In passato, i principali paesi erano alla ricerca di soluzioni fondamentalmente nuove nel campo dei motori per la tecnologia missilistica e spaziale. Le proposte più ardite riguardavano la creazione del cosiddetto. motori a razzo nucleari basati su un reattore a materiale fissile. Nel nostro paese, il lavoro in questa direzione ha dato risultati reali sotto forma di un motore sperimentale RD0410. Tuttavia, questo prodotto non è riuscito a trovare il suo posto in progetti promettenti e ad influenzare lo sviluppo dell'astronautica nazionale e mondiale.
Proposte e progetti
Già negli anni Cinquanta, pochi anni prima del lancio del primo satellite e di un veicolo spaziale con equipaggio, furono determinate le prospettive per lo sviluppo di motori a razzo a combustibile chimico. Quest'ultimo ha permesso di ottenere caratteristiche molto elevate, ma la crescita dei parametri non poteva essere infinita. In futuro, i motori dovevano "colpire il soffitto" delle loro capacità. A questo proposito, per l'ulteriore sviluppo di razzi e sistemi spaziali, erano necessarie soluzioni fondamentalmente nuove.
Costruito, ma non testato da RD0410 NRM
Nel 1955, l'accademico M. V. Keldysh ha avuto un'iniziativa per creare un motore a razzo con un design speciale, in cui un reattore nucleare avrebbe agito come fonte di energia. Lo sviluppo di questa idea è stato affidato a NII-1 del Ministero dell'Industria aeronautica; V. M. Ievlev. Nel più breve tempo possibile, gli specialisti hanno elaborato i problemi principali e hanno proposto due opzioni per un NRE promettente con le migliori caratteristiche.
La prima versione del motore, denominata "Schema A", proponeva l'utilizzo di un reattore con nucleo in fase solida e superfici di scambio termico solide. La seconda opzione, "Schema B", prevedeva l'uso di un reattore con una zona attiva in fase gassosa: la sostanza fissile doveva essere allo stato di plasma e l'energia termica veniva trasferita al fluido di lavoro mediante radiazione. Gli esperti hanno confrontato i due schemi e considerato l'opzione "A" più efficace. In futuro, è stato lui a essere più attivamente elaborato e ha persino raggiunto test a tutti gli effetti.
Parallelamente alla ricerca dei progetti ottimali del NRE, sono state elaborate le questioni relative alla creazione di una base scientifica, produttiva e di test. Così, nel 1957 V. M. Ievlev ha proposto un nuovo concetto di test e messa a punto. Tutti i principali elementi strutturali dovevano essere testati in diversi stand, e solo dopo potevano essere assemblati in un'unica struttura. Nel caso dello Schema A, questo approccio ha comportato la creazione di reattori a grandezza naturale per i test.
Nel 1958 apparve una risoluzione dettagliata del Consiglio dei ministri, che determinò il corso di ulteriori lavori. M. V. Keldysh, I. V. Kurcatov e S. P. Korolev. A NII-1, fu formato un dipartimento speciale, guidato da V. M. Ievlev, che doveva affrontare una nuova direzione. Inoltre, diverse dozzine di organizzazioni scientifiche e di progettazione sono state coinvolte nel lavoro. Era prevista la partecipazione del Ministero della Difesa. Sono stati determinati il programma di lavoro e altre sfumature del vasto programma.
Successivamente, tutti i partecipanti al progetto hanno interagito attivamente in un modo o nell'altro. Inoltre, negli anni Sessanta, si tennero due conferenze, dedicate esclusivamente al tema delle armi nucleari e delle questioni connesse.
Base di prova
Come parte del programma di sviluppo NRE, è stato proposto di applicare un nuovo approccio per testare e testare le unità necessarie. Allo stesso tempo, gli specialisti hanno dovuto affrontare un problema serio. La verifica di alcuni prodotti doveva essere effettuata in un reattore nucleare, ma svolgere tali attività era estremamente difficile o addirittura impossibile. I test potrebbero essere ostacolati da difficoltà economiche, organizzative o ambientali.
Schema di assemblaggio del carburante per IR-100
A questo proposito, sono stati sviluppati nuovi metodi per testare i prodotti senza l'uso di reattori nucleari. Tali controlli sono stati suddivisi in tre fasi. La prima riguardava lo studio dei processi nel reattore su modelli. Quindi i componenti del reattore o del motore dovevano superare prove "a freddo" meccaniche e idrauliche. Solo allora è stato necessario controllare gli assemblaggi in condizioni di alta temperatura. Separatamente, dopo aver elaborato tutti i componenti del NRE presso gli stand, è stato possibile iniziare a assemblare un reattore o un motore sperimentale a tutti gli effetti.
