Ядрена енергия в космоса. Импулси на атомно ускорение

Идеите за използване на ядрена енергия за задвижване на космически кораби и използването й в бъдещи извънземни бази или селища не са нови. Напоследък те дойдоха в нова вълна и тъй като се превърнаха в поле на съперничество между големите сили, тяхното прилагане стана по-вероятно.

НАСА и Министерството на енергетиката на САЩ започнаха търсене сред дилърските компании проекти за атомни електроцентрали на Луната и Марс. Това трябва да подкрепи дългосрочни изследвания и може би дори проекти за заселване. Целта на НАСА е да го подготви за изстрелване до 2026 г. Заводът трябва да бъде напълно произведен и сглобен на Земята и след това тестван за безопасност.

Антъни Каломино, директор на НАСА по ядрени технологии в Администрацията за космически технологии, каза това Планът е да се разработи XNUMX-киловатова система за ядрено делене, която в крайна сметка ще бъде изстреляна и поставена на Луната. (един). Той трябва да бъде интегриран с лунния спускаем апарат и бустерът ще го отведе до него лунна орбита. Товарач след това извадете системата на повърхността.

Очаква се при пристигане на място веднага да бъде готов за експлоатация, без необходимост от допълнителен монтаж или изграждане. Операцията е демонстрация на възможностите и ще бъде отправна точка за използване на решението и неговите производни.

„След като технологията бъде валидирана по време на демонстрация, бъдещите системи могат да бъдат увеличени или множество устройства могат да бъдат използвани заедно за дългосрочни мисии до Луната и евентуално до Марс“, обясни Каломино на CNBC. „Четири блока, всеки от които произвежда по 10 киловата електроенергия, ще осигурят достатъчно мощност за създаване на аванпост на Луната или Марс.

Способността да се генерират големи количества електричество на повърхността на планетите с помощта на наземна система за делене ще даде възможност за широкомащабни изследвания, човешки аванпостове и използване на ресурси на място, като същевременно позволява възможността за комерсиализация.

Как ще работи атомна електроцентрала? Леко обогатена форма ядрено гориво сила на волята ядрено ядро... Малка ядрен реактор той ще генерира топлина, която ще бъде прехвърлена към системата за преобразуване на енергия. Системата за преобразуване на мощността ще се състои от двигатели, проектирани да работят с топлина от реактора, а не с горимо гориво. Тези двигатели използват топлина, преобразуват я в електричество, което се кондиционира и разпределя към потребителско оборудване на повърхността на Луната и Марс. Методът на разсейване на топлината е важен за поддържане на правилната работна температура на устройствата.

Ядрената енергия сега се разглежда като единствената разумна алтернатива, където слънчева енергия, вятърна и водна енергия не са лесно достъпни. На Марс, например, силата на слънцето варира значително в зависимост от сезоните и периодичните прашни бури могат да продължат с месеци.

На Луната студен лунен нощта продължава 14 дни, като слънчевата светлина варира значително в близост до полюсите и отсъства от постоянно засенчените кратери. В такива трудни условия получаването на енергия от слънчева светлина е трудно, а запасите от гориво са ограничени. Енергията на повърхностното делене предлага лесно, надеждно и ефективно решение.

За разлика от наземни реакториняма намерение за премахване или замяна на горивото. В края на 10-годишната мисия има и план за безопасното извеждане от експлоатация на съоръжението. „В края на експлоатационния си живот системата ще бъде изключена и нивото на радиация постепенно ще намалее до ниво, което е безопасно за човешки достъп и работа“, обясни Каломино. „Системите за отпадъци могат да бъдат преместени на отдалечено място за съхранение, където няма да застрашат екипажа или околната среда.“

Малък, лек, но ефективен реактор, с голямо търсене

Тъй като изследването на космоса се развива, вече се справяме доста добре системи за производство на ядрена енергия в малък мащаб. Такива системи отдавна захранват безпилотни космически кораби, които пътуват до далечните краища на Слънчевата система.

През 2019 г. космическият кораб New Horizons с ядрена енергия прелетя през най-отдалечения обект, виждан някога от близко разстояние, Ultima Thule, далеч отвъд Плутон в регион, известен като Пояса на Кайпер. Той не би могъл да го направи без ядрена енергия. Слънчевата енергия не е налична в достатъчна сила извън орбитата на Марс. Химическите източници не издържат дълго, защото енергийната им плътност е твърде ниска и масата им е твърде голяма.

Използва се при мисии на дълги разстояния радиотермични генератори (RTG) използва плутониевия изотоп 238Pu, който е идеален за генериране на постоянна топлина от естествен радиоактивен разпад чрез излъчване на алфа частици, които след това се превръщат в електричество. Неговият 88-годишен период на полуразпад означава, че ще изпълнява дългосрочна мисия. Обаче RTG не могат да осигурят високата специфична мощност, необходима за дълги мисии, по-масивни кораби, да не говорим за извънземни бази.

