Branduolinė energija erdvėje. Atominio pagreičio impulsai

Idėjos panaudoti branduolinę energiją erdvėlaiviams varyti ir panaudoti būsimose nežemiškose bazėse ar gyvenvietėse nėra naujos. Neseniai jie atėjo į naują bangą ir, tapus didelės galios konkurencijos lauku, jų įgyvendinimas tampa labiau tikėtinas.

NASA ir JAV Energetikos departamentas pradėjo paiešką tarp platintojų įmonių atominės elektrinės projektai Mėnulyje ir Marse. Tai turėtų paremti ilgalaikius tyrimus ir galbūt net atsiskaitymo projektus. NASA tikslas yra, kad jis būtų paruoštas paleidimui iki 2026 m. Įrenginys turi būti visiškai pagamintas ir surinktas Žemėje, o tada patikrintas dėl saugumo.

Anthony Calomino, NASA Branduolinių technologijų direktorius Kosmoso technologijų direktorate sakė tai Planuojama sukurti 100 kilovatų galios branduolio dalijimosi sistemą, kuri galiausiai bus paleista ir patalpinta Mėnulyje. (1). Jis būtų integruotas su Mėnulio nusileidimo aparatu ir jį nugabentų raketa mėnulio orbita. Krautuvas tada iškelkite sistemą į paviršių.

Tikimasi, kad jis bus iš karto paruoštas naudoti, kai tik atvyks į vietą, nereikės jokio papildomo surinkimo ar statybos. Operacija yra galimybių demonstravimas ir bus išeities taškas naudojant sprendimą ir jo darinius.

„Kai technologija bus įrodyta demonstravimo metu, būsimos sistemos gali būti išplėstos arba keli įrenginiai gali būti naudojami kartu ilgalaikėms misijoms į Mėnulį ir galbūt Marsą“, – CNBC paaiškino Calomino. „Keturi agregatai, kurių kiekvienas gamina po 10 kilovatų elektros, suteiks pakankamai galios sukurti forpostą Mėnulyje ar Marse.

Galimybė gaminti didelius elektros energijos kiekius planetų paviršiuje, naudojant antžeminę dalijimosi sistemą, leis atlikti didelio masto tyrinėjimus, atlikti žmogaus postus ir panaudoti išteklius vietoje, tuo pačiu sudarydama galimybę komercializuoti.

Kaip tai veiks atominė jėgainė? Šiek tiek praturtinta forma branduolinis kuras valios galia branduolinė šerdis. Mažas branduolinis reaktorius jis gamins šilumą, kuri bus perduota energijos konvertavimo sistemai. Energijos konversijos sistemą sudarys varikliai, skirti veikti reaktoriaus šiluma, o ne degiuoju kuru. Šie varikliai paima šilumą, paverčia ją elektra, kuri kondicionuojama ir paskirstoma naudotojų įrangai Mėnulio ir Marso paviršiuje. Šilumos išsklaidymo būdas yra svarbus norint palaikyti tinkamą prietaisų veikimo temperatūrą.

Atominė energija dabar laikoma vienintele pagrįsta alternatyva saulės energija, vėjo ir hidroenergija nėra lengvai pasiekiami. Pavyzdžiui, Marse saulės stiprumas labai skiriasi priklausomai nuo metų laiko, o periodinės dulkių audros gali trukti mėnesius.

Mėnulyje šaltas mėnulis naktis trunka 14 dienų, saulės šviesa labai skiriasi netoli ašigalių, o jos nėra nuolat šešėliuose esančiuose krateriuose. Tokiomis sudėtingomis sąlygomis sunku gauti energijos iš saulės šviesos, o kuro atsargos yra ribotos. Paviršiaus dalijimosi energija yra lengvas, patikimas ir efektyvus sprendimas.

Skirtingai nuo antžeminiai reaktoriaineketinama išimti ar pakeisti kuro. Taip pat planuojama saugiai nutraukti šios vietos eksploatavimą pasibaigus 10 metų misijai. „Pasibaigus eksploatavimo laikui sistema bus išjungta, o radiacijos lygis palaipsniui mažės iki tokio lygio, kuris yra saugus žmonėms prieiti ir eksploatuoti“, – paaiškino Calomino. „Atliekų sistemas galima perkelti į atokią saugojimo vietą, kur jos nekels pavojaus įgulai ar aplinkai.

