Perusta

Ydinmoottori ei ole uusi eikä erityisen monimutkainen idea. Rakettimoottorin toiminnan perusta on lämmittää kaasua ja ohjata sitä ulos suuttimesta. Lämmönlähde voi olla muukin kuin paloreaktio, ja juuri tähän ajatukseen perustuu ydinmoottori.

Tämän ajatuksen toi ensimmäisenä esiin R. Goddard n. 1907, kun hän pohti radiumin mahdollisuutta ydinpolttoaineena, ja kokeellisesti havaitsi radiumin säteilyannoksen olevan liian matala, jotta radium kelpaisi ydinpolttoaineeksi. 1912 Ensault-Pelterie päätteli Ranskassa pidetyssä konferenssissa ydinenergian olevan korvaamatonta avaruustutkimukselle.

Osalle lukijoista saattaa tulla yllätyksenä, että ydinmoottori on enemmänkin kuin vain matemaattinen koe. Tämä moottorityyppi nousee säännöllisesti esiin kaatuen toistuvasti poliittisten päättäjien heikkouteen ja yleisön paheksuntaan.

Ydinmoottorin (ydin)fysiikan hyvin lyhyt oppimäärä

Fission perusteet ovat tuttuja: Fissiossa jokin ydinmateriaali absorboi neutronin, joka tekee atomista energeettisen ja atomi fissioituu kahdeksi fissiotuotteeksi ja säteilee neutroneja (uraanin (235) tapauksessa keskimäärin 2,6, plutoniumin (239) 2,9) ympäristöönsä.

n-luku kuvastaa neutronivuon aiheuttamaa kriittisyyttä; jos n >= 1, reaktori on alikriittinen ja sammuu. Jos kriittisyys on yli 1.2, reaktori on ylikriittinen. Käsikirja reaktoreista antaa sopivaksi luvuksi 1.03; Hyväksytään tämä luku.

Fissiotuotteilla on suurimäärä liike-energiaa jonka ne luovuttavat ympäristöönsä törmäyksin, sekä reagoidessaan muihin ytimiin. Neutronit luovuttavat osan omasta energiastaan samalla tavoin, mutta osuessaan ytimeen sopivalla nopeudella, ne aiheuttavat siinä uuden fission ja ketjureaktio käynnistyy. 

Neutronit ovat liike-energialtaan niin suuria, että niillä ei ole suuri todennäköisyys osua ja jäädä toiseen ytimeen, mutta neutroninvuon nopeutta voidaan säätää hidastimin, jotta neutronit eivät vain säteile moottorista ulos. Tämän vuon säätö, materiaalivalinnat, sekä polttoaineen kriittisyys ovat avaintekijöitä moottorin rakentamisessa ja lämpötuotannon suunnitelussa.

 Fissioreaktion tuote on lämpö. Kutsumme kiinteää osaa moottorissa polttoaineeksi (ydinpolttoaineeksi) ja jäähdytysfluidia propellantiksi.  Polttoaineen lämpö johdetaan sitten jäähdytysfluidiin, joka ydinmoottorissa on samalla propellantti. Lämpövuo polttoaineesta propelanttiin jäähdyttää reaktoria ja lämmittää propellanttia jopa 3000K lämpötilaan, joka on tällaiselle moottorille oikein hyvä toimintalämpötila.

 Ja tässä on ydinmoottorin erinomaisuuden salaisuus. Moottorin ulosvirtausnopeutta voidaan kasvattaa tasan kahdella tavalla. Joko laskemalla kaasun molekyylimassaa, tai kasvattamalla kaasun lämpötilaa. Ensimmäinen etu on selkeä, ydinmoottori voi käydä keveimmällä mahdollisella propellantilla, vedyllä. Koska moottorissa ei ole paloprosessia, käytettyyn propellanttiin voidaaan ajaa merkittävästi suurempia lämpökuormia ilman lämpöprosessin haittavaikutuksia. Kaikkiaan tämä johtaa niin korkeisiin V_e lukuihin, että jopa alkeellinen ydinmoottori 1960-luvun turbopumpuilla saa spesifiseksi impulssiksi melkein tuplasti korkeamman arvon kuin paras koskaan rakennettu kemiallinen moottori.

Avaruussukkulan päämoottoriksi kehitetty SSME käyttää polttoaineparina happea ja vetyä. Sen ISP on 450 s. 1960-luvulla kehitetty ydinmoottori NERVA saa ISP-luvukseen noin 840 s.

