Ядерная реальность космических баз.
Я уже рассказывал как-то про реакторы, которые летали в космос - всего их чуть больше 30 штук. Рассказывал и про радиоизотопные термоэлектрические генераторы на Pu238. Но в разделе “космические реакторы” есть еще одна интересная глава (пока, правда, теоретическая) - а какие есть варианты для снабжения электроэнергией ядерного происхождения космических колоний?
Причем, речь пойдет про поселения, расположенные на поверхности небесных тел (практически, речь пока может идти про Луну или Марс, хотя циклеры - тоже интересный объект).
Вообще говоря, последние лет 10 единственной интересной точкой на луне считается полюса, где существуют как вечно-затененные места (например Shoemaker) так и вечно освещенные горы - тут явно вполне возможно снабжать лунную базу с помощью солнечных панелей.
Вслед за определением местоположения для междупланетной АЭС, необходимо хоть как-то очертить ее параметры. Хотя периодически кое-кто заводит речь даже о миллионе человек на Марсе, думаю, не слишком консервативной будет оценка, что колонии скорее всего будут представлять собой небольшие аванпосты с не более, чем 10 человеками на борту и потреблением электроэнергии не выше первых сотен киловатт. Попробуем пройтись по вариантам ядерной энергоустановки такой кологии ЯЭУ, начав с самых маленьких
Поскольку ядерный реактор ограничен снизу по массе (нельзя сделать ядерный реактор легче нескольких сотен килограмм), то первыми на ум приходят радиоизотопные термоэлектрические генераторы - РИТЭГи. Поскольку вес для нас весьма критичен, то варианты с дешевыми изотопами типа Sr90 не пройдут: придется либо снабжать наш РИТЭГ многотонной биозащитой, либо придумывать способ запуска, при котором никто не будет приближаться к космическому спутнику с РИТЭГом на всех этапах подготовки.
Для иллюстрации - наземный РИТЭГ Бета-М на изотопе Sr90. Желтое - 2 килограмма радиоизотопного источника тепла, а вокруг 300 кг биозащиты из обедненного урана. Мощность - несколько десятков ватт.
Остается традиционный для космоса Pu238, как самый легкий. РИТЭГи с полупроводниковыми преобразователями заодно и самые простые ядерные источники энергии - тут нет ни движущихся элементов, ни жидкости, ни газа, а практически полное отсутствие гамма-излучения позволяет полупроводниковым преобразователям жить долго. Кстати, плутониевые РИТЭГи уже работали на Луне в составе аппаратуры ALSEP в экспедициях Аполлонов.
РИТЭГ ALSEP на Луне. На картинке как раз процесс зарядки плутония из транспортного контейнера в радиатор РИТЭГ.
Но у плутониевых РИТЭГ есть минус - астрономический ценник, доходящий до 100 млн долларов за киловатт мощности, и отсутствие нуклидной базы, чтобы сделать, к примеру, мегаваттный РИТЭГ.
Однако, если у нас есть запас в несколько тонн на ЯЭУ, появляется новый вариант - компактный ядерный реактор, который можно в неактивированном состоянии (здесь, кстати, конструкторов поджидают неожиданные проблемы, как вам, например проблема самозапуска околокритичного реактора под влиянием космических лучей?) привезти, закопать, и только затем включить. Именно в таком ключе обычно и ведутся проработки - такая ЯЭУ получается доставляемой рейсом существующих ракет, не запредельно дорогой, не опасной до пуска, и не требующих сверхдлинных НИОКР.
Вот, например, рендер реактора FSP на Луне, о нем ниже.
Прежде чем перейти к обсуждению нескольких известных проектов таких ЯЭУ, неплохо бы вспомнить технологии летавших реакторов. Первый в космос отправился американский Snap 10A: реактор на ВОУ с гидридом циркония в качестве замедлителя, и NaK эвтектикой в качестве теплоносителя, полупроводниковый преобразователь выдавал от тепла реактора 550 ватт электрических при весе 450 килограмм. Большая серия советских БЭС-5 с похожей конструкцией давала 2 киловатта при 700 кг веса. Наконец, вершина линейки ЯЭУ “Топаз”/”Енисей” использовали совершенно другую технологию выработки электроэнергии. Это термоэмиссионный реактор, в котором система генерации электричества и реактор совмещены. Грубо говоря, блочки уранового топлива тут служат катодами радиоламп, вырабатывающих напряжение и ток за счет термоэмиссии электронов. В результате при весе 980 кг система выдавала 5 киловатт (э).
Электрогенерирующие твэлы наследников "Топаза" - ультрахайтечное изделие, к сожалению с очень узкой применимостью и невысоким кпд.
Таким образом в классе “легких” реакторов технологически у нас есть вариант 1: “усложненный РИТЭГ”, где источник ядерного тепла становится управляемым и более мощным, а полупроводниковый преобразователь приходится все же вынести из активной зоны и соединить жидким теплоносителем. Вариант 2 - уникальная советская технология прямого преобразования, впрочем так же требующая жидкий теплоноситель для выноса тепла на радиатор.
Термоэмиссионные реакторы в СССР были спроектированы на диапазон мощностей 25...100 кВт электрических, при весе 3-12 тонн. Правда есть одна особенность - в космосе не нужна круговая защита, достаточно секторальной. На поверхности такой вариант работает не очень, т.к. ионизирующее излучение отражается от поверхности и портит радиаторы, преобразователи, насосы и т.п. Поэтому к массам космических прототипов следует добавлять либо немаленькую биозащиту, либо вес земле(луно, марсо)ройной техники, для окапывания будущей АЭС.