Решение, например, за изследователско присъствие и евентуално заселване на Марс или Луната може да бъде малък дизайн на реактор, който НАСА тества от няколко години. Тези устройства са известни като Kilopower проект за енергия от делене (2), са проектирани да доставят електрическа енергия от 1 до 10 kW и могат да бъдат конфигурирани като координирани модули за захранване на задвижващи системи или за подпомагане на изследвания, добив или колонии на извънземни космически тела.

Както знаете, масата има значение в космоса. мощност на реактора не трябва да надвишава теглото на средно превозно средство. Както знаем например от скорошно предаване Тежки ракети Falcon на SpaceXизстрелването на кола в космоса в момента не е технически проблем. По този начин леките реактори могат лесно да бъдат поставени в орбита около Земята и извън нея.

2. XNUMX киловата KIlopower прототип на реактор.

Ракета с реактор буди надежди и страхове

Бивш администратор на НАСА Джим Брайдънстайн многократно подчерта той предимства на ядрените топлинни двигатели, добавяйки, че повече мощност в орбита може потенциално да позволи на орбиталните кораби успешно да се измъкнат в случай на атака с антисателитно оръжие.

Реактори в орбита те биха могли да захранват и мощни военни лазери, което също представлява голям интерес за американските власти. Въпреки това, преди ядрен ракетен двигател да направи първия си полет, НАСА трябва да промени законите си за доставяне на ядрени материали в космоса. Ако това е вярно, то според плана на НАСА първият полет на ядрен двигател трябва да се състои през 2024 г.

Въпреки това изглежда, че САЩ започват бързо своите ядрени проекти, особено след като Русия обяви десетилетна програма за изграждане на граждански космически кораб с ядрена енергия. Някога те бяха безспорен лидер в космическите технологии.

През 60-те години Съединените щати имаха проект за импулсно-импулсна ядрена ракета Orion, която трябваше да бъде толкова мощна, че да позволи преместване на цели градове в космосаи дори да направи пилотиран полет до Алфа Кентавър. Всички онези стари фентъзи американски сериали стоят на рафта от 70-те години.

Време е обаче да изтупаме праха от старата концепция. ядрен двигател в космосаглавно защото конкурентите, в този случай главно Русия, напоследък проявиха голям интерес към тази технология. Ядрена топлинна ракета може да намали времето за полет до Марс наполовина, може би дори до XNUMX дни, което означава, че астронавтите консумират по-малко ресурси и по-малко радиационно натоварване на екипажа. Освен това, както изглежда, няма да има такава зависимост от „прозорци“, тоест многократното приближаване на Марс до Земята на всеки няколко години.

Съществува обаче риск, който включва факта, че бордовият реактор би бил допълнителен източник на радиация в ситуация, в която космосът вече носи огромна заплаха от такова естество. Това не е всичко Ядрен топлинен двигател не може да бъде изстрелян в земната атмосфера поради страх от възможна експлозия и замърсяване. Затова са предвидени нормални ракети за изстрелване. Следователно не пропускаме най-скъпия етап, свързан с изстрелването на маса в орбита от Земята.

Изследователски проект на НАСА наречен ДЪРВЕТА (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) е един пример за усилията на НАСА да се върне към ядреното задвижване. През 2017 г., преди да се заговори за връщане към технологията, НАСА възложи на BWX Technologies тригодишен договор на стойност 19 милиона долара за разработване на горивните компоненти и реакторите, необходими за строителството. ядрен двигател. Една от най-новите концепции за космическо ядрено задвижване на НАСА е Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), който се очаква да използва нов лек модератор на реактора и усъвършенствани термоелектрически генератори (ATEGs) за значително намаляване на общата маса на ядрото.

Това ще изисква понижаване на работната температура и понижаване на общото ниво на мощност на ядрото. Намалената маса обаче ще изисква по-малко задвижваща мощност, което ще доведе до малък, евтин електрически космически кораб с ядрено задвижване.

3. Визуализация на сондата, разработена в рамките на проекта Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Анатолий ПерминовТова съобщи ръководителят на Федералната космическа агенция на Русия. ще разработи космически кораб с ядрен двигател за пътуване в дълбокия космос, предлагайки собствен, оригинален подход. Идейният проект е завършен до 2013 г., а следващите 9 години са предвидени за развитие. Тази система трябва да бъде комбинация от производство на ядрена енергия с йонна система за задвижване. Горещ газ при 1500°C от реактора трябва да завърти турбина, която завърта генератор, който генерира електричество за йонния двигател.

Според Перминов, устройството ще може да поддържа пилотирана мисия до Марса астронавтите можеха да останат на Червената планета 30 дни благодарение на ядрената енергия. Като цяло полетът до Марс с ядрен двигател и постоянно ускорение ще отнеме шест седмици вместо осем месеца, като се приеме тяга 300 пъти по-голяма от тази на химически двигател.

Въпреки това, не всичко е толкова гладко в руската програма. През август 2019 г. в Саров, Русия на брега на Бяло море, избухна реактор, който беше част от ракетен двигател в Балтийско море. течно гориво. Не е известно дали това бедствие е свързано с описаната по-горе руска изследователска програма за ядрено задвижване.

Несъмнено обаче има елемент на съперничество между САЩ и Русия, а вероятно и Китай на място използване на ядрената енергия в космоса дава на изследванията силен ускоряващ тласък.