Пользователь
217,5
рейтинг
13 июля 2014 в 19:02

Поле пашет мирный трактор, по небу летит реактор


В отличие от атомных взрыволётов, которые существовали только в проектах, и атомных двигателей, которые дошли до стадии наземных испытаний, ядерные реакторы использовались в космосе для получения энергии и летали достаточно массово, в космос их слетало больше трех десятков.

Теория


Начнем, как всегда, с теории. Было бы замечательно, если бы цепная ядерная реакция давала непосредственно электричество, которое можно было бы сразу использовать. Но увы, результатом ядерного распада является тепло, которое приходится каким-то образом перерабатывать в электричество. Для этого тепло из реактора идет в тепловые машины (термоэлектрические преобразователи, термоэмиссионные преобразователи, турбины, двигатели Стирлинга и т.п.), генерирующие электричество, и затем сбрасывается в пространство с радиаторов-охладителей. А реактор принимает характерные очертания бадминтонного волана:



В космосе каждый грамм на вес золота, поэтому конструкция тепловых машин и радиаторов становится такой же важной, как и конструкция реактора. А неизбежные потери при преобразовании тепла в электричество вынуждают говорить о двух параметрах — тепловой и электрической мощности. И электрическая мощность в разы меньше тепловой. В наземных энергетических реакторах, не имеющих ограничений на массу и размер, электрическая мощность в 3-4 раза меньше тепловой, в космических реакторах ситуация пока что гораздо хуже.

Сравнение с солнечными батареями


Для того, чтобы цифры параметров космических ядерных реакторов не были мертвыми, давайте сравним их с параметрами солнечных батарей. На Сайте ОАО «Сатурн» есть параметры солнечных батарей:
  • Кремниевые панели: 140 Вт/кг в начале работы и 80 Вт/кг через 15 лет.
  • Арсенид-галлиевые панели: 196 Вт/кг в начале работы и 157 Вт/кг через 15 лет.

Т.е. для того, чтобы получить 1 мегаватт мощности, нам потребуется 7142 кг кремниевых панелей, или 5102 кг арсенид-галлиевых панелей. Но это оценка «снизу», потому что не учитывается масса ферм, корпусов и прочего. Для оценки «сверху» возьмем параметры солнечных батарей МКС. Ферменные конструкции МКС с солнечными батареями имеют массу 15824 кг. Каждая конструкция несет на себе два солнечных «крыла», дающих по 31 киловатта в начале работы и 26 через 15 лет каждое. Соответственно, одна конструкция даст нам 60 киловатт для массы 15 тонн, и для получения мегаватта энергии нам потребуется 250 тонн. Конечно, в случае создания конкретной инженерной конструкции можно несколько сократить эту пугающую величину, например, увеличив длину панелей, но в реальности солнечная установка, дающая нам 1 мегаватт энергии, будет ближе к 250 тоннам, чем к 5.

История


США

SNAP
В США работы с энергетическими космическими реакторами первоначально проводились в рамках программы SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power — системы ядерной вспомогательной энергетики). В 1959 году был запущен экспериментальный реактор SER, который имел тепловую мощность примерно 50 киловатт. Реактор был сугубо экспериментальный, выделяемое тепло просто рассеивалось в воздухе. Проработав два года, реактор открыл дорогу следующим моделям.
Вторым стал реактор SNAP-2, работавший с 1961 по 1962 год. Имея тепловую мощность 55 киловатт, конструкция позволяла подключить тепловую машину мощностью 3,5 кВт.
Следующим этапом стали два реактора SNAP-8, тепловой мощностью 600 кВт и 1 МВт. Мегаваттный реактор имел активную зону 24х84 см, содержал 8,2 килограмма ядерного топлива, использовал ртуть в качестве теплоносителя и мог производить энергию как паровая машина (по циклу Ренкина).
Вершиной программы стал реактор SNAP-10A, который был запущен на орбиту 3 апреля 1965 года:



Реактор имел следующие характеристики:
  • Размеры активной зоны: 39,6х22,4 см.
  • Масса без радиационной защиты: 290 кг.
  • Тепловая мощность: 30 кВт.
  • Максимальная достигнутая электрическая мощность: 590 Вт.
  • Тип тепловой машины: термоэлектрический преобразователь.

