Какие перспективы использования ядерных энергоустановок в космосе?

Перспективы не сильно радужные, хотя и ненулевые. Просто для таких энергетических установок есть своя ниша.

Как это обычно и принято у квасных патриотов, они с радостью верят во все бре... э-э... все новости, которые им сообщают по ящику. Попытка сосчитать при этом воспринимается как национал-предательст­­во (с). Ну поскольку в этом плане на мне уже пробы ставить негде, позволю себе отвлечься на арифметику пополам с физикой.

Единственный реальный способ заставить работать ядерную энергетическую установку для разгона аппарата - это электрореактивный движитель. Прямой нагрев реактивной массы в ядерном реакторе куда менее эффективен, чем химический двигатель, чисто по температурным характеристикам. Химический двигатель даёт на выходе температуру реактивной массы до 4000 градусов (для водород-кислородной схемы). Ясное дело, что температура реактивной массы в ядерном реакторе не может превышать предельно допустимой для материала активной зоны, то есть в лучшем случае 2000К или около того. Выше - просто расплавится всё на фиг. Поэтому и электрореактивный.

По сути такой двигатель представляет собой линейный ускоритель заряженных частиц. Причём в нём запросто можно использовать и принцип синхрофазотрона, то есть иметь несколько разгонных промежутков по длине ускорителя, на которые подаётся переменное напряжение, тем самым можно при умеренной оного амплитуде придать разгоняемым ионам энергию, в несколько раз превышающую амплитуду напряжения (с точностью до коэффициента, равного заряду ионов).

Пусть у нас есть некое вещество с атомной массой μ, что в "нормальных" единицах массы будет соответствовать μр, где р - масса протона. Тогда на (эквивалентной) разнице потенциалов U однозарядный ион этого вещества приобретёт энергию Е=eU и импульс, равный корню из 2mЕ. Если подставить m=μp и E=eU, то получим выражение для импульса p = sqrt(2μpeU) = sqrt(2ep)*sqrt(μU). Первый сомножитель тут фактически природная константа, а второй зависит от выбора вещества рабочего тела (реактивная масса) и эквивалентного напряжения. В пересчёте на моль, а не на отдельный атом, это нужно умножить на Na (число Авогадро), в результате получим:

p = Na*sqrt(2ep)*sqrt(μU­­).

Однако в пересчёте не на моль, а на грамм массы это надо разделить на μ, то есть в результате получится p = Na*sqrt(2ep)*sqrt(U/­­μ). То есть чем меньше молекулярная масса той шняги, которая используется как реактивная масса, то тем больший импульс отдачи можно слупить с каждого её грамма. Что делает водород естественным кандидатом на роль реактивной массы в таком двигателе.

Теперь дадим численную оценку. Пусть разгонное напряжение 50 кВ, что соответствует энергии каждого иона водорода в 50 кэВ. Прямая подстановка числовых данных даёт скорость истечения в 3095 км/с, что чуть ли не на три порядка выше типовой скорости истечения химических двигателей. И это, безусловно, хорошо. Но давайте считать дальше.

Какую там предлагает народ мощность реактора? 1 мегаватт? Фигня, не будем мелочиться и предположим, что у нас всем рулит космический эквивалент РБМК-1000, то есть реактор с электрической мощностью в 1 ГВт. Тогда 50 кВ напряжения соответствует току в 20 тыс. ампер. Напомню, что ток, по определению, - это заряд в секунду, а заряд у нас создаётся ионами водорода. Значит, каждую секунду двигатель с ионным током в 20 кА извергает из себя 20000/е ионов водорода (е=1,60*10^-19 - заряд электрона), что при массе каждого иона в 1,67*10^-27 кг даёт тягу в 646 Н (напомню, что тяга реактивного двигателя равна произведению скорости истечения на секундный расход рабочего тела: F = v*Δm/Δt).

Пусть масса всего корабля, вместе с реактором и прочей требухой, - 1000 т (10^6 кг). Тогда по второму закону Ньютона в рассматриваемом случае получаем ускорение в 0,065 мм/с. Прописью: шестьдесят пять тысячных миллиметра в секунду.

Что интересно: если уменьшить напряжение, то, соответственно, вырастет и ток. При напряжении всего в 10 кВ ток будет уже 100 кА, и тяга станет равной 1445 Н. Ну понятно, ведь скорость упала только в корень из 5 раз, а выбрасываемая каждую секунду масса увеличилась впятеро, поэтому для такого двигателя выгоднее работа при умеренных напряжениях и сверхсильных токах... впрочем, я отвлёкся.

