Ядерные ракетные двигатели и энергетические установки

Москва 2013

Под редакцией чл -кор. РАН И.И. Федика
.

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки бакалавров и магистров 160400.62.68
«Ракетные комплексы и космонавтика» и инженеров
по специальности 160700.65 «Проектирование
авиационных и ракетных двигателей»

А.А. Дорофеев

Ядерные
ракетные двигатели
и энергетические
установки

Введение в теорию,
расчет и проектирование

2-е издание

УДК 621.456(075.8) 
ББК 39.65 
        Д69 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
Заслуженный деятель науки и техники, 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Леонтьев; 
д-р техн. наук, проф. кафедры «Ядерные реакторы и установки»  
Московского государственного технического университета  
им. Н.Э. Баумана В.И. Солонин 
 
Дорофеев А.А. 
Ядерные ракетные двигатели и энергетические установки. 
Введение в теорию, расчет и проектирование : учеб. пособие / под 
ред. чл.-кор. РАН И.И. Федика. — 2-е изд. — М. : Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2013. — 342, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-3727-6 
Изложены элементарные основы качественной теории нейтронно-физических и теплофизических рабочих процессов в ракетных 
двигателях и космических энергетических установках с ядерными 
источниками энергии. Приведены методики предпроектной оценки 
параметров тепловыделяющих сборок и радиационной защиты ядерных реакторов ракетных двигателей с твердой активной зоной с системой управления, а также сведения о конструировании и проектировании их газожидкостных систем в системной методологии тетрады «функция — конструкция — материал — технология» при 
приоритете радиационной ядерной безопасности. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению подготовки бакалавров и магистров «Авиационная и 
ракетно-космическая техника», и дипломированных специалистов по 
специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» направления «Двигатели летательных аппаратов».  
 
УДК 621.456(075.8) 
ББК 39.65 
 
В оформлении обложки использовано 
 фото ЯРД РД-0410 разработки ОАО КБХА (Воронеж)  
 
 
                                            © Дорофеев А.А., 2013 
                                            © Дорофеев А.А., 2012 
                                                                             © Оформление. Издательство МГТУ  
ISBN 978-5-7038-3727-6                                        им. Н.Э. Баумана, 2013

Д69 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие  .............................................................................................  
5 
Основные условные обозначения  ........................................................  10 
Основные сокращения  ...........................................................................  12 
Введение  ....................................................................................................  13 
Ч а с т ь  1. Ядерный ракетный двигатель как техническая  
                система  ..................................................................................  27 
Глава 1. ЯРД в системном представлении  ..............................................  27 
Глава 2. Ядерные энергетические и энергодвигательные  установки  ....  37 
Глава 3. Радиоизотопные источники теплоты, двигатели и энергоус- 
               тановки на их основе  ..................................................................  47 
Глава 4. Связь тепловой мощности ядерного источника энергии и па-  
               раметров теплового ЯРД  ...........................................................  55 
Ч а с т ь  2. Нейтронно-физические рабочие процессы  ....................  62 
Глава 5. Взаимодействие нейтрона и ядра  ..............................................  62 
5.1. Основные свойства нейтрона  ..............................................  64 
5.2. Замедление нейтронов  .........................................................  72 
5.3. Спектр нейтронов в реакторе  ..............................................  75 
Глава 6. Получение и регистрация нейтронов  ........................................  78 
Глава 7.  Взаимодействие нейтронов с материалами  .............................  83 
7.1. Макроскопические эффективные сечения взаимодей- 
       ствия ........................................................................................  83 
7.2. Замедление нейтронов и равновесная диффузия  ...............  86 
7.3. Поглощение нейтронов  ........................................................  92 
Глава 8. Процессы в замедлителе и отражателе  .....................................  95 
Глава 9. Радиационные эффекты  .............................................................  103 
Глава 10. Цикл размножения нейтронов в ядерном реакторе. Формула 
                четырех сомножителей  .............................................................  111 
Глава 11. Условия критичности активной зоны реактора  .....................  121 
Глава 12. Элементарное уравнение кинетики и регулирование ядер- 
                 ного реактора  ............................................................................  135 
Глава 13. Конструктивные решения реактора ЯРД с твердой активной 
                 зоной. Гомогенная и гетерогенная схемы  ..............................  139 
Глава 14. Тепловыделение в активной зоне реактора ЯРД  ...................  151 
Ч а с т ь  3. Тепловые и газодинамические рабочие процессы  .......  159 
Глава 15. Поле температуры и температурные напряжения в твэлах  ....  159 
Глава 16. Задача теплового расчета ТВС как основного агрегата ре- 
                 актора ЯРД  ................................................................................  169 

