Energia jądrowa w kosmosie. Impulsy przyspieszenia atomowego

Pomysły wykorzystania energii jądrowej do napędzania statków kosmicznych i wykorzystania jej w przyszłych pozaziemskich bazach lub osadach nie są nowe. Ostatnio pojawiły się one nową falą, a w miarę jak stają się polem rywalizacji wielkich mocarstw, ich realizacja staje się coraz bardziej prawdopodobna.

NASA i Departament Energii USA rozpoczęły poszukiwania wśród firm dealerskich projektów elektrowni jądrowych na Księżycu i Marsie. Powinno to wspierać długoterminowe projekty badawcze, a być może nawet projekty rozliczeniowe. Celem NASA jest przygotowanie go do startu do 2026 roku. Obiekt musi zostać w całości wyprodukowany i zmontowany na Ziemi, a następnie przetestowany pod kątem bezpieczeństwa.

Antoni Kalomino, powiedział to dyrektor NASA ds. technologii nuklearnej w Dyrekcji Technologii Kosmicznych Plan zakłada opracowanie XNUMX-kilowatowego systemu rozszczepienia jądrowego, który ostatecznie zostanie wystrzelony i umieszczony na Księżycu. (1). Miałby być zintegrowany z lądownikiem księżycowym i transportować go za pomocą rakiety nośnej orbita księżyca. Ładowarka następnie wynieś system na powierzchnię.

Oczekuje się, że będzie gotowy do użycia natychmiast po przybyciu na miejsce, bez konieczności dodatkowego montażu lub konstrukcji. Operacja ma charakter demonstracji możliwości i będzie punktem wyjścia do wykorzystania rozwiązania i jego pochodnych.

„Gdy technologia zostanie sprawdzona podczas demonstracji, przyszłe systemy będą mogły zostać zwiększone lub można będzie używać wielu urządzeń razem w długoterminowych misjach na Księżyc, a być może na Marsa” – wyjaśnił Calomino w CNBC. „Cztery jednostki, każda wytwarzająca 10 kilowatów energii elektrycznej, zapewnią wystarczającą moc utworzenie placówki na Księżycu lub Marsie.

Zdolność do wytwarzania dużych ilości energii elektrycznej na powierzchni planet za pomocą ziemskiego systemu rozszczepienia umożliwi eksplorację na dużą skalę, tworzenie placówek ludzkich i wykorzystanie zasobów in situ, jednocześnie umożliwiając komercjalizację.”

Jak to będzie działać Elektrownia jądrowa? Lekko wzbogacona forma paliwo jądrowe Siłą woli jądro jądrowe. Mały reaktor jądrowy wygeneruje ciepło, które zostanie przekazane do układu konwersji energii. System konwersji energii będzie się składał z silników zaprojektowanych do pracy na cieple reaktora, a nie na paliwie palnym. Silniki te pobierają ciepło, przekształcają je w energię elektryczną, która jest kondycjonowana i rozprowadzana do sprzętu użytkownika na powierzchni Księżyca i Marsa. Dla utrzymania właściwej temperatury pracy urządzeń istotny jest sposób odprowadzenia ciepła.

Energia atomowa jest obecnie postrzegana jako jedyna rozsądna alternatywa energia słoneczna, wiatr i energia wodna nie są łatwo dostępne. Na przykład na Marsie intensywność słońca różni się znacznie w zależności od pory roku, a okresowe burze piaskowe mogą trwać miesiącami.

Na Księżycu zimny księżyc noc trwa 14 dni, a światło słoneczne znacznie się zmienia w pobliżu biegunów i nie ma go w stale zacienionych kraterach. W tak trudnych warunkach pozyskiwanie energii ze światła słonecznego jest utrudnione, a dostawy paliw ograniczone. Energia rozszczepienia powierzchniowego stanowi lekkie, niezawodne i wydajne rozwiązanie.

Niepodobny reaktory naziemnenie ma zamiaru usuwać ani wymieniać paliwa. Istnieje również plan bezpiecznej likwidacji obiektu po zakończeniu 10-letniej misji. „Po zakończeniu okresu użytkowania system zostanie wyłączony, a poziom promieniowania będzie stopniowo spadał do poziomu bezpiecznego dla człowieka i bezpiecznego dla niego działania” – wyjaśnił Calomino. „Systemy odpadów można przenieść do odległego miejsca przechowywania, gdzie nie będą stanowić zagrożenia dla załogi ani środowiska”.

