Ядерная энергия в космосе

редактировать
KIWI A Prime ядерный ракетный двигатель на тепловых нейтронах Марсоход " Кьюриосити" 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 использование - 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. Блок радиоизотопного нагревателя питается от радиоактивного распада и может предохранять компоненты от чрезмерного охлаждения для работы, возможно, в течение десятилетий.

Соединенные Штаты испытывали ядерный реактор SNAP-10A в космосе в течение 43 дней в 1965 году, а следующее испытание энергетической системы ядерного реактора, предназначенной для использования в космосе, состоялось 13 сентября 2012 года с демонстрационным испытанием с использованием деления с плоским верхом (DUFF) Kilopower реактор.

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

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). Одна из наиболее изученных концепций - ядерная тепловая ракета, которая прошла наземные испытания в рамках программы NERVA. Ядерная импульсная двигательная установка была предметом проекта Орион.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Регулирование и предотвращение опасностей
  • 2 преимущества
  • 3 Типы
    • 3.1 Радиоизотопные системы
    • 3.2 Системы деления
    • 3.3 Проект Прометей
  • 4 Визуализации
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Регулирование и предотвращение опасностей

После запрета ядерного оружия в космосе по Договору по космосу в 1967 году, ядерная энергетика обсуждались по крайней мере, с 1972 года в качестве чувствительного вопроса государств. Особенно его потенциальная опасность для окружающей среды Земли и, следовательно, люди побудили государство принять в Генеральной Ассамблее ООН в Принципах, касающихся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве (1992), в частности, внедрение принципов безопасности для запусков и управлять их трафиком.

Преимущества

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 основе ядерной энергии 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.

К избранным приложениям и / или технологиям для космоса относятся:

Типы

Эта таблица является выдержкой из радиоизотопного термоэлектрического генератора § Ядерные энергетические системы в космосе [ править ]
Имя и модель Используется на (количество РИТЭГов на пользователя) Максимальный выход Радиотехника изотоп Максимальный расход топлива (кг) Масса (кг) Мощность / масса (электрическая, Вт / кг)
Электрооборудование ( Вт ) Тепло (Вт)
MMRTG MSL / марсоход Curiosity и марсоход Perseverance / Mars 2020 c. 110 c. 2000 г. 238 Pu c. 4 lt;45 2,4
ГПЗ-РИТЭГ Кассини (3), Новые горизонты (1), Галилей (2), Улисс (1) 300 4400 238 Pu 7,8 55,9–57,8 5,2–5,4
MHW-RTG ЛЕС-8/9, Вояджер 1 (3), Вояджер 2 (3) 160 2400 238 Pu c. 4.5 37,7 4.2
SNAP-3B Транзит-4А (1) 2,7 52,5 238 Pu ? 2.1 1.3
SNAP-9A Транзит 5БН1 / 2 (1) 25 525 238 Pu c. 1 12,3 2.0
SNAP-19 Нимбус-3 (2), Пионер 10 (4), Пионер 11 (4) 40,3 525 238 Pu c. 1 13,6 2,9
модифицированный SNAP-19 Викинг 1 (2), Викинг 2 (2) 42,7 525 238 Pu c. 1 15,2 2,8
SNAP-27 Аполлон 12–17 ALSEP (1) 73 1,480 238 Pu 3.8 20 3,65
(реактор деления) Бук (БЭС-5) ** США-США (1) 3000 100 000 высокообогащенный 235 U 30 1000 3.0
(реактор деления) СНАП-10А *** SNAP-10A (1) 600 30 000 высокообогащенный 235 U 431 1.4
ASRG **** разработка прототипа (не запущен), программа Discovery c. 140 (2x70) c. 500 238 Pu 1 34 4.1

Радиоизотопные системы

SNAP-27 на Луне

Более пятидесяти лет радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) были основным ядерным источником энергии США 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.

Расширенный Stirling радиоизотопный генератор (ASRG, модель Stirling радиоизотопного генератора (SRG)) производит примерно в четыре раза больше электроэнергии из РТГА на единицу ядерного топлива, но летные готовые блоки, основанные на технологии Stirling не предвидится до 2028 NASA планирует использовать две ASRG для исследования Титана в далеком будущем.

Схема в разрезе усовершенствованного радиоизотопного генератора Стирлинга.

Радиоизотопные генераторы энергии включают:

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 ритэгов и ASRG.

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

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

Системы деления

Энергетические системы деления могут быть использованы для питания систем обогрева или двигательной установки космического корабля. С точки зрения требований к обогреву, когда космическим кораблям требуется более 100 кВт мощности, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи.

За последние несколько десятилетий было предложено несколько реакторов деления, и в период с 1967 по 1988 год Советский Союз запустил 31 реактор деления малой мощности БЭС-5 на своих спутниках РОРСАТ, в которых использовались термоэлектрические преобразователи.

В 1960-х и 1970-х годах Советский Союз разработал реакторы ТОПАЗ, в которых вместо этого использовались термоэлектронные преобразователи, хотя первый испытательный полет состоялся только в 1987 году.

В 1965 году в США был запущен космический реактор SNAP-10A, который был разработан Atomics International, тогдашним подразделением North American Aviation.

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.

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.

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

Малогабаритный экспериментальный реактор SAFE-30

Для космического применения разработан или разрабатывается ряд типов микроядерных реакторов :

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

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

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 - В начале 2022 года они выберут одну компанию для разработки 10-киловаттной энергосистемы деления, которая будет размещена на Луне в 2027 году.

Представление художников о миссии орбитального корабля "Юпитер Ледяные Луны" для Прометея с реактором справа, обеспечивающим энергией ионные двигатели и электронику.

Проект Прометей

В 2002 году НАСА объявило об инициативе по разработке ядерных систем, которая позже получила название « Проект Прометей». Основная часть проекта «Прометей» заключалась в разработке радиоизотопного генератора Стирлинга и многоцелевого термоэлектрического генератора, обоих типов РИТЭГов. Проект также направлен на создание безопасной и долговечной системы реактора деления космического пространства для мощности и тяги космического корабля, взамен давно используемых РИТЭГов. Бюджетные ограничения привели к фактической остановке проекта, но Project Prometheus успешно тестировал новые системы. После его создания ученые успешно испытали ионный двигатель High Power Electric Propulsion (HiPEP), который продемонстрировал существенные преимущества в топливной экономичности, сроке службы и эффективности двигателя по сравнению с другими источниками энергии.

Визуальные эффекты

Галерея изображений космических ядерно-энергетических систем.

  • Раскаленная оболочка, содержащая плутоний, подвергающийся ядерному распаду, внутри Марсианской научной лаборатории MMRTG. MSL был запущен в 2011 году и приземлился на Марсе в августе 2012 года.

  • Внешний вид MSL MMRTG. Белое покрытие Aptek 2711 отражает солнечный свет, но при этом передает тепло марсианской атмосфере.

  • Космическая атомная электростанция SNAP-10A, показанная здесь во время испытаний на Земле, была выведена на орбиту в 1960-х годах.

  • Орбитальный аппарат Jupiter Icy Moons. Длинная стрела удерживает реактор на расстоянии, а экран радиационной тени защищает ребра радиатора.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-19 03:42:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте