TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Nuklearna energija / Nuklearni raketni motor

Eksplozije sa masom ispod kritične?

Najvažniji pokazatelj efikasnosti raketnog motora je tzv. specifični impuls (Isp) koji je ekvivalentan brzini isticanja radne materije iz mlaznika. Razvojem raketnih motora na hemijski pogon, došlo se blizu granice brzine isticanja koja, korišćenjem tečnog vodonika i kiseonika, iznosi oko 4400 m/s. Primenom nekih egzotičnih ali i skupljih goriva, kao što je kombinacija tečni vodonik i fluor, ta granica se može pomeriti do 5000 m/s; dalje povećanje više nije moguće jer nema raspoložive hemijske energije.

Prema sadašnjem stepenu naučno-tehnološkog razvoja, veće brzine isticanja mogu se postići raketnim pogonom koji bi koristio nuklearni izvor energije na samoj kosmičkoj letelici ili prenosom energije od nekih udaljenih izvora (npr. laserima velike snage). Najbliži realizaciji su nuklearni termički raketni motori.Princip njihovog rada je sličan postojećim hemijskim raketnim motorima, tj.toplotna energija se pretvara u kinetičku energiju mlaza koji ističe.
Funkcionalni delovi su analogni: komora u koju pumpe ubacuju radnu materiju i mlaznik. Razlika je samo u tome što se, kod hemijskih motora, toplota oslobađa procesom sagorevanja goriva, a kod nuklearnih - procesom fuzije u nuklearnom reaktoru koji je smešten u komori analognoj komori sagorevanja. Intenzivnim razvojem nuklearne energije u drugoj polovini 20.veka, ambiciozno su započeti projekti nuklearnih termičkih raketnih motora sa namerom da se ostvari propulzija koja će omogućiti međuplanetarne letove sa astronautima.

Projekat NERVA

U periodu 1955-1972, u SAD je, projektom „Rover“ započet razvoj nuklearnih raketnih motora (NRM). Prvi eksperimentalni statički nuklearni motor je nazvan „kiwi“ i na njemu su obavljani eksperimenti do 1964. Konstruisan je kompaktan nuklearni reaktor sa karbidom U235 u grafitnom kućištu. Kroz njega je propuštan vodonik koji bi se zagrejao na oko 2000ºC a potom ekspandirao u mlazniku koji je bio okrenut na gore. Ispitivan je na poligonu u pustinji Nevade.
Potom je usledio veći i jači projekat „Phoebus“ i izrađena su tri NRM tog tipa a na to je nadovezan projekt NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) koji je trebalo da dovede do ostvarenja nuklearnog raketnog stepena koji  bi bio treći stepen rakete „saturn 5“. Bio je zasnovan na motoru „kiwi B4“ koji je bi imao u vakuumu potisak od 330 kN i brzinu isticanja od 8100 m/s. Projekat su vodile NASA i AEC a motor i nuklearni reaktor su izradile kompanije „Rocketdyne“ i „Westinghouse“. Sa motorom „nerva xe“, okrenutim na dole, obavljeno je 28 uključivanja sa 118 minuta eksperimentalnog rada. Prema zvaničnim izjavama, pokazalo se u tim eksperimentima da je nuklearni termički motor potpuno ostvarljiv i primenljiv za treći stepen rakete.
Na osnovu njege je trebalo da se ostvari „nrm nerva 1“ potiska 340 kN a potom i „nerva 2“ brzine isticanja 8500 m/s i potiska 907 do 1140 kN i projektovan je za pokretanje velikog trećeg stepena rakete „saturn 5N“. Taj stepen bi bio dug 43m, prečnika 10m ,mase 178t, od čega bi radna materija, tečni vodonik imao masu od 144 t. Mogao bi da pošalje dvostruko veći teret ka Mesecu od „saturna 5“; planirano je da posluži za misiju sa posadom na Mars 1978. i uspostavljanje stalne naseobine na Mesecu 1982.Odlukom Američkog kongresa 1972. u cilju smanjenja budžetske potrošnje obustavljeni su letovi na Mesec,prekinuti su proizvodnja rakete „saturn 5“ i dalji eksperimenti sa nuklearnim raketnim motorima. „NERVA“ program je takođe obustavljen i pored potrošenih 7,7 milijardi dolara.U programu „Rover“ razmatrani su i NRM znatno manjih dimenzija za pokretanje kosmičkih sondi tipa „pewee 1 i 2“ ali je i njihov dalji razvoj prekinut.

