Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
KIWI A Prime ядерный ракетный двигатель на тепловых нейтронах
Марсоход Mars Curiosity с РИТЭГом на Марсе. На дальней стороне марсохода виден белый РИТЭГ с плавниками.

Ядерная энергия в космосе - это использование ядерной энергии в космическом пространстве , как правило, либо небольшие системы деления , либо радиоактивный распад для получения электричества или тепла. Другое применение - для научных наблюдений, например, в мессбауэровском спектрометре . Самый распространенный тип - это радиоизотопный термоэлектрический генератор , который использовался на многих космических аппаратах и ​​в пилотируемых лунных миссиях. Также использовались малые реакторы деления для спутников наблюдения Земли, такие как ядерный реактор TOPAZ . [1] Блок радиоизотопного нагревателя.питается от радиоактивного распада и может предохранять компоненты от перегрева, чтобы они могли функционировать, возможно, в течение десятилетий. [2]

Соединенные Штаты испытывали ядерный реактор SNAP-10A в космосе в течение 43 дней в 1965 году [3], а следующее испытание энергосистемы ядерного реактора, предназначенного для использования в космосе, состоялось 13 сентября 2012 года в рамках Демонстрационного испытания деления с плоским верхом (DUFF). из Kilopower реактора. [4]

После наземных испытаний экспериментального реактора «Ромашка» 1965 года , в котором использовался уран и прямое термоэлектрическое преобразование в электричество [5], СССР отправил в космос около 40 ядерно-электрических спутников, в основном работающих от реактора БЭС-5 . Более мощный реактор ТОПАЗ-II производил 10 киловатт электроэнергии. [3]

Примеры концепций, использующих ядерную энергию для космических силовых установок, включают ядерную электрическую ракету (ядерный ионный двигатель ( двигатели )), радиоизотопную ракету и радиоизотопную электрическую двигательную установку (REP). [6] Одна из наиболее изученных - ядерная тепловая ракета , которая была испытана на земле в рамках программы NERVA . Ядерно-импульсная двигательная установка была предметом проекта Орион . [7]

Преимущества [ править ]

И посадочные устройства " Викинг-1", и " Викинг-2" использовали ритэги для питания поверхности Марса. (На фото ракета-носитель "Викинг")

Хотя солнечная энергия используется гораздо чаще, ядерная энергия может дать преимущества в некоторых областях. Солнечные элементы, хотя и эффективны, могут поставлять энергию космическим кораблям только на орбитах, где поток солнечной энергии достаточно высок, например, на низкой околоземной орбите и в межпланетных пунктах назначения, достаточно близких к Солнцу. В отличие от солнечных батарей, ядерные энергетические системы работают независимо от солнечного света, который необходим для исследования дальнего космоса . Системы на ядерной основе могут иметь меньшую массу, чем солнечные элементы эквивалентной мощности, что позволяет использовать более компактные космические аппараты, которые легче ориентировать и направлять в космосе. В случае космических полетов с экипажем концепции ядерной энергетики, которые могут приводить в действие как системы жизнеобеспечения, так и двигательные установки, могут снизить как стоимость, так и время полета. [8]

К избранным приложениям и / или технологиям для космоса относятся:

  • Радиоизотопный термоэлектрический генератор
  • Блок радиоизотопного нагревателя
  • Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор
  • Радиоизотопная ракета
  • Ядерная тепловая ракета
  • Ядерный импульсный двигатель
  • Ядерная электрическая ракета

Типы [ править ]

Радиоизотопные системы [ править ]

SNAP-27 на Луне

На протяжении более пятидесяти лет радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) были основным ядерным источником энергии Соединенных Штатов в космосе. РИТЭГи предлагают множество преимуществ; они относительно безопасны и не требуют обслуживания, устойчивы к суровым условиям и могут работать десятилетиями. РИТЭГи особенно желательны для использования в тех частях космоса, где солнечная энергия не является жизнеспособным источником энергии. Десятки РИТЭГов установлены на 25 различных американских космических кораблях, некоторые из которых эксплуатируются более 20 лет. Более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов были использованы во всем мире (в основном в США и СССР) в космических полетах. [9]

Расширенный Стирлинга радиоизотопный генератор (ASRG, модель Стирлинга радиоизотопного генератора (SRG)) производит примерно в четыре раза больше электрической мощности РТГ на единицу ядерного топлива, но летные готовые блоки , основанные на технологии Stirling не предвидится до 2028 [ 10] НАСА планирует использовать две ASRG для исследования Титана в далеком будущем. [ необходима цитата ]

Схема в разрезе усовершенствованного радиоизотопного генератора Стирлинга.

