ЯДЕРНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к ракетной и ядерной технике, предназначено для освоения космического пространства и может быть использовано для получения электрической и тепловой энергии на космическом корабле.

Общепринятым, традиционным способом создания реактивной тяги является химическая реакция горения, продукты которой выбрасываются из сопла реактивного, двигателя.

Двигатели, основанные на химической реакции имеют невысокую скорость выхода продуктов горения из сопла двигателя, составляющую около 1000 - 3000 м/с.

Кроме двигателей, использующих химическую реакцию горения, в настоящее время разрабатываются ядерные реактивные двигатели, например, двигатель по английскому патенту класса G 6 C N 1000050 от 29 августа 1962 г., принятый за прототип.

Конструкция такого двигателя состоит из корпуса, внутри которого размещен замедлитель нейтронов охватывающий камеру деления, соленоидов, расположенных вокруг корпуса и обеспечивающего самопроизвольное образование плазмы из газообразного делящегося материала и ее стабилизацию в камере деления и устройства, подающего разогретое делящееся вещество в активную зону реакторной камеры. Цилиндрическая реакторная камера может быть образована сваренными между собой трубками, по которым рабочее тело (например, жидкий водород) поступает в камеру деления в которой происходит его испарение и нагрев, после чего оно выбрасывается из сопла, создавая реактивную тягу.

Основным недостатком реактивных двигателей, использующих химическую реакцию горения топлива или разогрев рабочего тела с помощью ядерной реакции является относительно невысокая скорость истечения газов из сопла, которая не превышает десятка тысяч м/с, что приводит к необходимости размещения на ракете огромного запаса горючего, достигающего 90 и более % от массы снаряженной ракеты.

Цель изобретения - создание ядерного реактивного двигателя космического корабля, обеспечивающего решение задачи космических передвижений при первоначальной массе горючего, не превышающей 30% от полной массы корабля даже при самых отдаленных перемещениях в пределах солнечной системы.

Это достигается за счет того, что в качестве рабочего тела, выбрасываемого через сопло и создающего реактивную тягу, используются высокоэнергетические ядра-осколки, получающиеся в результате цепной реакции деления ядер делящегося топлива и имеющие скорость около 1,2•10⁷ м/с. Возможность использования продуктов деления в качестве рабочего тела стала возможной благодаря тому, что в камере деления цепная ядерная реакция деления осуществлена на разреженном газообразном ядерном топливе плотность которого такова, что продукты деления практически без потери своей кинетической энергии покидают камеру деления и выходят из сопла двигателя. Более подробное рассмотрение процессов, которые протекают в предлагаемом ядерном реактивном двигателе изложены в заявке НИИСтали (исх. N 7/2-86 от 23.09.93) под названием "Способ создания реактивной тяги ядерного реактивного двигателя".

Конструктивно ядерный реактивный двигатель состоит из корпуса, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоида стабилизации плазмы в камере деления, устройства подачи делящегося вещества в камеру деления, которое содержит плазмотрон, соединенный с подогревателем делящегося вещества и ускорителем плазмы, плазмовода, установленного на выходе ускорителя плазмы и соединенного с камерой деления. При этом на одном конце соленоида стабилизации плазмы установлена магнитная система обеспечивающая конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, которая удерживает плазмы делящегося вещества и осколков деления, а на другом - магнитная система обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления к выходу через сопло.

Камера деления может быть выполнена в форме половины тора, при этом средство для создания реактивной тяги включает два сопла, размещенных на торцах половины тора, причем в торцевых областях камеры деления установлены магнитные системы, обеспечивающие конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающей удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления создающих реактивную тягу.

На фиг. 1 изображена схема однопоточного; на фиг. 2 - схема двухпоточного ядерного двигателя.

Схемы включают подогреватель 1, плазмотрон 2, ускоритель плазмы 3, плазмовод 4, камеру деления реактора 5, замедлитель нейтронов 6, корпус двигателя 7, соленоид стабилизации плазмы 8, сопло 9, концевой магнит 10, пропускающий осколки деления высокой энергии и запирающий выход для плазмы из делящегося вещества и магнитную пробку 11, которая является "непрозрачной" как для плазмы, так и для осколков деления высокой энергии.

Делящийся материал, используемый в качестве ядерного горючего, может быть загружен на ракету или получен в камере трансмутации на борту ракеты из нерадиоактивных изотопов урана или тория.

