Trung Quốc phát triển động cơ tàu vũ trụ hạt nhân

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang phát triển lò phản ứng 1,5 megawatt cao bằng tòa nhà 20 tầng khi mở rộng, giúp bay khứ hồi giữa Trái Đất và sao Hỏa.

Nguyên mẫu lò phản ứng làm mát bằng lithium thử nghiệm của Trung Quốc. Ảnh: Viện hàn lâm Khoa học Trung Quốc

Dự án cộng tác giữa hơn 10 viện nghiên cứu và trường đại học trên khắp Trung Quốc đạt những bước tiến quan trọng hướng tới du hành liên hành tinh với sự phát triển của công nghệ phân hạch hạt nhân, cho phép khám phá sao Hỏa trên quy mô lớn. Trong bài báo đăng trên tạp chí Scientia Sinica Technologica của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, nhóm nghiên cứu cho biết nguyên mẫu hệ thống lò phản ứng làm mát bằng lithium của họ vượt qua một số thử nghiệm ban đầu trên mặt đất, Sun hôm 19/3 đưa tin.

Kết quả thử nghiệm xác nhận một số giải pháp công nghệ chủ chốt mà các nhà khoa học và kỹ sư Trung Quốc phát minh để thu gọn lò phản ứng cỡ megawatt, mạnh gấp 7 lần hệ thống do NASA chế tạo, tới kích thước chưa từng có. Khi triển khai đầy đủ trong không gian, lò phản ứng 1,5 megawatt bao gồm bộ tản nhiệt của nó, có thể cao bằng tòa nhà 20 tầng. Nhưng trên mặt đất, lò sẽ gập gọn thành một container nặng chưa đến 8 tấn.

Thiết kế trên giúp hệ thống lò phản ứng dễ đặt và phóng trên tên lửa, theo nhóm nghiên cứu đứng đầu là nhà khoa học Wu Yican ở Viện hàn lâm. Lò phản ứng cũng có thể duy trì hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt của vũ trụ suốt thời gian dài. Theo bài báo, nguồn năng lượng công suất cao sẽ giúp di chuyển khứ hồi trở nên khả thi với cả chuyến bay chở phi hành gia và hàng hóa, mở đường cho công cuộc khám phá Mặt Trăng và sao Hỏa trên quy mô lớn của Trung Quốc.

Một số nhà khoa học ước tính tàu vũ trụ năng lượng hạt nhân có thể hoàn thành hành trình khứ hồi giữa Trái Đất và sao Hỏa chỉ trong 3 tháng. Hiện nay, cộng đồng khoa học đều thống nhất công nghệ này rất cần thiết đối với nhiệm vụ liên hành tinh. Ngược lại, tàu vũ trụ dựa vào nhiên liệu hóa thạch như hệ thống Starship mà công ty SpaceX của Mỹ đang phát triển, có thể cần ít nhất 7 tháng để tới sao Hỏa, theo vài tính toán. Tên lửa Starship là trung tâm trong kế hoạch đưa phi hành gia hạ cánh trên Mặt Trăng cuối thập kỷ này của NASA, cũng như tham vọng thuộc địa hóa sao Hỏa của giám đốc điều hành SpaceX Elon Musk. Tuy nhiên, chuyến bay một chiều tới hành tinh đỏ sẽ cần hệ thống hỗ trợ sự sống khổng lồ.

Chương trình Artemis của NASA lên kế hoạch đưa lò phản ứng hạt nhân lên Mặt Trăng và sử dụng công nghệ tương tự để xây dựng đội tàu vũ trụ thuộc địa hóa sao Hỏa. Liên minh châu Âu khởi xướng 3 dự án nhằm phát triển công nghệ vũ trụ liên quan tới hạt nhân. Nga cũng tái khởi động dự án tàu vũ trụ năng lượng hạt nhân từ thời Chiến tranh Lạnh. Theo nhóm nghiên cứu của Wu, Nga đang tiến triển nhanh nhất trong nghiên cứu và phát triển một số công nghệ chủ chốt trong lĩnh vực, bao gồm nhiên liệu hạt nhân trong vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu cho biết lò phản ứng của Trung Quốc sẽ nóng tới 1.276 độ C thông qua phản ứng phân hạch của nhiên liệu uranium, vượt xa nhiệt độ hoạt động của phần lớn nhà máy hạt nhân thương mại. Nhiệt lượng cực cao sẽ làm giãn nở dạng lỏng của những nguyên tố trơ như heli và xenon thành dạng khí, giúp chạy máy phát. Phản ứng dây chuyền sản sinh neutron nhanh, cho phép cung cấp điện hiệu quả và liên tục trong ít nhất 10 năm. Thông qua sử dụng lithium lỏng, nhóm nghiên cứu có thể khiến lò phản ứng nhỏ hơn nhờ tính dẫn nhiệt cao và trọng lượng thấp của nguyên tố này.

Thông thường, thiết bị trao đổi nhiệt và tấm chắn bức xạ chiếm nhiều chỗ trong thiết kế lò phản ứng, nhưng Wu và đồng nghiệp cho biết họ phát triển công nghệ kết hợp cả hai bộ phận này thành một. Theo bài báo, thiết bị trao đổi nhiệt của lò phản ứng làm từ hợp kim tungsten, có thể trao đổi nhiệt hiệu quả trong mạch đồng thời chặn bức xạ có hại. Các công nghệ mới khác bao gồm vật liệu chống xói mòn nhiệt độ cao. Ở giai đoạn này, nguồn nhiệt của nguyên mẫu lò phản ứng là nguồn cung cấp điện ngoài. Kế hoạch của nhóm nghiên cứu là thêm thanh nhiên liệu hạt nhân để lò hoạt động đầy đủ ở những bước tiếp theo của chương trình thử nghiệm.

Thử nghiệm giúp chứng minh sơ bộ tính khả thi khi kết hợp hệ thống làm mát dựa trên lithium với máy phát điện Brayton được phát triển vào thế kỷ 19 dưới dạng động cơ piston và sử dụng rộng rãi trong chuyến bay có động cơ vào không gian. Một trọng tâm chính cần nghiên cứu và phát triển thêm là độ an toàn của lò phản ứng khi phóng và vận hành. Yêu cầu bắt buộc là không có nguy cơ xảy ra vụ nổ hạt nhân ngay cả khi lò phản ứng rơi trở lại Trái Đất. Nhóm phụ trách dự án cũng lên kế hoạch ứng dụng trí tuệ nhân tạo cho hoạt động tự động dài hạn của lò phản ứng trong không gian, sử dụng công nghệ tự động chẩn đoán và xử lý trục trặc.

An Khang (Theo Sun)