Nuklearna energija za pogon aviona

Za proteklih 20 godina stečena su dragocena iskustva eksploatacije tog novog izvora energije. Posebno istraživanjima za vazduhoplovstvo u SSSR-u i SAD nađeno je da dalji razvoj avijacije mnogo zavisi od primene nuklearne energije za pogon aviona, čime će se ostvariti performanse koje ne mogu da pruže konvencionalni avionski motori. Primenom avionskih atomskih motora pružaju se mogućnosti da se ostvare i višestruka poboljšanja u pogledu snage, brzine, visine i daljine leta, o čemu je već pisano u »Vazduhoplovnom glasniku br. 1/1963« (»Avionski atomski motori«). Radi konkretnijeg upoznavanja sa problemima primene nuklearne energije za pogon aviona ovde se tretiraju osnovne konstruktivne šeme i karakteristike nuklearnih reaktora i avionskih atomskih motora.

Nuklearni reaktori

Radi boljeg uvida u osnovne probleme avionskih atomskih motora potrebno je upoznati se sa osnovnim energetskim karakteristikama jezgra atoma, iako je ova oblast manje-više dobro poznata i obrađena u literaturi.

Izvor energije u nuklearnim pogonima jeste nuklearni reaktor, u kome se lančanom reakcijom cepanja jezgara izotopa teških elemenata urana 235, veštački dobijenog urana 233 i plutonijuma 239, nuklearna energija pretvara u toplotnu.

Produkti cepanja jezgra urana, odnosno plutonijuma su pobuđena nestabilna jezgra nekih elemenata, koja prelaze u stabilno stanje emitovanjem radioaktivnih čestica elektrona i pozitrona (beta-zračenje), elektromagnetnih talasa (gama-zračenje) i slobodnih neutrona.

Osnovni deo energije cepanja jezgara atoma (više od 80%) oslobađa se u vidu kinetičke energije koju poseduju produkti cepanja u trenutku razdvajanja. Brzina ovih produkata posle razdvajanja iznosi 10-15 hiljada km/s. Svoju kinetičku energiju produkti cepanja predaju atomima koji ih okružuju, tj. zagrevaju telo u kome se nalaze. Na taj način nuklearna energija preko kinetičke oslobađa se u vidu toplotne, koju je moguće iskoristiti u toplotnim motorima, te zato svi nuklearni pogoni imaju parne ili gasne turbine.

Velike rezerve nuklearne energije i velika koncentracija energije u njima čine ideju primene nuklearne energije za pogon aviona veoma primamljivom. Međutim, ostvarenje avionskih atomskih motora zahteva rešavanje veoma složenih i teških problema koji su uglavnom, u vezi s nuklearnim reaktorom i prenosom toplote od njega do radnog fluida avionskog atomskog mlaznog motora.

Na slici 1 data je šema konstrukcije jednog nuklearnog reaktora. U celoj zapremini nuklearnog goriva oslobađa se toplota, pa da bi bilo dovoljno površine za prenos ove toplote na sredstvo za hlađenje reaktora, nuklearno gorivo je smešteno u odvojenim šipkama. Radi mehaničke zaštite, šipke goriva smeštene su u zaštitne cilindre i to tako da im se dozvoljavaju slobodne temperaturne dilatacije. Obezbeđenje ovih dilatacija je jedan od najtežih problema pri konstruisanju nuklearnih reaktora, jer zbog čestih promena temperature jezgro reaktora postaje rastresito. Za stacionarne reaktore ovo se može i tolerisati, međutim, na atomskom avionu zbog velikih inercijalnih i centrifugalnih sila, koje su posledica ubrzanja ili usporenja, odnosno promene pravca leta aviona, i najmanja rastresitost jezgra reaktora može da bude uzrok udesa.

Slika 1. - Šema nuklearnog reaktora:

1. Nuklearno gorivo; 2. Moderator neutrona; 3. Reflektor neutrona; 4. Zaštita; 5. Kontrolne šipke; 6. Ulaz sredstva za hlađenje; 7. Izlaz sredstva za hlađenje

Moderator neutrona, kojim su šipke nuklearnog goriva u jezgru reaktora okružene, smanjuje brzinu neutrona, omogućavajući time nuklearnu reakciju i u uranu koji nije obogaćen uranom 235, jer je utvrđeno da smanjenjem brzine neutrona raste verovatnoća njihovog sudara sa jezgrima urana. Na taj način moderator neutrona pruža mogućnost eksploatacije i urana koji nije obogaćen uranom 235, utiče na smanjenje nuklearne kritične mase - razvijanje određene snage sa manjom težinom nuklearnog goriva i, konačno, omogućava kontrolu snage nuklearnog reaktora.

