Ядерная энергия вкосмосе: атом
- Mars Science Laboratory представляет собой мобильную лабораторию, талантливую совершить атмосферы Красной и анализ почв планеты. Теоретически она прослужит порядка двух земных лет.
Термоэлектрический генератор аппарата New Horizons требует для питания 11 кг плутония. Вырабатываемая им мощность — порядка 240 Вт; каждые четыре года она будет падать приблизительно на 5% и по достижении аппаратом Плутона будет составлять около 200 Вт.
- Студенты из Университета Аппалачей штата Северная Каролина придумали, как возможно повысить эффективность трубчатых коллекторов солнечной энергии. Для этого выяснилось достаточно простенького самодельного устройства, действительно, дополненного весьма сложным методом его расчета.
В космосе возможно применять фактически каждые источники энергии и силовые агрегаты. Вопрос лишь в стоимости доставки горючего на орбиту. Как раз исходя из этого в качестве альтернативы солнечной энергии рассматриваются иногда очень экстравагантные варианты.
Радиоизотопные источники
Другой раз бесплатная энергия обходится через чур дорого. В частности, солнечные батареи должны быть неизменно развёрнуты к источнику света, в противном случае они теряют эффективность. В земных условиях этим неудобством возможно пренебречь, запасая энергию в аккумуляторная батареях.
Но в космосе ненужное утяжеление конструкции недопустимо. Приходится разворачивать аппарат, дабы удерживать верную ориентацию. В другом случае системы навигации и связи окажутся обесточенными. Помимо этого, солнечные батареи не действуют в тени планеты либо ночью (последнее актуально для независимых станций на поверхности Луны и Марса).
А на затянутой тучами Венере они будут ненужны и днем.
Солнечные батареи более либо менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты. Но уже на орбите Марса их масса и площадь для получения той же мощности должны быть увеличены в 2,5 раза, на орбите Юпитера — в 27 раз, на орбите Сатурна — в 91, а на орбите Нептуна — аж в 900. В любом случае аккумуляторная батареи, устанавливавшиеся на первых спутниках, и генераторы, применяющие энергию химических реакций, не смогут рассматриваться в качестве альтернативы солнечным батареям.
Уже на заре космической эры надежду возлагали на радиоизотопные источники.
Еще в 1913 году Генри Мозли изготовил первый генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток. Устройство, изумительное по собственной простоте, воображало собой полую, посеребренную изнутри сферу, в центр которой помещалось некое количество радия. Излученные радием электроны поглощались слоем серебра, что приводило к возникновению разности и разделению заряда потенциалов.
Не обращая внимания на то что энергия распада конкретно трансформировалась в электрическую, КПД батареи Мозли оставался ничтожным. Источник создавал практически только тепло. Недаром капсулы с полонием-210 в советских «Луноходах» помогали как раз для обогрева приборного отсека.
Однако такие качества радиоизотопных генераторов, как предельная простота устройства, нетребовательность к обслуживанию и маленькая по отношению к выделяемой энергии масса, были отмечены уже тогда.
В середине прошлого века конструкция радиоизотопных источников энергии усложнилась. Капсула с изотопом начала рассматриваться лишь как тепловыделяющий элемент. Электричество же вырабатывалось полупроводниковым термоэлектрогенератором или термоэмиссионным преобразователем, применяющим эффект испускания электронов нагретыми телами.
Современные генераторы применяют для производства электричества эффект Зеебека, либо термоэлектрический эффект — происхождение ЭДС в замкнутой электрической цепи, складывающейся из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры. Устройства для того чтобы типа эксплуатируются с 1960 года и использовались на протяжении пилотируемых полетов на Луну.
Радиоизотопные генераторы продемонстрировали себя идеально подходящими для космических аппаратов источниками энергии, весьма компактными и действенными. Особенно высокой оценки заслуживает надежность радиоизотопных батарей. Отказ вероятен лишь при механического разрушения устройства.
Неудивительно, что на принципе преобразования отдаваемого плутонием-238 тепла в электричество основана и силовая установка Mars Science Laboratory — марсохода, которому предстоит попасть на Красную планету в 2012 году.
Стирлинг в космосе
Не обращая внимания на доработки, совершённые со времен Мозли, недочётом радиоизотопных источников остается очень низкий КПД: в электричество удается преобразовать не более 7% энергии распада ядер.
На данный момент американские исследователи трудятся над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим большое количество неспециализированного с известным еще с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Работа устройства, КПД которого может быть около 30%, основана на циклическом трансформации температуры рабочего тела. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается.
Эффективность тепловой автомобили увеличивается рекуператором — дополнительной камерой, проходя через которую разогретое рабочее тело отдает часть тепла, с тем дабы при обратном перемещении холодный газ нагрелся.
Двигатель Стирлинга имеет большой КПД в стационарных режимах, но не хватает эластичный, дабы скоро поменять мощность по требованию, — эта особенность в свое время не разрешила ему составить важную борьбу паровым машинам. Но он очень эргономичен тем, что позволяет применять любую отличие температур, кроме того самую малого.
Преобразование ядерной энергии в тепловую, позже в кинетическую, и лишь позже в электричество представляется чрезмерно сложным процессом. Ядерная энергетическая установка с поршнем выглядит экстравагантно, а наличие движущихся частей формирует дополнительные неприятности. Но первое чувство обманчиво: нет никаких препятствий объединению правил термоэлектрогенерации и тепловой автомобили Стирлинга.
В последнем случае поршень разрешит преобразовать в электричество до 30% энергии распада.
На сегодня разработка находится в стадии разработки экспертами NASA. Проект может столкнуться с множеством препятствий в ходе практической реализации. Беспокойство приводит к поведению механизма в условиях изменения и перегрузок температур за время космического полета.
Однако имеется шанс, что уже в 2016 году NASA применит двигатель Стирлинга в космосе.
Реактор в цилиндрах
Нельзя исключать, что в будущем окажется пересмотренной и главная концепция ядерных источников энергии космического назначения. Рабочим телом в двигателе Стирлинга возможно и сам делящийся материал в газообразной фазе. Начавшаяся цепная реакция в этом случае приведет к нагреву, расширению газа и смещению поршня. Наряду с этим плотность газообразного изотопа снизится, утраты нейтронов возрастут, и цепная реакция закончится.
По окончании охлаждения возвращения и пара поршня в исходное положение условия для осуществления цепной реакции восстановятся и начнется следующий цикл.
Реактор, основанный на таком принципе, хватит надёжным, поскольку реакция не сможет выйти из-под контроля. Поршень разрешит действеннее, чем это делают полупроводниковые термоэлектрогенераторы, преобразовывать тепло в электричество. Но для осуществления проекта требуется преодолеть множество значительных технических препятствий, которые связаны с созданием сверхэффективного газообразного замедлителя нейтронов.
Но они представляются в полной мере преодолимыми при применения в качестве ядерного топлива особых изотопов.
В любом случае сконструировать «реактор Стирлинга» будет куда несложнее, чем газофазный ядерный ракетный двигатель, применяющий уран в форме высокотемпературной плазмы. А работы над созданием ГФЯРД ведутся и, быть может, увенчаются успехом уже в ближайшее десятилетие.
Ядерные реакторы
Реактор в космосе — редкий гость. Однако будущее космонавтики немыслимо без управления ядерными реакциями. До сих пор большая часть ядерных энергетических установок космического назначения не применяли цепную реакцию, надеясь только на тепло, выделяющееся при естественном распаде плутония-238 либо стронция-90 (другими словами радиоизотопные источники).
Такое ответ уравнивало последние с солнечными батареями по крайней мере в одном отношении: регулирование поступления энергии оставалось неосуществимым. В случае если требовалось в какие-то моменты быстро повышать ее расход, не было возможности обойтись без аккумуляторная батарей, подзаряжающихся в периоды относительного спокойствия.
А это — явный шаг и лишний вес назад.
Фактически, в первый раз ядерный реактор был выведен на орбиту в 1965 году. Американская установка SNAP-10A проработала 43 дня. Реактор на тепловых нейтронах применял обогащенный до 10% уран-235 в качестве горючего, гидрид циркония в качестве замедлителя и натрий-калиевый теплоноситель. Источник энергии имел возможность делать возложенные на него задачи (в частности, питание ионного двигателя), но КПД, составлявший всего 1,5%, был не на высоте.
Из 40 кВт выделяющейся энергии только 500−600 Вт переводилось в электрическую форму. SNAP-10A остался в истории как единственный энергетический ядерный реактор, не талантливый обеспечить работу простого электрочайника.
Коммунистический космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, отличался чуть лучшими чертями. При тепловой мощности 100 кВт в электрическую форму полупроводниковым термоэлектрическим генератором переводилось около 3 кВт. «Бук» предназначался для питания радиолокационной аппаратуры спутников-шпионов и воображал собой миниатюрный реактор на стремительных нейтронах.
Соответственно, уран требовалось обогатить до 90%, а замедлитель не употреблялся, что разрешало снизить массу конструкции. Теплоносителем служил калий-натриевый сплав. КПД на уровне 3% разъяснялся миниатюрностью устройства.
В будущем совершенствование реакторов космического назначения велось методом включения в конструкцию термоэмиссионного преобразователя (проект «Топаз», 1980-е годы), разрешающего повысить КПД, расширить ресурс и уменьшить габариты и массу установки. В частности, количество урана-235 удалось снизить до 11,5 кг (против 30 кг у «Бука»), наряду с этим электрическая мощность составила от 5 до 6,6 кВт (при тепловой 150 кВт).
Но препятствия на пути широкого внедрения ядерных источников энергии остались весомыми. Масса реактора приблизительно многократно превосходят у радиоизотопной батареи, а надежность значительно ниже. Тот же SNAP-10A перестал работать в следствии сбоя управляющей аппаратуры.
Аварии подобного рода в космосе в полной мере возможны, поскольку смогут провоцироваться действием самого реактора на электронику: твёрдые требования к массе не разрешают установить противорадиационную защиту. Ионизирующее излучение из активной территории, которое запрещено ни экранировать, ни применять, исключает использование реакторов на пилотируемых судах.
Мал и срок работы реактора — всего около года. Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите в случае если и теоретически вероятны, то нерентабельны. Предельная же упрощение и миниатюризация конструкции реактора приводят к тому, что цепная реакция заканчивается кроме того при малом падении содержания 235-го изотопа.
Только использование газообразного горючего, которое возможно машинально подавать в активную территорию, разрешит исправить обстановку.
Один год — это через чур мало. Миссии космических аппаратов, направляющихся к Юпитеру, Сатурну, Плутону, длятся куда продолжительнее, и реактор не имеет возможности составить борьбу радиоизотопному источнику энергии, талантливому проработать 30−40 лет, перед тем как генерируемая мощность упадет в два раза. Актуальной остается и неприятность утилизации реакторов, выполнивших собственную задачу.
Практикуемый с 1970-х годов перевод активной территории на «орбиту захоронения» высотой 1000 км свидетельствует только отсрочку неизбежного. Когда-то их нужно будет возвращать на Землю. А на Земле и без того большое количество лишнего.
Плутониевая неприятность
Mars Science Laboratory может стать последним американским аппаратом, применяющим плутониевую батарею
Обстоятельством возможного отказа США от применения генераторов для того чтобы типа может показаться фантастической: американские запасы плутония-238 .
Неприятность наметилась еще в 2006 году. Запуск предназначенного для изучения окраин Нашей системы аппарата New Horizons много раз откладывался, поскольку NASA не обладала 11 кг плутония, нужными для заправки термоэлектрического генератора.
Завершение холодной войны повлекло за собой прекращение выработки данного изотопа. Не обращая внимания на то что потребности NASA составляют всего 2 кг в год, дефицит горючего уже рассматривается как критическая. Предпринимаемые с 2009 года попытки возобновить производство плутония-238 методом переоборудования исследовательских реакторов были неудачными ввиду недостаточного финансирования.
А закупки изотопа в Российской Федерации Штаты предпочли бы прекратить по политическим соображениям.
Запасы оружейного плутония, пополняемые в следствии утилизации ветхих боеголовок, весьма громадны. Но 239-й изотоп с периодом полураспада 24 000 лет не годен для применения при производстве радиоизотопных источников энергии. Изотоп же за номером 238, имеющий период полураспада всего 88 лет, возможно взят только на особых установках в следствии нейтронного облучения нептуния-237.
Для получения 20 г плутония 100-граммовую нептуниевую мишень нужно облучать в течение трех лет.
Изотопы
Выбор изотопа для радиационного генератора энергии является решением задачи на оптимум.
Изотопы с периодом полураспада, исчисляемым тысячелетиями, эргономичны и надёжны, но малоэффективны. Батарея на базе оружейного плутония будет весить не килограммы, а тонны. Иначе, 10 кг плутония-238 возможно заменить всего 40 г полония-210 (время полураспада 138 дней).
Но интенсивность распада в радиоизотопном генераторе будет спадать по экспоненте, и при применения короткоживущих изотопов утрата мощности окажется весьма стремительной: полониевые генераторы негодны для долгих миссий. Совершенным считается период полураспада, составляющий десятки лет.
Значение имеет и темперамент ядерных реакций. К примеру, бета-распад (обычные представители — кобальт-60, цезий-90 и стронций-137) менее действен, потому, что большая часть выделяющейся наряду с этим энергии уносится антинейтрино — частицей, весьма слабо взаимодействующей с веществом. Энергию альфа-распада с образованием тяжелых альфа-частиц (ядер гелия) утилизировать значительно несложнее.
Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии уран-232 с периодом полураспада 67 лет — немногим меньше, чем у плутония-238. Но уран выделяет в восьмеро больше энергии. Секрет в восьмиступенчатом распаде: на каждом его этапе образуется новый короткоживущий изотоп.
Итогом становятся стабильное ядро свинца, шесть ядер гелия (альфа-частиц) и еще два электрона (бета-частицы) в качестве бонуса.
SNAP-10A и другие
- SNAP-10A — первый полноценный ядерный реактор, посланный в космос в 1965 году на ракете Atlas-Agena D (на иллюстрации). К сожалению, вместо расчетного года он проработал всего 43 дня
Systems for Nuclear Auxiliary Power — узнаваемый американский проект применения ядерной энергии в космосе
Радиоизотопный генератор SNAP-3 был запущен в космос в первой половине 60-ых годов XX века и стал первой энергетической установкой аналогичного типа, использованной на орбите (в навигационных спутниках Transit 4A и 4B). На базе «снэпов» строились кроме этого ядерные реакторы (первый — во второй половине 50-ых годов двадцатого века, SNAP Experimental Reactor, SER).
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№109, ноябрь 2011).
<
h4>