Реактор на экспериментальном спутнике должен был питать электрореактивный двигатель. К сожалению, на 43 день полёта попытка включения двигателя привела к неисправности регулятора напряжения и аварийному выключению реактора. Спутник до сих пор летает на полярной орбите и упадет на Землю через ~4000 лет. Можно посмотреть видеоматериалы по проекту (на английском).
Проект SNAP работал с радиоизотопными генераторами, но американских ядерных реакторов в космос больше не летало.

SP-100
В 1983 году был запущена исследовательская программа SP-100, целью которой была разработка реактора с термоэмиссиоными или термоэлектрическими преобразователями и передачей тепла с помощью тепловых трубок:



Судя по отсутствию информации, программа была закрыта.

SAFE
В начале нулевых существовал проект SAFE (Safe Affordable Fission Engine — безопасный доступный двигатель на делящихся материалах). Реактор SAFE-400 должен был иметь тепловую мощность 400 кВт, электрическую 100 кВт, и использовать для получения электричества газовую турбину. В интернете есть фотография реактора SAFE-30 от 2001 года:



В источниках в качестве даты окончания проекта указывается 2007 год, что предполагает его заморозку или прекращение.

Лос-Аламосский проект
В 2012 году появилось очень симпатичное видео с проектом простого энергетического реактора от Лос-Аламосской лаборатории:

Предлагаемый реактор очень прост по конструкции, что делает его доступным для производства, но при этом он не отличается рекордными параметрами. В качестве активной зоны предлагается использовать полый цилиндр из обогащенного урана массой 22,5 кг. Активную зону окружает бериллиевый отражатель нейтронов диаметром 25 см. Высота активной зоны составляет 30 см. Для управления реактором используется единственный стержень из карбида бора. Тепло от реактора отводится тепловыми трубками и подается на двигатели Стирлинга суммарной мощностью 500 Вт. Вот схема реактора:

К сожалению, это только презентация, и дальнейшая судьба проекта неизвестна.

СССР и Россия

«Ромашка»

Первым отечественным экспериментальным космическим ядерным реактором стала «Ромашка». Реактор тепловой мощностью 40 кВт и электрической 800 Вт использовал термоэлектрические преобразователи. Реактор был впервые запущен в 1964 году. С.П. Королёв хотел использовать «Ромашку» вместе с плазменными ЭРД. Но после окончания испытаний «Ромашки» летом 1966 года, уже после смерти Королёва, в космос она не полетела.

«Бук»
Зато вторая серия космических реакторов — БЭС-5 «Бук» — слетала в космос три с лишним десятка раз. Эти реакторы использовались как источник электроэнергии для радиолокационных разведывательных спутников УС-А, на Западе известных как RORSAT:



Радар требовал много электроэнергии и низкой орбиты. А низкая орбита означала, что спутник будет постоянно попадать в тень Земли. Комплект из солнечных батарей и аккумуляторов был бы слишком тяжелым, и это сделало ядерную силовую установку единственным вариантом. Реактор БЭС-5 имел следующие параметры:
  • Тепловая мощность: 100 кВт.
  • Электрическая мощность: 3 кВт.
  • Масса реактора: 900 кг.
  • Тип тепловой машины: термоэлектрический генератор.
  • Масса ядерного топлива: 30 кг.
  • Срок работы: ~135 дней

Всего было совершено 35 пусков, из них в 33 пусках реактор был выведен на орбиту. Особенностью проекта были меры безопасности — реактор в случае аварии или по окончании работы выводился на орбиту захоронения высотой 750-1000 км и сроком существования ~250 лет. В случае же отказа системы реактор должен был сгореть и разрушиться при входе в плотные слои атмосферы. К сожалению, первоначальный вариант системы разрушения оказался не очень удачным, его пришлось дорабатывать. Спутники УС-А запускались с 1970 по 1988 годы и успешно использовались для радиолокационной разведки морских пространств, а в случае начала военных действий могли выдать целеуказание для подводных лодок-ракетоносцев, работая в составе комплекса «Легенда».

