В зависимости от того, перемешивается ли рабочее тело с ядерным горючим или отделено от него, различают схемы соответственно гомогенных и гетерогенных двигателей. Принципиальным недостатком гомогенных схем, который ставит под сомнение их целесообразность, является большой вынос урана вместе с рабочим телом — около 100 кг на 1 т рабочего тела.
В гетерогенных схемах можно существенно снизить вынос ядерного горючего или даже свести его к нулю. В объеме реактора с помощью соленоидов создается сильное магнитное поле, нарастающее к краям. Конфигурация поля при этом образует так называемую магнитную «бутылку». Магнитная «бутылка» обладает тем свойством, что вещество в состоянии плазмы может удерживаться в ней достаточно долго без наличия каких-либо твердых стенок. В результате ядерных реакций уран переходит в состояние плазмы и магнитное поле удерживает его от смешения с рабочим телом (водородом). Последнее обтекает магнитную «бутылку» с ядерным горючим, отнимая от нее тепло. Для того чтобы не происходило перемешивания, должно соблюдаться условие ламинарного обтекания. В этом случае эффективный теплообмен между активной зоной и рабочим телом возможен лишь излучением. Так как водород прозрачен для излучения урановой плазмы, в него добавляют литий в количестве 1–2 %, который, ионизуясь, сильно поглощает излучение. В такой схеме ожидается получение скорости истечения 20–30 км/с при выносе урана менее 2 % относительно расхода рабочего тела.
Исследуются также схемы газофазных двигателей, в которых вообще отсутствует вынос делящегося вещества. Схема тепловыделяющего элемента такого двигателя приведена на рис. 4. Двигатель представляет собой капсулу с двойными стенками, выполненную из прозрачного тугоплавкого материала (например, лейкосапфира). Внутри капсулы помещают делящееся вещество, которое в рабочих условиях находится в газовой фазе. Между стенками для их охлаждения прокачивается водород. Поскольку и стенки и водород прозрачны для излучения, выделяющаяся ядерная энергия в виде излучения выходит наружу, где нагревает тот же водород, но уже с добавками лития. Из таких тепловыделяющих элементов набирают активную зону реактора.
Реализация этой схемы тормозится отсутствием подходящих материалов для прозрачных стенок, стойких в контакте с газообразным ураном в условиях высоких температур и больших радиационных потоков.
При удержании плазмы в магнитной «бутылке» возможна реализация термоядерного двигателя, использующего реакцию синтеза ядер. Однако более перспективными способами использования термоядерного синтеза считаются импульсные схемы, которые будут рассмотрены несколько позже.
Рис. 4. Ячейка активной зоны гетерогенного газового ЯРД: 1 — сапфировые стенки, 2 — урановая плазма, 3 — рабочее тело
Электрические реактивные двигатели. Электрический реактивный двигатель представляет собой устройство для преобразования электрической энергии, вырабатываемой на борту ракеты, в кинетическую энергию отбрасываемой массы. Самый простой способ преобразования осуществляется в так называемых электротермических двигателях, когда рабочее тело нагревается электрическим током и затем ускоряется в реактивном сопле, как в обычных тепловых двигателях.
Хотя при электрическом нагреве могут быть получены очень высокие температуры, более предпочтительными являются двигатели с электромагнитным ускорением рабочего тела. В таких двигателях в кинетическую энергию преобразуется энергия электромагнитного поля и, следовательно, в них кет термодинамических ограничений на величину скорости истечения и на КПД преобразования энергии.
По тем электромагнитным силам, которые используются для ускорения рабочего тела, различают ионные, плазменные и высокочастотные двигатели. В ионных двигателях ускорение происходит за счет взаимодействия электрического поля с ионами или заряженными макрочастицами рабочего тела. В плазменных двигателях используется взаимодействие тока с магнитным полем. И наконец, в высокочастотном двигателе ускорение осуществляется полем бегущей электромагнитной волны. В электрических двигателях относительно несложно получить сколь угодно большие скорости истечения, вплоть до скоростей, близких к скорости света (например, если использовать в качестве двигателя ускорители элементарных частиц).