Kao kvalitetni moderatori neutrona primenjuju se laki elementi, koji dobro usporavaju neutrone uz neznatno zarobljavanje istih. Takvi elementi su: laki i teški vodonik, ugljenik i berilijum.

Deo nuklearnog reaktora, u kojem su smešteni uran i moderator neutrona i gde se odvija lančana reakcija cepanja, zove se aktivna zona i okružena je reflektorom neutrona. Namena reflektora neutrona je da vraća nazad u aktivnu zonu neutrone koji su izleteli iz nje. Slično moderatoru i reflektor neutrona smanjuje potrebnu težinu nuklearnog goriva. Materijal za reflektor neutrona isti je kao i za moderator.

Oslobođena toplota u reaktoru odvodi se raznim sredstvima za hlađenje reaktora, i to: običnom vodom pod pritiskom, rastopljenim metalima  - natrijumom, kalijumom, olovom, bizmutom i drugim, a takođe i gasovima - helijumom, azotom, ugljen-dioksidom itd. Voda se može primeniti samo u niskim temperaturnim reakcijama, jer ona i pod pritiskom od 200 atmosfera ima temperaturu ključanja samo 365°C. Primena vode za hlađenje reaktora uslovljava primenu parnih turbina a u slučaju primene tečnog metala ili gasa koriste se gasne turbine za pret varanje toplotne energije u mehaničku.

Snaga reaktora je određena toplotom koja se u njemu oslobodi u jedinici vremena. Pošto oslobođena toplota zavisi od broja jezgara koja se cepaju u sekundi, a ovo postiže neutronima, to u krajnjoj liniji snaga određenog reaktora zavisi od količine slobodnih neutrona u njemu. Zato se snaga reaktora reguliše promenom količine slobodnih neutrona.

Kritičnim stanjem reaktora smatra se ono stanje kada se u njemu lančana reakcija cepanja jezgara odvija bez promene količine slobodnih neutrona. U tom slučaju prilikom cepanja svakog jezgra oslobađaju se 2-3 sekundarna neutrona, od kojih će samo jedan biti iskorišćen za cepanje novog jezgra u novoj generaciji a ostali će biti zarobljeni i na taj način količina cepanja jezgra u sekundi ostaće nepromenjena a time i snaga reaktora. Ukoliko se želi da poveća ili smanji snaga reaktora, broj slobodnih neutrona mora da se poveća, odnosno smanji, dovođenjem reaktora na odgovarajući kritični režim. Ukoliko je stanje reaktora takvo da se vremenom stalno smanjuje količina slobodnih neutrona, odnosno broja cepanja jezgara, kažemo da se isti nalazi u potkritičnom stanju, a ukoliko raste u natkritičnom.

Reaktor koji se nalazi u kritičnom stanju, samim radom će preći u potkritično stanje, jer se nuklearno gorivo troši i reakcija cepanja će se prekinuti posle određenog vremena. Da se to ne bi desilo, potrebno je da se reaktoru stalno dotura nuklearno gorivo - gorivo predviđeno za sagorevanje - i time zadrži reaktor u kritičnom stanju. Međutim, ovo dodavanje nuklearnog goriva u praksi ima svrhu samo pri obnavljaju nuklearnog goriva, dok se zadržavanje reaktora u kritičnom stanju postiže postepenim izvlačenjem kontrolnih šipki iz aktivne zone reaktora. Ove šipke su napravljene od materijala koji poseduje veoma veliku moć zarobljavanja sporih neutrona. Izvlačenjem kontrolnih šipki iz aktivne zone reaktora smanjuje se zarobljavanje sporih neutrona za koliko je prouzrokovano njihovo smanjenje trošenjem nuklearnog goriva, te na taj način broj slobodnih neutrona ostaje konstantan, tj. zadržava se kritično stanje reaktora. Kontrolnim šipkama moguće je menjati snagu reaktora u određenim granicama, zavisno od toga koji najviši odnosno najniži kritički režim je moguće ostvariti.

Prvo puštanje reaktora u rad izvodi se pomoću spoljašnjeg izvora neutrona a za sva ostala služe produkti raspadanja nuklearnog goriva, koji su se obrazovali za vreme prethodnog rada reaktora.