Moottorin rakenne

Perusrakenteensa puolesta termoydinrakettimoottori ei eroa merkittävästi kemiallisesta järjestelmästä, poislukien lämpölähteenä oleva ydinreaktori. Kuvassa kaksi on kuvattu tyyppillinen ydinmoottorijärjestemä, joka koostuu propellanttivarastosta, syöttöjärjestelmästä, reaktorista ja suuttimesta.

Tankki ja syöttöjärjestelmä ovat suurimmaksi osaksi identtisiä kemiallisten rakettien vastinpariensa kanssa, mutta kemialliset raketit tarvitsevat joko kaksiosaisen turbopumpun tai kaksi erillistä pumppua voidakseen tuottaa tehokkaan polttoprosessiin, jonka lämpötuotolla raketti toimii.  Ydinraketti ei tarvitse kuin yhden turbopumpun toimiakseen, lämpölähde on pysyvästi paikallaan reaktorissa.

Merkittävin ero on moottorin ohjausjärjestelmä joka on huomattavasti monimutkaisempi ydinraketissa kuin mitä se on kemiallisissa raketeissa. Kuvassa kolme on kuvattu reaktorin sisärakenteita:

FIssioreaktion ylläpito pienessä mittakaavassa vaatii apulaitteita, näitä ovat:

Reflektori

Reaktorin ulkopuolella on reflektori, jonka tehtävä on vain heijastaa karkaavia neutroneja takaisin ytimeen, jolla reaktio pysyy kriittisenä. Samalla reflektori pienentää reaktorin kokoa ja laskee omalta osaltaan polttoaineen jalostusastetta. Reflektorin materiaaliksi käy beryllium, joka tuottaa riittävän “heijasteen” neutroneille.

Paineastia

Reaktori pitää käynnissä moottorin sisäpaineen noin 3…8MPa’n luokassa, joka paine-astia on kyettävä hallitsemaan. Materiaaleiksi käy komposiitit tai alumiini, kunhan materiaali kestää korkeaa säteilykuormaa, korkeaa lämpötilagradienttia (eroa ulko- ja sisäpintojen välillä, sekä kylmän ja kuuman reaktorin toiminnallisen lämpötilaeron). Joissakin tapauksissa reaktorin paineastia vaatii aktiivista jäähdytystä.

Moderaattorit

Reaktori voidaan suunnitella kahdella tapaa: joko termiseksi tai nopeaksi, riippuen fissioivien neutronien energiamäärästä. Termisessä reaktorissa fissioon osallistuvien neutronien energia on noin 1 eV. Suurimmassa osassa kaikista fissioreaktioista vapautuvien neutronien energeettisyys on merkittävästi korkeampi kuin 1eV; yleensä luokkaa 10-15MeV. Neutronivuon hidastamiseksi tarvitaan moderaattoreita (hidastimia); näiden materiaaliksi sopii matalan atomimassan omaava materiaali (grafiitti, beryllium, muovi, litiumhydridi). Nopeassa reaktorissa, neutronien energiatason spektri on laaja. Fissio voi tapahtua 100keV … 15MeV välillä. Nopean reaktorin rakentamisesksi tulisi konstruktiuossa käyttää materiaaleja joiden atomimassa on matala.. Ei ole ennenkuulumatonta, että ydinmoottoreiden simulaatioissa ja koelaitteissa on käytetty elementtejä molemmista reaktorityypeistä.

Ydinpolttoainesauvasto

Polttoainesauvasto pitää sisällään ydinpolttoainerakeet, joihin on koneistettu propellanttikanavisto. Mitä suurempi kosketuspinta-ala propellantin ja polttoaineen välille saadaan, sitä tehokkaampaa on lämmön siirtyminen, mutta samalla on tasapainoiltava fissiotuotteiden kanssa, jotta reaktio pysyy käynnissä. Polttoainessauvat ympäröidään säätösauvoilla, hidastimilla ja reflektorilla, jotta neutronivuo pysyy riittävänä fission ylläpitoon.

Säätösauvasto

Säätösauvoilla (tai rummuilla, jos sauvaa pyöritetään reaktorissa eikä siirretä pitkittäissuunnassa) poistetaan reaktorista neutroneja reaktorin tehon säätämiseksi tai tarvittaessa sammuttamiseksi. Sauvasto sijoitetaan symmetrisesti reaktorin sisään, jolloin voidaan vaikuttaa jopa reaktorissa vain osaan neutroneista ja siten saavuttaa eri tehotasoja reaktorille. Sauvat ovat yleensä 50% / 50% reflektoria ja absorbtoria. Reaktorialan ihmiset kutsuvat reaktorin toimintaan haitallisesti vaikuttavaa materiaalia myrkyksi. Toinen puolikas on yleensä berylliumia jolla reaktiota kiihdytetään.