Радиоизотопные генераторы энергии включают:

  • SNAP-19, SNAP-27 ( Системы вспомогательной ядерной энергетики )
  • MHW-RTG
  • ГПЗ-РИТЭГ
  • MMRTG
  • ASRG (усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга)

Блоки радиоизотопных нагревателей (RHU) также используются на космических кораблях для нагрева научных инструментов до нужной температуры, чтобы они работали эффективно. Более крупная модель RHU, называемая источником тепла общего назначения (GPHS), используется для питания RTG и ASRG. [ необходима цитата ]

Чрезвычайно медленно распадающиеся радиоизотопы были предложены для использования в межзвездных зондах с временем жизни в несколько десятков лет. [11]

Еще одним направлением развития с 2011 г. стал РИТЭГ с подкритическими ядерными реакциями. [12]

Системы деления [ править ]

Энергетические системы деления могут использоваться для питания систем обогрева или движения космических аппаратов. С точки зрения требований к обогреву, когда космическим кораблям требуется мощность более 100 кВт, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи. [ необходима цитата ]

За последние несколько десятилетий, несколько реакторов деления были предложены, а Советский Союз запустил 31 BES-5 реакторов малой мощности деления в своих RORSAT спутников с использованием термоэлектрических преобразователей между 1967 и 1988 [ править ]

В 1960 - е и 1970 - е годы, Советский Союз разработал Топаз реакторы , которые используют ТЭП вместо этого, хотя первый испытательный полет не был до 1987 года [ править ]

В 1965 году в США был запущен космический реактор SNAP-10A , разработанный Atomics International , в то время подразделением North American Aviation . [13]

В 1983 году НАСА и другие правительственные агентства США начали разработку космического реактора следующего поколения, SP-100 , по контракту с General Electric и другими. В 1994 году программа СП-100 была отменена, в основном по политическим причинам, с идеей перехода на российскую реакторную систему ТОПАЗ-II . Хотя некоторые прототипы TOPAZ-II прошли наземные испытания, система никогда не использовалась для космических миссий США. [14]

В 2008 году НАСА объявило о планах использовать небольшую энергетическую систему деления на поверхности Луны и Марса и начало тестирование «ключевых» технологий, чтобы это было реализовано. [15]

Предлагаемые космические аппараты с системой энергоснабжения деления и исследовательские системы включают в себя SP-100 , ядерную электрическую двигательную установку JIMO и систему Fission Surface Power . [9]

Для космического применения разработан или разрабатывается ряд типов микроядерных реакторов : [16]

  • РАПИД-Л
  • магнитогидродинамическая система замкнутого цикла (CCMHD)
  • СП-100
  • Щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь (AMTEC)
  • Килопауэр

Ядерные тепловые двигательные установки (ЯТР) основаны на тепловой мощности реактора деления, предлагая более эффективную двигательную установку, чем двигательная установка, работающая на химических реакциях. Текущие исследования в большей степени сосредоточены на ядерных электрических системах как источнике энергии для обеспечения тяги для движения космических кораблей, которые уже находятся в космосе.

Малогабаритный экспериментальный реактор SAFE-30 около 2002 г.

Другие реакторы космического деления, используемые в космических аппаратах, включают реактор SAFE-400 и HOMER-15. В 2020 году Роскосмос ( Федеральное космическое агентство России ) планирует запустить космический аппарат с ядерными двигательными установками (разработанными в Научном центре им. Келдыша ), который включает небольшой реактор деления с газовым охлаждением мощностью 1 МВт. [17] [18]

В сентябре 2020 года НАСА и Министерство энергетики (DOE) выпустили официальный запрос предложений по лунной ядерной энергетической системе, в котором несколько наград будут присуждены предварительным проектам, завершенным к концу 2021 года, а на втором этапе - к началу В 2022 году они выберут одну компанию для разработки 10-киловаттной энергосистемы деления, которая будет размещена на Луне в 2027 году [19].