Prirodni uran je mešavina uglavnom dva izotopa: urana 238 i urana 235. Zato što se jezgra urana 238 mogu deliti samo brzim neutronima, čija je brzina najmanje 10-20 hiljada km/s, nemoguće je odvijanje nuklearne reakcije cepanja prirodnog urana u komadu, jer neutroni manje brzine od navedene bivaju zarobljeni. Međutim, jezgra urana 235 mogu se deliti kako brzim tako i sporim neutronima ili mešavinom jednih i drugih. Zato se nuklearni reaktori dele na »termičke«, »brze« i »inter- medijarne«, zavisno od toga u kojoj oblasti energije neutrona se odvija većina nuklearnih fisija.

U slučaju kvara bezbedan rad reaktora dovodi se u pitanje, zbog čega postoji sigurnosni sistem koji je različito realizovan kod termičkog i brzog reaktora. Ovim sistemom je moguće u slučaju opasnosti trenutno prekinuti rad reaktora.

Kod termičkog reaktora sigurnosni sistem izveden je šipkama od materijala, koji veoma jako zarobljava spore neutrone. Za vreme rada reaktora ove šipke potpuno su izvučene iz aktivne zone reaktora, a u slučaju kvara naglo se uvlače u aktivnu zonu i prekidaju lančanu reakciju cepanja jezgra atoma.

Momentano isključivanje brzog reaktora izvodi se odstranjenjem jednog dela reflektora neutrona. Donji deo reflektora obično je pričvršćen specijalnim držačima, koji se u slučaju potrebe otvaraju i taj deo reflektora pada naniže pod dejstvom svoje težine. Ovo omogućava gu bitak neutrona iz reaktora i lančana reakcija se prekida.

Opasnost od radioaktivnog zračenja otklanja se zaštitnim ekranom. Reaktor u procesu rada i tokom izvesnog vremena posle isključenja postaje jak izvor beta-čestica, neutrona i gama-zračenja.
Beta-zračenje je bezopasno, jer je prodorna moć beta-zraka mala te se potpuno zadržavaju materijalom tela reaktora. Radi zaštite od neutrona i gama-zraka reaktor se okružuje debelim ekranom, koji potpuno štiti od zračenja. Brzi neutroni imaju veoma veliku moć prodiranja, te ih u cilju boljeg zarobljavanja treba usporiti slojem bora ili obične vode. Gama-zraci najbolje se zarobljavaju teškim elementima – olovom i gvožđem. Iz ovih razloga zaštitni ekran se može izvesti iz više slojeva. Kod stacionarnih reaktora kao zaštitni ekran obično služi debeo sloj betona. Debljina takvog zaštitnog ekrana može biti i nekoliko metara.

Izgradnja nuklearnih reaktora za primenu u stacionarnim energetskim stanicama rešena je već s uspehom. Međutim, ugradnja nuklearnog reaktora u atomski avion može se rešiti samo kompromisom u pogledu zaštite od radioaktivnog zračenja.

Poređenja sa reaktorom prve sovjetske atomske električne centrale pružaju realnu sliku ugradnje reaktora u avion na atomski pogon. Reaktor ove centrale ima snagu 30.000 kW a njegova aktivna zona je cilindričnog oblika prečnika 1,5 m i visine 1,7 m. Aktivna zona okružena je grafitnim reflektorom neutrona debljine 0,7 m i zaštitom debljine oko 4 m. Spoljni prečnik reaktora je, prema tome, 10,9 metara.

Za let teškog aviona brzinom 1.000 km/h na visini 11 km potreban je reaktor oko 10 puta veće snage od snage prve sovjetske atomske električne centrale. Kako savremeni teški avioni imaju prečnik trupa reda 3-4 metra, očigledno je da je ugradnja reaktora moguća samo na račun zaštite, koja je svedena na minimum, i to tako da je zadržana samo prema kabini pilota a u ostalim pravcima potpuno uklonjena.