«Топаз»
Развитием реакторов «Бук» стали ТЭУ-5 «Тополь», они же «Топаз-1»:



«Топаз» обладал улучшенными параметрами:
  • Тепловая мощность: 150 кВт.
  • Электрическая мощность: 5-6 кВт
  • Тип тепловой машины: термоэмиссионный генератор.
  • Масса ядерного топлива: 11 кг.
  • Срок работы: 1 год.

Реактор два раза слетал в космос на спутниках «Космос-1818» и «Космос-1867» и использовался для тех же целей — радиолокационной разведки.

Енисей
Реакторы типа «Енисей» предлагалось использовать для гражданских спутников телевизионного вещания. Особенностью реактора была замена классических тепловыделяющих элементов на электрогенерирующие каналы — активная зона была совмещена с тепловой машиной. Реактор должен был иметь тепловую мощность 115-135 кВт, электрическую 4,5-5,5 кВт и срок службы три года. Проект был закрыт в начале 90-х, в 1992 году США купили два реактора, но в космосе их не использовали.

Транспортно-энергетический модуль РКК «Энергия»
Начиная примерно с 2010 года идет активная разработка транспортно-энергетического модуля, использующего ядерный реактор и электрореактивные двигатели. Такой ядерный буксир может возить грузы на трассе Земля-Луна, а после выработки основного ресурса улететь вместе с зондом к другим планетам Солнечной системы. Проект был показан на МАКС-2013, регулярно появляются новости о продвижении работы. Самая последняя новость — собран первый тепловыделяющий элемент. Характеристики энергетической установки и модуля в целом также весьма впечатляют:



Энергетическая мощность реактора 1МВт в сочетании с ЭРД с удельным импульсом 7000 секунд и тягой 18 Н (2 кг) — это технологический прорыв.

Вопросы безопасности


Говоря о ядерной энергетике нельзя не упомянуть известные радиационные аварии и меры по борьбе с ними.
В 1964 году произошло разрушение в атмосфере американского радиоизотопного генератора SNAP-9A из-за аварии ракеты-носителя на участке выведения. Поскольку РИТЭГи используют высококонцентрированный плутоний, который рассеялся в атмосфере, произошло значительное повышение радиационного фона по всему миру. Урок был усвоен, в конструкцию были внесены изменения, и, когда в 1968 году произошла авария спутника «Нимбус-В» с РИТЭГом SNAP-19B2, ядерные материалы не рассеялись в атмосфере, а упали в океан и были впоследствии подняты со дна океана без заражения территории. В 1970 году РИТЭГ лунного модуля «Аполлона-13» упал в океан и затонул на глубине 6000 метров без разрушения и заражения местности. В 1973 году упал в Тихий океан советский спутник с реактором «Бук». Данных о заражении местности нет. В 1978 году на территорию Канады упали обломки спутника «Космос-954». Из-за недоработок аварийной системы активная зона реактора была разрушена недостаточно, и произошло незначительное заражение местности. Тем не менее, разразился страшный скандал, СССР пришлось выплатить компенсацию Канаде за понесенные расходы по поиску обломков и дезактивации местности. После этого события система безопасности была улучшена, был установлен газогенератор, гарантированно разрушающий активную зону при вхождении в атмосферу. Падение спутника «Космос-1402» в Южную Атлантику прошло более успешно, и было зарегистрировано лишь незначительное повышение естественного радиационного фона. В 1996 году произошло падение АМС «Марс-96», её РИТЭГи не разрушились и благополучно утонули.

