Aircraft Nuclear Propulsion

Chương trình Động cơ Hạt nhân cho Máy bay (Aircraft Nuclear Propulsion – ANP) và dự án trước đó Năng lượng Hạt nhân để Đẩy Máy bay (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft – NEPA) nhằm phát triển hệ thống đẩy hạt nhân cho máy bay. Không quân Lục quân Hoa Kỳ (USAAF) khởi xướng Dự án NEPA vào ngày 28 tháng 5 năm 1946. NEPA hoạt động cho đến tháng 5 năm 1951, khi dự án được chuyển sang chương trình ANP do Ủy ban Năng lượng Nguyên tử (Atomic Energy Commission – AEC) phối hợp với Không quân Hoa Kỳ (USAF) quản lý. USAF theo đuổi hai hệ thống khác nhau cho động cơ phản lực chạy bằng năng lượng hạt nhân: khái niệm Chu trình Khí Trực tiếp (Direct Air Cycle) do General Electric phát triển, và Chu trình Khí Gián tiếp (Indirect Air Cycle) được giao cho Pratt & Whitney. Chương trình dự kiến phát triển và thử nghiệm máy bay dựa trên Convair X-6, nhưng bị hủy bỏ vào năm 1961 trước khi chiếc máy bay này được chế tạo. Tổng chi phí của chương trình từ 1946 đến 1961 khoảng 1 tỷ đô la Mỹ.

Kiểu

Chu trình Khí Trực tiếp 

Động cơ hạt nhân chu trình trực tiếp (Direct Cycle) giống với một động cơ phản lực thông thường nhưng không có buồng đốt. Không khí nén nóng được tạo ra từ phần máy nén sẽ được dẫn trực tiếp vào lõi lò phản ứng hạt nhân. Không khí được làm nóng thêm nhờ nhiệt hạt nhân, đồng thời làm mát lò phản ứng. Sau đó, không khí giãn nở qua tua-bin, cung cấp năng lượng cho máy nén, trước khi được xả ra với tốc độ cao để tạo lực đẩy. Kết quả cuối cùng là thay vì dùng nhiên liệu phản lực, máy bay có thể dựa vào nhiệt lượng từ phản ứng hạt nhân.

Chương trình của General Electric, đặt tại Evendale, Ohio, được theo đuổi nhờ các ưu điểm về sự đơn giản, độ tin cậy, tính phù hợp và khả năng khởi động nhanh. Các phần máy nén và tua-bin của động cơ phản lực thông thường được sử dụng, với không khí nén được dẫn qua lò phản ứng để làm nóng trước khi xả ra qua tua-bin.

Chu trình Khí Gián tiếp 
Chu trình gián tiếp (Indirect Cycle) sử dụng trao đổi nhiệt bên ngoài lõi phản ứng, với không khí từ máy nén được dẫn tới một bộ trao đổi nhiệt. Lõi phản ứng hạt nhân làm nóng nước dưới áp suất hoặc kim loại lỏng, sau đó gửi chất lỏng nóng này đến bộ trao đổi nhiệt. Chất lỏng nóng được làm mát nhờ không khí; không khí được làm nóng bởi chất lỏng, sau đó đi qua tua-bin (cung cấp năng lượng cho máy nén), rồi xả ra ngoài, tạo lực đẩy.

Chương trình chu trình không khí gián tiếp được giao cho Pratt & Whitney, tại một cơ sở gần Middletown, Connecticut. Ý tưởng này sẽ tạo ra ít ô nhiễm phóng xạ hơn nhiều. Một hoặc hai vòng tuần hoàn của kim loại lỏng sẽ mang nhiệt từ lò phản ứng tới động cơ. Chương trình này bao gồm rất nhiều nghiên cứu và phát triển các hệ thống có trọng lượng nhẹ phù hợp với máy bay, như bộ trao đổi nhiệt, bơm tua-bin kim loại lỏng và bộ tản nhiệt. Chương trình Chu trình Gián tiếp chưa bao giờ tiến gần tới việc chế tạo nguyên mẫu cho thử nghiệm bay.