Jäähdytysaineen kulkukanavat

Reaktorin jäähdytys hoituu propellantin lämmityksen yhteydessä. Jotta vältytään kiehahduksilta ja lämpöshokeilta, propellantin on tultava reaktoriin kaasuna; tämä vuoksi yleensä paineastia ja kaasusuutin ovat aktiivisesti jäähdytettyjä; tämä tunnetaan rakettipiireissä regeneratiivisena jäähdytyksenä

Moottori käytössä

Nyt kun peruskomponentit ovat tiedossa, voidaan tarkastella miten ydinmoottori toimii. Kun moottori on sammuksissa ja odottaa kantoraketin kyydissä, polttoaine on inertissä tilassa, säteillen ainoastaan lievästi radioaktiivisena alfa- ja betahiukkasia ja pienen määrän gammasäteilyä. Säätösauvasto pitää tästä huolen.

Sanon kantoraketin kyydissä, koska esitelty ydinraketti ei omaa riittävää työntövoimaa kiertoradalle nousemiseen. Mutta kiertoradalla… se pääsee oikeuksiinsa!

Kun raketti on päässyt kiertoradalle ja kemiallinen ensimmäinen vaihe on irroitettu, voidaan ydinraketti käynnistää. Säätösauvasto kierretään reflektoivaksi ja neutronilähteellä annetaan alkusykäys reaktorille. Syöttökoneisto alkaa tässä vaiheessa työntää propellanttia moottoriin. Neutronivuo kasvaa ja moottori saavuttaa kriittisen lämpötilan jossa varsinainen “poltto” tehdään.  Säätösauvastolla ohjataan moottorin neutronivuota halutussa tasossa, sillä liian korkea vuo johtaa ylikuumenemiseen, missä polttoaineen kriittisyys laskee ja reaktori saattaa jopa sammua, polttoaineen ominaisuuksista riippuen.

Kun poltto tai tehtävä on saatu suoritettua, reaktori sammutetaan ajamalla säätösauvojen absorboivat osat reaktoriin ja reaktori sammuu eksponentiaalisella käyrällä. Jäljellä oleva lämpö on vielä poistettava, ts. reaktori on “tyhjennettävä” sekä lämmöstä että joissakin tapauksissa myös haitallisista fissiotuotteista.

Termoydinrakettien konsepteja

NERVA

Vuonna 1947 käynnistettiin Yhdysvalloissa ensimmäinen termoydinrakettimoottorin kehityshanke. Tavoitteena oli rakentaa ydinkäyttöinen mannertenvälinen ohjus, USA:n ilmavoimien ja Yhdysvaltojen atomienergia komissio  yhteistyössä. Projekti kulki tuolloin nimellä ROVER ja se päätyi NASAn haltuun vuonna 1958.

Ohjelma oli eritäin menestyksekäs ja sen aikana testattiin lukuisia reaktoreita. Siinä ajettiin reaktoreita 300 MW:sta aina 200 000 MW:iin saakka, kehitettiin uusia jäähdytyskennostoja ja testausmenetelmiä.

Ohjelmassa ratkaistiin propellanttina käytetyn vedyn aiheuttama eroosio-ongelma: kuuma vety aiheutti metallirakenteissa nopeaa haurastumista. Ratkaisuna oli vetykanavien päällystäminen sopivalla lejeeringillä ja kehitettiin korkean lämpötilan ydinpolttoaineet jotka säilyivät fissiovassa tilassa 3300 K lämpötilassa joka oli avainasemassa moottorille, jonka spesifinen impulssi oli 835m/s.

Merkittävät kohteet	Pvm	Merkittävä saavutukset
Phoebus 1B	1967-02	Ensimmäinen reaktori, yksi käynnistys
Phoebus 2A	1968-07	Kolme tehotestiä
Pewee-1	1968-11	Kaksi tehotestiä
XE	1968-12	28 Moottori käynnistystä

NDRS-testiasemalla testattiin ydinmoottoria kaikkiaan 23 ajokerralla. Moottorilla oli rakenteeltaan kuvan 4 mukainen.  Lienee selvää mistä artikkelin ydinmoottorin kuvan suunnittelija on ottanut mallinsa.

