TEMA BROJA
Dr Vladica Božić
Nuklearna energija / Mogućnosti korišćenja fisionog nuklearnog pogona u kosmosu
Da, ali van Zemljine atmosfere
Umetnički prikaz pulsirajuće nuklearne termičke rakete |
Let u kosmos spada u najveća ljudska dostignuća 20. veka. Kosmičke letelice i danas u osnovi koriste istu pogonsku tehnologiju kao i pre sedam decenija: hemijsku reakciju (čvrstih ili tečnih goriva i oksidatora) u raketnom motoru, kojom se proizvode gasovi koji izlaze kroz mlaznik i stvaraju potisak sa specifičnim impulsom od 300-450 sekundi. Letelice sa ovakvim raketnim pogonom su, u tom periodu, imale samo mala poboljšanja performansi usled razvoja raketa većeg prečnika ili sa većim brojem motora koji je omogućio i povećanja težine pogonskog goriva, razvoja snažnijih raketnih motora većeg potiska i korišćenja energetski jačih kombinacija tečnih goriva i oksidatora. Iako su rakete sa pogonom na hemijska goriva omogućile podizanje tereta i ljudi u orbitu, pokazalo se da su, zbog svojih ograničenja, neadekvatne za duža putovanja.
Napredak međuplanetarnih putovanja biće moguć kada se ostvari tehnološki prodor prema drugim vrstama pogona, među koje spada i nuklearni pogon. Kod ove vrste pogona, energija nuklearne fisione reakcije zamenjuje energiju oslobođenu hemijskom reakcijom iz pogonskih materija (goriva) u raketi. Reakcijom iz nuklearnog goriva može se dobiti izlazna energija koja je do sto miliona (108) puta veća od one koja bi nastala upotrebom ekvivalentne količine hemijskih reaktanata tako da bi, pri letu, mala količina nuklearnog goriva mogla da zameni ogromne količine hemijskog goriva u današnjim raketama. Zbog ove prednosti u odnosu na hemijski pogon, nuklearna energija nudi velike mogućnosti primene kod dužih misija, kao što su međuplanetarna putovanja i letovi u duboki kosmos.
U do sada razvijenim konstrukcijama raketa sa nuklearnim pogonom, potisak se ne dobija direktno iz radijacije ili toplote nastale procesom fisije, već se ta energija u nuklearnom reaktoru pretvara u neki drugi oblik energije. Do sada su razvijena dva pogonska sistema za rakete, koja koriste nuklearne reaktore: prvi je nuklearno-termalni pogonski sistem (skraćeno NTR od: nuklearne termalne rakete), kod kojeg se toplota oslobođena iz nuklearne fisije koristi za zagrevanje pogonskog goriva, najbolje tečnog vodonika koji se čuva na niskim temperaturama.Vodonik se u nuklearnom reaktoru greje do oko 2.500°C i, u gasovitom obliku, izlazi kroz mlaznik, gde se širi i stvara potisak. Na taj način dobija se veća snaga izduvnih gasova, a time i propulzivna efikasnost sa specifičnim impulsom reda dvostruko većim nego kod motora sa pogonom na hemijska goriva sa najboljim odnosom tečnog vodonika/kiseonika. To omogućava značajno smanjenje ukupne bruto mase ovakve rakete, do oko polovine rakete sa pogonom na hemijska goriva; kada se koristi kao pogon u poslednjem stepenu rakete, može da udvostruči ili utrostruči korisnu nosivost tereta koju raketa prevozi u orbitu.
Nuklearni termalni motori: a) američki NERVA i b) sovjetski RD-410 |
Drugi sistem, nuklearno-električni pogon (NEP) se zasniva na pretvaranju nuklearne energije pomoću termo-emisionog reaktora, pretvarača u električnu energiju. Ona se koristi za napajanje odgovarajućeg elektro-magnetnog uređaja koji ubrzava jone iz goriva (najčešće gas ksenon) do veoma velikih brzina, zbog čega se nazivaju i nuklearni jonski motori. Ubrzani joni, pri prolasku kroz neutralizator u mlazniku, proizvode mlaz neutralnih atoma koji izlazi iz mlaznika i stvara mali potisak na duže vreme. Zbog toga ovi motori ne mogu dati velika ubrzanja i ne mogu se koristiti za poletanje raketa već samo kao pogon u svemiru. Tamo se koriste za promenu orbite, podešavanje visine, naročito u nižim slojevima atmosfere, i precizno podešavanje pozicije satelita, kao i za međuplanetarne misije. Od prvog lansiranja1971. godine do danas je sa stopostotnim uspehom lansirano preko 240 letelica sa ovom vrstom pogona.