Mały, lekki, ale wydajny reaktor, na który istnieje duże zapotrzebowanie

W miarę postępu eksploracji kosmosu radzimy sobie już całkiem nieźle systemy wytwarzania energii jądrowej na małą skalę. Takie systemy od dawna napędzają bezzałogowe statki kosmiczne podróżujące do najdalszych zakątków Układu Słonecznego.

W 2019 roku napędzana energią jądrową sonda kosmiczna New Horizons przeleciała przez najdalszy obiekt, jaki kiedykolwiek zaobserwowano z bliskiej odległości, Ultima Thule, daleko za Plutonem, w regionie znanym jako Pas Kuipera. Nie mógłby tego zrobić bez energii jądrowej. Energia słoneczna nie jest dostępna w wystarczającej ilości poza orbitą Marsa. Źródła chemiczne nie trwają długo, ponieważ ich gęstość energii jest zbyt mała, a masa jest zbyt duża.

Używany w misjach dalekiego zasięgu radiowe generatory ciepła (RTG) wykorzystuje izotop plutonu 238Pu, który idealnie nadaje się do wytwarzania stałego ciepła w wyniku naturalnego rozpadu radioaktywnego poprzez emisję cząstek alfa, które następnie przekształcane są w energię elektryczną. Jego 88-letni okres półtrwania oznacza, że ​​będzie służył długoterminowej misji. Jednakże RTG nie są w stanie zapewnić dużej gęstości mocy wymaganej w przypadku długotrwałych misji, bardziej masywnych statków, nie mówiąc już o bazach pozaziemskich.

Rozwiązaniem na przykład obecności badawczej i być może osadnictwa na Marsie lub Księżycu mogłyby być projekty małych reaktorów, które NASA testuje od kilku lat. Urządzenia te są tzw Projekt energii rozszczepienia Kilopower (2), są przeznaczone do dostarczania mocy od 1 do 10 kW i mogą być skonfigurowane jako skoordynowane moduły do ​​zasilania systemów napędowych lub do wspierania poszukiwań, wydobycia lub kolonii na obcych ciałach kosmicznych.

Jak wiadomo, masa ma znaczenie w przestrzeni. moc reaktora nie powinna przekraczać masy przeciętnego samochodu. Jak wiemy chociażby z niedawnego pokazu Rakiety Falcon Heavy od SpaceXWystrzelenie samochodu w kosmos nie stanowi obecnie problemu technicznego. W ten sposób reaktory świetlne można łatwo wystrzelić na orbitę wokół Ziemi i poza nią.

2. Prototyp reaktora kilowatowego KIlopower XNUMX.

Rakieta z reaktorem budzi nadzieje i obawy

Były administrator NASA Jima Bridenstine'a podkreślał wielokrotnie zalety nuklearnych silników cieplnych, dodając, że większa moc na orbicie mogłaby potencjalnie umożliwić pojazdom orbitalnym skuteczny unik w przypadku ataku broni przeciwsatelitarnej.

Reaktory na orbicie mogłyby także zasilać lasery wojskowe dużej mocy, co również budzi duże zainteresowanie władz USA. Zanim jednak nuklearny silnik rakietowy wykona swój pierwszy lot, NASA musi zmienić swoje przepisy dotyczące dostarczania materiałów nuklearnych w przestrzeń kosmiczną. Jeśli tak się stanie, to według NASA pierwszy lot silnika nuklearnego powinien odbyć się w 2024 roku.

Wydaje się jednak, że Stany Zjednoczone nadają rozmach swoim projektom nuklearnym, zwłaszcza po ogłoszeniu przez Rosję dziesięcioletniego programu budowy cywilnego statku kosmicznego o napędzie atomowym. Kiedyś byli niekwestionowanym liderem technologii kosmicznych.

W latach 60. Stany Zjednoczone miały projekt rakiety nuklearnej impulsowo-impulsowej Orion, która miała być na tyle potężna, że ​​mogła pozwolić przenosząc całe miasta w przestrzeń kosmicznąa nawet odbyć załogowy lot do Alpha Centauri. Wszystkie te stare amerykańskie seriale science-fiction leżą na półce od lat 70-tych.

