Ядерные тепловые двигательные установки (ЯТДУ) представляют собой технологию, способную кардинально изменить космические путешествия, значительно сокращая время полета к Марсу по сравнению с традиционными химическими ракетами. Это не только снижает общие затраты на миссии, но и уменьшает воздействие радиации и невесомости на астронавтов. NASA рассматривает ЯТДУ как ключевой элемент для пилотируемых миссий на Марс, запланированных на 2040-е годы.
Основная сложность в разработке ЯТДУ заключается в создании материалов, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации: сверхвысокие температуры, интенсивное радиационное облучение и коррозию под воздействием горячего водорода, который используется в качестве рабочего тела. Защитные покрытия для компонентов активной зоны реактора и топлива играют здесь критически важную роль.
Окриджская национальная лаборатория (ORNL), подведомственная Министерству энергетики США, разработала новаторскую методику нанесения покрытия из карбида циркония (ZrC) на топливные элементы и материалы активной зоны. Это покрытие предназначено для защиты критически важных компонентов от проникновения водорода и коррозии, при этом не оказывая негативного влияния на нейтронику реактора.
Для проверки эффективности таких покрытий исследователи из группы измерений в ядерных и экстремальных средах ORNL создали уникальный испытательный инструмент — Внутриреакторный испытательный стенд для стационарных экстремальных температур (INSET). Это специализированная высокотемпературная печь, спроектированная для работы непосредственно внутри активной зоны ядерного реактора.
Вторая итерация стенда, INSET 2.0, на данный момент является единственной технологией, способной разогревать материалы от комнатной температуры до 2200 градусов Цельсия всего за примерно 5 минут. Это позволяет быстро извлекать образцы для анализа после нейтронного облучения. Значительный вклад в проектирование внесла Эмили Хатчинс, аспирантка Университета Теннесси. Стенд экономически эффективен для многократных экспериментов и может использоваться в любом исследовательском реакторе с диаметром порта более 8 дюймов.
Недавно на Исследовательском реакторе Университета штата Огайо (OSURR) был проведен ключевой эксперимент с использованием стенда INSET. Четыре различных образца-имитатора топлива для ЯТДУ, покрытых карбидом циркония, были помещены в INSET и подвергнуты облучению с многократными циклами нагрева и охлаждения. Эксперимент продолжался два дня.
Испытания проводились совместной командой под руководством ORNL. В качестве основных операторов стенда выступили аспирантка Университета Теннесси Эмили Хатчинс и кадет Военной академии США в Вест-Пойнте Павел Шиленко. Ведущим исследователем со стороны ORNL был Брэндон Уилсон из группы измерений в ядерных и экстремальных средах, также в команду входил постдокторант ORNL Брайан Конри.
Важный вклад в реализацию проекта также внесли сотрудники ORNL: Кэтрин Монтойя, Эдди Лопес Онорато, Крейг Грей, Боб Ситтерсон, Ник Принс и Н. Дайан Булл Эзелл. Неоценимую поддержку оказали Лаборатория ядерного реактора Университета штата Огайо и персонал реактора OSURR.
Следующим этапом станет анализ облученных образцов покрытий, который будет проведен в ORNL позднее этой весной. Цель — оценить эффективность карбида циркония в защите топливных элементов в условиях, имитирующих работу ядерного теплового двигателя.
Результаты этого анализа станут решающим шагом в валидации ядерного топлива и продвижении технологии ЯТДУ, приближая эру быстрых пилотируемых полетов к Марсу под эгидой NASA. Успешное тестирование покрытий подтверждает жизнеспособность выбранного подхода к созданию долговечных и надежных компонентов для будущих космических ядерных двигателей.
Основная сложность в разработке ЯТДУ заключается в создании материалов, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации: сверхвысокие температуры, интенсивное радиационное облучение и коррозию под воздействием горячего водорода, который используется в качестве рабочего тела. Защитные покрытия для компонентов активной зоны реактора и топлива играют здесь критически важную роль.
Окриджская национальная лаборатория (ORNL), подведомственная Министерству энергетики США, разработала новаторскую методику нанесения покрытия из карбида циркония (ZrC) на топливные элементы и материалы активной зоны. Это покрытие предназначено для защиты критически важных компонентов от проникновения водорода и коррозии, при этом не оказывая негативного влияния на нейтронику реактора.
Для проверки эффективности таких покрытий исследователи из группы измерений в ядерных и экстремальных средах ORNL создали уникальный испытательный инструмент — Внутриреакторный испытательный стенд для стационарных экстремальных температур (INSET). Это специализированная высокотемпературная печь, спроектированная для работы непосредственно внутри активной зоны ядерного реактора.
Вторая итерация стенда, INSET 2.0, на данный момент является единственной технологией, способной разогревать материалы от комнатной температуры до 2200 градусов Цельсия всего за примерно 5 минут. Это позволяет быстро извлекать образцы для анализа после нейтронного облучения. Значительный вклад в проектирование внесла Эмили Хатчинс, аспирантка Университета Теннесси. Стенд экономически эффективен для многократных экспериментов и может использоваться в любом исследовательском реакторе с диаметром порта более 8 дюймов.
Недавно на Исследовательском реакторе Университета штата Огайо (OSURR) был проведен ключевой эксперимент с использованием стенда INSET. Четыре различных образца-имитатора топлива для ЯТДУ, покрытых карбидом циркония, были помещены в INSET и подвергнуты облучению с многократными циклами нагрева и охлаждения. Эксперимент продолжался два дня.
Испытания проводились совместной командой под руководством ORNL. В качестве основных операторов стенда выступили аспирантка Университета Теннесси Эмили Хатчинс и кадет Военной академии США в Вест-Пойнте Павел Шиленко. Ведущим исследователем со стороны ORNL был Брэндон Уилсон из группы измерений в ядерных и экстремальных средах, также в команду входил постдокторант ORNL Брайан Конри.
Важный вклад в реализацию проекта также внесли сотрудники ORNL: Кэтрин Монтойя, Эдди Лопес Онорато, Крейг Грей, Боб Ситтерсон, Ник Принс и Н. Дайан Булл Эзелл. Неоценимую поддержку оказали Лаборатория ядерного реактора Университета штата Огайо и персонал реактора OSURR.
Следующим этапом станет анализ облученных образцов покрытий, который будет проведен в ORNL позднее этой весной. Цель — оценить эффективность карбида циркония в защите топливных элементов в условиях, имитирующих работу ядерного теплового двигателя.
Результаты этого анализа станут решающим шагом в валидации ядерного топлива и продвижении технологии ЯТДУ, приближая эру быстрых пилотируемых полетов к Марсу под эгидой NASA. Успешное тестирование покрытий подтверждает жизнеспособность выбранного подхода к созданию долговечных и надежных компонентов для будущих космических ядерных двигателей.