Osobina nuklearnog goriva - urana da na temperaturama 660°C i 760°C menja strukturu svoje kristalne rešetke, što ima za posledicu promenu zapremine i mehaničkih svojstava, veoma nepovoljno se odražava na čvrstoću konstrukcije jezgra reaktora. Često zagrevanje urana na više temperature od ovih dovodi do rastreskavania zaštitnog sloja i rušenja elemenata preko kojih se prenosi toplota. Za visokotemperaturne reaktore kao kvalitetno gorivo koristi se oksid ili karbid urana, a elementi preko kojih se prenosi toplota napravljeni su od visokokvalitetnih čelika, legiranih hromom i niklom.
Nuklearni reaktori zahtevaju specijalne materijale, otporne na visokim temperaturama. Najviša temperatura od 2.000°C postignuta je u nuklearnim reaktorima u kojima je u vidu keramike smeštena smeša nuklearnog goriva i moderatora. Ipak, ovo je moguće ostvariti samo u stacionarnim reaktorima. Međutim, za reaktore namenjene atomskim avionima keramika je nepovoljna, jer zbog krtosti ne bi izdržala naprezanja prouzrokovana inercijalnim i centrifugalnim silama i udarima pri sletanju.

I pored visokog toplotnog naprezanja avionskog reaktora izazvanog pri malim dimenzijama i visokom radnom temperaturom računa se da će njegov resurs biti ravan resursu konvencionalnih motora.

Avionski atomski motori

Slično konvencionalnim motorima, avionski atomski motori dele se na: turbomlazne, turboelisne, nabojnomlazne, pulsirajuće i raketne, a za razliku od njih imaju nuklearni reaktor sa odgovarajućim sistemom, koji zamenjuje komore za sagorevanje i sistem za gorivo.

Avioni na atomski pogon leteće velikim nadzvučnim brzinama. Na tim brzinama pred usisnikom motora javljaju se udarni talasi koji dovode do naglog smanjenja protoka vazduha kroz motor, odnosno do smanjenja sile potiska motora. Zato će avionski atomski motori imati u svojim uvodnicima konuse (slika 2), koji će smanjivati jačinu udarnih talasa.

Slika 2. - Konus uvodnika

Kompresori za vazduh u atomskim motorima ostaće uglavnom isti, kakvi su i u konvencionalnim.

U prvo vreme smatralo se da stepen sabijanja kompresora atomskog turbomlaznog motora treba da bude mnogo veći nego stepen sabijanja običnih turbomlaznih motora. Smatralo se da će to poboljšati prenos toplote od reaktora na vazduh i da pruža mogućnost smanjenja veličine reaktora. Takođe se negirala mogućnost izgradnje atomskih nabojnomlaznih motora i to zbog verovanja da je dinamički pritisak nedovoljan za proterivanje vazduha kroz kanale reaktora. Kasnije, detaljnim proračunima pokazano je da se optimalni stepen sabijanja kompresora atomskog turbomlaznog motora, proračunat za maksimalni čeoni potisak, mnogo manje razlikuje od stepena sabijanja kompresora običnog turbomlaznog motora nego što se pretpostavljalo. Kriva zavisnosti optimalnog stepena sabijanja kompresora atomskog turbomlaznog motora od brzine leta data je na slici 3.

Slika 3. - Zavisnost optimalnog proračunskog stepena sabijanja atomskog turbomlaznog motora za maksimalni čeoni potisak od brzine leta

Očigledno je da na velikim brzinama leta, koje su 2,5-3 i više puta veće od brzine zvuka, imamo optimalan stepen sabijanja ravan jedinici, tj. na tim brzinama atomskim nabojnomlaznim motorom postiže se veći čeoni potisak nego atomskim turbomlaznim motorom. Zato je za ove brzine korisnija primena nabojnomlaznih motora.

Na velikim brzinama leta sumarni stepen sabijanja kao zbir skoka pritiska od brzine i sabijanja u kompresoru brzo raste, što je veoma povoljno za prenos toplote i smanjenje težine reaktora. Međutim, pri tom  se javlja veoma nepovoljna okolnost - temperatura vazduha iza kompresora postaje toliko visoka da je moguće samo malo zagrevanje vazduha u reaktoru do maksimalno dozvoljene temperature, uslovljene materijalom konstrukcije. To uslovljava malu vrednost unutrašnjeg koeficijenta korisnosti atomskog turbomlaznog motora čime je i potisak motora mali, jer se malo toplote dovodi vazduhu a politropski rad kompresora je relativno veliki. Ovaj nedostatak moguće je otkloniti hlađenjem vazduha tokom samog sabijanja u kompresoru. Takvo hlađenje vazduha omogućeno je u motoru čija je šema data na slici 4.