a) Ksenonski motor NEXT kojirazvija NASA i b) sovjetski reaktor korišćen za napajanje ksenonskog motora 11b97 |
Pokretanje nuklearnog fluksa
Nuklearne termalne rakete se mogu podeliti u zavisnosti od faze (agregatnog stanja) nuklearnog goriva i konstrukcije reaktora u raketnom motoru, od već realizovanih reaktora sa čvrstim jezgrom do mnogo složenijih ali efikasnijih reaktora sa gasnim jezgrom, koji se tek razvijaju. Kod svih konstrukcija, specifični impuls je proporcionalan kvadratnom korenu temperature na kojoj se radni fluid (reakciona masa) zagreva, pa je samim tim najefikasnija konstrukcija ona kod koje se može ostvariti najviša moguća temperatura. Tradicionalni tip ovog motora koristi konvencionalni, lagani nuklearni reaktor sa čvrstim jezgrom (i nuklearnim gorivom) koji radi na visokoj temperaturi, sa kojim se zagreva radna tečnost (u ovom slučaju raketno gorivo) koja se kreće kroz jezgro reaktora.
Jezgro mora biti izrađeno od materijala koji izdržava visoku temperaturu na kojoj se odvija nuklearna reakcija, koju većina materijala ne može izdržati, pa je izbor ograničen, a time i performanse reaktora. I pored toga, ovakav motor sa vodonikom kao pogonskim gorivom je u stanju da ostvari specifični impuls u rasponu 850-1.000 sekundi, što je dva puta veće od onog koji ostvari glavni motor na spejs-šatlu.
Nuklearni termalni motor sa čvrstim jezgrom
Umetnički prikaz letelice „kopernikus“ namenjene za let na Mars koju pokreću 3 nuklearna termalna motora sa čvrstim jezgrom |
Podvarijantu ove konstrukcije predstavlja pulsirajuća nuklearna termička raketa (koju treba razlikovati od nuklearnog pulsirajućeg pogona), koja ima veći potisak i specifični impuls u odnosu na nuklearnu termičku raketu-NTR sa konvencionalnim čvrstim jezgrom. U ovom konceptu, čvrsta NTR može raditi i u stacionarnom (sa konstantnom nominalnom snagom kao kod konvencionalnih) i u pulsirajućem režimu (kao kod TRIGA reaktora). Pulsiranjem nuklearnog jezgra nastaje neutronski fluks koji se, kao kinetička energija, direktno prebacuje na pogonsko gorivo, čime se ono zagreva do temeperature koja može biti veća od one u samom jezgru. Dobijena energija može povećati maseni protok pogonskog goriva kroz mlaznik, što dovodi do povećanja brzine izduvnih gasova a time i potiska.
Koncept pulsirajuće nuklearne termičke raketne ćelije
Umetnički prikaz pulsirajuće nuklearne termičke rakete |
Nada u omotač koji se hladi vodonikom
Veće poboljšanje performansi je teorijski moguće mešanjem nuklearnog goriva i radne tečnosti (vodonika), što bi omogućilo da se nuklearna reakcija odvija u samoj tečnoj smeši, pa je ovo reaktor (i motor) sa tečnim jezgrom. Kako je vreme reakcije nuklearnog goriva mnogo duže od vremena zagrevanja radne tečnosti kod ovakve konstrukcije, mora da se pronađe metod kojim bi se gorivo zadržavalo unutar motora dok bi, istovremeno, radna tečnost mogla da izlazi kroz mlaznik. Pošto se omotač reaktora (reflektor neutrona) aktivno hladi vodonikom, on može da radi na višim temperaturama pa se očekuje da će ovi motori postići specifični impuls od 1.300-1.500 sekundi, ali oni zbog svoje složenosti još uvek nisu praktično realizovani.
