Ядерная энергия в космосе: Атом

Ракету, спутник или автоматическую межпланетную станцию трудно представить без веера солнечных батарей для питания бортовой аппаратуры. Но с Солнцем приходится считаться, и это не всегда удобно. Космические исследования требуют независимости — в том числе и от источника энергии
Игорь Край
2
33551
  • Mars Science Laboratory представляет собой мобильную лабораторию, способную провести анализ почв и атмо­сферы Красной планеты. Теоретически она прослужит порядка двух земных лет.
    Mars Science Laboratory представляет собой мобильную лабораторию, способную провести анализ почв и атмо­сферы Красной 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 примерно на 5% и по достижении аппаратом Плутона будет составлять около 200 Вт.
    Термоэлектрический генератор аппарата New Horizons требует для питания 11 кг плутония. Вырабатываемая им мощность — порядка 240 Вт; каждые четыре года она будет падать примерно на 5% и по достижении аппаратом Плутона будет составлять около 200 Вт.
  • Студенты из Университета Аппалачей штата Северная Каролина придумали, как можно повысить эффективность трубчатых коллекторов солнечной энергии. Для этого оказалось достаточно простенького самодельного устройства, правда, дополненного очень сложным алгоритмом его расчета.
    Студенты из Университета Аппалачей штата Северная Каролина придумали, как можно повысить эффективность трубчатых коллекторов солнечной энергии. Для этого оказалось достаточно простенького самодельного устройства, правда, дополненного очень сложным алгоритмом его расчета.

В космосе можно использовать практически любые силовые агрегаты и источники энергии. Вопрос только в стоимости доставки топлива на орбиту. Именно поэтому в качестве альтернативы солнечной энергии рассматриваются порой весьма экстравагантные варианты.

Радиоизотопные источники

Иной раз бесплатная энергия обходится слишком дорого. В частности, солнечные батареи должны быть постоянно повернуты к источнику света, иначе они теряют эффективность. В земных условиях этим неудобством можно пренебречь, запасая энергию в аккумуляторах. Но в космосе бесполезное утяжеление конструкции недопустимо. Приходится разворачивать аппарат, чтобы удерживать правильную ориентацию. В противном случае системы навигации и связи окажутся обесточенными. Кроме того, солнечные батареи не действуют в тени планеты или ночью (последнее актуально для автономных станций на поверхности Марса и Луны). А на затянутой облаками Венере они будут бесполезны и днем.

Солнечные батареи более или менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты. Но уже на орбите Марса их площадь и масса 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 аккумуляторы, устанавливавшиеся на первых спутниках, а также генераторы, использующие энергию химических реакций, не могут 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 своей простоте, представляло собой полую, посеребренную изнутри сферу, в центр которой помещалось некоторое количество радия. Излученные радием электроны поглощались слоем серебра, что приводило к разделению заряда и возникновению разности потенциалов. Несмотря на то что энергия распада непосредственно трансформировалась в электрическую, КПД батареи Мозли оставался ничтожным. Источник производил почти исключительно тепло. Недаром капсулы с полонием-210 в советских «Луноходах» служили именно для обогрева приборного отсека. Тем не менее такие качества радиоизотопных генераторов, как предельная простота устройства, нетребовательность к обслуживанию и небольшая по отношению к выделяемой энергии масса, были отмечены уже тогда.

В середине прошлого века кон­струкция радиоизотопных источников энергии усложнилась. Капсула с изотопом стала рассматриваться только как тепловыделяющий элемент. Электричество же вырабатывалось полупроводниковым термоэлектрогенератором либо термоэмиссионным преобразователем, использующим эффект испускания электронов нагретыми телами. Со­вре­менные генераторы используют для производства электроэнергии эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект — возникновение ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры. Устрой­ства такого типа эксплуатируются с 1960 года и применялись во время пилотируемых полетов на Луну.

Радиоизотопные генераторы показали себя идеально подходящими для космических аппаратов источниками энергии, очень компактными и эффективными. Особенно высокой оценки заслуживает надежность радиоизотопных батарей. Отказ возможен только в случае 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

Несмотря на доработки, проведенные со времен Мозли, недостатком радиоизотопных источников остается крайне низкий КПД: в электроэнергию удается преобразовать не более 7% энергии распада ядер.