Общие соображения мер безопасности

  • Ядерный реактор безопаснее РИТЭГа, потому что последний содержит больше радиоактивных материалов.
  • РИТЭГи помещают в капсулу, которая выдерживает аварийное падение в атмосферу, предохраняя от радиоактивного заражения.
  • Ядерный реактор можно помещать в капсулу или же рассеивать в атмосфере при аварийном падении.
  • Ядерный реактор имеет минимальную опасность до момента включения. Следовательно, запускать реактор следует уже на орбите.
  • Отработанный ядерный реактор можно сделать безопасным, выдержав его несколько сотен лет на орбите захоронения. В этом случае материалы с коротким периодом полураспада исчезнут, а материалы с длительным периодом полураспада неопасны.


Капельные холодильники


Если вы ещё раз посмотрите на рисунок транспортно-энергетического модуля, то заметите, во-первых, отсутствие классической схемы типа «волан», а во-вторых, некий «генератор капель» посередине главной фермы. Дело в том, что сейчас соревнуются два типа холодильников-радиаторов. Классические твердотельные радиаторы простые, но тяжелые. Как альтернатива им, были предложены капельные холодильники. Как известно из физики, чем больше поверхность тела, тем лучше оно участвует в теплообмене. Именно поэтому батареи отопления в домах ребристые. В космосе же можно создать поток капель, который при минимальной массе будет очень эффективно рассеивать тепло:



Капельный холодильник обещает снижение массы радиатора в разы:



В космосе (на станциях «Мир» и МКС) проводились испытания моделей капельных холодильников:



Главная интрига сейчас заключается в скорости разработки — успеют ли сделать капельные холодильники к 2020 году, когда транспортно-энергетический модуль должен полететь.

Заключение


В космонавтике использование ядерных реакторов даст нам недостижимый солнечными батареями уровень энергии. А сочетание атомного энергетического реактора с электрореактивными двигателями обещает новый уровень возможностей для освоения космоса.

Использованные источники и дополнительные материалы


Кроме Википедии использовались:
Филипп Терехов @lozga
карма
541,7
рейтинг 217,5
Пользователь
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (56)

  • 0
    Прям иллюстрация к НФ D:
    image
    • +2
      В этом смысле ядерный реактор красивая штука — из-за излучения Черенкова он
      красиво светится
      • 0
        Думаю, SAFE красиво светится за счет большой температуры, а не излучения Вавилова-Черенкова.
        • +3
          Да, конечно, источник излучения разный. Но все равно красиво.
    • +7
      Как-то так
  • –13
    В 1970 году РИТЭГ лунного модуля «Аполлона-13» упал в океан и затонул на глубине 6000 метров без разрушения и заражения местности. В 1973 году упал в Тихий океан советский спутник с реактором «Бук».


    Какие подарочки для будущих поколений. А когда они разрушатся, то весь океан станет радиоактивным. Красота.
    • +5
      В 45 в реку у Хиросимы влетела штука похлеще атомного реактора космической миссии, с 50-х до 80-х проводили испытания бомб с тоннами плутония на борту, а в 86 у речки припять вообще бабахнуло так, что до сих пор смертельно фонит. И вас волнует 11 кило урана на дне океана?
      • +19
        Как-то само напросилось:

        • 0
          Селфи пирата с «дакфейсом» — это страшно
        • 0
          Тогда уж «кто там проживает после облучения десятком кг урана?»
      • +1
        Не надо всё мешать в одну кучу. Атомный взрыв — в долгосрочной перспективе штука куда более чистая чем разбросанное радиоактивное вещество.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • –1
            Но сильно сомневаюсь, что если бы вместо взрыва «Малыша» его содержимое просто высыпали на Хиросиму, радиоактивное заражение там стало бы выше,
            чем после взрыва.

