Ядзерная энергія ў космасе. Імпульсы паскарэння атамаў

Ідэі выкарыстання ядзернай энергіі для прывядзення ў рух касмічных караблёў і выкарыстанні яе ў будучых пазаземных базах або селішчах не новыя. У апошні час яны прыйшлі новай хваляй, і паколькі яны становяцца полем суперніцтва вялікіх дзяржаў, іх рэалізацыя становіцца больш верагоднай.

НАСА і Міністэрства энергетыкі ЗША пачалі пошук сярод дылерскіх кампаній праекты атамных электрастанцый на Месяцы і Марсе. Гэта павінна падтрымаць доўгатэрміновыя даследаванні і, магчыма, нават праекты селішчаў. Мэта НАСА - падрыхтаваць яго да запуску да 2026 года. Устаноўка павінна быць цалкам выраблена і сабрана на Зямлі, а затым праверана на прадмет бяспекі.

Антоні Каламіна, дырэктар НАСА па ядзерных тэхналогіях ва Упраўленні касмічных тэхналогій, паведаміў, што План складаецца ў тым, каб распрацаваць XNUMX-кілаватную ядзерную сістэму дзялення, якая ў канчатковым выніку будзе запушчана і размешчана на Месяцы. (1). Ён павінен быць інтэграваны з месяцовым пасадачным модулем, і ракета-носьбіт даставіць яго на арбіта месяца. Пагрузчык затым вывесці сістэму на паверхню.

Прадугледжваецца, што пасля прыбыцця на месца ён будзе адразу гатовы да работы, без неабходнасці дадатковай зборкі або будаўніцтва. Аперацыя з'яўляецца дэманстрацыяй магчымасцяў і будзе адпраўной кропкай для выкарыстання рашэння і вытворных ст.

"Пасля таго, як тэхналогія будзе праверана падчас дэманстрацыі, будучыя сістэмы могуць быць маштабаваны або некалькі прылад могуць выкарыстоўвацца разам для доўгатэрміновых місій на Месяц і, магчыма, на Марс", – растлумачыў Каламіна на CNBC. «Чатыры агрэгата, кожны з якіх дае па 10 кілават электраэнергіі, дадуць магутнасць, дастатковую для стварэнне фарпоста на Месяцы ці Марсе.

Здольнасць вырабляць вялікую колькасць электраэнергіі на паверхні планет з дапамогай сістэмы наземнага дзялення дазволіць праводзіць буйнамаштабныя даследаванні, ствараць чалавечыя аванпосты і выкарыстоўваць рэсурсы на месцы, дапушчаючы пры гэтым магчымасць камерцыялізацыі».

Як гэта будзе працаваць атамная электрастанцыя? Трохі ўзбагачаная форма ядзернае паліва сіла волі ядзернае ядро. Невялікі ядзерны рэактар ён будзе генераваць цяпло, якое будзе перададзена ў сістэму пераўтварэння энергіі. Сістэма пераўтварэння энергіі будзе складацца з рухавікоў, прызначаных для працы на цяпле рэактара, а не на гаручым паліве. Гэтыя рухавікі выкарыстоўваюць цяпло, пераўтвораць яго ў электрычнасць, якое кандыцыянуецца і размяркоўваецца па карыстацкім абсталяванні на паверхні Месяца і Марса. Метад адводу цяпла важны для падтрымання належнай працоўнай тэмпературы прылад.

Ядзерная энергія зараз разглядаецца як адзіная разумная альтэрнатыва там, дзе сонечная энергія, вецер і гідраэнергетыка не з'яўляюцца лёгкадаступнымі. На Марсе, напрыклад, сіла сонца моцна мяняецца ў залежнасці ад пары года, а перыядычныя пыльныя буры могуць доўжыцца месяцамі.

На Месяцы халодны месяцовы ноч доўжыцца 14 дзён, пры гэтым сонечнае святло значна змяняецца зблізку палюсоў і адсутнічае ў стала зацененых кратэрах. У такіх складаных умовах атрыманне энергіі з сонечнага святла абцяжарана, а запасы паліва абмежаваныя. Энергія павярхоўнага дзялення прапануе лёгкае, надзейнае і эфектыўнае рашэнне.

У адрозненне ад наземныя рэактарыняма намеру выдаляць ці замяняць паліва. У канцы 10-гадовай місіі таксама ёсць план бяспечнага вываду аб'екта з эксплуатацыі. "Па заканчэнні тэрміну службы сістэма будзе адключана, а ўзровень радыяцыі паступова знізіцца да ўзроўню, бяспечнага для доступу і эксплуатацыі чалавека", - растлумачыў Каламіна. "Сістэмы адходаў могуць быць перамешчаныя ў выдаленае месца захоўвання, дзе яны не будуць падвяргаць небяспецы экіпаж або навакольнае асяроддзе".

