Помимо рекордной мощности, реактор NERVA обладал системой управления невероятной, на мой вкус, красоты — как буквально-инженерной, так и метафорически-символической. На чертежах она напоминает схему магического ритуала высвобождения великих сил (почти как в «Пятом элементе», только элемент в центре круга двести тридцать пятый) и показывает, что внутренний стержень вполне можно заменить правильным окружением.

У раннего прототипа Kiwi-A внутренние стержни были, как и у большинства реакторов. Поглотители нейтронов двигались внутри полости в активной зоне, заполненной циркулирующей тяжелой водой, которая обеспечивала их охлаждение и заодно дополнительно замедляла нейтроны (в рамках терминологии проекта эта полость называлась "D₂O island", и, таким образом, являлась редким случаем острова, состоящего из воды). Система работала, но для летающего изделия не годилась — если для реактора на испытательном стенде еще можно придумать систему охлаждения, позволяющую засунуть что бы то ни было в дыру с температурой под три тысячи градусов, то вписать её в габаритные и массовые ограничения реального двигателя не представлялось возможным. Кроме того, сохранялась надежда сделать реактор частично многоразовым и переиспользуемым — а это требовало разработки «картриджной» конструкции, в которой активная зона вынималась и заменялась бы целиком, что тоже не очень сочеталось с какими-то входящими в неё стержнями.

(Уровень радиоактивности после работы на полной мощности, впрочем, душил эту надежду на корню — настолько, что позднейшие планы межпланетных миссий с использованием NERVA предусматривали захоронение единожды запущенного двигателя даже не на высокой околоземной орбите, а где-нибудь по возможности подальше).

Было принято решение управлять реактором, изменяя не количество нейтронов, поглотившихся внутри, а количество вернувшихся снаружи.

Слова «отражатель нейтронов» постоянно норовят быть понятыми несколько превратно, потому что «отражаться» в русском языке по умолчанию подразумевает зеркало. Но материалов, от которых нейтроны отскакивали бы, как мячик от стенки, не существует — нейтрон взаимодействует только с атомными ядрами, да и то очень нехотя, всё вещество для него явный вакуум с лёгкой дымкой вероятностных волн и в той или иной степени прозрачно, его мир состоит из цветного стекла (цветного, потому что сечения поглощения и рассеяния зависят от энергии нейтрона; как правило, они убывают с ростом энергии, т.е. стекло скорее фиолетовое; впрочем, эта аналогия заходит слишком далеко). Но стекло бывает более темным, если нейтроны в веществе поглощаются, и более матово-мутным, белёсым, если они в нем рассеиваются и, изменив направление движения несколько раз, с некоторыми шансами вылетают обратно. «Отражатель нейтронов» с точки зрения нейтрона — не зеркало, а скорее пушистое белоснежное облако. Слой ваты. Грубо побеленная шершавая стена.

Если ночью в комнате горит лампа, а большие окна не занавешены — часть света беспрепятственно уходит через них. Если задёрнуть плотные белые шторы — станет ощутимо светлее. Если реактор окружить слоем отражателя — часть нейтронов будет возвращаться в активную зону. Возможно, как раз та часть, которой не хватало, чтобы запустить разгон цепной реакции деления.

Любой реактор окружен слоем хоть чего-то, и отражательные свойства этого «чего-то» всегда учитываются при его расчёте, но обычно они более-менее постоянны и для управления не используются. Но такая возможность есть. То, что цепной реакцией можно управлять снаружи, просто меняя окружающую обстановку — и реакция отзовётся очень охотно — было наглядно продемонстрировано 21 августа 1945 г, когда Даглян уронил кирпич карбида вольфрама на Demon Core и вскоре умер. А потом еще раз ровно через девять месяцев, когда Злотин уронил на него же бериллиевую полусферу и тоже вскоре умер. И тот, и другой материал были отражателями. Задернутыми шторами, сделавшими светлее.