Mažas, lengvas, bet efektyvus reaktorius, labai paklausus

Vykstant kosmoso tyrinėjimams, mums jau sekasi gana gerai branduolinės energijos gamybos sistemos nedideliu mastu. Tokios sistemos jau seniai maitina nepilotuojamus erdvėlaivius, keliaujančius į tolimus Saulės sistemos kampelius.

2019 m. branduoline energija varomas erdvėlaivis „New Horizons“ praskriejo per labiausiai nutolusį objektą, kada nors stebėtą iš arti, Ultima Tulę, toli už Plutono regione, vadinamame Kuiperio juosta. Jis negalėjo to padaryti be branduolinės energijos. Saulės energijos nėra pakankamai stiprios už Marso orbitos. Cheminiai šaltiniai tarnauja neilgai, nes jų energijos tankis per mažas, o masė per didelė.

Naudojamas ilgo nuotolio misijose radijo šilumos generatoriai (RTG) naudoja plutonio izotopą 238Pu, kuris idealiai tinka nuolatinei šilumai generuoti iš natūralaus radioaktyvaus skilimo, išskirdamas alfa daleles, kurios vėliau paverčiamos elektra. Jo 88 metų pusinės eliminacijos laikas reiškia, kad jis atliks ilgalaikę misiją. Tačiau RTG negali užtikrinti didelio galios tankio, reikalingo ilgalaikėms misijoms, masyvesniems laivams, jau nekalbant apie nežemiškas bazes.

Pavyzdžiui, žvalgybos buvimo ir galbūt gyvenvietės Marse ar Mėnulyje sprendimas galėtų būti nedidelio reaktoriaus projektai, kuriuos NASA jau keletą metų bando. Šie įrenginiai yra žinomi kaip Kilopower dalijimosi energijos projektas (2), yra skirti tiekti nuo 1 iki 10 kW galios ir gali būti sukonfigūruoti kaip koordinuoti moduliai, skirti maitinimo varomosioms sistemoms arba palaikyti žvalgymą, kasybą ar kolonijas svetimuose kosminiuose kūnuose.

Kaip žinote, erdvėje masė yra svarbi. reaktoriaus galia jis neturėtų viršyti vidutinio automobilio svorio. Kaip žinome, pavyzdžiui, iš neseniai įvykusios laidos Falcon Heavy raketos iš SpaceXautomobilio paleidimas į kosmosą šiuo metu nėra techninė problema. Taigi lengvuosius reaktorius galima nesunkiai iškelti į orbitą aplink Žemę ir už jos ribų.

2. KIlopower XNUMX kilovatų reaktoriaus prototipas.

Raketa su reaktoriumi kelia viltis ir baimę

Buvęs NASA administratorius Jimas Bridenstine'as daug kartų pabrėžė jis Branduolinių šiluminių variklių pranašumai, pridurdamas, kad didesnė galia orbitoje gali leisti orbitinėms transporto priemonėms sėkmingai išvengti priešpalydovinio ginklo atakos.

Reaktoriai orbitoje jie taip pat galėtų maitinti didelės galios karinius lazerius, o tai taip pat labai domina JAV valdžios institucijas. Tačiau prieš branduolinės raketos varikliui pradėdama pirmąjį skrydį, NASA turi pakeisti savo įstatymus dėl branduolinių medžiagų pristatymo į kosmosą. Jei taip, tai, NASA teigimu, pirmasis branduolinio variklio skrydis turėtų įvykti 2024 m.

Tačiau atrodo, kad JAV duoda pagreitį savo branduoliniams projektams, ypač po to, kai Rusija paskelbė dešimties metų programą, skirtą civilinio branduolinio erdvėlaivio statybai. Kadaise jie buvo neabejotini kosmoso technologijų lyderiai.

septintajame dešimtmetyje Jungtinės Valstijos turėjo „Orion“ impulsinio impulso branduolinės raketos projektą, kuris turėjo būti toks galingas, kad galėtų perkelti ištisus miestus į kosmosąir net atlikti pilotuojamą skrydį į Alfa Kentaurį. Visi šie seni mokslinės fantastikos amerikiečių serialai stovi lentynoje nuo 70-ųjų.