Оглавление 

 

4 

Глава 17. Расчет температуры рабочего тела, теплоотдающей поверх- 
                 ности и плоскости симметрии твэлов в ТВС с осевым те- 
                 чением теплоносителя  .............................................................  173 
Глава 18. Максимальная мощность ТВС и пути ее возможного повы- 
                 шения  .........................................................................................  184 
Глава 19. Расчетная оценка потерь давления при осевом течении сжи- 
                 маемого охладителя в ТВС  .........................................................  187 
Глава 20. Теплоперенос в активной зоне реактора ЯРД. Расчет поля  
                 температур с учетом изменения характеристик теплопере- 
                 носа и свойств теплоносителя  .................................................  199 
Глава 21. Работа нагревной секции твэлов с радиальным сопряжен- 
                 ным тепломассопереносом  ......................................................  203 
Глава 22. Поле температур в транспирационно охлаждаемом твэле  ...  214 
Глава 23. Расчет параметров потока в ТВС с радиально-осевым те- 
                 чением рабочего тела  ...............................................................  224 
Ч а с т ь  4. Конструкция и схемы газожидкостных систем ЯРД  ...  239 
Глава 24. Конструктивная схема и гидравлическое профилирование  
                 активной зоны реактора  ...........................................................  239 
Глава 25. Материалы ЯРД  ........................................................................  245 
25.1. Материалы и технологии изготовления твэлов и других 
         элементов, работающих при высоких температурах   ......  245 
25.2. Материалы замедлителя и отражателя  .............................  257 
25.3. Материалы исполнительных органов СУЗ  .......................  263 
25.4. Конструкционные материалы  ............................................  266 
Глава 26. Радиационная защита ЯРД  ......................................................  270 
Глава 27. Рабочие тела тепловых ракетных двигателей с радиоизотоп- 
                 ным источником теплоты и ЯРД  ............................................  282 
Глава 28. Газожидкостные системы двигательных установок с ЯРД  ....  299 
28.1. Особенности проектирования газожидкостных систем 
         ЯРД  ......................................................................................  299 
28.2. Примерная схема газожидкостной системы ЯРДУ  .........  311 
Заключение  ..............................................................................................  320 
Вопросы и задания для самоконтроля  ................................................  323 
Вопросы для контроля остаточных знаний  .......................................  329 
Литература  ...............................................................................................  331 
Термины и определения  ........................................................................  334 
Предметный указатель  ..........................................................................  340 
Именной указатель  .................................................................................  343 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Предлагаемое учебное пособие представляет собой расширенный конспект лекций по дисциплине «Теория, расчет и проектирование ядерных ракетных двигателей и энергетических установок», 
которая преподается на кафедре «Ракетные двигатели» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана с середины 60-х годов прошлого века. За это время объем дисциплины сократился примерно в три раза при почти 
неизменном перечне содержательных рубрик учебной программы. 
При этом сохранялась основная цель усвоения знаний — обеспечить профессиональную компетентность инженера-механика и инженера-теплотехника при проектировании, конструировании, экспериментальной доводке и эксплуатации ядерных двигательных и 
энергосиловых установок. 
Полученные необходимые знания о нейтронно-физических основах ядерной техники должны быть достаточными для того, чтобы 
специалист по ракетным двигателям, работающим на химическом 
топливе, мог сознательно их применять в своей работе. Кроме того, 
дипломированные специалисты должны уметь применять усвоенные высокоэффективные технические и материаловедческие решения, в том числе и не доведенные до практической апробации в отечественной ядерной ракетно-космической технике, и в других 
наукоемких областях при различных параметрах процессов. Таким 
образом, целью изучения дисциплины является, как правило, не 
только знание методик расчета и умение применять их, но и понимание основных взаимосвязей на качественном уровне при приоритете вопросов радиационной ядерной безопасности. 
Первыми составителями учебной программы по данной дисциплине являлись разработчики отечественных космических ядерных 
энергетических установок и ракетных двигателей — В.В. Талаквадзе, И.И. Федик, В.А. Штоколов и другие ученые, которые в качестве основы дисциплины рассматривали характерные для теплотехнической научно-педагогической школы МГТУ им. Н.Э. Баумана 
прикладные задачи тепломассопереноса и гидрогазодинамики. При 
этом основное внимание уделялось системному представлению 
ядерной установки в целом — системной совокупности тепловых, 
газо-, гидродинамических и ядерно-физических рабочих процессов.  