Sovjetski nuklearni raketni motori

Od početka kosmičke ere u SSSR su razmatrani različiti projekti nuklearnih teremičkih motora. Planirano je da se primene za drugi i treći stepen džinovske rakete N1 i za misije kosmonauta ka Mesecu i Marsu. Sovjetski konstruktori su želeli da preskoče primenu tečnog vodonika i kiseonika i  pređu na više nego dvostruko efikasniji nuklearni termički pogon. U periodu 1970-1988. napravljen je i ispitivan prototip manjeg nuklearnog raketnog motora označen kao „РД 0410“. Nuklearni reaktor je konstruisalo nekoliko instituta, počev od Kurčatovskog a raketni motor - konstrukcioni biro S.Kosberga koji je radio motore za gornje stepene raketa.
Prototip je prvo bio ispitivan bez nuklearnog reaktora a radni fluid je bio zagrevan električnom strujom. Pošto je taj deo ispitivanja uspešno završen, na poligonu Semipalatinsk od 1979. počela su i eksperimetalna startovanja sa nuklearnim reaktorom. Primenom novih rešenja, motor je pokazao bolje karakteristike od američkih u programu „Rover-NERVA“. Nuklearno gorivo je bilo od 90% čistog U235, u vidu uranijum karbida sa karbidom cirkonijuma i niobijuma i grafitom. Šipke goriva su bile oblikovane kao zavojno uvijene trake sa 2,6 puta efikasnijim prenošenjem toplote na radni fluid (vodonik i heksan) a moderatori su bili hidridi cirkonijuma i litijuma. Motor je postizao temperaturu od 3100 K i mogao je da radi jedan sat a sa 2000 K četiri sata. Ostvarivao je potisak od 35 kN, a snaga reaktora je bila 196 MW. Brzina isticanja u vakuumu je trebalo da iznosi 9100 m/s a ukupna masa motora je bila 2t. Na osnovu njega je planirano da se izradi znatno veći motor „РД 0411“ potiska 392 kN.
Trebalo je da „РД 0410” 1985.bude lansiran i ispitan u kosmosu, ali bi stepen koji on pogoni imao veću masu nego što je raketa „proton“ mogla da ponese a raketa „energija“ nije bila spremna. Projekat je obustavljen 1988. a potom je usledio raspad SSSR i prekid svih razvojnih projekata (npr. raketa „energija“, šatl „buran“) i ovaj uspešni nuklearni raketni motor je postao deo tužne istorije neostvarenih mogućnosti kosmonautike.