Per eseguire test di unità in tre fasi, diverse imprese hanno sviluppato e costruito vari stand. La tecnica per i test ad alta temperatura è di particolare interesse. Durante il suo sviluppo, è stato necessario creare nuove tecnologie per il riscaldamento dei gas. Dal 1959 al 1972, NII-1 sviluppò una serie di plasmatron ad alta potenza che riscaldavano gas fino a 3000 ° K e consentivano di eseguire test ad alta temperatura.
Soprattutto per lo sviluppo dello "Schema B" è stato necessario sviluppare dispositivi ancora più complessi. Per tali compiti era necessario un plasmatron con una pressione di uscita di centinaia di atmosfere e una temperatura di 10-15 mila K. Alla fine degli anni Sessanta apparve la tecnologia del riscaldamento a gas basata sulla sua interazione con i fasci di elettroni, che lo rese possibile ottenere le caratteristiche richieste.
La delibera del Consiglio dei ministri prevedeva la costruzione di una nuova struttura presso il sito di prova di Semipalatinsk. Lì è stato necessario costruire un banco di prova e un reattore sperimentale per ulteriori prove di gruppi di combustibile e altri componenti del NRE. Tutte le strutture principali furono costruite entro il 1961 e contemporaneamente ebbe luogo il primo avviamento del reattore. Quindi l'attrezzatura del poligono è stata perfezionata e migliorata più volte. Diversi bunker sotterranei con la protezione necessaria erano destinati ad ospitare il reattore e il personale.
In effetti, il progetto di un promettente NRM è stato una delle imprese più audaci del suo tempo e ha quindi portato allo sviluppo e alla costruzione di una massa di dispositivi e strumenti di test unici. Tutti questi stand hanno permesso di effettuare molti esperimenti e raccogliere una grande quantità di dati di vario genere, adatti allo sviluppo di vari progetti.
Schema A
Alla fine degli anni Cinquanta, la versione di maggior successo e promettente del tipo di motore "A". Questo concetto proponeva la costruzione di un reattore nucleare basato su un reattore con scambiatori di calore responsabili del riscaldamento del fluido di lavoro gassoso. L'espulsione di quest'ultimo attraverso l'ugello avrebbe dovuto creare la spinta richiesta. Nonostante la semplicità del concetto, l'implementazione di tali idee è stata associata a una serie di difficoltà.
Modello FA per reattore IR-100
Innanzitutto si è posto il problema della scelta dei materiali per la costruzione del nucleo. Il design del reattore doveva resistere a carichi termici elevati e mantenere la resistenza richiesta. Inoltre, doveva passare neutroni termici, ma allo stesso tempo non perdere le caratteristiche a causa delle radiazioni ionizzanti. Era prevista anche una generazione di calore irregolare nel nucleo, che poneva nuove esigenze al suo design.
Per cercare soluzioni e perfezionare il design, è stato organizzato un workshop speciale presso NII-1, che doveva realizzare assemblaggi di carburante modello e altri componenti principali. In questa fase del lavoro sono stati testati vari metalli e leghe, nonché altri materiali. Per la fabbricazione di assemblaggi di combustibile, potrebbero essere utilizzati tungsteno, molibdeno, grafite, carburi per alte temperature, ecc. Inoltre, è stata effettuata una ricerca di rivestimenti protettivi per prevenire la distruzione della struttura.
Nel corso degli esperimenti sono stati trovati i materiali ottimali per la fabbricazione dei singoli componenti del NRE. Inoltre, è stato possibile confermare la fondamentale possibilità di ottenere un impulso specifico dell'ordine degli 850-900 s. Ciò ha dato al motore promettente le massime prestazioni e un vantaggio significativo rispetto ai sistemi di alimentazione chimica.
Il nocciolo del reattore era un cilindro lungo circa 1 me con un diametro di 50 mm. Allo stesso tempo, è stato previsto di creare 26 varianti di gruppi di carburante con determinate caratteristiche. Sulla base dei risultati dei test successivi, sono stati selezionati quelli più efficaci ed efficaci. Il progetto trovato di complessi di combustibile prevedeva l'uso di due composizioni di combustibile. Il primo era una miscela di uranio-235 (90%) con niobio o carburo di zirconio. Questa miscela è stata stampata sotto forma di un'asta ritorta a quattro raggi lunga 100 mm e di 2,2 mm di diametro. La seconda composizione consisteva di uranio e grafite; era realizzato sotto forma di prismi esagonali lunghi 100-200 mm con un canale interno di 1 mm che aveva un rivestimento. Le aste e i prismi sono stati collocati in una custodia metallica sigillata resistente al calore.
