен до ниво TRL 6 (ниво на технологична готовност 6). Следващото ниво TRL 7 включва тестове в космоса.

Последното тестване на ядрения ракетен двигател Phoebus 2A е проведено на 26-ти юни 1968 г. Двигателят работи в продължение на 12 минути с пълна мощност и доказва, че е способен да отведе хора до Марс:

Но в крайна сметка идеята за ядрен ракетен двигател е изоставена. Основната причина за отмяната е, че приоритетите на НАСА и СССР се изместват от изследването на дълбокия космос към използването предимно на орбитални апарати (земни сателити и балистични ракети), а за тях не са необходими ядрени двигатели.

Но ето че сега старите проекти отново се изтеглят от рафтовете. Експертите смятат, че благодарение на новите технологии вече е възможно използването на ЯРГ в космоса.

„Чрез нашата съвместна работа с DARPA ще се възползваме от уроците и поуките, извлечени от множеството предишни проекти за космическа ядрена енергия и ядрени ракетни двигатели“, казва Джим Райтер, заместник-администраторът на отдела за управление на космическите технологии (STMD) на НАСА. – „Неотдавнашният напредък в областта на космическите материали и инженерството поставя началото на нова ера за космическите ядрени технологии“.

Планира се ядрени реактори да бъдат поставени не само на космическите кораби, но и на повърхността на Луната и Марс.

Като част от програмата Fission Surface Power (използване на ядрената енергия на повърхността на планетите) Министерството на енергетиката на САЩ одобри разработването на три проекта за ядрени електроцентрали на Луната и Марс, което е предвидено да стане в рамките на програмата Artemis. Ето една от по-известните концепции:

НАСА и Министерството на енергетиката работят по друг много перспективен проект за разработване на ядрено гориво с по-висока температура и нов дизайн на реактора. Това е дългосрочен проект за бъдещето, той все още е в процес на разработване и не е част от програмата за двигатели DRACO. Те също така търсят материали, които могат надеждно да издържат на температури над 2500 °C в пряк контакт с реактора. Голяма част от тези проблеми са вече решени.

Кратък послеслов за ядрените оръжия, ядрените ракетни двигатели и сигурността

Критиците на тази идея твърдят, че извеждането на ядрено гориво в орбита представлява заплаха поради възможна авария на ракетата по време на издигането. След аварията ядреното гориво може да бъде „изгубено“ и използвано за сглобяване на самоделни мръсни бомби. И не само – подобен ядрен ракетен двигател може директно да се използва като управляема атомна бомба.

Самоделните ядрени бомби отдавна представляват интерес за изследователите. Още през 1977 г. регионалният американски вестник Youngstone Vindicator пише за 21-годишен студент от университета в Принстън, изучаващ космически и механични науки, на име Джон Аристотел Филипс, който пише курсова работа от 34 страници, в която описва мръсна бомба с тегло 57 кг (диаметър 60 см). Въпреки че съставил схемата и инструкциите за направата ѝ от открити източници в университетската библиотека и получил най-високата оценка от професора си, това не го спасило от посещението на агенти на ФБР, които конфискували курсовата работа.

Филипс казва, че всички компоненти за направата на бомбата могат да се намерят на свободния пазар за около 2000 долара, с изключение на плутония. За него са необходими около 6,96 кг, топка с големината на голям портокал, която струва няколкостотин хиляди долара по днешни цени (2024 г.). Според учените предложеният от Филипс проект е „практически гарантирано работещ“, въпреки че той описва „20-годишна технология“.

Потенциалният атентатор има няколко начина да се сдобие с ядрено гориво. То може да бъде откраднато или закупено на черния пазар. Поне шест атомни бомби се смятат за изгубени, те все още не са намерени. Това са само известните случаи. Според експертни оценки броят на изгубените бойни глави е около петдесет. Всички те са потенциален източник на уран и плутоний за импровизирани взривни атомни устройства.

След 2022 г. експертите съвсем логично започнаха да прогнозират нов кръг на надпревара в ядреното въоръжаване с увеличаване на ядрените арсенали през следващото десетилетие. Едва ли е съвпадение, че именно тогава започна руската инвазия в Украйна. Така например през 2022 г. Китай изгражда повече от 300 нови ракетни силоза, а Франция започва да разработва ядрена подводница с балистични ракети от трето поколение. Девет държави разполагат с ядрени бойни глави, включително Израел (90) и КНДР (20). Почти всички те възнамеряват да модернизират арсеналите си.

Разбира се, с ядреното гориво трябва да се работи възможно най-внимателно. Но научно-техническият прогрес изобщо не стои на едно място. И изглежда, че технологиите за ядрени реактори и оръжия стават все по-достъпни, включително за малки държави и дори за отделни ентусиасти.

DRACO е един от първите космически апарати с ядрен реактор. Но той съвсем не е последният. Разработването на ядрени реактори вече е възобновено и в Руската федерация (ЯЕДУ – ядрена електродвигателна система с мощност 1 MW) и естествено Китай (също от мегаватов клас).

Техническото разработване на американския апарат се ръководи от Службата за космически технологии на НАСА.

И нека още веднъж да повторим, че космическият тест на DRACO е планиран за 2027 г. – това е съвсем скоро за подобен мащабен проект.