Prvi nuklearni raketni motor u kosmosu

U Rusiji je od strane državnih institucija 2013. objavljeno da je započet rad na konstruisanju nuklearnog raketnog pogona. On bi mogao da omogući višestruko veće brzine leta kroz kosmos.
Prema okvirno objavljenim planovima, nuklearni reaktor ne bi direktno zagrevao raketni pogonski fluid već bi dinamičkim procesom u zatvorenom ciklusu energiju ekspanzije sopstvenog radnog fluida (He, Xe), preko turbine i elektrogeneratora, proizvodio električnu struju. Izlazna snaga elektricitete bi trebala da bude preko 1MW i koristila bi se da zagreje raketni pogonski fluid (vodonik) u termalnoj komori, verovatno putem električnog pražnjenja.
Ovakvim odvojenim postupkom postiže se bolja kontrola nad oba procesa, nuklearnog i reaktivnog, ali će stepen iskorišćenja biti manji nego kod nuklearno temičkih raketnih motora. Prednost je što će moći da se podešava odnos protoka fluida i unesene toplotne energije, i tako reguliše brzina isticanja koja bi mogla da bude i veća od 9000m/s.
Ako bi se vodonik atomizovao na temperaturi od preko 4500ºC, mogla bi da se postigne brzina isticanja i preko 20 km/s. Iz nuklearnog reaktora dobijena električna energija bi mogla da se koristi za rad principijelno sasvim drugačijeg pogona, jonskog, koji ostvaruje brzinu isticanja preko 50 km/s. Ovaj projekat otvara velike mogućnosti kosmičkih putovanja, brže stizanje većih sondi do udaljenih spoljnih planeta, kraće vreme leta astronauta ka Marsu itd. Rusija će, u razvoj ovakvog hibridnog nuklearnog pogona, uložiti 544 miliona dolara, nuklearni reaktor razvija Keldišov istraživački centar a raketni motor „NPO energija“. Prva lansiranja se planiraju posle 2025.

Nuklearnim eksplozijama ka zvezdama

Razvoj nuklearnog oružja u SAD (kroz preko hiljadu eksperimentalnih  eksplozija nuklearnih bombi) naveo je neke fizičare-učesnike u tim opitima na ideju da bi nuklearne eksplozije mogle da se iskoriste za pokretanje kosmičkih letelica. Nastao je projekt „Orion“ koji je imao više varijanti. Prva bi bila zasnovana na fisionim nuklearnim eksplozijama manje snage, koja bi se koristla za putovanja po Sunčevom sistemu, pa do ekstremnih megalomanskih projekata međuzvezdanih kosmičkih brodova od više stotina hiljada tona početne mase i sa istim redom veličine broja termo-nuklearnih bombi snage po 1 Mt. Zbog velike radijacije i enormnog zagađenja produktima fisije, takvi kosmički brodovi bi trebali da sa izgrade u Zemljinoj orbiti. Problem je što bi, i pri korišćenju najslabijih nuklearnih bombi, udarni impuls u potisnu ploču, i pored amorizacionih prenosnika na deo kosmičkog broda, izazivao ubrzanje od najmanje 10 ge. Za sada ne postoje dovoljno slabe a efikasne nuklearne bombe da bi se započelo sa nekim manjim osnovnim modelom takvog pogona. Kritična masa nuklearnog eksploziva Pu239 visoke čistoće iznosi oko10 kg i ispod te mase neće doći do spontane lančane reakcije i nuklearne eksplozije.
Pri eksploziji, oslobodila bi se energija reda milion puta veća od one koju daje najjača hemijska reakcija, ekvivalentno oko 10.000 t klasičnog eksploziva. Kosmička letelica bi morala da ima masu od nekoliko hiljada tona, čak i u slučaju da je u pitanju kosmička sonda koja bi mogla da izdrži ubrzanje od nekoliko desetina ge.
Projekt „Orion“ je bio samo vizija mogućnosti nuklearne energije Frimena Dajsona i Teda Tejlora 1958. ali njegova osnovna ideja nije zaboravljena pa su se javljali projekti koji su pokušavali da ga približe ostvarenju (npr. „Mag Orion“ pri kome bi se nuklearne eksplozije obavljale u magnetnom polju i sl). Osnovni problem je kako ostvariti mikronuklearne eksplozije sa masom ispod kritične.
Možda bi jezgra tricijuma, ubrzana u akceleratoru, udarom u metu od Pu239 podkritične mase, mogla da stvore dovoljno neutrona da se započne lančana nuklearna reakcija. Ako bi se to uspelo sa masom bar sto puta manjom od kritične, mogao bi da se ostvari impulsni pogon sa podnošljivim ubrzanjem i dovoljno malih dimenzija da bude ekonomski prihvatljiv. Iako je takav pogon daleko od ostvarenja, ideja da se koriste nuklearne eksplozije za pogon kosmičkih letelica još uvek nije napuštena.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"