Slika 4. Šema atomskog turbomlaznog motora sa razmenjivačem toplote za hlađenje vazduha iza prvog stepena kompresora

1. Konus uvodnika; 2. Prvi stepen kompresora; 3. Uvodnik razmenjivača toplote; 4. Drugi stepen kompresora; 5. Kontrolne šipke; 6. Turbina; 7. Razmenjivač toplote; 8. Mlaznik razmenjivača toplote; 9. Reaktor; 10. Reaktivni mlaznik

U razmenjivač toplote iza prvog stepena kompresora dovodi se na svakom režimu rada motora odgovarajuća količina vazduha, koji se zagreva hladeći vazduh u motoru i na izlazu daje izvestan dopunski potisak. Za poboljšanje unutrašnjeg koeficijenta korisnosti ovo je dvostruko korisno, jer smanjuje politropski rad drugog stepena kompresora a povećava količinu toplote koju vazduhu predaje reaktor.

Položaj reaktora prema šemi na slici 4 je povoljan u pogledu otpora strujanju vazduha kroz motor. Međutim, ovu principijelno prostu šemu teško je ostvariti, jer vratilo turbine prolazi kroz nuklearni reaktor, pa je hlađenje istog veoma težak problem. Vratilo se ne zagreva toliko prelazom toplote od toplih delova reaktora, koliko od gama-zračenja i neutrona, koje ono zarobljava. Da bi se izbeglo nepovoljno zračenje reaktora na vratilo, treba reaktor odvojiti od motora, kao što je predstavljeno na slici 5.

Slika 5. - Atomski turbomlazni motor sa odvojenim reaktorom

U pogledu zaštite od zračenja ovaj način ugradnje reaktora je mnogo povoljniji; međutim, veoma mnogo povećava hidraulične gubitke, što ima za posledicu smanjenje specifične snage motora. Ovo povećanje hidrauličnih otpora otklanja se ugradnjom razmenjivača toplote (slika 6).

Slika 6. - Atomski turbomlazni motor sa razmenjivačem toplote i sredstvom za hlađenje reaktora

Ugradnja reaktora prema šemama na slikama 4 i 5, nepovoljna je i u pogledu veličine reaktora. Naime, u tim slučajevima za zagrevanje vazduha potrebna je velika površina kroz koju bi se prenosila toplota od reaktora vazduhu - oko 800-1.000 m2 za avion težine 100-120 tona. To dovodi do velikih razmera reaktora, povećanje njegove težine i, konačno, do povećanja težine aviona i smanjenja brzine leta. Međutim, ako se za motor prema šemi na slici 6 uzme tečni metal kao sredstvo za hlađenje reaktora, kojim se toplota prenosi od reaktora do razmenjivača toplote, potrebna površina za prenos toplote u reaktoru svodi se na minimum pa reaktor može da bude i manji i lakši. Ali i ovo rešenje je samo kompromisno, jer i ono ima nedostataka, pošto se težini reaktora dodaje težina razmenjivača toplote i sredstva za hlađenje.

Zagrevanje vazduha atomskog turbomlaznog motora u razmenjivaču toplote naročito je povoljno u pogonskim grupama aviona sa više motora, jer je u tom slučaju moguć rad nekoliko motora sa jednim reaktorom. Jedino takvim pogonskim grupama je moguće ostvariti maksimalnu specifičnu snagu atomske pogonske grupe.

U cilju ostvarenja što više temperature radnog fluida atomskih motora - obično vazduha, postoje razne šeme i sredstva za prenos toplote od reaktora do radnog fluida. Sam princip zagrevanja vazduha razmenom toplote nosi u sebi osnovni nedostatak atomskih motora u poređenju sa konvencionalnim motorima, ne dozvoljavajući im da dostignu stepen savršenstva u iskorišćenju energije goriva, kakav je već dostignut u savremenim avionskim motorima. Na primer, temperatura produkata sagorevanja raketnih motora sa tečnim hemijskim gorivom dostiže 2.500- -3.000°C koja, iako tako visoka, ne ugrožava siguran rad motora, jer je moguće povoljnim hlađenjem komore za sagorevanje zadržati temperaturu zidova ispod 1.000°C. Međutim, kod atomskog motora, u kome se zagrevanje vazduha kao njegovog radnog fluida ostvaruje prelaskom toplote od zagrejanih površina reaktora ili razmenjivača toplote, maksimalna temperatura vazduha mora biti 100-150°C niža od temperature zagrejanih površina reaktora, odnosno zidova razmenjivača toplote.