Невялікі, лёгкі, але эфектыўны рэактар, востра запатрабаваны

Па меры развіцця засваення космасу ў нас ужо нядрэнна атрымліваецца з сістэмы вытворчасці атамнай энергіі у невялікім маштабе. Такія сістэмы доўгі час прыводзілі ў дзеянне беспілотныя касмічныя апараты, якія адпраўляюцца ў далёкія куткі Сонечнай сістэмы.

У 2019 годзе касмічны карабель New Horizons з ядзернай устаноўкай праляцеў праз самы далёкі аб'ект, які калі-небудзь назіраўся з блізкай адлегласці, Ultima Thule, далёка за Плутонам у рэгіёне, вядомым як пояс Койпера. Ён не змог бы зрабіць гэта без ядзернай энергіі. Сонечная энергія недаступная ў дастатковай сіле за межамі арбіты Марса. Хімічныя крыніцы не служаць доўга, таму што шчыльнасць іх энергіі занадта малая, а маса занадта вялікая.

Выкарыстоўваецца ў далёкіх місіях радыёцеплавыя генератары (РТГ) выкарыстоўвае ізатоп плутонію 238Pu, які ідэальна падыходзіць для вылучэння пастаяннага цяпла ў выніку натуральнага радыеактыўнага распаду шляхам выпускання альфа-часціц, якія затым пераўтворацца ў электрычнасць. Яго 88-гадовы перыяд паўраспаду азначае, што ён будзе служыць доўгатэрміновай місіі. Аднак РИТЭГи не могуць забяспечыць высокую ўдзельную магутнасць, неабходную для працяглых місій, больш масіўных караблёў, не кажучы ўжо пра пазаземныя базы.

Рашэннем, напрыклад, для даследчай прысутнасці і, магчыма, селішчы на ​​Марсе ці Месяцы могуць стаць канструкцыі невялікіх рэактараў, якія НАСА тэставала на працягу некалькіх гадоў. Гэтыя прылады вядомыя як Кіламагутны энергетычны праект дзялення (2), прызначаны для падачы электраэнергіі магутнасцю ад 1 да 10 кВт і могуць быць сканфігураваны ў выглядзе скаардынаваных модуляў для харчавання рухальных установак або для падтрымкі даследаванняў, здабычы карысных выкапняў або калоній на іншапланетных касмічных целах.

Як вядома, у космасе мае значэнне маса. магутнасць рэактара ён не павінен перавышаць вагу сярэдняга аўтамабіля. Як мы ведаем, напрыклад, з нядаўняга шоу Ракеты Falcon Heavy ад SpaceXзапуск аўтамабіля ў космас у цяперашні час не зяўляецца тэхнічнай праблемай. Такім чынам, лёгкія рэактары можна лёгка вывесці на арбіту вакол Зямлі і за яе межы.

2. Прататып рэактара магутнасцю XNUMX кілават KIlopower.

Ракета з рэактарам выклікае надзеі і страхі.

Былы адміністратар НАСА Джым Брыдэнстайн ён шмат разоў падкрэсліваў перавагі ядзерных цеплавых рухавікоў, дадаўшы, што вялікая магутнасць на арбіце патэнцыйна можа дазволіць арбітальным караблям паспяхова ўхіляцца ў выпадку нападу супрацьспадарожнікавай зброяй.

Рэактары на арбіце яны таксама маглі б мець моцныя ваенныя лазеры, што таксама ўяўляе вялікую цікавасць для ўладаў ЗША. Аднак перш чым ядзерны ракетны рухавік зробіць свой першы палёт, НАСА павінна змяніць свае законы аб дастаўцы ядзерных матэрыялаў у космас. Калі гэта так, то, паводле задумы НАСА, першы палёт ядзернага рухавіка павінен адбыцца ў 2024 годзе.

Тым не менш, ЗША, здаецца, надаюць імпульс сваім ядзерным праектам, асабліва пасля таго, як Расія аб'явіла аб дзесяцігадовай праграме стварэння грамадзянскага касмічнага карабля з ядзернай сілавой устаноўкай. Калісьці яны былі бясспрэчным лідарам у галіне касмічных тэхналогій.

У 60-х гадах у ЗША быў праект імпульсна-імпульснай ядзернай ракеты "Арыён", які павінен быў быць настолькі магутным, што мог бы дазволіць перамяшчэнне цэлых гарадоў у космасі нават здзейсніць пілатуемы палёт да Альфы Цэнтаўра. Усе гэтыя старыя фантастычныя амерыканскія серыялы ляжаць на паліцы з 70-х гадоў.

