원자력 추진 ( 영어 : Nuclear propulsion )

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2020. 11. 25.

 

원자력 추진 ( 영어 : Nuclear propulsion )은 원자력을 에너지 원으로하는 추진하는 것이다. 다양한 방식이있다. 차량 (영어 : vehicle )으로는 원자력 선 , 원자력 비행기 각종 원자력 로켓이나 우주선 등이 고려되고 있으며, 일부는 실용화되어있는 것도있다.

 

Delta-II_class_nuclear-powered_ballistic_missle_submarine_3 델타 급 잠수함을 핵 탑재



종류
원자력 증기 기관 추진은 원자로를 열원으로 한 보일러 (고압) 증기를 발생하여 그 증기로 각종 증기 기관을 구동하는 기관 내지 추진 방식이다.

원자력 전기 추진 (Nuclear electric propulsion)은 소위 원자력 (원자력 증기 기관에 의한 발전)없고 원자력 전지 (이것은 붕괴열 전지) 등에 의한 전력을 사용하고 추진 수단으로 전기에 의해 추진 ( 전동기 와 이온 로켓 등의 전기 로켓 ( 전기 추진 )을 이용하는 방식이다. 1957 년에 건조 된 레닌 과 이후 건조 된 원자력 쇄빙선의 예가있다 ( 이것은 전동기에 의한 추진이다 ).

 

PressurizedWaterReactor 가압 수로는 선박과 잠수함에 사용되는 가장 일반적인 원자로입니다. 그림 다이어그램은 작동 원리를 보여주고있다. 1 차 냉각수는 주황색이고 2 차 냉각수 (증기 및 이후 급수)는 파란색이다.



프로 메테우스 ( 고대 그리스어 : Προμηθεύς , Promētheús ) 계획은 전기 에너지에 의한 로켓 (전기 추진) 계획으로 실험 되었다.

(1970 ~ 80 년대에 우주 용 원자로 "부크"( Buk )와 " 토빠스 ( 영어; Topaz )를 탑재 한 레이더 정찰 위성을 총 32 기 발사 운용 실적을 기초로 구소련 시대 원자로 탑재 형 코스모스 954 호 및 코스모스 1402 호에서 축적 된 기술을 개선하고 미래의 행성 간 비행 ( interstellar flights )의 현실적인 수단으로 사용하고 있다.

Nuclear_thermal_rocket 핵열로캣추진 고체 코어 핵분열 핵 열 로켓의 스케치 탭 오프 터보 펌프

 

핵열( 核熱)로켓 추진 
核熱로켓 (nuclear thermal rocket)은 열 로켓 (thermal rocket)의 일종으로 열원에 핵반응을 이용하는 것으로, 핵분열 원자로 또는 핵융합로 고열에 의해 직접 추진제 (일반적으로 수소 ) 가열 팽창시켜 노즐에서 분출하여 추진하는 방식이다. 우주 개발 경쟁의 와중에 미소 양국에 의해 연구가 진행됐지만, 실용화에는 이르지 않았다. 미국에서는 NERVA 계획 에서 새턴 로켓의 상단에 사용하는 구성이 고려되었다. 소련에서는 1960 년대부터 1980 년대에 걸쳐 연구되었던 RD-0410 의 시험이 세미 팔 라틴 스크 핵 실험 장에서 실시되었다. RD-0410은 "Kurchatov Mars 1994"이라고 화성 비행 계획 예제의 검토가 있었다. ( 영어 : Nuclear thermal rocket )

 

Cosmos-954_scheme 코스모스 954 호 ( Космос-954 )



2019 년 3 월 6 일, 러시아의 로스 코스모스 는 로스 아톰 과 모스크바의 케루디슈 응용 수학 연구소 ( 러시아어 : . Институт прикладной математики им М.В.Келдыша ) 에서, RD-0410 핵열로켓 엔진을 기반으로 1 메가 와트급 원자로를 탑재 한 스페이스 플레인 ( 영어 : Spaceplane, 고도 160km를 마하 7의 극 초음속 (hypersonic speed, 마하 수 5.0 이상 ) 으로 비행하고, 고도 500km의 저궤도( 영어 : low orbit )에 도달 가능하며 50 회 이상 반복 재사용 가능한 설계) 개발 계획이 2010 년부터 진행 · 개발 중이라고 공식 발표 하였다.

 "열 핵무기"라는 단어는 thermonuclear weapon이며, nuclear thermal rocket은 영어 "열핵 로켓"이라고 한다. 

 

NASA-NERVA-diagram 네르바 솔리드 코어 설계



핵 펄스 추진 
핵 펄스 추진 (nuclear pulse propulsion)은 차량 후방에서 폭발을 반복 발생시켜 그 충격으로 추진하는 펄스 추진 방식의 로켓 등으로 핵폭발을 사용하는 것이다. 오리온 계획 과 다이달로스 계획 ( 영어 : Project Daedalus )에서 연구가 이루어졌다. 원폭을 사용하는 경우 핵분열 펄스 추진 , 수폭을 사용하는 경우는 핵융합 펄스 추진이라고도한다. 오리온 계획 ( Project Orion )의 초보적인 연구로서 Hot Rod라는 이름이 붙여진 작은 모형 (설명에 의하면, 크기 약 1m의 무게 약 100kg)를 일반 화약에 의한 폭발 펄스 추진 한 실험 동영상이 남아 있다.

