Kernenergieantriebe
(Helmut Hörner)
Realität und Vision
V.2
Überblick
• Visionen der 1950er-Jahre
• Nukleare Raketentriebwerke
• Raketen mit Atombombenantrieb (!)
• Atom-Auto
• Atom-Lokomotive
• Atom-Flugzeuge
• …
• Realität
• Atom U-Boote
• Atomgetriebene Schifffahrt
• Satelliten mit Kernreaktoren
• Raumsonden mit Radionuklidbatterien und Ionenantrieb
Atom U-Boote
• Erstes Atom U-Boot 1954 (Nautilus, USA)
• Energie aus Druckwasserreaktor
• Reaktor erhitzt Wasser im Primärkreislauf
• Wärmetauscher: Sekundärkreislauf
• Dampf treibt Turbine an
• Generator und Elektromotor
• Oft auch: Getriebeturbine
Atom U-Boote
• Leistung: ca. 150-300 MW
• Brennstoff: 200kg Uran 235, reicht für mehrere (bis zu 20) Jahre
• Unbegrenzte Tauchzeit
• Durchschnittliche Leistungsdaten:
• Geschwindigkeit: ca. 30 Knoten (55 km/h)
• Tauchtiefe: 400-600m
• Tauchdauer: Unbegrenzt (Luft wird aufbereitet)
• Nachteile:
• Platzbedarf (Reaktor, Abschirmung)
• Geräuschentwicklung (Wärmepumpen)
• Wärmestrahlung
• Kosten: 2-3 Milliarden USD pro U-Boot
• Abwrackungskosten: ca. 40 Mio USD
Schiffe mit Nuklearantrieb
Name
Staat
BRT
Reaktor
Zeitraum
Savannah
USA
22.000
Druckwasser 74 MW
1962
-1970
Otto Hahn
Deutschland
16.870
Druckwasser 38 MW
1968
-2009
Mutsu
Japan
8.400
Leichtwasser 36MW
1970
-
Sevmorput
Russland
61.800
Druckwasser
70 MW
1988
-
Frachtschiffe
Eisbrecher
Name
Staat
BRT
Reaktor
Zeitraum
Lenin
Russland
16.000
2x
171MW
1959
-1989
Arktika
Russland
23.460
2x 171MW
1975
-2008
Sibir
Russland
21.120
2x 171MW
1978
-1993
Rossiya
Russland
22.920
2x 171MW
1985
-2013
Sov
. Soyuz
Russland
22.120
2x 171MW
1989
-
Yamal
Russland
23.455
2x 171MW
1992
-
50
Let Pobedy
Russland
25.840
2x 171MW
2007
-
Tajmyr
Russland
21.100
1x 171MW
1989
-
Waigatsch
Russland
21.100
1x 171MW
1990
-
Satelliten mit Kernreaktor
USA 1965: „SNAPSHOT“
• Reaktorkern ca 40x23 cm, Masse 290 kg
• Steuerbarer Neutronenreflektor
• Energiegewinnung mit Peltierelementen
• Thermische Leistung: 30kW
• Elektrische Leistung: 0,5 kW
• Kühlmittel: Natrium/Kalium-Legierung
• Antrieb: Cäsium-Ionenantrieb
Ionenantrieb:
• Gasteilchen ionisieren
• beschleunigen
• vor Austritt neutralisieren!
Satelliten mit Kernreaktor
UDSSR (Russland) 1967-1988: „RORSAT“
• Spionagesatelliten
• Niedrige Umlaufbahn: Kein Solarpanel möglich!
• 37 Brennelemente mit 31kg angereichertem
Uran 235
• Insgesamt 33 Satelliten mit Kernreaktor
• 31 davon mit 2kW, 2 mit 6kW
• Hauptverursacher von Weltraummüll
(ca. 100.000 gefrorene Natrium-Kalium „Tropfen“)
• Nach Ende der Lebenszeit: „Beseitigungsbahn“
• Aber: „Rückkehr“ nach ein paar hundert Jahren
• Zahlreiche Pannen (z.B. Wiedereintritt des Reaktorkerns von
„Kosmos 954“ über Kanada im Jahr 1978.