I test di assemblaggi ed elementi nel sito di prova di Semipalatinsk iniziarono nel 1962. Per due anni di lavoro sono stati avviati 41 reattori. Prima di tutto, siamo riusciti a trovare la versione più efficace del contenuto principale. Sono state inoltre confermate tutte le principali soluzioni e caratteristiche. In particolare, tutte le unità del reattore hanno affrontato carichi termici e di radiazione. Pertanto, è stato scoperto che il reattore sviluppato è in grado di risolvere il suo compito principale: riscaldare l'idrogeno gassoso a 3000-3100 ° K a una determinata portata. Tutto ciò ha permesso di iniziare a sviluppare un motore a razzo nucleare a tutti gli effetti.
11B91 su "Baikal"
All'inizio degli anni Sessanta, sono iniziati i lavori per la creazione di un NRE a tutti gli effetti basato su prodotti e sviluppi esistenti. Innanzitutto, NII-1 ha studiato la possibilità di creare un'intera famiglia di motori a razzo con parametri diversi, adatti all'uso in vari progetti di tecnologia missilistica. Di questa famiglia, furono i primi a progettare e costruire un motore a bassa spinta - 36 kN. Un tale prodotto potrebbe essere successivamente utilizzato in uno stadio superiore promettente, adatto per l'invio di veicoli spaziali ad altri corpi celesti.
Reattore IRGIT durante il montaggio
Nel 1966, NII-1 e il Chemical Automatics Design Bureau hanno iniziato un lavoro congiunto per modellare e progettare il futuro motore a razzo nucleare. Presto il motore ricevette gli indici 11B91 e RD0410. Il suo elemento principale era un reattore chiamato IR-100. Successivamente, il reattore è stato chiamato IRGIT ("Reattore di ricerca per studi di gruppo di TVEL"). Inizialmente, era previsto di creare due diversi proiettori nucleari. Il primo era un prodotto sperimentale per i test sul sito di prova e il secondo era un modello di volo. Tuttavia, nel 1970, i due progetti furono combinati al fine di condurre prove sul campo. Successivamente, KBHA è diventato il principale sviluppatore del nuovo sistema.
Utilizzando gli sviluppi della ricerca preliminare nel campo della propulsione nucleare, nonché utilizzando la base di prova esistente, è stato possibile determinare rapidamente l'aspetto del futuro 11B91 e iniziare un progetto tecnico completo.
Allo stesso tempo, è stato creato il complesso di banchi "Baikal" per i test futuri nel sito di prova. Il nuovo motore è stato proposto per essere testato in una struttura sotterranea con una gamma completa di protezione. Sono stati forniti mezzi per la raccolta e la decantazione del fluido di lavoro gassoso. Per evitare l'emissione di radiazioni, il gas doveva essere trattenuto nei gasogeni e solo dopo poteva essere rilasciato nell'atmosfera. A causa della particolare complessità dell'opera, il complesso Baikal è in costruzione da circa 15 anni. L'ultimo dei suoi oggetti è stato completato dopo l'inizio dei test sul primo.
Nel 1977, presso il complesso Baikal, fu commissionata una seconda stazione di lavoro per impianti pilota, dotata di un mezzo per fornire un fluido di lavoro sotto forma di idrogeno. Il 17 settembre è stato effettuato il lancio fisico del prodotto 11B91. La messa in servizio avvenne il 27 marzo 1978. Il 3 luglio e l'11 agosto sono stati effettuati due test antincendio con la piena operatività del prodotto come reattore nucleare. In queste prove il reattore è stato portato gradualmente alla potenza di 24, 33 e 42 MW. L'idrogeno è stato riscaldato a 2630°K. Nei primi anni ottanta furono testati altri due prototipi. Hanno mostrato potenza fino a 62-63 MW e gas riscaldato fino a 2500 ° K.
Progetto RD0410
A cavallo tra gli anni settanta e ottanta, si trattava di creare un vero e proprio NRM, pienamente adatto per l'installazione su missili o stadi superiori. Si è formato l'aspetto finale di un tale prodotto e i test nel sito di prova di Semipalatinsk hanno confermato tutte le principali caratteristiche di progettazione.
Il motore RD0410 finito era notevolmente diverso dai prodotti esistenti. Si distingueva per la composizione delle unità, la disposizione e persino l'aspetto, a causa di altri principi di funzionamento. Infatti, RD0410 era suddiviso in diversi blocchi principali: un reattore, mezzi per l'alimentazione di un fluido di lavoro e uno scambiatore di calore e un ugello. Il reattore compatto occupava una posizione centrale e il resto dei dispositivi era posizionato accanto ad esso. Inoltre, il cantiere aveva bisogno di un serbatoio separato per l'idrogeno liquido.