Предисловие 

 

6 

Без понимания теории нейтронно-физических рабочих процессов при современной подготовке специалиста по ракетным 
двигателям системный подход к проектированию, исследованию и 
применению ядерных ракетных двигателей невозможен. Опыт 
разработчика и преподавателя каждого из составителей учебной 
программы, а также оперативное взаимодействие со своими выпускниками позволили в результате составить оптимальные содержание, последовательность представления и распределение 
учебных материалов по объему и требуемому уровню освоения. 
Современная учебная программа дисциплины, которой соответствует данное учебное пособие, во многом сохранила системные свойства при изменении содержания рубрик (глав, разделов, 
подразделов), например, при описании современных методик расчета, достигнутых показателей технических объектов ядерной техники и т. п. В основу содержательной части учебного пособия положены сведения, изложенные в приведенной в ней литературе. 
Представленные числовые примеры реалистичны, но не относятся 
к конкретным техническим объектам и носят сугубо методический 
характер. Приведенные в учебном пособии, взятые из разных литературных источников параметры и характеристики свойств рабочих тел и материалов могут отличаться от действительных, присущих конкретным материалам и рабочих средам, соответствующим нормативным документам (ГОСТам, ОСТам, ТУ и др.) по 
составу и технологии изготовления или подготовке до состояния 
поставки.  
При необходимости основные сведения из теории и практики 
разработки ядерных ракетных двигателей, а также числовые данные с известной точностью и указанием на методику их получения 
можно найти в фундаментальных изданиях: энциклопедиях и 
справочниках1, которыми пользовался автор при несовпадении 
данных из разных источников. Хотя для инноваций важны вопросы экономики (например, стоимость получения материалов высо__________ 

1 Машиностроение. Энциклопедия. Машиностроение ядерной техники. 
T. IV—XXV. В 2 кн. Кн. 2 / Е.О. Адамов, П.В. Андреев, С.А. Антипов и 
др.; под общ. ред. Е.О. Адамова / ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: 
Машиностроение, 2005; Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; под ред. И.С. Григорьева, 
Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.  