Есть и ещё один вариант реализации реактивного принципа на электрической энергии: разогрев рабочего тела током. Примерно то же, что происходит в термоядерном реакторе для инициирования процесса (первоначальный разогрев плазмы). В такой схеме температуру рабочего тела можно довести до десятков и сотен тысяч градусов, что теоретически может заметно повысить тягу - не за счёт скорости истечения, а за счёт резко большего расхода реактивной массы. Но и тут можно посчитать.

Давайте снова сосчитаем, сколько энергии нужно, чтоб нагреть 2 г водорода (1 моль) до 100000 К. Это RT, где R=8,314 Дж/моль/К - универсальная газовая постоянная. Для выбранной температуры и выбранной электрической мощности при стопроцентном кпд можно будет ежесекундно нагревать 2,46 кг водорода. Фиг его знает, чему будет равна скорость истечения для таких условий, но, думаю, не сильно погрешу против истины, предположив, что это будет средняя тепловая скорость движения молекул газа, которая равна sqrt(3kT/m), или, в принятых обозначениях, sqrt(3kT/μp). Тогда, при тех же предположениях, скорость истечения будет порядка 50 км/с (что в десятки раз меньше чисто электрореактивного принципа), но за счёт большего расхода массы тяга двигателя будет уже вполне приличной - 122,5 кН. Для корабля массой в 1000 тонн ускорение будет 1,22 см/с. Уже что-то. Однако я, признаться, о таком варианте двигателя с ядерной энергетической установкой не слышал - возможно, в силу сложностей создания конструкции. Это ведь мало чем отличается от термоядерного реактора, со всеми его проблемами типа создания сверхсильного магнитного поля, разогрева газа (вообще-то изначально электричества не проводящего) до вот такой температуры и т. п.

Мораль: тяга "ядерного двигателя", как его ни конструируй, будет совершенно никакой. Такой двигатель, да, эффективен для сверхдальних перелётов, поскольку может поддерживать ускорение фактически неограниченное время (пока не закончится весь водород), но рассчитывать, что "за месяц долетим до Марса", можно только от неграмотности.

Увы. Нельзя.

Пишут, что создаются (а может быть уже и созданы) проекты ядерных энергетических установок для космических аппаратов, имеющие электрическую мощность более мегаватта. При такой мощности энергоустановки можно использовать электрические ракетные двигатели в качестве разгонных блоков или маршевых двигателей для полетов к планетам солнечной системы. В настоящее время проводятся работы с различными видами ЭРД с целью выявления оптимальной конструкции, но для реального использования все они требовали достаточно мощную ЯЭУ с электрической мощностью измеряемую мегаваттами и если такая ЯЭУ будет создана, то это будет прорывом в исследовании космоса, а в перспективе делает возможным и освоение космоса.

Пока никаких. Вученые они же не совсем дураки. Прежде чем применять в космосе нужно испытать на Земле. Пока об таких испытаниях ничего не известно. Да неизвестен пока и новый принцип превращения атомной энергии в движущую кроме как через паровоз.

Термоядерных еще на Земле-то нет и в ближайшем будущем не появится. Экспериментальный реактор планируют построить к 2025ому, но это дело столько раз откладывали, что можно смело говорить про 2030ый. Первый коммерческий реактор появится в лучшем случае во второй половине века. Это, напомню - на Земле, а не в космосе.

С ядерными относительно проще, хоть сейчас запускай.

Прорывных решений нет ни там, ни там - все будет долго, дорого, и в общем-то в обозримом будущем невостребовано. С солнечными панелями гораздо проще и их вполне хватает.

Около года назад промелькнула информация в СМИ, что наши ученые создали и совершенствуют термоядерный реактор с прямым электронным переходом, поэтому и ТОКАМАК отдали европейцам. Надо надеяться в скором времени реактор доведут до ума. Что касается использования в космосе то реактор с прямым переходом это идеальная конструкция для использования в космосе, поскольку он не обременен паротурбинной силовой установкой, значительно утяжеляющей энергоблок и требующей особых условий эксплуатации.

Перспективы просты - альтернатив им нет (вечные двигатели, энергию вакуума и прочие фантазии не рассматриваю). Солнечные батареи работают только до орбиты земли, уже у марса все печально. Да и у земли требуются огромные лопухи.

Так что любое серьезное освоение космоса потребует энергию. И она будет атомной.