Koncept nuklearnog termalnog motora sa tečnim jezgrom |
Motor “nuklearna sijalica”
Motor sa gasnim jezgrom je modifikacija konstrukcije sa tečnim jezgrom koja koristi brzu cirkulaciju fluida kako bi, u sredini reaktora, stvorio toroidalni džep gasovitog uranijumovog goriva okružen vodonikom. U osnovnoj konstrukciji nuklearno gorivo ne dodiruje zid reaktora („otvoreni ciklus”), tako da bi se temperatura u reaktoru mogla podići na nekoliko desetina hiljada stepeni, što bi omogućilo specifične impulse od 3.000-5.000 sekundi. Kako bi u ovoj konstrukciji gubitke nuklearnog goriva bilo teško kontrolisati, u toku je proučavanje „zatvorenog ciklusa” ili motora „nuklearne sijalice”, gde je gasovito nuklearno gorivo zadržano u super-visoko-temperaturnom kvarcnom kontejneru oko kojeg protiče vodonik. Kod motora sa zatvorenim ciklusom ograničenje je vezano za kritičnu temperaturu kvarca koja je viša od materijala koji se koriste za izradu reaktora sa čvrstim jezgrom. Iako manje efikasan od konstrukcije sa otvorenim ciklusom, očekuje se da će konstrukcija sa zatvorenim ciklusom proizvesti specifičan impuls od oko 1.500-2.000 sekundi.
Koncept nuklearnog termalnog motora sa gasnim jezgrom: a) sa otvorenim ciklusom b) sa zatvorenim ciklusom |
Pomoću nuklearne eksplozije?
Jedini način sa kojim bi nuklearna fisija mogla da se direktno koristi za kretanje raketa u kosmosu je pomoću nuklearne eksplozije. Nuklearni pulsirajući pogon (ili spoljni pulsirajući plazma pogon) predstavlja hipotetičku metodu kretanja kosmičke letelice koja bi, za pogon, koristila uzastopne eksplozije niza nuklearnih bombi iza letelice na čijim udarnim talasima bi se kretala. Ideja se pojavila krajem 1940-ih godina, a krajem 50-ih je počela da se razvija konstrukcija propulzivnog sistema letelice pod nazivom “orion”. Koncept je počeo da se testira 1959. godine kada su izvršene probe sa konvencionalnim hemijskim eksplozivom, sa kojima su izazvane usmerene eksplozije iza velike čelične potisne ploče koja je bila pričvršćena na model letelice zajedno sa apsorberima udara.
Udarni talas izazvan eksplozijom udario bi o donju stranu potisne ploče dajući snažan potisak koji bi povećao brzinu kretanja letelice sa specifičnim impulsom od oko 6.000 sekundi (što je oko dvanaest puta veće nego kod glavnog motora na „spejs-šatlu“). Proračuni su pokazali da bi, sa nuklearnim eksplozijama, ovaj koncept mogao dostići teorijski impuls od 100.000 sekundi i da bi, korišćenjem tada raspoloživih materijala, mogli biti izgrađeni kosmički brodovi čija je težina veća od nekoliko hiljada tona. Ovakva konstrukcija stigla bi od Zemlje do Marsa i nazad za 4 nedelje dok bi za odlazak do Saturna bilo potrebno 7 meseci, u poređenju sa sadašnjih 12 meseci, odnosno 9 godina za letelice koje koriste hemijski pogon. Sistem je bio potpuno operativan kada je projekat obustavljen 1965. godine, posle potpisivanja Sporazuma o delimičnoj zabrani nuklearnih testova.
Ključne komponente kosmičke letelice „orion“ |
Iako stručnjaci smatraju da je kosmički brod na nuklearni pogon u ovom trenutku najbolje rešenje za daleka međuplanetarna putovanja i letove u duboki svemir, zbog mogućnost radioaktivne kontaminacije ovakve rakete se ne smeju koristiti za lansiranje već samo za letove van Zemljine atmosfere. Zbog tog nedostatka dalji razvoj ide u pravcu nuklearnih raketnih motora kod kojih bi se, za zagrevanje fluida, umesto fisije koristila fuzija, ali se ne očekuje da oni budu spremni pre 2050. godine.
Dr Vladica Božić
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
