موتورهاي هسته اي



1- مقدمه

دانشمندان و مهندسيني ـ که در حوزه ي صنايع فضايي کار مي کنندـ همواره تمايل به ساخت موتور موشک با توانايي و کارکرد مؤثرتر داشته اند. مهمترين پارامتري ـ که به عنوان مشخصيه ي مؤثر موتور شناخته مي شودـ ضريه ويژه است. اين پارامتر، به ميزان زيادي به نوع سوخت مصرفي موتور مربوط مي شود. در اين زمينه، موتورهايي که بتوانند با سوخت هسته اي کار کنند، به دليل ضربه ي ويژه بالايي که دارند، همواره براي کارشناسان وسوسه انگيز بوده اند. البته تاکنون مهندسين نتوانسته اند از انرژي هسته اي در موتور موشک هاي حامل استفاده کنند، اما تلاش ها در اين زمينه نويدبخش آينده اي درخشان در گسترش فعاليت هاي فضايي و جستجود در جهان نامتناهي بوده و پرواز به سياره ي مريخ را به دليل کاهش نگراني از نظر سوخت آسان خواهد کرد. به هر حال مشکلات بسيازر زيادي براي فعاليت در اين حوزه وجود دارد که مهم ترين آنها مشکلات مالي تأمين بوجه ي لازم جهت تحقيقات و ساخت اين نوع موتورها است. به دليل وجود همين مشکلات، تا امروز هيچ يک از کشورهاي پيشرو در عرصه فضا، موفق به استفاده از موتورهاي هسته اي از در اجسام پرنده ي فضايي نشده اند. نخستين فعاليت هاي تحقيقاتي در باره ي موتورهاي هسته اي کم و بيش به صورت هم زمان در روسيه و آمريکا آغاز شد و اين دو کشور به فاصله ي کمي از يکديگر، ساخت و آزمايش بر روي اين دسته از موتورها را انجام دادند.
2- موتور هسته اي