Moottorin ytimessä on 300 poikkileikkaukseltaan kuusikulmaista kennoa, joissa on grafiittiin upotettuna pyrohiilipinnoitetut uranaanikarbidista valmistetut polttoainerakeet.  Kanavisto jouduttiin päällystämään niobiumkarbidilla ja myöhemmissä kokeissa zirkoniumkarbidilla eroosion estämiseksi. Säätiminä oli kaksitoista säätörumpusauvaa, joissa oli berylliumia reflektorina ja booria absorboivana materiaalina. Moottorin radiologinen kilpi valmistettiin titaanihydristä, jotta vältyttäisiin propellanttitankin lämmittämiseltä.

NERVA oli hyväksytty lentämään Saturn C-5N raketissa ja se olisi ollut avain Mars operaatioihin, mutta poliittinen ilmapiiri heitti NERVAn historiaan. Sen sijaan kehitettiin kenties suurin virhe avaruuslentojen historiassa… avaruussukkula.

Timberwind

1990 luvulla kiinnostus ydinraketteihin heräsi uudestaan, tällä kertaa osana surullisenkuuluisaa “Tähtien sotaa” (Strategic Defense Initiative, SDI). Jälleen kerran oli tavoitteena kehittää ydinmoottori puolustustarpeisiin. Tällä kertaa ajatus oli kuitenkin kehittää ydinkäyttöinen torjuntahävittäjä. Projekti käynnistyi SDI:n alaisuudessa mutta siirtyi nopeasti Yhdysvaltain ilmavoimien Space Nuclear Thermal Propulsion (SNTP) -ohjelman piiriin.

Timberwind oli pääpiirteissään sama kuin NERVA-moottori, mutta sen reaktorin polttoainesauvasto oli uudentyyppinen. Timberwindin reaktorityyppi perustui PBR-teknologiaan (particle-bed reactor), jonka suurin etu NERVA:n teknologiaan nähden on huomattavasti suurempi työntövoimakerroin, TWR (thrust to weight ratio). 

Kuulapetireaktorissa propellantti on suoraa kosketuksissa kuula-asetelman kanssa, jossa jokainen kuula on polttoainerae.

Nämä rakeet on pakattu mekaanisesti tuettuina kuusikulmion muotoon. Koska yksittäisen kuulan koko on vain 200-500mm, on lopputuloksena huomattava lisäys polttoaineen pinta-alaan jolla lämpövuo siirretään fissioimateriaalista propellanttiin.

Timberwind oli jokaisella mittapuulla parempi moottori kuin NERVA. Nervan TWR oli 5:1 ja Timberwind kykeni tuottamaan jopa 40:1 työntövoimakertoimen, mutta ohjelma kärsi surkeasta rahoituksesta ja suurista lupauksista. Lopulta silloisen hallinnon haluttomuus romutti ydinrakettiohjelman SDI:n mukana, kun presidentti William “Bill” Clinton päätti lopettaa “tuhlaamisen”.

Ohjelma oli alusta lähtien alirahoitettu ja siten tuhoontuomittu, eikä Timberwind tuottanut yhtäkään täysikokoista rakettimoottoria. Koekäyttöjä kuitenkin tehtiin siinä määrin, että Timberwind olisi voinut käynnistää ydinrakettien vallankumouksen avaruuspropulsiossa. Aika ei vain ollut vielä kypsä.

CERMET

NERVA-projekti kärsi koko olemassaolonsa ajan merkittävästä ongelmasta ydinpolttoaineensa suhteen. Polttoaine oli haurasta. CERMET-ohjelma käynnistyi jokseenkin 1991 ja vastasi juuri Timberwindin osoittamaan heikkouteen. CERMET NERVAn polttoaine oli volframimatriisiin upotettuja polttoainerakeita, jotka muistuttivat pikemminkin metallitankoa kuin grafiittia. Tästä tuli myös projektin nimi: CER MET (CERamic-METal). Koko idea oli rakentaa moottori joka kestäisi pitkää ja kovaa käyttöä, vaikkakin TWR-luvun kustannuksella.  Reaktorin polttoainesauvasto itsessään on hyvin samanlainen kuin alkuperäisen NERVAN polttoainesauvasto, mutta volframimateriisin avulla moottorista tuli pitkäikäinen. Sen käyttöikä oli yli 40h, ja samalla saavutettiin parempi propellantin ja polttoaineen yhteensopivuus.

CERMETin kääntöpuolena on korkea massa ja heikompi kriittisyys (volframi absorboi uraanin lailla neutroneja, mutta ei toimi fissiopolttoaineena). Nämä haittatekijät ovat hallittavissa sauvaston suunnittelulla kaksiosaiseksi, joista toinen on volframi- ja toinen molybdeenimatriisilla.