Предисловие 

 

7 

кой чистоты, обогащенных или обедненных конкретными изотопами и др.), но, согласно программе учебной дисциплины, они не 
рассматриваются.  
Полный объем учебного пособия приблизительно соответствует 34 двухчасовым лекциям и примерно шести — восьми часам обязательных практических занятий (семинаров или специальных лабораторных работ) по изучению образцов ядерной техники и схемных решений ядерных ракетных двигательных 
установок. Принятое структурирование материала учебного пособия позволяет преподавателю при необходимости приблизительно 
вдвое уменьшить время на его изложение, например исключив рутинные математические выкладки и помещенную в учебном пособии полезную рецептурную, справочную, иллюстрирующую, но 
вспомогательную по когнитивным функциям, информацию.  
Дисциплина относится к специальным (дисциплины специальности и специализации) и является финишной, т. е. дальнейшее 
изучение и углубленное усвоение материала учебным планом не 
предусмотрены. Предполагается, что в соответствии с местом дисциплины в учебном плане основные закономерности ядерной физики, теории ракетных двигателей, общие методики теплофизических расчетов (дисциплины: физика, химия, механика жидкости и 
газа, теплофизика, материаловедение, общая теория ракетных двигателей) уже освоены студентами на уровне умения находить и 
анализировать конкретные проявления общих закономерностей. 
Считается, что это необходимо для изучения настоящей дисциплины. При этом следует отметить, что в будущем для успешного 
использования полученных знаний в профессиональной работе 
требуется освоение методик конкретных расчетов процессов тепломассопереноса, обеспечения термопрочности конструкции, современных компьютеризированных технологий проектирования. 
Самостоятельное освоение этих методик и соответствующих каталогизированных компьютерных программ (кодов) как рабочего инструмента вполне по силам выпускнику МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
Имеется в виду, что к специалистам, изучившим данную дисциплину, не предъявляются требования по умению проводить 
нейтронно-физические расчеты, в частности, априорно определять 
условия критичности активной зоны реакторов и степень снижения 
интенсивности ионизирующих излучений в элементах конструкции, 
но они должны уметь сформулировать техническое задание на вы

Предисловие 

 

8 

полнение таких работ, интерпретировать полученные результаты и 
на этой основе разработать конструкции характерных агрегатов 
ядерных ракетных двигателей, а также предложения по совершенствованию создаваемой установки с ядерным источником энергии.  
В результате усвоения учебного материала у будущего специалиста должны сформироваться основные представления и целостное понимание системной взаимосвязи рабочих процессов 
разной физической природы в энергосиловых технических объектах с ядерными источниками энергии. Это в сочетании с освоенными методиками расчета и проектирования основных агрегатов 
таких объектов является необходимой составляющей профессиональной компетентности специалиста по ракетным двигателям. 
В методическую основу данного учебного пособия положены 
лекции автора по одноименной дисциплине (конспектирование и 
компьютерная запись осуществлены в 2007 г. студентами 
Е. Поликарповой и А. Якушиной, в 2008 г. — А. Кузнецовым и 
Ю. Сунаевой, подбор иллюстрирующих материалов — Т. Чугуновой). Помимо позиции автора в лекциях отражены также и методические представления основателей специализации ядерных 
ракетных двигателей на кафедре «Ракетные двигатели» кандидатов технических наук, доцентов В.А. Штоколова и В.В. Талаквадзе, которых автор считает своими учителями. В соответствии с 
традициями московской научно-педагогической школы подготовки специалистов по ракетным двигателям (основатели — доктора 
технических наук, профессора В.М. Кудрявцев и В.М. Поляев) 
предпочтение отдается аналитическим методикам, имеющим явную физическую интерпретацию, хотя и уступающим более точным численным методикам, которые подготовленные студенты 
при необходимости вполне могут освоить самостоятельно. Приведенные в учебном пособии сведения составляют так называемый динамический инвариант дисциплины, т. е. их нельзя опровергнуть, но можно уточнить за счет набираемого научно-технического опыта и применения более точных и сложных методик 
расчета. Благодаря вышедшим в последние годы изданиям, отражающим отечественные и зарубежные достижения в создании 
ядерных ракетных двигателей, автор направляет студентов, желающих более углубленно изучить дисциплину, к публикациям, 
содержащим существенно больший объем информации по конкретным вопросам.  