هنگامي که از موتور هسته اي صحبت مي شود، نخستين سؤالي که به ذهن متبادر مي شود اين است که اين موتور چه ويژگي هايي دارد؟ در پاسخ بايد گفت که بسياري از موتورهاي هسته اي مشابه موتور سوخت مايع بوده و براساس آن شکل گرفته اند. تنها تفاوت، آن است که در اين دسته از موتورها، دماي سيال خروجي از نازل، با توجه به انرژي شکافت هسته اي فزايش مي يابد و به اين ترتيب نيروي رانش لازمه ايجاد مي شود. در موتور هسته اي افزون بر محفظه ي احتراق ـ که در موتور سوخت مايع وجود داردـ يک راکتور نيز به کار مي رود که قادر به گرم کردن گاز تا 3000 کلوين است. اين دما با توجه به ميزان استحکام جنس بدنه و ديگر قطعات و اجزاي محفظه تعيين مي شود.
سؤال ديگري در اين رابطه با موتور هسته اي مطرح است، آن است که موتور هسته اي به چه ميزان مؤثرتر از موتور سوخت مايع است؟ اهميت اين سؤال از آنجا ناشي مي شود که ساختار اين موتور به مراتب پيچيده تر از موتور سوخت مايع بوده، جرم بيشتري داشته و از سوي ديگر نياز به سامانه هاي ويژه براي حفاظت و ايمني دارد. با توجه به اين مسأله، پيش از آن که تنها به مؤثرتر بودن اين نوع موتور در مقايسه با موتورهاي سوخت مايع پرداخته شود، بايستي به ميزان کارآمدي آن نسبت به موتورهاي سوخت مايع توجه داشت. اصولاًدر راکتور هسته اي مي توان هر گازي را گرم کرد، اما به طور کلي و به عنوان يک اصل، هر چه سيال عامل خروجي از نازل، جرم مولکولي کمتري داشته باشد، کارآيي موتور بيشتر است. به همين دليل اگر در موتور هسته اي، هيدروژن مورد استفاده قرار گيرد، سرعت جريان خروجي از نازل، سه برابر بيش از بهترين موتور سوخت مايع اکسيژن هيدروژني است.
تا سال 1996 ميلادي، در جهان تنها نسل اول موتورهاي هسته اي، آزمايش کامل با ابعاد واقعي را گذراندند. راکتورهاي اين موتورها از ميله هاي سوختي و منعکس کننده هاي محيطي نوترون ها تشکيل شده بود. ميله هاي سوخت، مرکب از اورانيوم 235 و کُندکننده هاي نوتروني بود. تنها در روسيه، و آمريکا انجام مي شود. از سال 1955، آمريکايي ها کار بر روي ساخت راکتورهاي هسته اي نوع نروا (1) را شروع کردند. اين راکتور براي استفاده در موتور موشک هاي فضايي در نظر گرفته شده بود. در موتورهاي نروا، هيدروژن در ژاکت خنک کاري نازل و پوسته ي راکتور گرم شده، وارد فضاي محيطي ميله هاي سوختي مي شود. در آن جا با توجه به سطح گسترش يافته و قابل ملاحظه ي تبادل حرارت، هيدورژن تا دماي 2360 کلوين گرمي مي شود. بخشي از گازهاي گرم، جهت به حرکت درآوردن توربين سانه ي توبوپمپ، به سمت توربين هدايت مي شود. سامانه ي توربوپمپ، دبي لازمه ي هيدروژن را براي ايجاد نيروي نيروي رانشي برابر 33/6 تن تأمين مي کند. توان حراتب راکتور موتور حرارتي راکتور موتور ياد شده، 1510 مگاوات و جرم آن 4300 کيلوگرم است. درمدت زمان کمي پس از شروع پروژه، آزمايش ها بر روي راکتورهاي با ابعاد واقعي فاقد نازل ـ که کي وي (2) نام گذاري شدـ آغاز گرديد. اما بيشتر ميله ها سوخت به خاطر ترک هاي موجود در آن از بين رفتند. از اين رو در پايان سال 1963، آمريکا برنامه ي بلندمدتي تدوين کردکه براساس آن، فناوري موتورهاي هسته اي تا سال هاي 2014 تا 2016 و به منظور سفر به مريخ تکميل شود.
از سوي ديگر و در شوروي سابق، در نميه ي دوم دهه ي پنجاه قرن گذشته ي ميلادي، طراحي نخستين موتور هسته اي شروع شد. در تابستان 1959، کارشناسان آمادکي خود را براي انجام نخستين آزمايش راکتور موتوي هسته اي از نوع اي ـ گي ـ ار اعلام کردند. نخستين آزمايش راکتور ياد شده در سال 1961 انجام شد. بهينه سازي طراحي اين راکتور تا سال هاي 1989ـ1975 به درازا انجاميد و در راکتور جديد اي ـ وـ گ ـ 1، آزمايش طول عمر مجموعه ي ميله هاي سوختي در سخت ترين رژيم کاري ممکنه و در دماي 3100 کلوين و شار حرارتي 20 کيلوات بر سانتي متر مکعب انجام شد. اين مقادير به مراتب بالاتر از مقاديري بود که در آمريکا به دست آمده بود. اما در راکتور موتور هسته اي کوچکي که ايرگييت ناميده مي شد، تواني برابر 60 مگاوات و دماي 2650 کلوين حاصل گديد. به منظور کاهش هزينه ها، دانشمندان روس برخلاف آمريکايي ها، اقدام به آزمايش ميله هاي سوخت در راکتورهاي تحقيقاتي کردند. اين امر، طي دهه هاي 1970 و 1980، امکان طراحي و انجام پروژه هاي مختلف فضايي موتورهاي هسته اي و سمانه هاي هسته اي توليد تانرژي را فراهم کرد. در روسيه، موتور هسته اي آر دي ـ0411 و موتور هسته اي کوچک آر دي ـ 0410 (3) با نيروي رانش 40 تن و 3/6 تن طراحي گرديد. موتور هسته اي روس ها، به خاطر استفاده از مواد مقاوم تر در برابر حرارت و ساختار بهينه ي طراحي ميله هاي سوختي و دماي بالاي ناحيه ي اکتيو، ضربه ويژه ي 9100 متر بر ثاينه توليد کرد، در حالي که ضربه موتور آمريکايي ها 8250 متر بر ثانيه بود.
در سال هاي اخير، آمريکا با اعلام از سرگيري فعاليت بر روي موتورهاي هسته اي و در قالب برنامه ي پيشگامان تحقيقات در فضا، قصد همکاري مشترک با روسيه و قزاقستان را در اين زمينه دارد. اين امر مي تواند به فعاليت دوباره مرکز آزمايش موتورهاي هسته اي در روسيه بيانجامد.
همان طور که باين شد، گرم کردن سيال عامل در موتورهاي هسته اي با راکتور فاز جامد، با توجه به دماي المان هاي ميله هاي سوختي و نيز استحکام در برابر حرارت مواد مودر استفاده، از محدوديت برخوردار است. از سويي، هر چه دما بالاتر باشد، ميزان ضريه ويژه ي موتور بالاتر خواهد بود. به همين دليل و براي آن که بتوان تا حدودي به اين مزيت دست يافت و از سوي ديگر بتوان تا حدودي بر مشکلات بيان شده غلبه کرد، دانشمندان ناگزير به استفاده از سوخت هسته اي گازي گرديدند.
ممکن است طراحي موتورهاي هسته اي، تا حدودي زمانه ي خود را در آينده تعيين کرده باشند، اما به هر حال و به طور کلي ظهور همگي اين موتورها، چندان نارس و بي موقع نيست. آماده سازي سفر انسان به مريخ، به دوره هاي ده ساله تقسيم شده است و پيشاپيش براي تحقق اين امر، نياز به سامانه هاي مولد نيروي مؤثر و نيز کارشناساني کارآمدـ به ويژه کارشناسان مهندسي قدرت ـ است. در حال حاضر، پروژه هاي متعددي در آمريکا و روسيه در ز مينه ي مجموعه هاي سرنشين دار در دست انجام است که به موتورهاي هسته اي جهت مسافرت به فضا، مجهز خواهند شد. در همين مورد، پيشنهاداتي به منظور استفاده زا ساختارهايي که در حال حاضر آزمايش شده و توانايي کاري خود را نشان داده اند، ارئه گرديده است تا زحمات دانشمندان و طراحان اين سامانه ها به هدر نرود. تلاش اين افراد بي فايده و عبث نبوده است، چرا که اين گونه تلاش ها به ميزان زيادي علم و فناوري را به پيش رانده اند. به لطف همين زحمات و تلاش ها، دانشمندان اکنون با چشم انداز روشن تري در صدد دست يابي به موتورهاي هسته اي جديد در سامانه هاي فضايي مي باشند .