Lò phản ứng và các dự án thử nghiệm

Thí nghiệm Lò phản ứng Máy bay 

Thí nghiệm Lò phản ứng Máy bay của Hoa Kỳ (Aircraft Reactor Experiment – ARE) là một lò phản ứng hạt nhân phổ nhiệt công suất 2,5 MWth, được thiết kế để đạt mật độ công suất cao và nhiệt độ đầu ra cao, sử dụng làm động cơ cho máy bay ném bom chạy bằng năng lượng hạt nhân. Ưu điểm của máy bay chạy bằng năng lượng hạt nhân so với máy bay thông thường là có thể bay liên tục trong thời gian dài hơn nhiều, cung cấp một răn đe chiến lược hạt nhân hiệu quả đối với đối thủ Liên Xô sở hữu vũ khí hạt nhân. 

ARE là lò phản ứng muối nóng chảy (Molten Salt Reactor – MSR) đầu tiên được xây dựng và vận hành. Nó sử dụng muối flo nóng chảy NaF–ZrF4–UF4 (53–41–6 mol%) làm nhiên liệu, được điều chế bằng beryli oxide (BeO) cấu hình lục giác làm chất điều tiết, với nhiệt độ đỉnh đạt 860 °C. Hệ thống làm mát phụ bằng natri lỏng được sử dụng để làm mát vật liệu điều tiết và phản xạ. Một vòng làm mát khí heli thứ cấp được tuần hoàn quanh vòng làm mát chính để truyền nhiệt tới bộ tản nhiệt nước, nơi nhiệt lượng được xả ra khí quyển. Các thanh điều chỉnh phản ứng đã được lắp đặt và phát hiện rằng các thanh điều chỉnh không quyết định công suất của ARE; thay vào đó, công suất yêu cầu mới ảnh hưởng, làm thay đổi nhiệt độ đầu vào và đầu ra do hệ số âm của nhiệt độ phản ứng. ARE đã được vận hành ở công suất tối đa 2,5 MWth trong tổng cộng 221 giờ.

Dự án MX-1589 

ngày 5 tháng 9 năm 1951, Không quân Hoa Kỳ (USAF) đã trao hợp đồng cho Convair để bay thử lò phản ứng hạt nhân trên một chiếc Convair B-36 Peacemaker được cải tiến theo dự án MX-1589 thuộc chương trình ANP. Máy bay Thử nghiệm Hạt nhân NB-36H (Nuclear Test Aircraft – NTA) nhằm nghiên cứu các yêu cầu về chắn bức xạ cho lò phản ứng trên không, để xác định liệu máy bay chạy bằng năng lượng hạt nhân có khả thi hay không. Đây là thí nghiệm lò phản ứng bay duy nhất được biết đến của Hoa Kỳ với một lò phản ứng hạt nhân hoạt động trên máy bay.

NTA đã bay tổng cộng 47 lần, thử nghiệm lò phản ứng trên vùng Tây Texas và Nam New Mexico. Lò phản ứng, được gọi là Aircraft Shield Test Reactor (ASTR), có thể hoạt động nhưng không cung cấp năng lượng cho máy bay; mục đích chính của chương trình bay là kiểm tra hiệu quả của lớp chắn bức xạ. Dựa trên kết quả của NTA, dự án X-6 và toàn bộ chương trình máy bay hạt nhân đã bị hủy bỏ vào năm 1961.

Thí nghiệm Lò phản ứng Truyền nhiệt (Heat Transfer Reactor Experiments) 

Là một phần của chương trình AEC/USAF ANP, vào năm 1956, các động cơ J47 do General Electric cải tiến lần đầu tiên được vận hành bằng năng lượng hạt nhân sử dụng một lắp ráp lò thử nghiệm được gọi là Thí nghiệm Lò phản ứng Truyền nhiệt 1 (HTRE-1). HTRE-1, sử dụng các thanh điều khiển theo phương đứng, đã được cấu hình lại với lõi có thể tháo rời để trở thành HTRE-2 cho các thử nghiệm bổ sung. HTRE-3 được xây dựng riêng để thử nghiệm các thanh điều khiển theo phương ngang, phù hợp cho việc sử dụng trên khung máy bay.

Các lò phản ứng và bộ lắp ráp thử nghiệm đã ngừng hoạt động HTRE-2 và HTRE-3 hiện có thể được công chúng xem tại bãi đỗ của Experimental Breeder Reactor I thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho.