L'altezza totale del prodotto RD0410 / 11B91 ha raggiunto 3,5 m, il diametro massimo era 1,6 m, il peso, tenendo conto della protezione dalle radiazioni, era di 2 tonnellate, la spinta calcolata del motore nel vuoto ha raggiunto 35,2 kN o 3,59 tf. L'impulso specifico nel vuoto è 910 kgf • s/kg o 8927 m/s. Il motore potrebbe essere acceso 10 volte. Risorsa - 1 ora Per mezzo di alcune modifiche in futuro, è stato possibile aumentare le caratteristiche al livello richiesto.
È noto che il fluido di lavoro riscaldato di un tale reattore nucleare aveva una radioattività limitata. Tuttavia, dopo le prove, è stato difeso e l'area dove si trovava lo stand ha dovuto essere chiusa per un giorno. L'uso di un tale motore nell'atmosfera terrestre era considerato pericoloso. Allo stesso tempo, potrebbe essere utilizzato come parte degli stadi superiori che iniziano a funzionare al di fuori dell'atmosfera. Dopo l'uso, tali blocchi dovrebbero essere inviati all'orbita di smaltimento.
Negli anni sessanta, è apparsa l'idea di creare una centrale elettrica basata su un reattore nucleare. Il fluido di lavoro riscaldato potrebbe essere alimentato ad una turbina collegata ad un generatore. Tali centrali elettriche erano di interesse per l'ulteriore sviluppo dell'astronautica, poiché consentivano di eliminare i problemi e le restrizioni esistenti nel campo della generazione di elettricità per le apparecchiature di bordo.
Negli anni ottanta, l'idea di una centrale elettrica raggiunse la fase di progettazione. Era in fase di elaborazione un progetto di un tale prodotto basato sul motore RD0410. Uno dei reattori sperimentali IR-100 / IRGIT è stato coinvolto in esperimenti su questo argomento, durante i quali ha fornito il funzionamento di un generatore da 200 kW.
Nuovo ambiente
Il principale lavoro teorico e pratico sul tema della NRE sovietica con un nucleo in fase solida è stato completato entro la metà degli anni ottanta. L'industria potrebbe iniziare a sviluppare un blocco booster o un'altra tecnologia spaziale e missilistica per il motore RD0410 esistente. Tuttavia, tali lavori non furono mai avviati in tempo e presto il loro inizio divenne impossibile.
A quel tempo, l'industria spaziale non disponeva di risorse sufficienti per l'attuazione tempestiva di tutti i piani e le idee. Inoltre, presto iniziò la famigerata Perestrojka, che pose fine alla massa di proposte e sviluppi. La reputazione della tecnologia nucleare è stata gravemente compromessa dall'incidente di Chernobyl. Infine, ci furono problemi politici in quel periodo. Nel 1988, tutti i lavori su YARD 11B91 / RD0410 furono interrotti.
Secondo varie fonti, almeno fino all'inizio degli anni 2000, alcuni oggetti del complesso del Baikal rimasero ancora nel sito di prova di Semipalatinsk. Inoltre, su uno dei cosiddetti. il reattore sperimentale era ancora situato sul posto di lavoro. KBKhA è riuscita a produrre un motore RD0410 a tutti gli effetti, adatto per l'installazione su un futuro stadio superiore. Tuttavia, la tecnica per usarlo è rimasta nei piani.
Dopo RD0410
Gli sviluppi in materia di motori a razzo nucleari hanno trovato applicazione in un nuovo progetto. Nel 1992, un certo numero di imprese russe ha sviluppato congiuntamente un motore a due modalità con un nucleo in fase solida e un fluido di lavoro sotto forma di idrogeno. Nella modalità motore a razzo, un tale prodotto dovrebbe sviluppare una spinta di 70 kN con un impulso specifico di 920 s e la modalità di potenza fornisce 25 kW di energia elettrica. Tale NRE è stato proposto per l'uso in progetti di veicoli spaziali interplanetari.
Sfortunatamente, a quel tempo la situazione non era favorevole alla creazione di una nuova e audace tecnologia spaziale e missilistica, e quindi la seconda versione del motore a razzo nucleare rimase sulla carta. Per quanto è noto, le imprese nazionali mostrano ancora un certo interesse per il tema delle NRE, ma l'attuazione di tali progetti non sembra ancora possibile o opportuna. Tuttavia, va notato che nell'ambito di progetti precedenti, scienziati e ingegneri sovietici e russi sono stati in grado di accumulare una quantità significativa di informazioni e acquisire un'importante esperienza. Ciò significa che quando si presenta un'esigenza e si presenta un ordine corrispondente nel nostro Paese, si può creare un nuovo NRE simile a quello sperimentato in passato.