Ядерное горючее подогревается в подогревателе 1 и в плазмотроне 2 превращается в плазму, которая ускоряется в ускорителе плазмы 3 и по плазмоводу 4 поступает непосредственно в камеру деления 5 через конус потерь магнитной ловушки или после преобразования плазмы в атомарный пучек при ее подачи в камеру деления в любом другом месте. Камера деления окружена замедлителем 6, который замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий и направляет их в камеру деления где они взаимодействуют с плазмой из делящегося вещества вызывая цепную реакцию деления. В камере деления плазма из делящегося вещества удерживается магнитным полем соленоида 8. Торцевые области камеры деления реактора находятся под влиянием концевых магнитов 10 и 11. Магнит 11 является "пробкой" не выпускающей ионизированную плазму делящегося вещества и осколки деления из камеры деления, тогда как концевая магнитная пробка 10, удерживая плазму внутри камеры деления, является "прозрачной" для высокоэнергетических осколков деления. Продукты деления беспрепятственно выходят из камеры деления в выходное сопло двигателя 9, создавая реактивную тягу. Реактор может быть также выполнен в виде половины тора (фиг. 2), на концах которого установлены кольцевые магнитные пробки 10, запирающие плазму в камере деления 5 и свободно пропускающие осколки деления к выходным соплам 9, образуя два выходных потока истечения рабочего тела из двигателя. Сила тяги двигателя регулируется количеством поступающей плазмы в камеру деления.

Эффективность предлагаемого двигателя можно оценить, предположив, что все осколки деления, выходящие из торцов магнитной ловушки, вносят 100% вклад в создание реактивной тяги. Тогда скорость ракеты после расходования 10% ее массы составит около 1300 км/с. Такая скорость позволит примерно в течение года осуществить полет к планете Плутон и вернуться обратно. При этом если исходная масса ракеты 50000 кг, то из этой массы 1300 кг (объемом менее 1 м³) будет приходиться на уран-238, которого хватит для того, чтобы ракета долетела до планеты Плутон и вернулась обратно на Землю. На начальном этапе движения мощность ядерного реактивного двигателя может быть равна 10 ГВт (3•10²⁰ дел/с), расход плутония -10 кг в сутки с последующим повышением мощности до 100 ГВт (расход - 100 кг в сутки), при этом ускорение ракеты массой 50000 кг составит ≈ 1% от ускорения силы тяжести на Земле.

При указанных значениях мощностей реактивного двигателя в теплоносителе от замедления быстрых нейтронов будет выделяться значительная энергия, составляющая около 300 МВт вначале и 3000 МВт при выходе двигателя на мощность 100 ГВт, которая может быть использована для получения тепловой и электрической энергии на борту космического корабля.

Использование: в космической технике, в частности в ракетной и ядерной технике. Сущность изобретения: ядерный реактивный двигатель содержит корпус с замедлителем нейтронов, охватывающим камеру деления, соленоид стабилизации плазмы в камере деления, плазмотрон, соединенный с подогревателем делящегося вещества, ускоритель плазмы и плазмовод, обеспечивающий ввод делящегося вещества в камеру деления. На одном из концов соленоида установлена магнитная система типа "магнитной пробки", удерживающая плазму делящегося вещества и осколков деления, на другом - магнитная система, которая удерживает плазму делящегося вещества, но пропускает осколки деления к выходному соплу двигателя. Камера деления может быть выполнена в форме половины тора с двумя выходными соплами на торцах. В торцовых областях расположены "магнитные пробки", которые удерживают плазму делящегося вещества и пропускают осколки деления через сопла. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ядерный реактивный двигатель, содержащий корпус, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоид стабилизации плазмы в камере деления, сопло и устройство подачи разогретого делящегося вещества в камеру деления, отличающийся тем, что устройство подачи делящегося вещества в камеру деления содержит плазмотрон, соединенный с подогревателем делящегося вещества и ускорителем плазмы, и плазмовод, установленный на выходе ускорителя плазмы и соединенный с камерой деления, при этом на одном из концов соленоида стабилизации плазмы установлена магнитная система, создающая конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и осколков деления, а на другом - магнитная система, обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления к выходу через сопло. 2. Ядерный реактивный двигатель, содержащий корпус, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоид стабилизации плазмы в камере деления, средство для создания реактивной тяги, отличающийся тем, что камера деления выполнена в форме половины тора, при этом средство для сохранения реактивной тяги включает два сопла, размещенных на торцах половины тора, причем в торцевых областях камеры деления установлены магнитные системы, обеспечивающие конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающей удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления через сопла.