 

Project OrionConfiguration 오리온 핵 펄스 추진 로켓 약도

 

핵융합 로켓 추진 
핵융합 로켓 (Fusion rocket) 추진은 에너지 원으로 핵융합을 사용하는 로켓에 의한 추진이다. 추진 수단은 전기 추진과 핵 펄스 추진된다. 핵융합 기술 자체가 실용화되어 있지 않지만, 추진기구의 구상으로는 존재한다.

바사도 램 제트 추진 
바사도 램 제트 ( 영어 : Bussard ramjet )은 핵융합 로켓의 연료로 성간 물질의 수소를 사용하는 이론적인 추진 방식이다. 우주선 전방에 설치된 직경 수 킬로미터의 집적 장치에서 수소를 모아 그것을 연료로 핵융합을 실시한다.


Topaz_nuclear_reactor 축소-토파즈 원자로 축소모델 

 

역사
원자력선이나 원자력 기관차 등도 있지만 여기에서는 항공 우주 관계를 중심으로 다룬다.

미국 공군의 원자력 비행기 계획에서 1955 년 9 월부터 1957 년 3 월까지 원자력 비행기 NB-36H 의한 원자력 탑재 전에 비행 실험이 47 회 행해졌지만 1961 년에는 계획 자체가 취소됐다. 1950 년대 후반부터 1964 년 7 월까지 플루트 계획으로 원자력 엔진을 탑재 한 순항 미사일의 개발이 진행되고 있었다. ICBM의 발전 필요성이 없어 중단되었다.

 

Orbits_around_earth_scale_diagram. 지구 주변의 위성 궤도. 하늘색이 저궤도 노란색이 중 궤도 검은 색 점선이 정지 궤도 를 나타내고있다.



소련도 핵 비행기를 개발하고 있었으며, 개조 Tu-95 터보프롭 전략 폭격기에 소형 원자로 ' 쿠즈 네 초프 NK-14 원자력 엔진'을 탑재 한 Tu-119 로 시험하고 있었다. 실제로 비행 중 원자로를 가동시켜 1965 년에 첫 비행 한 것으로 알려져있다. 또한 일부 정보에 의하면 48 시간 연속 원자로를 가동시키는데 성공했다고 했으며 승무원은 피폭없이 생환 수 있었다고한다.

한때 소련 과학 잡지의 기사에서 연상하거나 미야시쵸후 설계국의 초음속 전략 폭격기 M-50 을 "소련의 원자력 비행기"라고하는 오보가 유포되었다. 1961 년 7 월 쯔시노 에어쇼에서 실제로 음속 기계이었던 M-50을 공개하고 소련의 항공 기술에 대한 과대 평가와 위협을 주는 것에 성공했지만, 역시 실전 배치 가능한 원자력 비행기는 개발되지 않았던 것으로 알려졌다.

 

Prometheus1 프로 메테우스 계획



최근 원자력 발전이나 원자력 잠수함의 원자로와 같은 일반적인 원자로를 이용하는 것이 아니라, ' 핵 이성체 전이'라는 현상을 X 선 조사에서 인공적으로 제어함으로써 엄청난 열량을 얻고 공기가 작은 초 고공에서 비행 가능하며, 장기간 연료 교환이 필요없는 " TIHE (Triggered Isomer Heat Exchanger) "이란 개념의 원자력 추진이 연구되고있다. TIHE 반응로는 일반 제트 엔진의 연소실에 해당하는 위치에 놓인 물건으로, 루테튬 , 하프늄 , 탄탈 중 하나의 핵 이성체로 만든 얇은 튜브 형태로 성형 된 용광로 제가 연제 반응기에 벌집 같이 밀린다. X 선 조사의 조절에 의해 시동 · 정지 · 스로틀 (추력 조정) 확실한 조정이 가능하다.

 

Wendelstein7-X_Torushall-2011 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소 의 Wendelstein 7-X (벤 델 슈타인 지벤 · 익수)



예를 들어, 장시간 정찰 비행을 요구하는 RQ-4 Global Hawk 급 UAV에 채용 한 경우, 한번의 연료 (보일러 물 교환)에서 몇 주 또는 몇 달 동안의 체공 시간을 얻을 수 있지만, 핵 이성체 제조는 가속기 등이 필요하기 때문에 막대한 비용이 소요되며 미량이기는하지만 약간의 방사능 오염은 피할 수 없기 때문에 실용화시키기까지는 요원하다.

 

Tory-IIC_nuclear_ramjet_at_Jackass_Flats_in_ 1955 Tory-IIC시험 제작기



그러나 UAV 로 러시아에서 순항 미사일 ' 9M730 Burevestnik "(NATO CODE : SSC-X-9 Skyfall)의 추진 장치로 연구는 계속되고있다.

 

X-30_NASP_3 X-30의 상상도 ( 1990 년 )



평화적 이용으로는 NASA에서 핵분열 반응을 이용하는 NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) 계획 로켓 비행체 응용 원자력 엔진 (원자력 로켓)이라는 기술이 고안되어 있었다. 원자력 로켓은 연소 실험 (핵반응에서 연소)도 행해지고 있었고 러시아에서는 RD-0410 엔진이 시험되고 있었다. 2003 년 NASA는 탐사선의 용도에 프로 메테우스 계획을 시작했지만 2 년 만에 중단했다.

 

Nuclear_thermal_engine_NRX_A-1 NRX A-1 원자력 로켓 엔진



2019 년에는 러시아의 로스 코스모스 가 로스 아톰 과 모스크바의 케루디슈 응용 수학 연구소 ( 영어; Keldysh ) 에서 메가 와트 급 원자로의 계획을 발표했다.

 

Nuclearicebreakeryamal 러시아 원자력 쇄빙선 야마르 호