Kad se određenom turbomlaznom motoru, čiji je radni ciklus u dijagramu 01230 (slika 7), zamene komore za sagorevanje razmenjivačem toplote ili samim reaktorom, dobija se radni ciklus 01450.

Slika 7.

Očigledno da je termički koeficijenat korisnosti konvencionalnog turbomlaznog motora:

t = 1 – T₃' / T₂

mnogo veći od termičkog koeficijenta atomskog turbomlaznog motora:

t = 1 – T₅' / T₃

jer je temperatura T₄ niža od temperature T₂ za 1000-2150°C, a temperature T₅, i T₃, se razlikuju za svega nekoliko stotina stepeni Celzijusovih.

U atomskom motoru (šema na slici 6) vazduh na ulazu u reaktivni mlaznik ima nižu temperaturu za 150-200°C zbog ekspanzije u turbini, a to je veoma nepovoljno, jer uslovljava manju silu potiska motora. Zato je poželjna ugradnja dopunskog razmenjivača toplote između turbine i mlaznika. U ovom slučaju sredstvo za hlađenje reaktora prvo zagreva vazduh u dopunskom razmenjivaču toplote a zatim u osnovnom. U ovom slučaju je temperatura vazduha ispred turbine niža nego kada nema dopunskog razmenjivača toplote, te je zato koeficijenat korisnog dejstva turbine manji i to, konačno, vodi porastu potrošnje nuklearnog goriva. No, pri zanemarljivo malom porastu potrošnje nuklearnog goriva ukupan koeficijenat korisnosti motora povećava se porastom sile potiska.

Gornje smanjenje koeficijenta korisnog dejstva turbine može se izbeći primenom pogona kompresora parnom ili gasnom turbinom. U ovom slučaju turbinu neće pokretati radni fluid mlaznog motora - vazduh, već samo sredstvo za hlađenje reaktora i to helijum ili živina para.

Slika 8. - Šema aviona sa dva atomska motora

1. Konus uvodnika; 2. Kompresor vazduha; 3. Gasna turbina; 4. Kompresor za helijum; 5. Razmenjivač toplote; 6. Reaktivni mlaznik; 7. Atomski reaktor; 8. Telo kontrolnih šipki

Na slici 8 prikazana je šema aviona, koji ima dva atomska motora sa kompresorom koji pokreće turbina na helijum. Zagrejan helijum u reaktoru dovodi se u turbinu a zatim ulazi u razmenjivač toplote. U razmenjivaču toplote helijum predaje toplotu vazduhu koji prolazi kroz motor kao radni fluid. Ohlađeni helijum vraća se iz razmenjivača toplote u reaktor kompresorom koji mu povećava pritisak. Jedan deo snage helijumove turbine koristi helijumov kompresor a drugi vazdušni kom- presor. Odnos snage je sledeći: ukoliko je snaga helijumove turbine ravna 150.000 KS, to 100.000 KS ide za pogon helijumovog kompresora a 50.000 KS za pogon vazdušnog kompresora. Ovakav odnos snaga uslovljava mali ukupan koeficijenat korisnosti pogonske grupe. Mnogo manje snage su potrebne kada vazdušni kompresor pokreće parna turbina, na primer, živina parna turbina. U reaktoru živa se pretvara u paru i hladi ga, zatim odlazi u parnu turbinu, kojoj predaje jedan deo svoje energije, a iz nje se odvodi u kondenzator -  razmenjivač toplote, gde se kondenzuje u tečnost i zagreva vazduh - radni fluid motora. Nedostatak razmene toplote u kondenzatoru je niska temperatura kondenzacije živine pare, pa je potrebno povišenje pritiska u njemu. U ovom slučaju za isti, napred navedeni motor, neće biti potrebna snaga turbine 150.000 KS, već samo 55.000 KS od kojih će se 50.000 KS koristiti za pogon vazdušnog kompresora a samo 5.000 KS za pogon živine pumpe, kojom se živa iz kondenzatora vraća u nuklearni reaktor. Zbog mnogo manje snage turbine potrošnja nuklearnog goriva biće smanjena, međutim, potisak ovakvog motora i pri povećanom pritisku u kondenzatoru biće manji nego u slučaju primene gasne helijumove turbine. Očigledno je da u slučaju primene živine gasne turbine imamo šemu pogonske grupe istu kakva je na avionu prema slici 8, s tim što je helijumov kompresor zamenjen živinom pumpom.

