Ядерна енергія у космосі. Імпульси прискорення атомів

Ідеї ​​використання ядерної енергії для приведення в рух космічних кораблів та використання її в майбутніх позаземних базах чи поселеннях не є новими. Останнім часом вони прийшли новою хвилею, і оскільки вони стають полем суперництва великих держав, їхня реалізація стає більш ймовірною.

НАСА та Міністерство енергетики США розпочали пошук серед дилерських компаній проекти атомних електростанцій на Місяці та Марсі. Це має підтримати довгострокові дослідження та, можливо, навіть проекти поселень. Мета НАСА – підготувати його до запуску до 2026 року. Установка має бути повністю виготовлена ​​та зібрана на Землі, а потім перевірена на предмет безпеки.

Ентоні Каломіно, директор НАСА з ядерних технологій в Управлінні космічних технологій, повідомив, що План полягає в тому, щоб розробити XNUMX-кіловатну ядерну систему розподілу, яка зрештою буде запущена та розміщена на Місяці. (1). Він повинен бути інтегрований з місячним посадковим модулем, і ракета-носій доставить його на орбіта місяця. Навантажувач потім вивести систему поверхню.

Передбачається, що після прибуття на місце він буде одразу готовий до роботи без необхідності додаткового складання або будівництва. Операція є демонстрацією можливостей і буде відправною точкою для використання рішення та похідних ст.

"Після того, як технологія буде перевірена під час демонстрації, майбутні системи можуть бути масштабовані або кілька пристроїв можуть використовуватися разом для довгострокових місій на Місяць і можливо на Марс", - пояснив Каломіно на CNBC. «Чотири агрегати, кожен з яких дає по 10 кіловат електроенергії, дадуть потужність, достатню для створення форпосту на Місяці чи Марсі.

Здатність проводити велику кількість електроенергії на поверхні планет за допомогою системи наземного розподілу дозволить проводити великомасштабні дослідження, створювати людські аванпости та використовувати ресурси на місці, припускаючи при цьому можливість комерціалізації».

Як це буде працювати атомна електростанція? Трохи збагачена форма ядерне паливо сила волі ядерне ядро. невеликий ядерний реактор він генеруватиме тепло, яке буде передано в систему перетворення енергії. Система перетворення енергії складатиметься з двигунів, призначених для роботи на теплі реактора, а не на паливі. Ці двигуни використовують тепло, перетворюють його в електрику, яка кондиціонується і розподіляється по обладнанню на поверхні Місяця і Марса. Метод відведення тепла є важливим для підтримки належної робочої температури пристроїв.

Ядерна енергія тепер розглядається як єдина розумна альтернатива там, де сонячна енергія, вітер та гідроенергетика не є доступними. На Марсі, наприклад, сила сонця сильно змінюється в залежності від пори року, а періодичні пильні бурі можуть тривати місяцями.

На Місяці холодний місячний ніч триває 14 днів, при цьому сонячне світло значно змінюється поблизу полюсів та відсутнє у постійно затінених кратерах. У таких складних умовах отримання енергії із сонячного світла утруднене, а запаси палива обмежені. Енергія поверхневого поділу пропонує легке, надійне та ефективне рішення.

На відміну від наземні реакторинемає наміру видаляти чи замінювати паливо. Наприкінці 10-річної місії також є план безпечного виведення об'єкта з експлуатації. "По закінченні терміну служби система буде відключена, а рівень радіації поступово знизиться до рівня, безпечного для доступу та експлуатації людини", - пояснив Каломіно. «Системи відходів можуть бути переміщені у віддалене місце зберігання, де вони не будуть наражати на небезпеку екіпаж або навколишнє середовище».

Невеликий, легкий, але ефективний реактор, що гостро затребуваний

У міру розвитку освоєння космосу у нас вже непогано виходить із системи виробництва атомної енергії у невеликому масштабі. Такі системи тривалий час наводили на дію безпілотні космічні апарати, що вирушають у далекі куточки Сонячної системи.

У 2019 році космічний корабель New Horizons з ядерною установкою пролетів через найдальший об'єкт, що коли-небудь спостерігався з близької відстані, Ultima Thule, далеко за Плутоном у регіоні, відомому як пояс Койпера. Він не міг би зробити це без ядерної енергії. Сонячна енергія недоступна у достатній силі поза орбіти Марса. Хімічні джерела не служать довго, тому що щільність їхньої енергії занадто мала, а маса занадто велика.

Використовується у далеких місіях радіотеплові генератори (РТГ) використовує ізотоп плутонію 238Pu, який ідеально підходить для виділення постійного тепла в результаті природного радіоактивного розпаду шляхом випромінювання альфа-частин, які потім перетворюються на електрику. Його 88-річний період напіврозпаду означає, що він служитиме довгостроковій місії. Проте РІТЕГи що неспроможні забезпечити високу питому потужність, необхідну тривалих місій, більш потужних кораблів, а про позаземних базах.

Рішенням, наприклад, для дослідницької присутності та, можливо, поселення на Марсі чи Місяці можуть стати конструкції невеликих реакторів, які НАСА тестувало протягом кількох років. Ці пристрої відомі як Кілопотужний енергетичний проект поділу (2), призначені для подачі електроенергії потужністю від 1 до 10 кВт і можуть бути налаштовані у вигляді скоординованих модулів для живлення рухових установок або для підтримки досліджень, видобутку корисних копалин або колоній на інопланетних космічних тілах.