Pratt & Whitney Aircraft Reactor-1 
Vào ngày 5 tháng 2 năm 1957, một lò phản ứng khác được đưa tới trạng thái tới hạn tại Critical Experiments Facility của Oak Ridge National Laboratory (ORNL) như một phần của chương trình lò phản ứng nhiên liệu tuần hoàn của công ty Pratt & Whitney Aircraft Company (PWAC). Lò phản ứng này được gọi là PWAR-1 (Pratt & Whitney Aircraft Reactor-1). Mục đích của thí nghiệm là kiểm chứng thực nghiệm các tính chất hạt nhân lý thuyết dự đoán cho lò PWAC. Thí nghiệm chỉ được thực hiện trong thời gian ngắn; đến cuối tháng 2 năm 1957, tất cả dữ liệu đã được thu thập và việc tháo rời lắp ráp bắt đầu. Thí nghiệm được vận hành ở mức công suất hạt nhân gần như bằng không. Nhiệt độ vận hành được giữ ổn định khoảng 675 °C (1.247 °F), gần bằng nhiệt độ thiết kế của bộ điều chỉnh PWAR-1; nhiệt độ này được duy trì bằng bộ gia nhiệt bên ngoài. Giống như lò ARE 2,5 MWt, PWAR-1 sử dụng NaF–ZrF4–UF4 làm nhiên liệu và chất làm mát chính.

Hủy bỏ 
Cuộc cạnh tranh công nghệ với Liên Xô (được thể hiện qua việc phóng Sputnik 1) và sự ủng hộ mạnh mẽ liên tục từ Không quân đã cho phép chương trình tiếp tục, mặc dù lãnh đạo bị chia rẽ giữa Bộ Quốc phòng (DOD) và Ủy ban Năng lượng Nguyên tử (AEC). Nhiều cơ sở thử nghiệm đã được tài trợ và xây dựng trong thập niên 1950 và năm 1960–61 nhằm tạo ra một đơn vị năng lượng hạt nhân có thể bay được, bao gồm một cơ sở tại Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Mặc dù ARE đã thành công trong việc chứng minh vận hành khái niệm lò phản ứng muối nóng chảy (MSR), chương trình đã bị Tổng thống Kennedy hủy bỏ vào ngày 26 tháng 3 năm 1961, với lý do chi phí cao trong khi chưa có lò phản ứng nào sẵn sàng cho bay được sản xuất – "15 năm và khoảng 1 tỷ đô la đã được dành cho việc phát triển máy bay chạy bằng năng lượng hạt nhân; nhưng khả năng đạt được một máy bay có giá trị quân sự trong tương lai gần vẫn rất xa vời".

Một yếu tố góp phần khác vào việc hủy bỏ là việc các tên lửa đạn đạo liên lục địa đầu tiên được đưa vào phục vụ vào tháng 9 năm 1959, gần như loại bỏ nhu cầu về một máy bay chạy bằng năng lượng hạt nhân để răn đe chiến lược. Tuy nhiên, kết quả từ chương trình ARE đã thúc đẩy các nhà khoa học và kỹ sư tại ORNL đề xuất một thiết kế sơ bộ với Ủy ban Năng lượng Nguyên tử cho một lò phản ứng muối nóng chảy thí nghiệm 30 MWth nhằm nghiên cứu MSR như một khái niệm trạm điện dân dụng. Kết quả của đề xuất này là chỉ đạo từ Ủy ban Năng lượng Nguyên tử cho ORNL thiết kế, xây dựng và vận hành Thí nghiệm Lò phản ứng Muối Nóng Chảy (MSRE).

Xem thêm 

 WS-125, năm 1955, yêu cầu của Không quân Hoa Kỳ về máy bay ném bom chạy bằng năng lượng hạt nhân.
 NERVA – chương trình phát triển động cơ tên lửa nhiệt hạch hạt nhân.
 Project Pluto – phát triển động cơ ramjet hạt nhân cho tên lửa hành trình.
 Project Rover phát triển tên lửa nhiệt hạch hạt nhân.
 Tupolev Tu-95LAL phiên bản thử nghiệm của máy bay ném bom Tu-95 Liên Xô chạy bằng năng lượng hạt nhân.

Tham khảo

Liên kết ngoài 

 .
 .
 .
 .
  with illustrations on the subject of using an atomic reactor to power an aircraft.
 .
 SOVİET TOP SECRET NUCLEAR AIRPLANE M-60 Akademi Portal by Akademi Portal web site (in English)
 COMPREHENSHIVE TECHNICAL REPORT GE DIRECT AIR CYCLE AIRCRAFT NUCLEAR PROPULSION PROGRAM (in English)
 "Flyable" Reactors & Neutron Coupling (in English)
 
 Declassified Aircraft Nuclear Propulsion Program: Manned Aircraft Progress Report 1956-1958