Проект Прометей [ править ]

Художественная концепция орбитального аппарата Юпитера Ледяной Луны, который был миссией Прометея. Он должен был питаться от небольшого реактора деления, обеспечивающего электроэнергией ионные двигатели и электронику. Длинная стрела используется для создания расстояния между реактором и остальной частью космического корабля, а ребра излучают отходящее тепло в космос.

В 2002 году НАСА объявило об инициативе по разработке ядерных систем, которая позже стала известна как проект «Прометей» . Основная часть проекта «Прометей» заключалась в разработке радиоизотопного генератора Стирлинга и многоцелевого термоэлектрического генератора, обоих типов РИТЭГов. Проект также нацелен на создание безопасной и долговечной системы реактора деления космического пространства для питания и движения космического корабля, взамен давно используемых РИТЭГов. Бюджетные ограничения привели к фактической остановке проекта, но Project Prometheus успешно тестировал новые системы. [20] После его создания ученые успешно испытали мощную электрическую тягу.(HiPEP) ионный двигатель, который обеспечил существенные преимущества в топливной экономичности, сроке службы и эффективности двигателя по сравнению с другими источниками энергии. [21]

Визуальные эффекты [ править ]

Раскаленная оболочка, содержащая плутоний, подвергающийся ядерному распаду, внутри Марсианской научной лаборатории MMRTG. [22] MSL был запущен в 2011 году и приземлился на Марсе в августе 2012 года.
Внешний вид MSL MMRTG
Космическая атомная электростанция SNAP-10A , показанная здесь во время испытаний на Земле, была выведена на орбиту в 1960-х годах.

См. Также [ править ]

  • СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
  • Список ядерно-энергетических систем в космосе
  • Радиоизотопный термоэлектрический генератор # Ядерные энергетические системы в космосе
  • Строгие человеческие миссии на Марс
  • Ядерный импульсный двигатель
  • Ядерная двигательная установка
  • Ядерная тепловая ракета
  • Ядерная электрическая ракета
  • Батареи в космосе
  • Солнечные батареи на космических кораблях

