Благодаря новому миниреактору мечты о самолете с атомным двигателем могут стать реальностью

Новый работающий на гафнии реактор излучает так мало радиации, что включение его в общий порядок обслуживания на обычных гражданских аэродромах не составит особых проблем
Внутри атомного самолета Пока идут дискуссии о создании военного атомного летательного аппарата, мы предлагаем концепцию самолета на основе беспилотного разведчика Global Hawk. Гражданский вариант может строиться по такой же схеме
Солнечная батарея или смонтированный на двигателе генератор питает электричеством небольшой рентгеновский аппарат. Рентгеновские лучи, падая на брусок гафния178, запускают переход между энергетическими уровнями в ядрах атомов гафния. Этот процесс сопровождается выбросом гамма-излучения. Гамма-лучи нагревают сердечник теплообменного устройства. Перегретый воздух из теплообменника течет в реактивный двигатель, где выполняет ту же работу, что и расширяющиеся газы, полученные в результате сжигания реактивного горючего. Из соображений безопасности при полетах на небольшой высоте в реактивном двигателе будет использоваться традиционное горючее.
Всем своим видом Global Hawk демонстрирует победу функционализма над традиционными представлениями о форме

Исследования велись больше шестидесяти лет, и вот, наконец, первый самолет на атомной тяге почти готов к взлету. Хотя детали проекта все еще остаются под секретом, общие очертания этого удивительного летательного аппарата начинают вырисовываться из утечек информации на открытых конференциях и в рассекреченных технических разработках. В будущем самолете хорошо узнаваемый облик объединится с невиданными ранее техническими решениями. Знакомое — это силуэт беспилотного летательного аппарата Northrop Grumman Global Hawk, который использовался американцами в небе Ирака и Афганистана для контроля за перемещениями противника. Беспрецедентное — ядерный реактор совершенно нового типа. В реакторе ядерного распада для получения энергии используется расщепление ядер атомов тяжелых элементов, в реакторе синтеза — слияние ядер легких атомов, здесь же мы будем иметь дело с процессом, который называется «управляемой изомерной реакцией». Если эта новая силовая установка, получившая имя «квантовый нуклеонный реактор» (официальное название «реактор на основе самоподдерживающейся экзотермической реакции гамма-переходов долгоживущих изомерных ядер») оправдает надежды разработчиков, эффект от ее внедрения в авиационную промышленность можно будет сравнить с революцией, которую принесли первые реактивные самолеты.

Неуклюжий, но элегантный

Для тех, кто понимает, сам силуэт аппарата Global Hawk способен доставить эстетическое наслаждение, демонстрируя победу функционализма над традиционными представлениями о форме. В припухлом, бульбообразном носу этого самолетика спрятана крошечная антенна радиолокатора. Изолированный толстыми стенками реактивный двигатель приподнят высоко над хвостом и почти не оставляет следа на экранах тепловизоров. Даже тускловатая на вид краска, покрывающая фюзеляж, использована неспроста — она помогает рассеивать тепло, выделяемое электронным оборудованием. Вся совокупность передовых технических решений делает Global Hawk практически невидимым, когда он рассекает на пятнадцатикилометровой высоте, пристально вглядываясь в землю чувствительным радаром и зоркими объективами.

Для того, чтобы Global Hawk можно было назвать идеальным разведсамолетом, ему необходимо лишь одно — избавиться от нужды в дозаправке. Беспилотные разведчики действуют в глубоком тылу противника, так что заправка предполагает спешные перелеты на сотни, а то и тысячи километров до ближайшего контролируемого своими аэродрома. Это, пожалуй, главная причина, почему именно Global Hawk выбрали для проведения одного из самых смелых экспериментов в истории авиации. Официальные лица из корпорации Northrop Grumman и из исследовательских лабораторий ВВС США сообщили нашему корреспонденту, что уже начаты переговоры касательно преобразования Global Hawk в летательный аппарат с ядерной силовой установкой.

Если эти проекты будут реализованы, Global Hаwk снимут с конвейера, и его конструкцию подвергнут радикальным изменениям. Первым делом, добавится радиационная защита общим весом более тонны. Если такой щит установить между хвостом и зоной электронного оборудования, то внутри фюзеляжа можно будет создать этакую «горячую камеру», а уже в ней, сведя к минимуму утечку радиации, инженеры разместят первый в мире летающий квантовый нуклеонный реактор.

Что может быть проще, чем конструкция реактивного двигателя! Горючее смешивают с воздухом, сжимают и поджигают. В процессе горения газ стремительно уносится в сторону хвоста, толкая вперед весь летательный аппарат. Обычно для этого сжигается реактивное горючее. Так же будет и с новым ядерным самолетом, когда он будет взлетать, набирать высоту или заходить на посадку. Когда же он достигнет крейсерской высоты — примерно 15 км, то есть повыше, чем летает над Атлантикой коммерческая авиация, — двигатель переключится на использование горячего воздуха, разогреваемого в ядерном реакторе. При использовании такого источника энергии в беспилотном варианте самолет сможет нести боевое дежурство много месяцев подряд. Что касается пилотируемого варианта, а его следует понимать как естественный следующий шаг в развитии проекта, то здесь длительность полета будет ограничиваться лишь запасами пищи для экипажа.