Активная зона Phoebus-2A была окружена бериллиевым корпусом 20-сантиметровой толщины, в каналах внутри которого располагались восемнадцать вращающихся цилиндров. С одной из сторон в цилиндрах были вставки карбида бора — одного из самых эффективных поглотителей нейтронов. В заглушенном состоянии цилиндры были повернуты «борной» стороной внутрь; с точки зрения нейтрона из активной зоны они выглядели как восемнадцать черных провалов. Потом сервоприводы поворачивали их бором наружу, а бериллием внутрь. Провалы закрывались, нейтроны отражались и возвращались в топливную сборку.

И становился свет.

На лампочку ядерный тепловой двигатель оказался похож не только по рабочей температуре, но и по материалу ключевой детали. Причем не на почти-уже-безнадежно-устаревшую лампу накаливания с вольфрамовой нитью, а именно на настолько-устаревшую-что-уже-опять-модную лампу Эдисона с угольной. Выбор материалов, способных хоть как-то работать при 2400 К, вообще крайне невелик, а все звучные имена из благородного рода тугоплавких металлов — молибден, тантал, вольфрам — не очень совместимы с ядерным реактором, потому что поглощают нейтроны как не в себя. Как и первый ядерный реактор Chicago Pile-1, реактор первого ядерного теплового двигателя состоял в основном из графита. Будущее творилось перемазанными руками.

(Поразительное всё-таки вещество. Никакая механическая прочность при нормальных условиях — и ровно та же никакая прочность в условиях, в которых всё остальное уже растворилось, расплавилось, а то и испарилось. Скромный неубиваемый хоббит мира конструкционных материалов).Легко всё равно не было. В среде раскаленного водорода под давлением корродирует даже графит. Блоки покрыли карбидом ниобия. В процессе пришлось сильно усовершенствовать CVD-технологию химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Покрытие вполне ожидаемо трескалось от перепада температуры. Пришлось разработать способ изготовления графита со специальными присадками, подгоняющими его собственный коэффициент теплового расширения под NbC.

В качестве собственно ядерного топлива сначала использовались микрочастицы оксида высокообогащенного урана UO₂, которые при запекании в графитовых блоках превращались в карбид UС₂. Оказалось, однако, что в холодном двигателе на хранении UС₂ охотно окисляется обратно при контакте с воздухом (особенно со влажным воздухом) — и при каждом цикле нагрев-охлаждение часть углерода улетучивается в виде CO. Ладно циклы — в конце концов, при реальном применении после запуска двигатель больше не увидел бы влажного воздуха никогда — но даже просто лежащие на складе топливные элементы от окисления разбухали на несколько процентов, сильно затрудняя последующий процесс вставки детали А в отверстие B при сборке. Решением стало покрытие 150-микронных частиц UС₂ 25-микронным слоем пиролитического графита. Потом развитие этой технологии приведёт к созданию TRISO, «самого прочного ядерного топлива» — микросфер с керамическим покрытием, надёжно удерживающих продукты деления внутри себя и слишком маленьких, чтобы их могло повредить какое-то внешнее воздействие. На их основе лениво разрабатываются проекты реакторов с газовым теплоносителем, приходящиеся NERVA дальними потомками, нашедшими нормальную работу™.

…но великий предок, похоже, остаётся непревзойденным. Phoebus-2A с объемом активной зоны в два кубометра был спроектирован на 5.3 ГВт — и 26 июня 1968 года успешно проработал двенадцать минут на 80% мощности.

Реакторов с тепловой мощностью три-четыре гигаватта — но при этом в сотни раз большего объема — немало. Реакторов более-менее постоянного действия с мощностью в пять гигаватт, кажется, нет. Получается, Phoebus-2A — не просто воплощенный довольно-таки безумный концепт ядерного реактивного двигателя, но и в принципе самый мощный ядерный реактор в истории.

…нет, физика не бессердечная сука, физика-то как раз вполне ценит некую фривольность и полёт фантазии, главное придерживаться правил активного согласия и говорить математикой через формулы. Настоящий мрачный хмырь с мерзким характером, способным похоронить любую идею — материаловедение.