Iz prethodnog bi se moglo zaključiti da je uvek bolja primena žive kao sredstva za hlađenje reaktora. To bi bilo samo u slučaju da je koeficijenat korisnog dejstva parne turbine isti kakav je u gasnoj, pa bi u tom slučaju smanjenje snage turbine dovodilo do znatnog smanjenja snage reaktora pri približno istoj sili potiska motora. Međutim, koeficijenat korisnog dejstva gasne turbine je mnogo veći nego kod parne, te je za napred navedene motore snaga reaktora približno ista. Uzimajući u obzir da je izgradnja nuklearnog reaktora, u kome živa treba da se pretvara u paru, mnogo složenija od reaktora koji se hladi gasom, dolazi se do zaključka da je bolja primena helijumove gasne turbine.

I pored mnogih šema zagrevanja vazduha razmenom toplote u atomskim turbomlaznim motorima, nije se našlo rešenje kojim bi se konstruktori zadovoljili, jer je u svima temperatura vazduha na ulazu u reaktivni mlaznik relativno niska. Za sada najbolje rešenje je kompromis između atomskih i konvencionalnih motora, naime, da se u atomskim turbomlaznim motorima primeni dopunsko zagrevanje vazduha sagorevanjem hemijskog goriva, na primer, kerozina ili benzina. Primena ovakvog motora može se pokazati povoljna u pogledu temperature radnog fluida motora, ali će avion s takvim motorom, kao i sa svakim motorom koji radi na hemijsko gorivo, imati ograničen dolet, koji neće mnogo nadmašivati dolet savremenih teških aviona.

Atomski turboelisni motor ima višestepenu turbinu, kojom se pokreću vazdušni kompresor, elise (obično dve) i gasni kompresor, odnosno pumpa, zavisno od toga da li se kao sredstvo za hlađenje reaktora koristi gas ili para. Pošto turbinu pokreće sredstvo za hlađenje reaktora a ne vazduh, to kod ovih motora vazdušni kompresor ima drugostepeni značaj, jer služi samo zato da za vreme rada motora na zemlji protera vazduh kroz razmenjivač toplote, odnosno kondenzator. Na slici 9 data je šema atomskog turboelisnog motora sa živinom parnom turbinom. Kod ovog motora osnovni deo sile potiska ostvaruje turbina preko elise, te zato temperatura vazduha na ulazu u reaktivni mlaznik nema isti značaj kao kod turbomlaznih motora.

Slika 9. - Šema atomskog turboelisnog motora sa živinom parnom turbinom
1. Elise; 2. Reduktor; 3. Vazdušni kompresor; 4. Živina parna turbina; 5. Reaktor; 6. Kontrolne šipke; 7. Pumpa za živu; 8. Kondenzator; 9. Reaktivni mlaznik

Atomski nabojnomlazni motor je najjednostavniji i predstavlja u suštini leteći nuklearni reaktor (slika 10). Prema dijagramu na slici 3, primena ovog motora korisna je samo na velikim brzinama, koje su najmanje 2,5 puta veće od brzine zvuka.

Slika 10. - Šema atomskog nabojnomlaznog motora

1. Konus uvodnika; 2. Reaktor; 3. Kontrolna šipka; 4. Reaktivni mlaznik

Radi ostvarenja što više temperature vazduha na ulazu u reaktivni mlaznik atomskih motora, predlaže se primena nuklearnog goriva u vidu gasa, tečnosti ili prašine. Tako na primer, kod atomskog nabojnomlaznog motora (slika 11), u vazduh, sabijen na račun napora brzine, dovodilo bi se gasovito nuklearno gorivo, koje dospevši u polje reaktora, pod uticajem fluksa neutrona trpi nuklearnu reakciju cepanja atoma i to u celoj zapremini smeše vazduha i njega samog. Na taj način toplota se oslobađa u samom vazduhu, pa nema zagrevanja vazduha prenosom toplote od reaktora, a to je dvostruko korisno, jer je moguće ostvariti višu temperaturu i veći protok vazduha kroz motor.

Slika 11. - Šema atomskog nabojnomlaznog motora sa gasovitim nuklearnim gorivom 

1. Konus uvodnika; 2. Reaktor; 3. Reaktivni mlaznik; 4. Dovod gasovitog goriva; 5. Dovod sredstva za hlađenje reaktora

Povećanje protoka vazduha postiže se time što je potrebna površina reaktora u ovom slučaju nekoliko stotina puta manja nego za reaktor motora na slici 10, što doprinosi da je mnogo manji ot- por za prolaz vazduha kroz motor.