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хайдер, Энтони К .; RL Wiley; Г. Хальперт; С. Сабрипур; Диджей Флуд (2000). Энергетические технологии космических аппаратов . Imperial College Press . п. 256. ISBN 1-86094-117-6.
  2. ^ "Факты Министерства энергетики: Установки радиоизотопного нагревателя" (PDF) . Министерство энергетики США, Управление космических и оборонных энергетических систем. Декабрь 1998. Архивировано из оригинального (PDF) 27 мая 2010 года . Проверено 24 марта 2010 года .
  3. ^ а б «Ядерная энергия в космосе» . Spacedaily.com . Проверено 23 февраля 2016 .
  4. ^ "НАСА - Исследователи тестируют новую энергетическую систему для космических путешествий - Совместная группа НАСА и Министерства энергетики демонстрирует простой, надежный прототип реактора деления" . Nasa.gov . 2012-11-26 . Проверено 23 февраля 2016 .
  5. ↑ Пономарев-Степной, Н.Н. Кухаркин Н.Е .; Усов В.А. (март 2000 г.). « » Ромашка «реактор-преобразователь». Атомная энергия . Нью-Йорк: Спрингер. 88 (3): 178–183. DOI : 10.1007 / BF02673156 . ISSN 1063-4258 . S2CID 94174828 .  
  6. ^ "Радиоизотопная электрическая тяга: Обеспечение научных целей десятилетнего обзора для примитивных тел" (PDF) . Lpi.usra.edu . Проверено 23 февраля 2016 .
  7. ^ Эверетт, CJ; Улам С.М. (август 1955 г.). «О способе движения снарядов с помощью внешних ядерных взрывов. Часть I» (PDF) . Лос-Аламосская научная лаборатория. п. 5.
  8. ^ Зайцев, Юрий. «Ядерная энергия в космосе» . Spacedaily . Проверено 22 ноября 2013 года .
  9. ^ a b Мейсон, Ли; Стерлинг Бейли; Райан Бехтель; Джон Эллиотт; Майк Хаутс; Рик Каперник; Рон Липински; Дункан Макферсон; Том Морено; Билл Несмит; Дэйв Постон; Лу Куоллс; Росс Радел; Авраам Вайцберг; Джим Вернер; Жан-Пьер Флериаль (18 ноября 2010 г.). «Технико-экономическое обоснование системы малой мощности ядерного деления - Заключительный отчет» . НАСА / МЭ . Дата обращения 3 октября 2015 .Космическая ядерная энергетика: с 1961 года в США эксплуатировалось более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) с практически безупречными эксплуатационными показателями. Специфика этих РИТЭГов и задач, которые они приводят в действие, подробно рассмотрены в открытой литературе. В США эксплуатируется только один реактор, описание которого приводится ниже. Советский Союз эксплуатировал только 2 РИТЭГа и предпочитал использовать малые энергосистемы деления вместо РИТЭГов. СССР имел более агрессивную энергетическую программу деления космоса, чем США, и эксплуатировал более 30 реакторов. Хотя они были рассчитаны на короткий срок службы, программа продемонстрировала успешное использование общих конструкций и технологий.
  10. ^ "Техническое совещание Стирлинга" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 20 апреля 2016 года . Проверено 8 апреля 2016 .
  11. ^ "Инновационный межзвездный зонд" . JHU / APL . Проверено 22 октября 2010 года .
  12. Перейти ↑ Arias, FJ (2011). "Передовой подкритический радиоизотопный термоэлектрический генератор: обязательное решение для будущего исследований НАСА" . Журнал Британского межпланетного общества . 64 : 314–318. Bibcode : 2011JBIS ... 64..314A .
  13. ^ AAP-Reuter (1965-04-05). «Реактор уходит в космос». Канберра Таймс. 39 (11, 122). Австралийская столичная территория, Австралия. 5 апреля 1965 г. с. 1. Через Национальную библиотеку Австралии. Получено 12 августа 2017 г. с сайта https://trove.nla.gov.au/newspaper/article/131765167 .
  14. ^ Национальный исследовательский совет (2006). Приоритеты космической науки на основе ядерной энергии и движения . Национальные академии. п. 114. ISBN 0-309-10011-9.
  15. ^ "Лунный ядерный реактор | Виртуальный институт исследования солнечной системы" . Sservi.nasa.gov . Проверено 23 февраля 2016 .
  16. ^ "Ядерные реакторы для космоса - Мировая ядерная ассоциация" . World-nuclear.org . Проверено 23 февраля 2016 .
  17. ^ Пейдж, Льюис (5 апреля 2011 г.). «Россия и НАСА проведут переговоры по ядерным космическим кораблям. У москвичей есть смелость, но нет денег» . Реестр . Проверено 26 декабря 2013 года .
  18. ^ «Прорыв в поисках космических кораблей с ядерными двигателями» . Российская газета. 25 октября 2012 . Проверено 26 декабря 2013 года .
  19. ^ «НАСА искать предложения по лунной ядерной энергетической системе» . Космические новости . 2 сентября 2020.
  20. ^ "Ядерные реакторы для космоса" . Всемирная ядерная ассоциация . Проверено 22 ноября 2013 года .
  21. ^ «НАСА успешно тестирует ионный двигатель» . ScienceDaily . Проверено 22 ноября 2013 года .
  22. ^ "Технологии широкой выгоды: мощность" . Архивировано из оригинального 14 июня 2008 года . Проверено 20 сентября 2008 .

Внешние ссылки [ править ]

  • KRUSTY - Киломощный реактор с использованием технологии Стирлинга
  • Технико-экономическое обоснование малой энергосистемы деления
  • Ядерная энергия в космосе - Управление ядерной энергии - Министерство энергетики США (.pdf)
  • Бумага SAFE-400 (реактор деления)
  • Концепция проекта марсохода с ядерным реактором
  • Дэвид Постон, "Космическая ядерная энергетика: реакторы деления"
  • Проектирование и испытания малой ядерной энергетики (файл .pdf)
  • Обзор НАСА и ядерной энергетики в космосе
  • НАСА ищет ядерную энергию для Марса (декабрь 2017 г.)