            Хиросиму и Нагасаки отстроили заново через 15 лет. А в Чернобыле зона отчуждения будет ещё несколько тысяч…

            И неважно сколько рассыпали вещества — оно тонким слоем, попробуй всё убери.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • +3
            Дело не совсем в количестве исходного вещества, дело в количестве и активности производных. Неполная реакция в атомном взрыве или тепловой взрыв реактора могут быть очень грязными. И если бы содержимое бомбы просто высыпали, то грязи было бы меньше, точно.
    • 0
      Вы сгущаете краски, на весь океан не хватит. Даже если будет перенос вещества (например, течением, в отличие от атмосферы вода менее активно перемешивается), поднимется уровень фоновой радиации, на время.
    • +2
      Не то количество вещества, чтобы заразить океан.
    • +3
      В вашем организме прямо сейчас находится порядка 20 миллиграммов радиоактивного калия-40, и каждую секунду происходит 5000 радиоактивных распадов. Представляете, какой подарочек для будущих поколений?
      • +15
        Если не ошибаюсь, то это прекрасный подарок. Будущие поколения методом радиоуглеродного анализа могут узнать возраст ваших костей. Или я что-то напутал?
        • –4
          Ахаха, коммент дня.
          • 0
            Это в поддержку или в насмешку над моим комментарием?
        • +1
          Не говоря уже о том, что естественный радиационный фон Земли — одна из основных причин мутаций клеток, а значит и эволюции. Это же круто — эволюционировать чуть-чуть быстрее!
          • +1
            А есть ссылки на исследования? Читал где-то, что химические мутагены сейчас создают больший вклад, чем радиационные.
            • +1
              Сейчас может быть и больший (скорее всего действительно так). А до появления антропогенных факторов была радиация.
            • 0
              image

              Простите, не удержался.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Скорее будущим поколениям инопланетных космопалеонтологов, которые будут изучать остатки прежней жизни на планете вокруг одного из красных гигантов. Ибо у калия период полураспада огого какой. В отличие от углерода-14.
  • +1
    Поскольку РИТЭГи используют высококонцентрированный плутоний, который рассеялся в атмосфере, произошло значительное повышение радиационного фона по всему миру.

    Разве там достаточно радиоактивных материалов, что бы значительно повысить фон во всем мире? И что значить значительно, 2% процентов это значительно или нет? Мне кажется, что при взрыве ат. бомбы в атмосферу выбрасывается не меньше радиоактивной пыли и осколков из активной зоны. А испытаний бомб проводилось очень много.
    • +1
      Бомбы на поверхности взрываются или на небольшой высоте — почти все оседает на земле. А когда оно рассеивается в атмосфере на большой высоте, то заражения гораздо больше.
      • +1
        При подземных взрывах в атмосферу мало чего попадает.
        А при взрывах на поверхности или в атмосфере (что, кстати, наиболее эффективно в плане нанесения разрушений (на небольшой высоте, десятки-сотни метров)) — струя раскаленного воздуха из эпицентра (со всем тем коктейлем) емнип чуть ли не до стратосферы добивает.
    • +2
      Довольно значительно. Количество изотопа 238Pu в образцах увеличилось в три раза, в южном полушарии загрязнение от этой аварии составило 75% общего загрязнения, в северном полушарии — 20%. К счастью, уже лет через десять эффект заметно ослаб. Если вам интересно подробнее — вот документ.
      • +3
        > Количество изотопа 238Pu в образцах увеличилось в три раза
        Вместо одного атома на кубический километр — три?
        • +1
          Посмотрите ссылку в предыдущем комменте, там есть абсолютные цифры.
    • +1
      В общем-то да, фон и без того повысили достаточно и уже начинают это учитывать. Сталь для американских спутников, измеряющих космическую радиацию, пришлось добывать из затопленного в 1919 году корабля «Кронпринц Вильгельм».
      • +1
        Что-то не до конца догоняю: зачем?
        • 0
          Фон меньше.
        • +3
          Посчитали, что радиационный фон от стали, изготовленной после 1945 года, слишком велик для таких тонких измерений.
          • 0
            Общий фон-то не намного отличается (слишком мал пока в него вклад глобальных выпадений), а вот линия цезия-137 видна. Поэтому «Канберра» делает защиту для своих гамма-спектрометров из «коллекционного» (как мы его в шутку называем) свинца, добытого в доядерную эру.
  • +11
    Пора перестать боятся атомных реакторов в космосе… и полюбить их.
  • +10
    Плохо, конечно, но пока держимся…
  • +2
    «Поняли, в чем проблема — в космосе нет подстанции. Будем думать. Идею запустить туда подстанцию отвергли сразу.
    Но что-то в ней есть...»
  • 0
    Было бы замечательно, если бы цепная ядерная реакция давала непосредственно электричество, которое можно было бы сразу использовать. Но увы, результатом ядерного распада является тепло, которое приходится каким-то образом перерабатывать в электричество.