Czas jednak odkurzyć starą koncepcję. silnik nuklearny w kosmosiegłównie dlatego, że konkurenci, w tym przypadku głównie Rosja, wykazali w ostatnim czasie duże zainteresowanie tą technologią. Jądrowa rakieta termiczna mogłaby skrócić czas lotu na Marsa o połowę, a może nawet do stu dni, co oznaczałoby, że astronauci zużywaliby mniej zasobów i byliby mniej obciążeni promieniowaniem załogi. Poza tym wydaje się, że takiego uzależnienia od „okien”, czyli powtarzalnego co kilka lat zbliżania się Marsa do Ziemi nie będzie.

Istnieje jednak ryzyko, które obejmuje fakt, że reaktor pokładowy byłby dodatkowym źródłem promieniowania w sytuacji, gdy przestrzeń kosmiczna stwarza już ogromne zagrożenie tego typu. To nie wszystko. Jądrowy silnik cieplny nie można go wystrzelić do atmosfery ziemskiej z obawy przed możliwą eksplozją i skażeniem. Dlatego do startu przewidziano normalne rakiety. Dlatego nie pomijamy najkosztowniejszego etapu związanego z wystrzeleniem masy z Ziemi na orbitę.

Projekt badawczy NASA tzw DRZEWA (symulator środowiska rakiet nuklearnych) to jeden z przykładów wysiłków NASA mających na celu powrót do napędu jądrowego. W 2017 roku, zanim zaczęto mówić o powrocie do tej technologii, NASA przyznała firmie BWX Technologies trzyletni kontrakt o wartości 19 milionów dolarów na opracowanie komponentów paliwowych i reaktorów potrzebnych do budowy. silnik jądrowy. Jedną z najnowszych koncepcji NASA w zakresie kosmicznego napędu jądrowego jest reaktor Swarm-Probe ATEG, SPEAR (3), w którym oczekuje się, że zostanie zastosowany nowy lekki moderator reaktora i zaawansowane generatory termoelektryczne (ATEG) w celu znacznego zmniejszenia całkowitej masy rdzenia.

Będzie to wymagało obniżenia temperatury roboczej i zmniejszenia ogólnego poziomu mocy rdzenia. Jednak zmniejszona masa będzie wymagała mniejszej mocy napędu, w wyniku czego powstanie mały, tani elektryczny statek kosmiczny o napędzie atomowym.

3. Wizualizacja sondy opracowanej w ramach projektu Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminowPoinformował o tym szef Rosyjskiej Federalnej Agencji Kosmicznej. opracuje statek kosmiczny o napędzie atomowym do dalekich podróży kosmicznych, oferując własne, oryginalne podejście. Wstępny projekt został ukończony do 2013 roku, a planowane jest kolejne 9 lat rozwoju. System ten byłby połączeniem wytwarzania energii jądrowej i napędu jonowego. Gorący gaz o temperaturze 1500°C wydobywający się z reaktora musi obracać turbinę, która obraca generator wytwarzający energię elektryczną dla silnika jonowego.

Zdaniem Perminowa napęd mógłby wesprzeć misję załogową na Marsaa astronauci mogli pozostać na Czerwonej Planecie przez 30 dni dzięki energii jądrowej. W sumie misja na Marsa o napędzie atomowym ze stałym przyspieszeniem zajęłaby sześć tygodni zamiast ośmiu miesięcy, przy założeniu 300-krotności ciągu silnika chemicznego.

Jednak nie wszystko w rosyjskim programie jest takie gładkie. W sierpniu 2019 r. w Sarowie w Rosji, nad brzegiem Morza Białego, eksplodował reaktor będący częścią silnika rakietowego na Morzu Bałtyckim. płynne paliwo. Nie wiadomo, czy katastrofa ta ma związek z opisanym powyżej rosyjskim programem badań nad napędem jądrowym.

Niewątpliwie jednak istnieje element rywalizacji między USA i Rosją, a być może także Chinami, w terenie wykorzystania energii jądrowej w kosmosie daje badaniom silny impuls przyspieszający.