А это характеристи и нейтронно-физическая модель того, докуда были проработаны термоэмиссионные реакторы - 361-твэльная ЯЭУ мощностью 550 киловатт электрических, для проектировавшегося в конце 80х межорбитального буксира "Геркулес"
Теоретически, следующей рубеж по мощности (>100 кВт) должен полностью принадлежать реакторам с машинным преобразованием тепловой энергии: с двигателями Стирлинга и газотурбинными генераторами. Однако не все так просто:
За 25 лет, прошедших с первого полета термоэмисионных реакторов в космосе в ФЭИ было разработано несколько десятков вариантов подобных ЯЭУ, в т.ч. для марсианских и лунных баз, мощностью до 600 кВт. Только для более мощных блоков машинное преобразование уже начинает в целом выигрывать по получившейся массе и простоте энергоустановки. Поэтому мысль в западных и отечественных проектов идет по разному: в проработках лунных и марсианских баз от РКК “Энергия” вы найдете в основном термоэмисионные ЯЭУ, в проработках NASA - машинные ЯЭУ.
Еще один отечественный проект термоэмиссионной ЯЭУ - на этот раз для марсианской базы.
Впрочем, надо понимать, что все отечественные предложения >50 кВт(э) - весьма бумажные, и требующие НИОКР. К преимуществам термоэмиссионных ЯЭУ можно отнести отсутствие вращающейся механики (при использовании электромагнитных насосов и жидкометаллического теплоносителя), высокую рабочую температуру, сокращающую размер и вес радиаторов, к недостаткам - сложную, энергонапряженную конструкцию твэлов и небольшой ресурс.
Кстати, почти все космические реакторы для облегчения имеют одну и ту же конструктивную схему - плотная активная зона, реактивность в которой управляется с помощью поворотных барабанов, контролирующих утечку нейтронов из АЗ - в одном положении они поглощают нейтроны, в другом - отражают обратно.
Посмотрим теперь на проекты NASA. Начать хотелось бы с разрабатываемого с конце 90х по середину 2000х реактора SAFE (на самом деле, целой линейки реакторов - в основном для дальних космических полетов, типа миссии JIMO к спутникам Юпитера). Это высокотемпературный (впрочем, все космические реакторы высокотемпературные - т.к. сбрасывать тепло в вакууме очень сложно, то приходится делать радиаторы горячими, а активную зону - крайне горячей) реактор с оксидным урановым топливом высокого обогащения, отводом тепла с помощью жидкометаллических тепловых труб (при температуре 1450К - интересно посмотреть, из чего сделана оболочка такой трубки) и преобразованием тепла в электричество на базе двигателя Стирлинга или газотурбинного блока.
На тему высокотемпературности есть такой интересный слайд, связывающий температуру теплоносителя на выходе из АЗ (нижняя шкала) с необходимым материалом оболочки (цвет) и удельной энергоемкостью АЗ. Точками нанесены существовавшие в железе реакторы и концепты (незакрашенные треугольники).
SAFE прорабатывался сразу во многих вариантов, дело дошло до тепловых испытаний 30-киловаттного блока (макета с ТЭН) с двигателем Стрилинга на 350 ватт электрических. В лаборатории Сандия испытывалось топливо. Проект был закрыт в середине 2000х вместе с отменой миссии JIMO к лунам Юпитера.
Технологическая карта различных вариантов SAFE.
SAFE вполне можно было преобразовать для наземных миссий, что и было сделано в программе Fission Surface Power System (FSP), последовавшей сразу за SAFE
FSP особенно интересен тем, что он проектировался для работы сразу на поверхности Луны. Реакторная установка имела мощность тепловую мощность в 200 и электрическую в 40 кВт при массе 5800-6600 кг (в зависимости от возможностей лунной базы по закапыванию/окапыванию РУ - интересный системный аспект), время работы на мощности в 8 лет и более умеренные температурные параметры, чем “простой и надежный” SAFE. В качестве генератора используется модули с двигателями Стирлинга (по 10 кВт), теплоноситель - NaK эвтектика, два контура, температура АЗ довольно умеренная (около 480 С). Сброс тепла, как обычно - излучением с больших радиаторов. Проект был хорошо проработан в железе в начале 2010х, в т.ч. были проведены испытания полноразмерной тепловой схемы (с насосами, двигателями Стирлинга, радиаторами) в вакуумной камере.
Железо, изготовленное в ходе НИОКР ЯЭУ FSP.
Хотя мощность в этом проекте меньше, чем максимальная бумажная для термоэмиссионных реакторов, надо признать, что это более реалистичный вариант.
Как видно из вышеприведенного текста, в основном проекты напланетных ЯЭУ представлены “бумажными” реакторами, которые тем не менее базируются на когда-то воплощенных в железе технологиях и проведенных НИОКР. Можно полагать, что разрабатывающийся сегодня быстрый газовый реактор РУГК тепловой мощностью в 4 мегаватта с газотурбинным преобразователям по 250 кВт тоже скоро ляжет в базис напланетных ЯЭУ. Во всяком случае для тех баз, где будет мыслится энергопотребление в сотни киловатт. Напомню, что при массе до 20 тонн и ресурсе в 10 лет это один из самых лучших вариантов по соотношению запасенная энергия/вес.
P.S. Не могу пройти мимо прекрасного: схемы 200 мегаваттного космической ядерной энергоустановки на уран-калий-фторидной плазме с МГД-генератором, весом всего 74 тонны:
