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 — радиоразведки.

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:

• «Конструкции энергосиловых установок космических аппаратов», учебно-методический комплекс
• «Работы по капельному холодильнику-излучателю», сайт исследовательского центра им. Келдыша.
• «История отечественных космических ядерных установок», сайт «Сделано у нас».
• Материалы по капельным холодильникам: раз, два.

Источник: habrahabr.ru/post/229625/