Создать самолет на ядерной тяге — значит решить целый комплекс сложнейших инженерных задач, хотя научные принципы, лежащие за этим проектом, кажутся простыми и понятными. В реакторе, построенном на принципах расщепления, создаются условия для распада атомов какого-либо очень тяжелого элемента, к примеру, урана. В акте распада выбрасываются свободные нейтроны, которые запускают распад соседних атомов, а заодно выделяют избыточное тепло. В реакции ядерного синтеза нужно добиться слияния атомов очень легкого элемента, скажем, водорода. Здесь преобразование массы в энергию также подчиняется знаменитому эйнштейнову равенству Е = mc2, а грандиозное выделение тепловой энергии поддерживает течение начавшейся реакции.

Реакторы, основанные на процессах ядерного синтеза, находятся пока в зачаточном состоянии, зато реакцию распада ученые пытались приспособить к энергоснабжению самолета еще в сороковые годы. С конца пятидесятых до конца восьмидесятых ВВС и ВМФ США активно занимались разработкой подобных проектов и продвинулись вплоть до полевых испытаний отдельных компонентов для будущего атомолета. С одной стороны, достижения налицо: в воздух был поднят реконструированный Convair B36 Peacemaker, несущий на борту действующий ядерный реактор. С другой стороны, все эти испытанные компоненты так и не были собраны в единое целое, и летательный аппарат на атомной тяге так и не поднялся в небо. Главной и непреодолимой проблемой оказалась защита экипажа от радиации, то есть от потока нейтронов, пронизывающего самолет со стороны реактора. Конструкции с достаточно эффективным экранированием оказывались слишком тяжелыми и не позволяли поднять в воздух необходимый объем вооружения.

В квантовом нуклеонном реакторе не происходит ни ядерного синтеза, ни распада. Энергия в нем выделяется в виде интенсивного потока гамма-лучей. Такое излучение тоже опасно для человека, однако его можно успешно экранировать с помощью значительно более легкой защиты.

Радикальный реактор

Горючее для квантового нуклеонного реактора представляет собой один из изомеров гафния. Как ни странно, тот же гафний всегда использовался для замедления цепной реакции распада в некоторых типах промышленных реакторов. Когда в таком реакторе возникшие в результате распада ядер свободные нейтроны готовы запустить распад соседних атомов, на их пути оказываются атомы гафния, действующие наподобие тормоза, то есть захватывающие свободные нейтроны, но не отвечающие на это расщеплением собственных ядер.

В конце девяностых годов в лабораториях Техасского университета в Далласе наблюдали весьма неожиданный феномен с участием изомера гафния, называемого «гафний 178». При бомбардировке этого металла «мягкими» рентгеновскими лучами (примерно такими, как те, что используются в клиниках для просвечивания ваших зубов) металл неожиданно выбросил пучок гамма-лучей в шестьдесят раз более мощный, чем доза полученного рентгеновского облучения. Как бы ни был удивителен этот фокус, законам физики он не противоречит. На субатомном уровне бомбардировка гафния рентгеновскими лучами вызывает эффект, похожий на крошечную снежную лавину, когда удачно брошенный снежок сталкивает с кровли целый пласт снега.

Капитан Кристофер Гамильтон продолжил работы над гафниевым реактором на военно-воздушной базе Райт-Паттерсон в Огайо, и именно ему пришла в голову идея использовать такую установку на самолете типа Global Hawk. Нам он рассказал, что одним из самых удобных свойств нового реактора будет то, что выброс гамма-излучения резко прекращается в тот же самый момент, когда мы выключаем рентгеновский аппарат.

Капитан Гамильтон отметил и другие положительные стороны гафниевого реактора. Поскольку при его работе испускается только гамма-излучение, для защиты от него требуются гораздо более легкие экраны. В случае аварии и разрушения реактора последствия для окружающей среды будут несравненно меньше, чем при повреждении традиционной ядерной энергоустановки. Период полураспада гафния 178 составляет всего лишь 31 год — сравните с тысячелетиями применительно к обычному ядерному горючему. И, наконец, в отличие от урана или плутония, гафний не способен самостоятельно поддерживать цепную реакцию, а значит, из него никак нельзя смастерить самодельного взрывного устройства.

В своем докладе капитан Гамильтон приводит подсчеты, согласно которым небольшой генератор рентгеновских лучей может вызвать гамма-излучение в таких объемах, что полученного тепла хватит для работы военного реактивного двигателя средней величины. Лаборатории ядерного оружия в Лос-Аламосе и Сандии (Нью-Мексико) продолжили работу над этим проектом, получив финансирование со стороны Министерства энергетики. Министерство обороны включило проект реактора в свой «Список ведущих военно-технических направлений».

При разработке обычного летательного аппарата путь от эскизного проекта до взлетной полосы обычно занимает лет десять. Проект гражданского атомного самолета обсуждался в той или иной форме более шестидесяти лет. Появление силовой установки нового типа вполне может превратить полувековую мечту в летающую реальность.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2004).