Nuklearna energija u svemiru. Impulsi atomskog ubrzanja

Ideja korištenja nuklearne energije za pogon svemirskih letjelica i korištenje u budućim vanzemaljskim bazama ili naseljima nije nova. Nedavno su ušli u novi val, a kako postaju polje rivalstva velikih sila, njihova implementacija postaje vjerovatnija.

NASA i američko Ministarstvo energetike započeli su potragu među dilerskim kompanijama projekti nuklearnih elektrana na Mjesecu i Marsu. Ovo bi trebalo podržati dugoročna istraživanja, a možda čak i projekte naseljavanja. NASA-in cilj je da bude spreman za lansiranje do 2026. godine. Postrojenje mora biti potpuno proizvedeno i sastavljeno na Zemlji, a zatim testirano na sigurnost.

Anthony Calomino, rekao je to NASA-in direktor nuklearne tehnologije u Upravi za svemirsku tehnologiju Plan je da se razvije nuklearni fisijski sistem od XNUMX kilovata koji će na kraju biti lansiran i postavljen na Mjesec. (jedan). Mora biti integrisan sa lunarnim lenderom i buster će ga odvesti do njega mjesečeva orbita. Utovarivač zatim izvucite sistem na površinu.

Očekuje se da će po dolasku na gradilište biti odmah spreman za rad, bez potrebe za dodatnom montažom ili izgradnjom. Operacija je demonstracija mogućnosti i biće polazna tačka za korišćenje rešenja i njegovih derivata.

“Kada je tehnologija potvrđena tokom demonstracije, budući sistemi se mogu povećati ili se više uređaja može koristiti zajedno za dugoročne misije na Mjesec i možda Mars”, objasnio je Calomino na CNBC. “Četiri bloka, od kojih svaki proizvodi 10 kilovata električne energije, obezbijediće dovoljno snage za postavljanje ispostave na Mjesecu ili Marsu.

Sposobnost generiranja velikih količina električne energije na površini planeta korištenjem kopnenog fisionog sistema omogućit će istraživanja velikih razmjera, ljudske ispostave i korištenje resursa na licu mjesta, istovremeno dopuštajući mogućnost komercijalizacije.”

Kako će to funkcionirati nuklearna elektrana? Blago obogaćena forma nuklearno gorivo snaga volje nuklearno jezgro... Mala nuklearni reaktor on će proizvoditi toplinu, koja će se prenijeti na sistem za pretvaranje energije. Sistem za konverziju energije sastojat će se od motora dizajniranih da rade na toplini reaktora, a ne na zapaljivom gorivu. Ovi motori koriste toplinu, pretvaraju je u električnu energiju, koja se kondicionira i distribuira do korisničke opreme na površini Mjeseca i Marsa. Način odvođenja topline je važan za održavanje odgovarajuće radne temperature uređaja.

Nuklearne energije sada se smatra jedinom razumnom alternativom gdje solarna energija, vjetra i hidroenergije nisu lako dostupni. Na Marsu, na primjer, jačina sunca uvelike varira s godišnjim dobima, a periodične oluje prašine mogu trajati mjesecima.

Na mjesecu hladno lunarno noć traje 14 dana, a sunčeva svjetlost uvelike varira u blizini polova i odsutna je iz stalno zasjenjenih kratera. U tako teškim uslovima dobijanje energije iz sunčeve svetlosti je teško, a zalihe goriva su ograničene. Energija površinske fisije nudi jednostavno, pouzdano i efikasno rješenje.

Suprotno zemaljski reaktorinema namjere ukloniti ili zamijeniti gorivo. Na kraju desetogodišnje misije, postoji i plan za sigurno razgradnju objekta. “Na kraju svog radnog vijeka, sistem će se isključiti i nivo zračenja će se postepeno smanjivati ​​na nivo koji je siguran za ljudski pristup i rad”, objasnio je Calomino. "Sistemi otpada mogu se premjestiti na udaljenu lokaciju za skladištenje gdje neće ugroziti posadu ili okolinu."

Mali, lagani, ali efikasni reaktor u velikoj potražnji

Kako se istraživanje svemira razvija, već nam ide prilično dobro sistemi za proizvodnju nuklearne energije u malom obimu. Takvi sistemi dugo su pokretali svemirske letjelice bez posade koje putuju do dalekih krajeva Sunčevog sistema.

Godine 2019. svemirska letjelica New Horizons s nuklearnim pogonom proletjela je kroz najudaljeniji objekt ikada viđen iz blizine, Ultima Thule, daleko iza Plutona u regiji poznatom kao Kuiperov pojas. Ne bi to mogao bez nuklearne energije. Sunčeva energija nije dostupna u dovoljnoj snazi ​​izvan orbite Marsa. Hemijski izvori ne traju dugo jer im je gustoća energije preniska, a masa prevelika.

Koristi se u misijama dugog dometa radiotermalni generatori (RTG) koristi izotop plutonijuma 238Pu, koji je idealan za generisanje trajne toplote iz prirodnog radioaktivnog raspada emitovanjem alfa čestica, koje se zatim pretvaraju u električnu energiju. Njegov poluživot od 88 godina znači da će služiti dugoročnoj misiji. Međutim, RTG-ovi ne mogu pružiti visoku specifičnu snagu potrebnu za duge misije, masivnije brodove, da ne spominjemo vanzemaljske baze.

Rješenje, na primjer, za istraživačko prisustvo i eventualno naselje na Marsu ili Mjesecu mogao bi biti dizajn malih reaktora koje NASA testira već nekoliko godina. Ovi uređaji su poznati kao Projekt kilopower fisione energije (2), dizajnirani su za snabdijevanje električnom energijom od 1 do 10 kW i mogu se konfigurirati kao koordinirani moduli za napajanje pogonskih sistema ili za podršku istraživanju, rudarstvu ili kolonijama na vanzemaljskim svemirskim tijelima.