Аднак прыйшоў час стрэсці пыл са старой канцэпцыі. ядзерны рухавік у космасегалоўным чынам таму, што канкурэнты, у дадзеным выпадку галоўнай выявай Расея, у апошні час выяўляюць вялікую цікавасць да гэтай тэхналогіі. Ядзерная цеплавая ракета магла б скараціць час палёту да Марса ўдвая, магчыма, нават да ста дзён, а значыць, касманаўты спажываюць менш рэсурсаў і меншую радыяцыйную нагрузку на экіпаж. Акрамя таго, як здаецца, не будзе такой залежнасці ад "вокнаў", гэта значыць шматразовага збліжэння Марса з Зямлёй кожныя некалькі гадоў.

Аднак існуе рызыка, якая ўключае на тым, што бартавы рэактар ​​быў бы дадатковай крыніцай радыяцыі ў сітуацыі, калі космас ужо нясе ў сабе вялізную пагрозу падобнага характару. Гэта яшчэ не ўсё. Ядзерна-цеплавы рухавік яго нельга запускаць у атмасферы Зямлі з-за асцярогі магчымага выбуху і заражэнні. Таму для запуску прадугледжаны нармальныя ракеты. Таму мы не прапускаем самы затратны этап, звязаны з вывадам масы на арбіту з Зямлі.

Даследчы праект НАСА пад назвай Дрэвы (сімулятар навакольнага асяроддзя ядзернай цеплавой ракеты) з'яўляецца адным з прыкладаў намаганняў НАСА па вяртанні да ядзернай сілавой усталёўкі. У 2017 годзе, яшчэ да таго, як прагучалі размовы аб вяртанні да гэтай тэхналогіі, НАСА заключыла з BWX Technologies трохгадовы кантракт коштам 19 млн долараў на распрацоўку паліўных кампанентаў і рэактараў, неабходных для будаўніцтва. ядзерны рухавік. Адной з найноўшых канцэпцый касмічнай ядзернай сілавой усталёўкі НАСА з'яўляецца рэактар ​​ATEG з функцыяй Swarm-Probe, SPEAR (3), які, як чакаецца, будзе выкарыстоўваць новы лёгкі запавольнік рэактара і ўдасканаленыя тэрмаэлектрычныя генератары (ATEG) для значнага памяншэння агульнай масы актыўнай зоны.

Гэта запатрабуе паніжэнні працоўнай тэмпературы і паніжэнні агульнага ўзроўня магутнасці ядра. Аднак паменшаная маса запатрабуе меншай рухальнай магутнасці, што прывядзе да стварэння невялікага недарагога электрычнага касмічнага карабля з ядзернай усталёўкай.

3. Візуалізацыя зонда, распрацаванага ў рамках праекту Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Анатоль ПермінаўПра гэта паведаміў кіраўнік Федэральнага касмічнага агенцтва Расіі. распрацуе атамны касмічны карабель для падарожжаў у далёкі космас, прапаноўваючы свой, арыгінальны падыход. Эскізны праект быў завершаны да 2013 года, а наступныя 9 гадоў запланаваны на распрацоўку. Гэтая сістэма павінна ўяўляць сабой камбінацыю вытворчасці ядзернай энергіі з іённым рухавіком. Гарачы газ з тэмпературай 1500 ° C з рэактара павінен круціць турбіну, якая круціць генератар, які выпрацоўвае электрычнасць для іённага рухавіка.

Па словах Пермінава, прывад зможа падтрымліваць пілатуемую місію на Марса касманаўты маглі заставацца на Чырвонай планеце 30 дзён дзякуючы ядзернай энергіі. У агульнай складанасці палёт на Марс з ядзерным рухавіком і пастаянным паскарэннем заняў бы шэсць тыдняў замест васьмі месяцаў, калі выказаць здагадку, што цяга ў 300 разоў больш, чым у хімічнага рухавіка.

Аднак у расійскай праграме не ўсё так гладка. У жніўні 2019 года ў Сарове, Расія, на беразе Белага мора ўзарваўся рэактар, які быў часткай ракетнага рухавіка на Балтыйскім моры. вадкае паліва. Невядома, ці звязана гэтая катастрофа з апісанай вышэй расійскай даследчай праграмай ядзерных рухавікоў.

Несумненна, аднак, элемент саперніцтва паміж ЗША і Расіяй, а магчыма, і Кітаем на месцах. выкарыстанне ядзернай энергіі ў космасе дае даследаванню моцны які паскарае імпульс.