Як відомо, у космосі має значення маса. потужність реактора він не повинен перевищувати вагу середнього автомобіля. Як ми знаємо, наприклад, із недавнього шоу Ракети Falcon Heavy від SpaceXзапуск автомобіля в космос нині не є технічною проблемою. Таким чином, легкі реактори можна легко вивести на орбіту навколо Землі та за її межі.

2. Прототип реактора потужністю XNUMX кіловат KIlopower.

Ракета з реактором викликає надії та страхи

Колишній адміністратор НАСА Джим Бріденстайн він багато разів наголошував переваги ядерних теплових двигунів, Додавши, що велика потужність на орбіті потенційно може дозволити орбітальним кораблям успішно ухилятися у разі атаки протисупутниковою зброєю.

Реактори на орбіті вони також могли б мати потужні військові лазери, що також представляє великий інтерес для влади США. Однак перш ніж ядерний ракетний двигун здійснить свій перший політ, НАСА має змінити свої закони щодо доставки ядерних матеріалів до космосу. Якщо це так, то, за задумом НАСА, перший політ ядерного двигуна має відбутися у 2024 році.

Проте, США, схоже, надають імпульсу своїм ядерним проектам, особливо після того, як Росія оголосила про десятирічну програму створення цивільного космічного корабля з ядерною силовою установкою. Колись вони були безперечним лідером у галузі космічних технологій.

У 60-х роках США мали проект імпульсно-імпульсної ядерної ракети «Оріон», який мав бути настільки потужним, що міг би дозволити переміщення цілих міст у космосі навіть здійснити пілотований політ до Альфи Центавра. Усі ці старі фантастичні американські серіали лежать на полиці з 70-х років.

Однак настав час струсити пил зі старої концепції. ядерний двигун у космосіголовним чином тому, що конкуренти, у разі головним чином Росія, останнім часом виявляють великий інтерес до цієї технології. Ядерна теплова ракета могла б скоротити час польоту до Марса вдвічі, можливо навіть до ста днів, а значить, космонавти споживають менше ресурсів і менше радіаційне навантаження на екіпаж. Крім того, як здається, не буде такої залежності від «вікон», тобто багаторазового зближення Марса із Землею кожні кілька років.

Проте існує ризик, який включає в те, що бортовий реактор був би додатковим джерелом радіації в ситуації, коли космос уже несе у собі величезну загрозу такого характеру. Це ще не все. Ядерно-тепловий двигун його не можна запускати в атмосфері Землі через побоювання можливого вибуху та зараження. Тому для запуску передбачено нормальні ракети. Тому ми не пропускаємо найзатратніший етап, пов'язаний з виведенням маси на орбіту із Землі.

Дослідницький проект НАСА під назвою ДЕРЕВА (Симулятор навколишнього середовища ядерної теплової ракети) є одним із прикладів зусиль НАСА щодо повернення до ядерної силової установки. У 2017 році, ще до того, як прозвучали розмови про повернення до цієї технології, НАСА уклала з BWX Technologies трирічний контракт вартістю 19 млн. доларів на розробку паливних компонентів і реакторів, необхідних для будівництва. ядерний двигун. Однією з найновіших концепцій космічної ядерної силової установки НАСА є реактор ATEG з функцією Swarm-Probe, SPEAR (3), який, як очікується, використовуватиме новий легкий уповільнювач реактора та вдосконалені термоелектричні генератори (ATEG) для значного зменшення загальної маси активної зони.

Це вимагатиме зниження робочої температури та зниження загального рівня потужності ядра. Однак зменшена маса вимагатиме меншої рухової потужності, що призведе до створення невеликого недорогого космічного електричного корабля з ядерною установкою.

3. Візуалізація зонда, розробленого у рамках проекту Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Анатолій ПерміновПро це повідомив голова Федеральної космічної агенції Росії. розробить атомний космічний корабель для подорожей у далекий космос, пропонуючи свій оригінальний підхід. Ескізний проект було завершено до 2013 року, а наступні 9 років заплановано на розробку. Ця система повинна бути комбінацією виробництва ядерної енергії з іонним двигуном. Гарячий газ із температурою 1500°C з реактора повинен обертати турбіну, яка обертає генератор, що виробляє електрику для іонного двигуна.

За словами Пермінова, привід зможе підтримувати пілотовану місію на Марса космонавти могли залишатися на Червоній планеті 30 днів завдяки ядерній енергії. Загалом політ на Марс з ядерним двигуном та постійним прискоренням зайняв би шість тижнів замість восьми місяців, якщо припустити, що потяг у 300 разів більший, ніж у хімічного двигуна.

Однак у російській програмі не все так гладко. У серпні 2019 року у Сарові, Росія, на березі Білого моря вибухнув реактор, який був частиною ракетного двигуна на Балтійському морі. рідке паливо. Невідомо, чи пов'язана ця катастрофа з описаною вище російською дослідницькою програмою ядерних двигунів.

Безперечно, однак, елемент суперництва між США та Росією, а можливо, і Китаєм на місцях використання ядерної енергії у космосі дає дослідженню сильний імпульс, що прискорює.