Kao što znate, masa je važna u svemiru. snaga reaktora ne bi trebalo da prelazi masu prosečnog vozila. Kao što znamo, na primjer, iz nedavne emisije SpaceX Falcon Heavy raketelansiranje automobila u svemir trenutno nije tehnički problem. Tako se svjetlosni reaktori mogu lako postaviti u orbitu oko Zemlje i šire.

2. XNUMX kilovat KIlopower prototip reaktora.

Raketa sa reaktorom budi nade i strahove

Bivši NASA administrator Jim Bridenstine više puta je naglasio prednosti nuklearnih termičkih motora, dodajući da bi veća snaga u orbiti potencijalno mogla omogućiti orbitalnim letjelicama da uspješno izbjegnu ako budu napadnute antisatelitskim oružjem.

Reaktori u orbiti mogli bi i pokretati snažne vojne lasere, što je također od velikog interesa za američke vlasti. Međutim, prije nego što nuklearni raketni motor izvrši svoj prvi let, NASA mora promijeniti svoje zakone o dovođenju nuklearnih materijala u svemir. Ako je to istina, onda bi, prema NASA-inom planu, prvi let nuklearnog motora trebao biti održan 2024. godine.

Međutim, čini se da SAD pokreću svoje nuklearne projekte, posebno nakon što je Rusija objavila decenijski program za izgradnju civilne svemirske letjelice na nuklearni pogon. Nekada su bili neprikosnoveni lider u svemirskoj tehnologiji.

60-ih godina Sjedinjene Države su imale projekat za pulsno-pulsnu nuklearnu raketu Orion, koja je trebala biti toliko moćna da je mogla dozvoliti premeštanje čitavih gradova u svemirpa čak i let s ljudskom posadom do Alpha Centauri. Sve te stare fantastične američke serije su na polici još od 70-ih.

Međutim, vrijeme je da skinemo prašinu sa starog koncepta. nuklearni motor u svemiruuglavnom zato što su konkurenti, u ovom slučaju uglavnom Rusija, nedavno pokazali veliko interesovanje za ovu tehnologiju. Nuklearna termalna raketa mogla bi prepoloviti vrijeme leta do Marsa, možda čak i na sto dana, što znači da astronauti troše manje resursa i manje radijacijskog opterećenja posade. Osim toga, kako se čini, neće biti takve zavisnosti od "prozora", odnosno višestrukog približavanja Marsa Zemlji svakih nekoliko godina.

Međutim, postoji rizik, koji uključuje činjenicu da bi ugrađeni reaktor bio dodatni izvor zračenja u situaciji kada prostor već nosi ogromnu prijetnju ove prirode. To nije sve. Nuklearni termalni motor ne može se lansirati u Zemljinu atmosferu zbog straha od moguće eksplozije i kontaminacije. Stoga su za lansiranje predviđene normalne rakete. Stoga ne preskačemo najskuplju fazu povezanu sa lansiranjem mase u orbitu sa Zemlje.

NASA istraživački projekat tzv TREES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) jedan je primjer NASA-inih napora da se vrati na nuklearni pogon. Godine 2017, prije nego što je bilo govora o povratku na tehnologiju, NASA je BWX Technologies dodijelila trogodišnji ugovor od 19 miliona dolara za razvoj komponenti goriva i reaktora potrebnih za izgradnju. nuklearni motor. Jedan od NASA-inih najnovijih svemirskih nuklearnih propulzijskih koncepata je ATEG reaktor Swarm-Probe, SPEAR(3), za koji se očekuje da će koristiti novi lagani moderator reaktora i napredne termoelektrične generatore (ATEG) za značajno smanjenje ukupne mase jezgre.

To će zahtijevati snižavanje radne temperature i smanjenje ukupnog nivoa snage jezgre. Međutim, smanjena masa će zahtijevati manje pogonske snage, što će rezultirati malim, jeftinim električnim svemirskim brodom na nuklearni pogon.

3. Vizualizacija sonde razvijene u okviru projekta Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminovOvo je saopštio čelnik Federalne svemirske agencije Rusije. će razviti svemirski brod na nuklearni pogon za putovanje u duboki svemir, nudeći svoj, originalan pristup. Idejni projekat je završen do 2013. godine, a planirano je za razvoj narednih 9 godina. Ovaj sistem bi trebao biti kombinacija proizvodnje nuklearne energije sa sistemom jonskog pogona. Vrući plin na 1500°C iz reaktora bi trebao okrenuti turbinu koja okreće generator koji proizvodi električnu energiju za jonski motor.

Prema Perminovu, pogon će moći da podrži misiju sa ljudskom posadom na Marsa astronauti bi mogli ostati na Crvenoj planeti 30 dana zahvaljujući nuklearnoj energiji. Ukupno, let na Mars sa nuklearnim motorom i stalnim ubrzanjem trajao bi šest sedmica umjesto osam mjeseci, pod pretpostavkom da je potisak 300 puta veći od potisaka hemijskog motora.

Međutim, nije sve tako glatko u ruskom programu. U avgustu 2019. eksplodirao je reaktor u Sarovu u Rusiji na obali Bijelog mora, koji je bio dio raketnog motora u Baltičkom moru. tečno gorivo. Nije poznato da li je ova katastrofa povezana sa gore opisanim ruskim istraživačkim programom nuklearnog pogona.

Nesumnjivo je, međutim, element rivalstva između Sjedinjenih Država i Rusije, a možda i Kine na terenu korištenje nuklearne energije u svemiru daje istraživanju snažan ubrzavajući impuls.