Tačiau laikas nuvalyti dulkes nuo senosios koncepcijos. branduolinis variklis kosmosedaugiausia dėl to, kad konkurentai, šiuo atveju daugiausia Rusija, pastaruoju metu parodė didelį susidomėjimą šia technologija. Branduolinė šiluminė raketa gali sutrumpinti skrydžio į Marsą laiką per pusę, galbūt net iki šimto dienų, o tai reiškia, kad astronautai sunaudotų mažiau išteklių ir įgula turės mažesnę radiacinę apkrovą. Be to, panašu, kad tokios priklausomybės nuo „langų“, tai yra, kas kelerius metus kartojamo Marso artėjimo prie Žemės, nebus.

Tačiau yra rizika, kuri apima ir tai, kad laive esantis reaktorius būtų papildomas radiacijos šaltinis situacijoje, kai erdvė jau kelia didžiulę tokio pobūdžio grėsmę. Tai dar ne viskas. Branduolinis terminis variklis jo negalima paleisti į Žemės atmosferą, baiminantis galimo sprogimo ir užteršimo. Todėl paleidimui numatytos įprastos raketos. Todėl nepraleidžiame brangiausio etapo, susijusio su masės paleidimu į orbitą iš Žemės.

NASA tyrimų projektas vadinamas Medžiai (branduolinės šiluminės raketos aplinkos simuliatorius) yra vienas iš NASA pastangų grįžti prie branduolinio varymo pavyzdžių. 2017 m., kol dar nebuvo kalbama apie grįžimą prie technologijų, NASA sudarė trejų metų trukmės 19 mln. branduolinis variklis. Viena iš naujausių NASA kosminės branduolinės varomosios jėgos koncepcijų yra „Swarm-Probe ATEG“ reaktorius SPEAR (3), kuriame, tikimasi, bus naudojamas naujas lengvojo reaktoriaus moderatorius ir pažangūs termoelektriniai generatoriai (ATEG), kad žymiai sumažintų bendrą šerdies masę.

Tam reikės sumažinti darbinę temperatūrą ir sumažinti bendrą šerdies galios lygį. Tačiau dėl sumažintos masės prireiks mažesnės varomosios galios, todėl bus sukurtas mažas, nebrangus, branduoliniu varikliu varomas elektrinis erdvėlaivis.

3. „Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor“ projekto metu sukurto zondo vizualizacija.

Anatolijus PerminovasTai paskelbė Rusijos federalinės kosmoso agentūros vadovas. kurs branduoliniais varikliais varomą erdvėlaivį, skirtą kelionėms į giliąsias kosmosas, siūlantis savo, originalų požiūrį. Preliminarus projektas buvo baigtas iki 2013 m., planuojami artimiausi 9 plėtros metai. Ši sistema būtų branduolinės energijos gamybos ir jonų varymo derinys. 1500°C karštos dujos iš reaktoriaus turi sukti turbiną, kuri sukasi generatorių, gaminantį elektrą joniniam varikliui.

Pasak Perminovo, važiavimas galėtų palaikyti pilotuojamą misiją į Marsąo astronautai gali išbūti Raudonojoje planetoje 30 dienų dėl branduolinės energijos. Iš viso branduoline misija į Marsą su nuolatiniu pagreičiu užtruktų šešias savaites, o ne aštuonis mėnesius, darant prielaidą, kad cheminio variklio trauka būtų 300 kartų didesnė.

Tačiau rusiškoje programoje ne viskas taip sklandžiai. 2019 metų rugpjūtį Rusijos Sarove, ant Baltosios jūros kranto, sprogo reaktorius, kuris buvo Baltijos jūroje esančio raketinio variklio dalis. skystas kuras. Nežinoma, ar ši nelaimė susijusi su aukščiau aprašyta Rusijos branduolinio varymo tyrimų programa.

Tačiau neabejotinai egzistuoja konkurencijos elementas tarp JAV ir Rusijos, o galbūt ir Kinijos. branduolinės energijos naudojimas kosmose suteikia tyrimams stiprų greitinantį impulsą.