Из-за отсутствия легких накопителей электрической энергии (аккумуляторов) использование принципа электромагнитного ускорения имеет смысл лишь в сочетании с преобразованием ядерной энергии в электрическую. В настоящее время не известны сколь-нибудь эффективные прямые способы такого преобразования, и поэтому использование автономных электрических двигателей всегда рассматривается в сочетании с бортовой атомной электростанцией, работающей по тепловому циклу.
Принципиальная схема космической энергоустановки включает в себя, как и любая наземная электростанция, источник тепла (в данном случае ядерный реактор), тепловую машину (преобразующую подведенное тепло в электроэнергию) и холодильник (устройство, отводящее отработанное тепло). Самым существенным отличием космических энергоустановок от их наземных аналогов является способ отвода тепла. В космическом пространстве сброс тепла возможен только излучением.
Насколько это серьезное обстоятельство, можно представить себе из следующего примера. Для излучения тепла в 1 кВт при средней температуре теплосброса в наземных электростанциях 50 °C требуется площадь излучающей поверхности холодильника 1,64 м2. Для электрического двигателя мощностью 100 кВт, что соответствует мощности ЖРД с тягой всего около 30 кгс, и общим КПД двигательной системы 20 % при этой же температуре потребуется холодильник площадью 1300 м2.
Энергия, излучаемая единицей поверхности, пропорциональна четвертой степени температуры, и поэтому для сокращения площади холодильника необходимо повышать его температуру. Поскольку КПД электростанции как тепловой машины пропорционален разности температур источника тепла и холодильника, то для сохранения величины КПД необходимо соответствующее увеличение температуры источника.
Таким образом, общей задачей повышения эффективности как тепловых, так и электрических двигателей является создание высокотемпературного реактора. Потребности в космической энергетике вызвали интенсивные исследования в области высокотемпературного прямого преобразования тепла в электричество.
Наиболее перспективными системами преобразования для космических установок оказались термоэлектронные преобразователи (ТЭП). Принцип работы ТЭП иллюстрируется на рис. 5, где ТЭП представляет собой диод, межэлектродный зазор которого заполнен парами цезия. При высокой температуре катод испускает электроны, которые конденсируются на аноде, заряжая его до отрицательного потенциала относительно катода. В результате между катодом и анодом возникает разность потенциалов, и при замыкании их на нагрузку в цепи идет электрический ток.
Охлаждение катода, вызванное «испарением» электронов и потерями на излучение, компенсируется подводом тепла от ядерного реактора. Тепло, выделяющееся на аноде в результате конденсации электронов и лучистого подогрева со стороны катода, отводится теплоносителем или непосредственно излучением в космическое пространство.
Рис. 5. Принципиальная схема термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую: 1 — катод, 2 — межэлектродный зазор, заполненный парами цезия, 3 — анод, 4 — нагрузка
Термоэлектронный преобразователь с вольфрамовым катодом может работать при температуре катода до 2500 К и температуре анода 1000–1400 К с удельной мощностью от 5 до 40 Вт/см2 при КПД до 25 %. Недостатком ТЭП является его малое рабочее напряжение (около 0,5 В), и поэтому используется последовательное соединение элементов.
Теоретически температура теплосброса, оптимальная с точки зрения размеров холодильника, должна составлять 75 % от температуры источника тепла. При температурных ограничениях, накладываемых твердотельным реактором, холодильник-излучатель всегда будет если не самой тяжелой, то самой громоздкой частью космической энергоустановки. Для эффективной работы холодильника его поверхность должна иметь температуру, близкую к нижней температуре теплового цикла.
Добиться этого за счет естественной теплопроводности материалов нельзя, необходим принудительный перенос тепла путем циркуляции жидкого или газообразного теплоносителя. При этом появляются дополнительные потери энергии на прокачку теплоносителя, и установка оказывается весьма уязвимой к метеоритному пробою. При больших поверхностях холодильника резко возрастает вероятность попадания метеорита размером, достаточным для разрушения стенки канала с теплоносителем, что приведет к разгерметизации и выходу установки из строя.