Предисловие 

 

9 

Следует отметить, что действующие государственные стандарты по ядерной технике и ракетным двигателям1 не вполне согласованы друг с другом и частично противоречат как стандартам на единицы и обозначения физических величин, так и сложившимся 
устойчивым традициям. Известные межотраслевые рассогласования 
в терминологии и понятийном аппарате частично компенсируются 
приведенным в учебном пособии локальным, т. е. не претендующим 
на более широкое применение, тезаурусом или глоссарием. При этом 
вводимые новые термины выделяются в тексте светлым курсивом.  
Более полному усвоению материала способствует его представление в виде совокупности дидактических единиц с комплектом вопросов и заданий разного уровня сложности для контроля 
или самоконтроля к каждой из них. То, что на большинство вопросов нельзя найти в книге прямой текстуально сформулированный 
ответ, дает возможность преподавателю разрешать отвечающим на 
зачете или экзамене студентам пользоваться самим учебником, 
тем самым исключая необходимость «зазубривания» и пользования шпаргалками. Часть вопросов, ориентированная на развитие у 
студента креативности, сознательно сформулирована в виде проблемы и не подразумевает однозначных ответов, которых может и 
не быть. Приведенный в конце книги полный комплект контрольных вопросов, как правило, не повторяющих вопросы к разделам, 
позволяет контролировать уровень освоения дисциплины по дидактическим блокам-модулям и (или) в целом, а при необходимости через заданный промежуток времени, определять уровень 
остаточных знаний. Он может быть выявлен по ответам на вопросы, которые специально подобраны с ориентацией именно на основные, принципиальные положения и моменты.  
Предлагаемое издание — одно из первых отечественных 
учебных пособий по ядерным ракетным двигателям, которое в 
определенной мере отражает накопленный на кафедре «Ракетные 
двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана многолетний опыт успешной 
подготовки специалистов. Возможные замечания, которые автор 
рассмотрит и учтет в своей дальнейшей работе, можно направлять 
в адрес издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
__________ 

1 ГОСТ 17137—87. Системы контроля, управления и защиты ядерных 
реакторов. Термины и определения; ГОСТ 17655—89. Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения; ГОСТ 23082—78. Реакторы 
ядерные. Термины и определения. 

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

A 
— скорость звука [м/c] 
d  
— диаметр [м] 
F  
— площадь [м2]; нейтронный поток [с–1] 
H, h — линейный размер, высота [м] 
I  
— плотность тока нейтронов (вектор) [1/(см2с)] 
J 
— флюенс (перенос) нейтронов [м–2, см–2] 
k  
— показатель адиабаты идеального газа; характеристика не- 
  
 
равномерности 
K  
— коэффициент; характеристика неравномерности; модуль  
  
 
всестороннего сжатия [Па]  
L  
— характерный линейный размер,  длина [м] 
m  
— массовый расход [кг/с] 
М  
— число Маха    
n  
— концентрация нейтронов, плотность нейтронов [см–3]; 
  
 
показатель изоэнтропы; число лопастей стерженькового  
  
 
(заходность) винтового твэла  
p 
— давление [Па]; вероятность 
Р  
— тяга ракетного двигателя [Н]; вероятность избежать утеч- 
  
 
ки за границу активной зоны (для нейтрона) 
Pr  
— критерий Прандтля 
q  
— объемное тепловыделение, объемная тепловая мощность  
  
 
Вт/м3]; газодинамическая функция, обратная геометри- 
  
 
ческой степени расширения сопла  
r  
— радиус [м], теплота испарения [кДж/кг] 
R  
— радиус [м]; газовая постоянная [Дж/(кг·K)] 
Re  — число Рейнольдса 
S  
— шаг винтовой линии [м]; площадь [м2] 
t  
— время [с] 
v  
— удельный объем [м3/кг] 
w  
— скорость потока [м/с] 
Z  
— число протонов в ядре, номер элемента в таблице  
  
 
Д.И. Менделеева