История о том, как Эдисон перепробовал пять тысяч материалов для лампы накаливания (слева), соперничает по популярности с насыщением пяти тысяч человек пятью хлебами. Ядерный тепловой ракетный двигатель (прототип Kiwi-A — справа) кое в чём похож на эту лампу. У них одинаковая рабочая температура.

Если доведётся где-нибудь в баре увидеть настоящую лампу Эдисона, а не светодиодную подделку — посмотрите на оранжевый свет её тонкого волокна, ощутите исходящее от неё тепло и попробуйте представить ядерный реактор в кубометр объема и пять тонн веса, раскаленный до той же степени.

(Расплавленный металл обычно заметно прохладнее).

История NERVA — в основном скучно выглядящий со стороны поиск материалов для примерно всего.

Январь 2023 года. Ядерный двигатель в заголовках СМИ — DARPA (известно танцующими робособаками) и NASA (известно как NASA) заявили о совместной работе над ним и намерены приступить к испытаниям в космосе через каких-то пять лет. (Haha, fat chance). Но эта история началась гораздо раньше. И порой кажется, что это буквально та же самая история. Посмотрите:

1961 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету Saturn V;

1969 — NASA завершает разработку ядерного ракетного двигателя NERVA; в 1978 году планируется использовать его в марсианской миссии;

конец 1972 — ночной старт Saturn V к Луне;

…

2011 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету SLS;

2019 — DARPA анонсирует ядерный ракетный двигатель ROAR (впоследствии DRACO); в 2027 году планируются первые испытания в космосе;

конец 2022 — ночной старт SLS к Луне;

Уважаемый академик Фоменко, как вы думаете — это действительно разные события?

…

1962 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром

и мы ещё жалуемся, что в один и тот же сценарий отношений влипаем раз за разом…

* * *

Про что эта история? Сочетание слов «ядерный» и «космос» звучит очень привлекательно — это, возможно, два самых жутковато-манящих слова, доставшихся нам от двадцатого века — но что NERVA/DRACO собой представляют?

Ядерный реактор. То есть высокотехнологичный нагревательный элемент. Опять кипятильник. Предлагается построить, по сути, паровой реактивный автомобиль Ньютона (1680 г.), использующий ядерную энергию вместо печи с углём. Конструктивно это почти обычный ЖРД, только высокая температура летящего из сопла газа обеспечивается не горением топлива, а пропусканием его через реактор, занимающий место камеры сгорания.

Сможет ли он обеспечить существенно более высокую температуру газа? Нет, потому что она ограничена скорее возможностями охлаждения сопла и конструкции двигателя в целом, чем недостатком химической энергии.

Сможет ли он обеспечить существенно бóльшую удельную и/или абсолютную мощность? Нет, она тоже упирается в проблему охлаждения.

Избавит ли он от необходимости тащить с собой тяжелый бак с топливом? Нет, только теперь это будет не «топливо», а «рабочее тело». Мало иметь энергию, надо ещё тратить её на отбрасывание чего-то.

Неспециалист начинает недоуменно скучать. В чём смысл?

Смысл только и исключительно в том, что из сопла такого двигателя может течь водород. H₂. Самое лёгкое вещество, с молярной массой 2 г/моль.

Если рабочим телом сделать воду — смысла не будет никакого. Ядерный тепловой реактивный двигатель вчистую проиграет классическому ЖРД, который ту же воду получает сразу нагретой при сгорании водорода. Но вода тяжелая. Не в смысле «тяжелая из-за дейтерия», а в смысле «тяжелая из-за кислорода». Оксид не может быть легче окислителя, на роль окислителя не годится ничего легче ¹⁶O. А чем тяжелее продукты сгорания — тем меньше их тепловая скорость.

ЯРД не вкладывает в водород больше энергии, чем выделяется при окислении того водорода. Вся штука в том, что водороду можно не окисляться и оставаться лёгким, и при равной температуре выхлопа ЯРД может примерно втрое обойти ЖРД по скорости его истечения. На практике получается скорее «вдвое», потому что той равной температуры ещё попробуй добейся. Лучшие водород-кислородные двигатели обеспечивают удельный импульс ~450 с, из ЯРД удаётся выжать 850-900 с.

Неспециалисту резко перестаёт казаться столь уж хорошей идея запускать в космос ядерный реактор ради увеличения какого-то параметра всего в два раза. И он, в сущности, прав.

Но этот параметр стоит в показателе экспоненты. Он даёт шанс сократить массу топлива раз в пять. Или в пять раз увеличить полезную нагрузку. Или получить в два раза больше скорости, что по законам небесной механики может означать сокращение времени перелета гораздо больше, чем в два раза. (Без всяких релятивистских эффектов).

Если вам позарез (как вам кажется) надо на Марс, а в доме нет ничего грузоподъёмнее Saturn V — вы начинаете конструировать NERVA.

Делящееся вещество норовит покинуть ситуации, в которых ему предлагается поделиться поинтенсивнее, столь же быстро и решительно, как мифическая лягушка, мысленно брошенная в кипяток ради поучительной метафоры. Оно греется и расширяется, что ещё куда ни шло, но миллионной доли его энергии хватит и на то, чтобы расплавиться и испариться вместе с окружающими крепежными элементами, что обычно уже очень плохо сочетается с любым конструкторским замыслом.

Принципиально различных способов всё-таки вытащить из вещества почти всю энергию, а не миллионную её долю, всего два. Один совпадает с предлагающимся в байке о лягушке — делать всё медленно, не допуская резких изменений состояния. То есть всяко не расплавлять и тем более не испарять. То есть ограничиться температурами в пару тысяч градусов от силы — на этом месте конструктор показывает вам кулак — а скорее намного меньше. В таком раскладе мы можем разгонять цепную реакцию, пока она не станет выделять больше мощности, чем мы сможем унести — в самом буквальном смысле, унести прочь теплоносителем. А это задача сама по себе крайне непростая. (Достаточно послушать кулер на видеокарте, чтобы оценить, насколько). 

Получился ядерный реактор. Охлаждением обычно получается уносить никак не более гигаватта мощности с кубометра объема, температура обычно не превышает нескольких сотен градусов — и всё это не очень-то сильно отличается от обычного мощного парового котла. Тут рождается популярное разочарование «как же так, ядерный — ядерный! — реактор просто кипятит воду». Да, необходимость оставаться в твёрдом состоянии сводит реактор к кипятильнику, да, это как-то не очень вяжется с демоническими оттенками смысла слова «ядерный». Но эти оттенки оно приобрело по результатам извлечения энергии другим способом.

Другой способ всё-таки сварить лягушку целиком байка не предлагала — он, вероятно, недостаточно поучителен. Лягушку можно либо кидать в кипяток с очень большой скоростью (т.н. пушечная схема), либо быстро залить кипятком одновременно со всех сторон (схема имплозивная)…

Речь о ядерном взрыве, да.

Идея проста — если расплавление и испарение неизбежно, надо сделать так, чтобы это не было проблемой. Не успело стать проблемой. И тут очень играет на руку то, что нейтроны, во-первых, слабо взаимодействуют с веществом и могут перелетать от одной части заряда к другой, и, во-вторых, делают это быстро — скорость свежеиспущенных нейтронов составляет до нескольких процентов от световой, а тяжелые осколки деления тут же рассеивают свою энергию во взаимодействиях с пока ещё холодными соседними атомами. Визуализировать цепную реакцию в ядерной бомбе надо в стиле «Матрицы» — нейтроны летят сквозь застывшее время среди еле шевелящихся ядер. Если коэффициент размножения будет достаточно высок, они успеют расщепить их почти все, прежде чем что-то существенно изменится. Нейтроны можно сравнить с разносящимися над толпой воплями, которые способны привести её в состояние паники еще до того, как кто-то двинется с места.

…да будет свет.

* * *

Эти два способа принципиально различны, и, увы, между ними нет промежуточного варианта.

