ระบบขับเคลื่อนเครื่องบินด้วยพลังงานนิวเคลียร์

โครงการขับเคลื่อนเครื่องบินด้วยพลังงานนิวเคลียร์ (Aircraft Nuclear Propulsion - ANP) และโครงการก่อนหน้าอย่าง Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft (NEPA) เป็นความพยายามของสหรัฐอเมริกาในการพัฒนาเครื่องยนต์เจ็ทที่ใช้พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แทนการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างเครื่องบินที่สามารถบินได้ต่อเนื่องเป็นระยะเวลานานเป็นพิเศษเพื่อใช้ในภารกิจทางยุทธศาสตร์

กองทัพอากาศสหรัฐฯ (USAF) ได้เริ่มต้นโครงการ NEPA เมื่อวันที่ 28 พฤษภาคม ค.ศ. 1946 และดำเนินงานจนถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1951 ก่อนจะโอนย้ายการดำเนินงานไปยังโครงการ ANP ซึ่งเป็นการร่วมมือกันระหว่างคณะกรรมาธิการพลังงานปรมาณู (AEC) และกองทัพอากาศสหรัฐฯ โดยโครงการนี้ได้ใช้งบประมาณรวมประมาณ 1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในช่วงปี ค.ศ. 1946 ถึง 1961 ก่อนจะถูกยกเลิกไปในที่สุด

ประเภทของระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์

ในการพัฒนาเครื่องยนต์เจ็ทนิวเคลียร์ กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ศึกษาแนวทางหลัก 2 รูปแบบ ดังนี้:

1. ระบบวัฏจักรอากาศโดยตรง (Direct Air Cycle)

ระบบนี้มีลักษณะคล้ายกับเครื่องยนต์เจ็ททั่วไปแต่ไม่มีห้องเผาไหม้ โดยอากาศที่ถูกอัดจากส่วนคอมเพรสเซอร์จะถูกส่งตรงเข้าสู่แกนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะทำให้อากาศร้อนขึ้นและขยายตัว จากนั้นอากาศร้อนนี้จะถูกส่งผ่านกังหัน (Turbine) เพื่อขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ และพ่นออกทางท่อไอเสียด้วยความเร็วสูงเพื่อสร้างแรงผลัก

บริษัท General Electric เป็นผู้รับผิดชอบการพัฒนาแนวทางนี้ เนื่องจากมีความเรียบง่าย เชื่อถือได้ และสามารถเริ่มการทำงานได้อย่างรวดเร็ว

2. ระบบวัฏจักรอากาศทางอ้อม (Indirect Air Cycle)

ระบบนี้จะใช้ตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน (Heat Exchanger) โดยเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะทำความร้อนให้กับน้ำที่มีความดันสูงหรือโลหะเหลว จากนั้นโลหะเหลวร้อนจะถูกส่งไปยังตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อถ่ายโอนความร้อนให้อากาศที่ถูกอัดเข้ามา อากาศที่ร้อนขึ้นจะถูกส่งผ่านกังหันและพ่นออกทางท่อไอเสียเพื่อสร้างแรงผลัก

บริษัท Pratt & Whitney เป็นผู้พัฒนาแนวทางนี้ ซึ่งมีข้อดีสำคัญคือลดการแพร่กระจายของสารกัมมันตรังสีออกสู่สิ่งแวดล้อมได้มากกว่าระบบโดยตรง อย่างไรก็ตาม ระบบนี้มีความซับซ้อนสูงและต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ปั๊มเทอร์โบโลหะเหลวและหม้อน้ำน้ำหนักเบา ทำให้ไม่สามารถพัฒนาจนถึงขั้นนำมาใช้งานจริงได้

โครงการทดลองและเตาปฏิกรณ์ที่สำคัญ

โครงการ Aircraft Reactor Experiment (ARE)

ARE เป็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ Thermal-spectrum ขนาด 2.5 MWth ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในเครื่องบินทิ้งระเบิด โดยมีจุดเด่นคือเป็นเตาปฏิกรณ์แบบเกลือหลอมเหลว (Molten Salt Reactor - MSR) เครื่องแรกของโลก ใช้เชื้อเพลิงเกลือฟลูออไรด์หลอมเหลว และมีอุณหภูมิสูงสุดถึง 860 องศาเซลเซียส เพื่อให้เครื่องบินสามารถบินอยู่บนอากาศได้นานกว่าเครื่องบินปกติหลายเท่าตัว

โครงการ MX-1589 และเครื่องบิน NB-36H

ในปี ค.ศ. 1951 กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ว่าจ้างบริษัท Convair ให้ติดตั้งเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์บนเครื่องบิน Convair B-36 Peacemaker ที่ดัดแปลงเป็นรุ่น NB-36H เพื่อทดสอบการป้องกันรังสี (Shielding) และความเป็นไปได้ในการนำเตาปฏิกรณ์ขึ้นบิน

เครื่องบิน NB-36H บินทดสอบทั้งหมด 47 ครั้งเหนือพื้นที่รัฐเท็กซัสและนิวเม็กซิโก โดยเตาปฏิกรณ์ที่ชื่อว่า Aircraft Shield Test Reactor (ASTR) ทำงานอยู่บนเครื่องแต่ไม่ได้ใช้ขับเคลื่อนเครื่องบิน จุดประสงค์หลักคือการทดสอบประสิทธิภาพของฉากกั้นรังสี

การทดลอง Heat Transfer Reactor Experiments (HTRE)

ในปี ค.ศ. 1956 มีการนำเครื่องยนต์ General Electric J47 ที่ดัดแปลงมาทำงานร่วมกับเตาปฏิกรณ์ทดสอบที่เรียกว่า HTRE-1 ต่อมาได้มีการพัฒนาเป็น HTRE-2 และ HTRE-3 เพื่อทดสอบการวางตำแหน่งของแท่งควบคุม (Control Rods) ทั้งแบบแนวตั้งและแนวนอนเพื่อให้เหมาะสมกับการติดตั้งในโครงสร้างเครื่องบิน