Nuklearna energija u svemiru. Impulsi atomskog ubrzanja

Ideje o korištenju nuklearne energije za pogon svemirskih letjelica i njeno korištenje u budućim izvanzemaljskim bazama ili naseljima nisu nove. Nedavno su došli u novom valu, a kako postaju polje rivalstva velikih sila, njihova provedba postaje vjerojatnija.

NASA i Ministarstvo energetike SAD-a započeli su potragu među tvrtkama trgovcima projekti nuklearnih elektrana na Mjesecu i Marsu. To bi trebalo poduprijeti 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, NASA-in direktor nuklearne tehnologije pri Upravi za svemirsku tehnologiju, rekao je to Plan je razviti sustav nuklearne fisije od XNUMX kilovata koji će na kraju biti lansiran i postavljen na Mjesec. (jedan). Mora biti integriran s lunarnim lenderom i booster će ga odvesti do njega mjesečeva orbita. Utovarivač zatim iznesite sustav na površinu.

Očekuje se da će po dolasku na gradilište odmah biti spreman za rad, bez potrebe za dodatnom montažom ili konstrukcijom. Operacija je demonstracija mogućnosti i bit će polazište za korištenje rješenja i izvedenica.

“Nakon što se tehnologija potvrdi tijekom demonstracije, budući sustavi mogu se povećati ili se više uređaja može koristiti zajedno za dugoročne misije na Mjesec i možda na Mars”, objasnio je Calomino za CNBC. “Četiri jedinice, od kojih svaka proizvodi 10 kilovata električne energije, dat će dovoljno snage da postavljanje predstraže na Mjesecu ili Marsu.

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

Kako će to funkcionirati nuklearna elektrana? Malo obogaćen oblik nuklearno gorivo snaga volje nuklearna jezgra... Mali nuklearni reaktor generirati će toplinu koja će se prenijeti u sustav za pretvorbu energije. Sustav za pretvorbu snage sastojat će se od motora dizajniranih za rad na toplinu reaktora, a ne na zapaljivo gorivo. 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 važan je za održavanje odgovarajuće radne temperature uređaja.

Nuklearna elektrana sada se smatra jedinom razumnom alternativom gdje solarna energija, vjetra i hidroenergije nisu lako dostupni. Na Marsu, na primjer, snaga sunca uvelike varira s godišnjim dobima, a povremene pješčane oluje mogu trajati mjesecima.

Na Mjesecu hladni lunarni noć traje 14 dana, a sunčeva svjetlost uvelike varira u blizini polova i nema ga u trajno zasjenjenim kraterima. U tako teškim uvjetima dobivanje energije iz sunčeve svjetlosti je teško, a zalihe goriva su ograničene. Energija površinske fisije nudi jednostavno, pouzdano i učinkovito rješenje.

Za razliku od prizemni reaktorinema namjere ukloniti ili zamijeniti gorivo. Na kraju desetogodišnje misije postoji i plan sigurnog razgradnje postrojenja. "Na kraju radnog vijeka sustav će se isključiti, a razina zračenja postupno će se smanjivati ​​do razine koja je sigurna za ljudski pristup i rad", objasnio je Calomino. "Sustavi za otpad mogu se premjestiti na udaljeno skladište gdje neće ugroziti posadu ili okoliš."

Mali, lagani, ali učinkoviti reaktor, vrlo tražen

Kako se istraživanje svemira razvija, već nam ide prilično dobro sustavi za proizvodnju nuklearne energije u malom mjerilu. Takvi sustavi već dugo pokreću svemirske letjelice bez posade koje putuju do dalekih krajeva Sunčevog sustava.

Godine 2019. svemirska letjelica New Horizons na nuklearni pogon proletjela je kroz najudaljeniji objekt ikada viđen iz neposredne blizine, Ultima Thule, daleko iza Plutona u regiji poznatoj kao Kuiperov pojas. Ne bi to mogao učiniti bez nuklearne energije. Sunčeva energija nije dostupna u dovoljnoj snazi ​​izvan orbite Marsa. Kemijski izvori ne traju dugo jer im je gustoća energije premala, a masa prevelika.

Koristi se u misijama na velike udaljenosti radiotermalni generatori (RTG) koristi izotop plutonija 238Pu, koji je idealan za stvaranje trajne topline iz prirodnog radioaktivnog raspada emitiranjem alfa čestica, koje se zatim pretvaraju u električnu energiju. Njegov poluživot od 88 godina znači da će služiti dugoročnoj misiji. Međutim, RTG ne mogu osigurati visoku specifičnu snagu potrebnu za duge misije, masivnije brodove, a da ne spominjemo izvanzemaljske baze.

Rješenje, na primjer, za istraživačku prisutnost i eventualno naseljavanje na Marsu ili Mjesecu mogli bi biti dizajni malih reaktora koje NASA testira već nekoliko godina. Ovi uređaji su poznati kao Kilopower projekt fisijske energije (2), dizajnirani su za opskrbu električnom energijom od 1 do 10 kW i mogu se konfigurirati kao koordinirani moduli za napajanje pogonskih sustava ili za podršku istraživanju, rudarstvu ili kolonijama na vanzemaljskim svemirskim tijelima.

Kao što znate, masa je važna u svemiru. snaga reaktora ne smije prelaziti masu prosječnog vozila. Kao što znamo, na primjer, iz nedavne emisije SpaceX rakete Falcon Heavylansiranje automobila u svemir trenutno nije tehnički problem. Stoga se svjetlosni reaktori mogu lako postaviti u orbitu oko Zemlje i izvan nje.

2. Prototip reaktora snage XNUMX kilovata KIlopower.

Raketa s reaktorom budi nade i strahove

Bivši NASA-in administrator Jim Bridenstine naglasio je mnogo puta prednosti nuklearnih toplinskih motora, dodajući da bi više snage u orbiti potencijalno moglo omogućiti letjelicama u orbiti da uspješno izbjegnu u slučaju napada protusatelitskim oružjem.

Reaktori u orbiti mogli bi pokretati i moćne vojne lasere, što također jako zanima američke vlasti. Međutim, prije nego što nuklearni raketni motor napravi svoj prvi let, NASA mora promijeniti svoje zakone o dopremanju nuklearnih materijala u svemir. Ako je to istina, onda bi se, prema NASA-inom planu, prvi let nuklearnog motora trebao dogoditi 2024. godine.

Međutim, čini se da SAD ubrzano pokreće svoje nuklearne projekte, posebno nakon što je Rusija najavila desetljeće dug program izgradnje civilne svemirske letjelice na nuklearni pogon. Nekada su bili neosporni lider u svemirskoj tehnologiji.

U 60-ima su Sjedinjene Države imale projekt za Orion pulse-pulse nuklearnu raketu, koja je trebala biti toliko moćna da je mogla omogućiti premještanje čitavih gradova u svemirpa čak i letjeti s posadom do Alpha Centauri. Sve te stare fantastične američke serije stoje na policama od 70-ih.

Međutim, vrijeme je da se skine prašina sa starog koncepta. nuklearni motor u svemiruuglavnom zato što su konkurenti, u ovom slučaju uglavnom Rusija, nedavno pokazali veliki interes za ovu tehnologiju. Nuklearna termalna raketa mogla bi prepoloviti vrijeme leta do Marsa, možda čak i na XNUMX dana, što znači da astronauti troše manje resursa i manje radijacijsko opterećenje posade. Osim toga, kako se čini, neće biti takve ovisnosti o "prozorima", odnosno ponovljenom približavanju Marsa Zemlji svakih nekoliko godina.

Međutim, postoji rizik koji uključuje činjenicu da bi reaktor na brodu bio dodatni izvor zračenja u situaciji kada svemir već nosi ogromnu prijetnju ove prirode. To nije sve. Nuklearni toplinski 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 s lansiranjem mase u orbitu sa Zemlje.

NASA-in istraživački projekt tzv STABLA (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) jedan je primjer NASA-inih nastojanja da se vrati na nuklearni pogon. U 2017., prije nego što je bilo govora o povratku na tehnologiju, NASA je dodijelila BWX Technologies trogodišnji ugovor vrijedan 19 milijuna dolara za razvoj komponenti goriva i reaktora potrebnih za izgradnju. nuklearni motor. Jedan od NASA-inih najnovijih koncepata svemirske nuklearne propulzije je Swarm-Probe ATEG Reactor, 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 smanjenje radne temperature i smanjenje ukupne snage jezgre. Međutim, smanjena masa će zahtijevati manje pogonske snage, što će rezultirati malom, jeftinom električnom svemirskom letjelicom na nuklearni pogon.

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

Anatolij PerminovTo je najavio čelnik Federalne svemirske agencije Rusije. će razviti svemirsku letjelicu na nuklearni pogon za putovanje u duboki svemir, nudeći vlastiti, originalni pristup. Idejni projekt je gotov do 2013. godine, a za razvoj je predviđeno sljedećih 9 godina. Taj bi sustav trebao biti kombinacija proizvodnje nuklearne energije s ionskim pogonskim sustavom. Vrući plin na 1500°C iz reaktora trebao bi pokretati turbinu koja pokreće generator koji proizvodi električnu energiju za ionski motor.

Prema Perminovu, pogon će moći podržati misiju s posadom na Marsa astronauti bi zahvaljujući nuklearnoj energiji mogli ostati na Crvenom planetu 30 dana. Ukupno bi let do Marsa s nuklearnim motorom i stalnim ubrzanjem trajao šest tjedana umjesto osam mjeseci, uz pretpostavku da je potisak 300 puta veći od onog kemijskog motora.

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

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