Фантаст, рисующий на Сияющей Технологии Будущего атомный трилистник, как правило, надеется, что Технология, с одной стороны, будет всё-таки не бомбой, а чем-то управляемым, но, с другой, даст энергию, ошеломительно превосходящую Скучную Технологию Настоящего. Это так не работает. Слегка превысивший удельную мощность парового котла ядерный реактор плавится и испаряется. Потерявшая концентрацию, фокус и состояние нейтронного потока ядерная бомба взрывается плохо, но всё равно взрывается. Энергию делящегося вещества можно добыть за годы, а можно за микросекунду. Выбирайте. Других опций не предлагается.

* * *

…удельная тепловая мощность камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, тем временем, может достигать десятка гигаватт на кубометр, обходя ядерный реактор на порядок. Кажется, подступиться к улучшению его показателей с Технологией Будущего будет сложно.

Впрочем, что там реактор. Удельная мощность ЖРД превосходит удельную мощность Сверхновой на пике светимости.

Цепные реакции окисления при повышении температуры ускоряются. Это, собственно, и делает окисление воспламенением и горением. А ещё, поскольку окислитель чаще всего где-то снаружи и вступать в реакцию может только на поверхности — горение очень любит разливание, измельчение, распыление, испарение и прочее перемешивание. Если выделившаяся энергия приведёт к взрыву и разбросает вещество — тем лучше. Гори-гори ясно.

Цепная реакция деления при повышении температуры, как правило, тормозится — тепловые нейтроны в горячем веществе недозамедляются, атомы интенсивно шевелятся, сечение захвата уменьшается. И она очень не любит расширение, растекание и прочее рассосредоточение, позволяющее нейтронам разбежаться. А поскольку ядерной энергии в веществе очень много, и мизерной её доли хватит на то, чтобы его нагреть, расплавить, испарить и раскидать — цепная реакция сделает всё, чтобы остановиться как можно быстрее.

Если вы случайно подожгли лежащий перед вами кусок чего-то горючего — велики шансы, что он будет полыхать, пока горючее не закончится. И, возможно, в процессе с повышением температуры обнаружится, что горючего в комнате гораздо, гораздо больше, чем вы думали.

Если вы случайно разогнали цепную реакцию деления в лежащем перед вами шарике плутония, переведя его в слегка надкритическое состояние (не буду показывать отвёрткой, на что я намекаю) то произойдёт вот что: нейтроны будут размножаться, ядра — делиться, шарик — стремительно греться, и в какой-то момент он нагреется достаточно, чтобы сечение поглощения нейтронов упало и цепная реакция начала затухать. И произойдет это всё гораздо быстрее, чем вы успеете сказать «бля» и предпринять какие-то действия для исправления своей ошибки.

(Впрочем, лучше все-таки что-то сделать. Шарик ведь рано или поздно остынет).

Совсем детальный и исчерпывающий разбор инцидентов с Demon Core найти затруднительно, поскольку он требует рассказать читателю про свойства плутония несколько больше, чем это социально одобряемо, но кое-какие итоговые результаты доступны. Из них, в частности, видно, что пиковая интенсивность цепной реакции продолжалась не более нескольких миллисекунд, а потом уменьшалась на два-три порядка (что, безусловно, всё ещё слишком много, чтобы безнаказанно стоять рядом и говорить о погоде) и стабилизировалась. Быстро — по человеческим меркам — снимая с шарика то, что на него упало, Даглян и Слотин действовали в интересах себя и присутствующих, но не предотвращали какое-то дальнейшее катастрофическое развитие ситуации и уж тем более ядерный взрыв™. Это плутоний сделал самостоятельно и гораздо быстрее.

Сечение бесполезного захвата нейтрона ксеноном превышает сечение полезного захвата ураном в три-четыре тысячи раз. Почему? Да ни почему. Какие могут быть «почему», когда есть ксенон-135.

…выбери A3-5, и я покажу тебе, насколько глубока ксеноновая нора.