    Существует вариант радиоизотопного источника, конструкции Мозли, со металлизированной сферой и источником заряженных частиц в центре. Но мощность у него маловата.
  • 0
    Очень печально при виде сроков эксплуатации летавших реакторов, изменяющихся в днях. На таком современный спутник не запустить, нужен технологический прорыв, похоже, не только в холодильниках.
    • 0
      Маленький срок эксплуатации — это не реактор виноват, а электроника. Советские спутники отличались малым сроком службы, увы.
      • 0
        Да они и сейчас им все еще отличаются — и все еще из-за электроники. Причем сейчас есть возможность разрабатывать и производить хорошую электронику, но почему-то нет особенного желания оплачивать такие разработки. В последние два-три года стало лучше, но до сих пор нет никакой централизованной программы разработки, и заказывают кто что горазд. В итоге и денег тратится довольно много, и спутники с большим САС строить не получается все равно.
  • +4
    Поле пашет мирный трактор, по небу летит реактор

    У вас хорей не соблюдается. Лучше так:

    Поле пашет мирный трактор, в небесах летит реактор.
    • –6
      Тогда:
      По́ле па́шет ми́рный тра́ктор, в небеса́х лета́ет ре́актор.
      • +4
        Какой ещё рЕактор? о_О Вы нарушили и орфографию, и ритм, и рифму.
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
      • +1
        Хм, и правда. Эта мысль меня не посетила. :)
      • 0
        Ага, так и есть. Плюс, не то аллитерация, не то анафора, в общем, мне так больше понравилось.
  • 0
    оч. интересный Лос-Аламосский проект
    обогащение у урана по идее высочайшее, судя по размерам
    а судя по тому, что толщина бериллия 25 см — не совсем он там чистый, а почему? тож интересно
    еще интересно, зашлют ли на орбиту реакторы на основе теплоносителя свинец-висмут
    а еще интересно — зачем американцам в космосе такая прорва энергии, не доменную ж печь там делать.
    хотя накачка лазеров может скушать столько, но разово, а по атмосфере долбать — смысла нет, все ионизируется и поглотится — получается, какая то дальняя связь или воздействие на чужие спутники?
    • 0
      Жаль, по Лос-Аламосскому проекту больше данных нет.
      В «Буках» был теплоноситель натрий-калий. Не свинец-висмут, но тоже металлы.
      Почему «прорва»? 500 Вт — это немного, Лос-Аламосская лаборатория предлагает этот реактор как замену РИТЭГам для зондов.
  • 0
    Эх, стирлинги. Их бы в массы, чтоб простой люд мог получать электричество от любого источника тепла.
    • 0
      Пока что нет смысла. На больших мощностях работают турбины, у них отличный КПД. А на малых мощностях Стирлинги пока невыгодны. Пока что ДВС удобнее. Подорожает нефть — перейдут на газ и газогенераторы. И только потом уже паровые машины и Стирлинги.
      • 0
        Как знать, в задачи к примеру освещения за счет энергии от перепадов температур крыша/земля (или земля/под землей) вполне достаточно даже в портативных реализациях… вопрос все время упирается в стоимость инверторов и выбора типа аккумуляторов (к примеру можно копить не электроэнергию а само тепло)… и по мне так даже с дохлыми 1-10% КПД при максимально простой конструкции (поменьше двигающихся частей или чего-то на основе жидкости/газе и без расходников как это будет при классических электроаккумуляторах) было бы неплохо.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.