U svim ranijim šemama atomskih motora nuklearni reaktor je bio izvor toplote. Međutim, ovde reaktor se koristi samo kao izvor neutrona. Pošto se neutroni stvaraju nuklearnom reakcijom pri čemu se oslobađa velika količina toplote, to se reaktor mora hladiti nekim sredstvom za hlađenje, a toplota se mora predavati nekom posebnom agregatu. Primena nuklearnog goriva u vidu gasa, tečnosti ili prašine u današnjim uslovima bila bi veoma neekonomična, jer pri prolazu kroz nuklearni reaktor, zbog male verovatnoće sudara neutrona sa jezgrima raspršenog goriva, samo mali deo nuklearnog goriva će se iskoristiti. Da bi se ostvarile prihvatljive potrošnje nuklearnog goriva, potrebno je, kako se navodi u ruskoj literaturi, povećati jačinu fluksa neutrona u reaktoru stotinu hiljada puta u poređenju sa maksimalno ostvarenom u današnjim stacionarnim reaktorima. Radi ostvarenja tako velike jačine fluksa neutrona, nuklearni reaktor treba da radi na veoma visokom kritičnom nivou, odnosno imao bi veliku snagu po jedinici zapremine. No, pored toga, što je ovaj način stvaranja fluksa neutrona neekonomičan, istovremeno je i nemoguće stvoriti ga, jer nuklearni reaktor na tako visokim kritičnim nivoima zahteva veoma intenzivno hlađenje koje je danas neizvodljivo.

Sve dok se ne nađe pogodan način stvaranja fluksa neutrona velike jačine, primena nuklearnog goriva na gornji način biće nemoguća.

Sve iznete šeme avionskih atomskih motora očigledno ukazuju da je zagrevanje vazduha veoma složen problem i da isti još nije efikasno rešen, ali to ne znači i da su iscrpljene sve mogućnosti primene nuklearne energije u avijaciji. Ipak, nema sumnje da će se naći nova rešenja koja će obezbediti potpunu prevlast avionskih atomskih motora nad konvencionalnim.

Osnovni nedostatak primene nuklearne energije objašnjava se niskim kvalitetom toplote kao vida energije. Naime, toplotna energija u poređenju sa mehaničkom i električnom energijom ima najniži kvalitet. Zato bi bilo idealno izbeći toplotne procese, preko kojih se nuklearna energija pretvara u koristan rad.

Više od 80% energije cepanja jezgra atoma oslobađa se u vidu kinetičke energije koju poseduju produkti cepanja u trenutku razdvajanja. Kad bi moglo na neki način da se izbegne sudaranje produkata sa molekulima koji ih okružuju, ne bi došlo do pretvaranja njihove kinetičke energije u toplotnu. Zatim, kada bismo bili u stanju da ove produkte čija je brzina 10-15 hiljada km/s, usmerimo u jednom pravcu, ostvarili bismo idealan proces pretvaranja nuklearne energije u mehanički rad.

Atomski avionski motori na ovom principu bili bi raketnog tipa, a kao radni fluid imali bismo produkte cepanja jezgara atoma nuklearnog goriva. Ovi motori imali bi sličnu konstrukciju kao raketni sa čvrstim hemijskim gorivom.

Zaključak

Nesumnjivo je da izgradnja aviona na nuklearni pogon ima perspektivu, jer su dugogodišnja istraživanja u SSSR-u i SAD pokazala da je za dalji razvoj vazduhoplovstva neminovna primena nuklearnog pogona.

Ostvarenje nuklearnog pogona za avion je mnogo složenije i teže od već realizovanih nuklearnih pogona za električne centrale i podmornice. Na rešavanju problema u vezi s tim počelo se od svršetka prošlog rata i dosad su, prema zvaničnim podacima iz SSSR-a i SAD, nađena rešenja svim osnovnim problemima primene nuklearne energije u vazduhoplovstvu. Ipak, neka rešenja ne odgovaraju nivou kakav zahteva savremena tehnika i sada se upravo mnogo eksperimentalno radi na daljem usavršavanju i traženju boljih rešenja. Takav je slučaj, na primer, sa zaštitom od radioaktivnog zračenja, ali možemo biti sigurni da će i ovo nauka u najskorije vreme uspešno rešiti.