Tämän lisäksi CERMET on tarkoitettu käymään matala-aktiivisella polttoaineella (19,75% rikastusaste). Tämän seurauksena polttoaine ei sellaisenaan kelpaa ydinase-ohjelmiin.

CERMET-moottori on edelleen kehityksessä, pääkehittäjänä BWXT-yhtiö. Kenties tällä kertaa poliittinen ilmapiiri ja yleisesti herännyt kiinnostus avaruusmatkustukseen sallii ydinmoottoreiden tulla käyttöön. Toistaiseksi voimme vain toivoa tätä.

Radiologinen kuormitus ja turvallisuus

Ydinmoottoreihin liitetään huomattava määrä turvallisuusmyyttejä, mutta tämä ei ole yllättävää. Vallitseva käsitys ydinteknologiasta, etenkin suuren yleisön keskuudessa on mieletön.  Ydinsukellusveneitä, ydinjäänmurtajia ja ydinvoimalaitoksia verrataan toistuvasti epäonnistuneisiin reaktorilaitoksiin (Chernobyl, 3-Mile island, Fukushima Daichii).

Todistusaineisto kuitenkin osoittaa, että reaktoreita voidaan rakentaa ja käyttää turvallisesti; tästä on Yhdysvaltain merivoimien reaktoritukimuksissa runsaasti aineistoa ja kokemusta. Mutta mielikuvat ovat vahvoja; ydinmateriaaleista kuvitellaan, että hiekanjyvän kokoinen hippu mitä tahansa radioaktiivista ainetta tappaa, ja unohdetaan amerikium-kiteet (Am-241) savunilmaisimissa. Unohdetaan, että useita RTG-virtalähteitä on jo lennätetty Marsiin, missä mönkijät käyvät näiden plutonium-238:n voimalla toimivien radiotermisten isotooppigeneraattorien avulla.  

Ihmiset ovat voivat saada näistä lähteistä kuolettavan annoksen vain joko a) syömällä radioaktiivista materiaalia, b) saamalla materiaalia avoimeen haavaan, c) hengittämällä saastunutta materiaalia, joista c) on ydintyöntekijöille todellinen ongelma. Mutta sitä vastaan voidaan suojautua.

Suojautuminen tapahtuu ottamalla etäisyyttä säteilylähteeseen ja rajoittamalla altistusta. Ydinmoottoriraketissa voidaan säteilykilvellä rajoittaa moottorin tuottamaa säteilykuormaa matkustajiin ja toisin kuin kemiallisissa raketeissa, matka-aikaa voidaan rajoittaa. Tämä on oleellista, koska avaruusmatkailun suurin säteilykuorma aiheutuu kosmisesta säteilystä, ei niinkään propulsiotekniikasta.

Esimerkkejä säteilyannoksista:

Lähde	Annoksen suuruus
Luonnollnen kalsium, luustossa	340 uSv/vuosi
Lentomatka	10 uSv /h
Keuhkoröntgen	20 uSv
Ydinvoimalaitoksessa työskentely, keskimäärin.	5 mSv
90 päivän oleskelu ISS:llä	160 mSv
Avaruuden taustasäteily van Allenin vyöhykkeiden ulkopuolella	160 mSv/ vuosi
Suojatun ydinmoottorin kuorma	100 mSv / vuosi

Tämän taulukon pohjalta voidaan sanoa varsin suoraa, että paras tapa suojata matkustajat säteilyltä on lyhentää tehtävän pituutta- Ja helpoin tapa tehdä tämä on nostaa matkanopeutta. Tähän ei kemiallisella propulsiolla kyetä.

Loppusanat

Suurin kysymys on, paljonko ydinmateriaalista muuttuu energiaksi. Ja kuinka suuresti valtiohallinnot haluavat kontrolloida polttoainetta. Yllätys yllätys, tässä on selvä korrellaatio.  Mitä energeettisempi ydinpolttoaine, sitä parempaa se olisi ydinmoottorissa ja sitä enemmän valtiot eivät halua sitä käytettävän… missään.

CERMET NERVA, tai oikeammin LEU NTP, kuten BWXT sitä sivullaan (https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-ntp) mainostaa, on kuitenkin askel suuntaan jossa ydinmoottorit ovat osa avaruustutkimusta, käyttäen matala-aktiivista polttoainetta.

Kiinnostus Marsiin ja operaatioihin ulkoplaneetoilla on tuonut nyt kolmannen kerran ydinmoottorit unohduksista kehitykseen… sanooko kolmas kerta toden? Toivottavasti.