Raumsonden mit Radionuklidbatterie
• Zerfallswärme von natürlichem
α-Zerfall von Pu-238
• Halbwertszeit 87,7 Jahre
• Thermoelektrische
Energgiegewinnung durch
Thermoelektr. Generator
(Seebeck-Effekt)
• Wirkungsgrad (elektr. Energie):
6%-10%
• Zusätzliche Wärmegewinnung
Raumsonden mit Radionuklidbatterie
41 RTGs in 23 Raumfahrzeugen seit 1961 erfolgreich eingesetzt
8 Planetensonden
8 Erdsatelliten
Außerdem: 5 Mondmissionen (Apollo), 2 Marsmissionen
Nukleares Raketentriebwerk
USA: NERVA 1954-1972 und TIMBERWIND (1987-1991)
UDSSR/Russland: RD-0410 (1965-1980)
• Wasserstoff wird in einem Kernreaktor auf 2800 K erhitzt und dann
ausgestoßen.
• Reaktor: Angereichertes U-235.
• Leistung: mehrere 100 MW
• Vergleich:
• RD-0410:
• NERVA:
für
• TIMBERWIND:
für
• SATURN V:
für
• Plan: Fertige Raketen im Jahr 2000.
• aber: Projektabbruch 1991
„Nuklearer Pulsantrieb“ (mit Atombomben!)
• Idee: Im Sekundenabstand werden
kleine 5kt-Atombomben aus dem
Heck ausgestoßen
• Etwa 35m hinter dem Heck
explodieren die Atombomben in
einer gerichteten Explosion
• Plasma trifft eine Prallplatte, die
über ein Stoßdämpfersystem mit
dem Schiff verbunden ist.
• Beladung mit bis zu 2.600
Atombomben!
Project Orion 1957-1965
Test am Modell
Weitere Visionen der 1950er
• Atom-Auto Ford Nucleon
(Konzept 1958)
Eine «Tankfüllung»
für 8000km
• Atom-Flugzeug (1955-1957)
Verdichtete Luft wird durch einen Reaktorkern
geleitet, erhitzt, und treibt die Düsenjet-Turbine an
• Atom-Lokomotive X-21
7000 PS (kurzfristig 12.000PS) über mehrere
Monate mit einer «Tankfüllung»
Literatur
[1] Ferdinand Cap: Physik und Technik der Atomreaktoren. Springer, 1957
[2] F. Münzinger. Atomkraft: Der Bau ortsfester und beweglicher Atomantriebe und seine technischen und
wirtschaftlichen Probleme. Eine kritische Einführung für Ingenieure, Volkswirte und Politiker. Springer, 2013.
[3] N. Polmar, K. J. Moore: Cold War Submarines: The Design and Construction of U.S. and Soviet
Submarines, Potomac Books, Washington, 2004.
[4] Richard Davis. Cost-Effectivness of Conventionally and Nuclear-Powered Carriers. United States General
Accounting Office, Washington, 1998.
[5] Joseph A. Angelo. Nuclear Technology, Greenwood Publishing Group, 2004
[6] G. R. Schmidt, T J. Sutliff, L. A. Dudzinski: Radioisotope Power: A Key Technology for Deep Space
Exploration, Radioisotopes - Applications in Physical Sciences, 2011. InTech, DOI: 10.5772/22041.
[7] R.A. Haslett: Space Nuclear Thermal Propulsion Program Final Report. PL-TR-95-1064. Grumman
Aerospace Corporation, New York, 1995.
[8] S. K. Borowski, D. R. McCurdy, T. W. Packard: Nuclear Thermal Rocket/Vehicle Characteristics and
Sensitivity Trades for NASA‘s Mars Design Reference Architecture (DRA) 5.0 Study. In: Proceedings of Nuclear
and Emerging Technologies for Space 2009, Atlanta, 2009. (Paper 203599)
[9] George Dyson: Project Orion. The True Story of the Atomic Spaceship. Henry Holt, New York, 2002.
[10] The Atomic Locomotive. LIFE Magazine, 21. Juni 1954, S. 78ff
[11] Pierre Auger: Die wissenschaftliche Forschung als internationale Aufgabe. Die Bedeutung der Plasma-
Antriebe in der Raumfahrt. Springer, 1964.
[12] G.R. Schmidt, J.A. Bonometti, P.J. Morton: Nuclear Pulse Propulsion – Orion and Beyond. 36th
AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Huntsville, 2000.
[13] Die Bundesbahn. Zeitschrift für aktuelle Verkehrsfragen. Heft 22/1955. Hestra-Verlag. Darmstadt, 1955