В настоящее время американские исследователи работают над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим много общего с известным еще с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Работа устройства, КПД которого может достигать 30%, основана на циклическом изменении температуры рабочего тела. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается. Эффективность тепловой машины повышается рекуператором — дополнительной камерой, проходя через которую разогретое рабочее тело отдает часть тепла, с тем чтобы при обратном движении холодный газ нагрелся.

Двигатель Стирлинга имеет высокий КПД в стационарных режимах, но недостаточно гибкий, чтобы быстро менять мощность по требованию, — именно эта особенность в свое время не позволила ему составить серьезную конкуренцию паровым машинам. Зато он чрезвычайно удобен тем, что дает возможность использовать любую разницу температур, даже самую незначительную.

Преобразование ядерной энергии в тепловую, потом в кинетиче­скую, и только потом в электричество представляется чрезмерно сложным процессом. Атомная энергетическая установка с поршнем выглядит экстравагантно, а наличие движущихся частей создает дополнительные проблемы. Но первое впечатление обманчиво: нет никаких препятствий объединению принципов термоэлектрогенерации и тепловой машины Стирлинга. В последнем случае поршень позволит преобразовать в электричество до 30% энергии распада.

На сегодняшний день технология находится в стадии разработки специалистами NASA. Проект может столк­нуться с множеством препятствий в процессе практической реализации. Беспокойство вызывает поведение механизма в условиях перегрузок и изменения температур за время космического полета. Тем не менее есть шанс, что уже в 2016 году NASA применит двигатель Стирлинга в космосе.

Реактор в цилиндрах

Не исключено, что в будущем окажется пересмотренной и основная концепция ядерных источников энергии космического назначения. Рабочим телом в двигателе Стирлинга может быть и сам делящийся материал в газообразной фазе. Начавшаяся цепная реакция в этом случае приведет к нагреву, расширению газа и смещению поршня. При этом плотность газообразного изотопа снизится, потери нейтронов возрастут, и цепная реакция прекратится. После охлаждения пара и возвращения поршня в исходное положение условия для осуществления цепной реакции восстановятся и нач­нет­ся следующий цикл.

Реактор, основанный на таком принципе, будет достаточно безопасным, так как реакция не сможет выйти из-под контроля. Поршень позволит эффективнее, чем это делают полупроводниковые термоэлектрогенераторы, преобразовывать тепло в электриче­ство. Однако для осуществления проекта требуется преодолеть целый ряд серьезных технических препятствий, связанных с созданием сверхэффективного газообразного замедлителя нейтронов. Но они представляются вполне преодолимыми в случае использования в качестве ядерного горючего специальных изотопов.

В любом случае сконструировать «реактор Стирлинга» будет куда проще, чем газофазный ядерный ракетный двигатель, использующий уран в форме высокотемпературной плазмы. А работы над созданием ГФЯРД ведутся и, возможно, увенчаются успе­хом уже в ближайшее десятилетие.

Ядерные реакторы

Реактор в космосе — редкий гость. Тем не менее будущее космонавтики немыслимо без управления ядерными реакциями. До сих пор большинство атомных энергетических установок космического назначения не использовали цепную реакцию, полагаясь лишь на тепло, выделяющееся при естественном распаде плутония-238 или стронция-90 (то есть радиоизотопные источники). Такое решение уравнивало последние с солнечными батареями по крайней мере в одном отношении: регулирование поступления энергии оставалось невозможным. Если требовалось в какие-то моменты резко повышать ее расход, нельзя было обойтись без аккумуляторов, подзаряжающихся в периоды относительного покоя.

А это — лишний вес и явный шаг назад.

Собственно, впервые ядерный реактор был выведен на орбиту в 1965 году. Американская установка SNAP-10A проработала 43 дня. Реактор на тепловых нейтронах использовал обогащенный до 10% уран-235 в качестве горючего, гидрид циркония в качестве замедлителя и натрий-калиевый теплоноситель. Источник энергии мог выполнять возложенные на него задачи (в частности, питание ионного двигателя), но КПД, составлявший всего 1,5%, оставлял желать лучшего. Из 40 кВт выделяющейся энергии лишь 500−600 Вт переводилось в электрическую форму. SNAP-10A остался в истории как единственный энергетический ядерный реактор, не способный обеспечить работу обычного электрочайника.

Советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, отличался чуть лучшими характеристиками. При тепловой мощности 100 кВт в электрическую форму полупроводниковым термоэлектрическим генератором переводилось около 3 кВт. «Бук» предназначался для питания радиолокационной аппаратуры спутников-шпионов и представлял собой миниатюрный реактор на быстрых нейтронах. Соответственно, уран требовалось обогатить до 90%, а замедлитель не использовался, что позволяло снизить массу конструкции. Теплоносителем служил калий-натриевый сплав. КПД на уровне 3% объяснялся миниатюрностью устройства.

В дальнейшем совершенствование реакторов космического назначения велось путем включения в кон­струк­цию термоэмиссионного преобразователя (проект «Топаз», 1980-е годы), по­зво­ляющего повысить КПД, увеличить ресурс и уменьшить массу и габариты установки. В частности, количество урана-235 удалось снизить до 11,5 кг (против 30 кг у «Бука»), при этом 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 примерно на порядок больше, чем у радиоизотопной батареи, а надежность существенно ниже. Тот же SNAP-10A вышел из строя в результате сбоя управляющей аппаратуры. Аварии подобного рода в космосе вполне вероятны, так как могут провоцироваться воздействием самого реактора на электронику: жесткие требования к массе не позволяют установить противорадиационную защиту. Ионизирующее излучение из активной зоны, которое нельзя ни экранировать, ни использовать, исключает применение реакторов на пилотируемых кораблях.

Невелик и срок службы реактора — всего около года. Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите если и теоретически возможны, то нерентабельны. Предельная же миниатюризация и упрощение кон­струк­ции реактора приводят к тому, что цепная реакция прекращается даже при незначительном падении содержания 235-го изотопа. Лишь применение газообразного горючего, которое можно автоматически подавать в активную зону, позволит исправить ситуацию.

Один год — это слишком мало. Миссии космических аппаратов, направляющихся к Юпитеру, Сатурну, Плутону, продолжаются куда дольше, и реактор не может составить конкуренцию радиоизотопному источнику энергии, способному проработать 30−40 лет, прежде чем генерируемая мощность упадет вдвое. Актуальной остается и проблема утилизации реакторов, выполнивших свою задачу. Практикуемый с 1970-х годов перевод активной зоны на «орбиту захоронения» высотой 1000 км означает лишь отсрочку неизбежного. Когда-то их придется возвращать на Землю. А на Земле и без того много лишнего.

Плутониевая проблема

Mars Science Laboratory может стать последним американским аппаратом, использующим плутониевую батарею

Причиной вероятного отказа США от использования генераторов такого типа может показаться фантастической: американские запасы плутония-238 просто закончились.

Проблема наметилась еще в 2006 году. Запуск предназначенного для исследования окраин Солнечной системы аппарата New Horizons неоднократно откладывался, так как NASA не располагала 11 кг плутония, необходимыми для заправки термоэлектрического генератора.

Завершение холодной войны повлекло за собой прекращение выработки данного изотопа. Несмотря на то что потребности NASA составляют всего 2 кг в год, нехватка топлива уже рассматривается как критическая. Предпринимаемые с 2009 года попытки возобновить производство плутония-238 путем переоборудования исследовательских реакторов успехом не увенчались ввиду недостаточного финансирования. А закупки изотопа в России Штаты предпочли бы прекратить по политическим соображениям.

Запасы оружейного плутония, пополняемые в результате утилизации старых боеголовок, очень велики. Но 239-й изотоп с периодом полураспада 24 000 лет не годен для использования при производ­стве радиоизотопных источников энергии. Изотоп же за номером 238, имеющий период полураспада всего 88 лет, может быть получен лишь на специальных установках в результате нейтронного облучения нептуния-237. Для получения 20 г плутония 100-граммовую нептуниевую мишень необходимо облучать в течение трех лет.

Изотопы

Выбор изотопа для радиационного генератора энергии представляет собой решение задачи на оптимум.

Изотопы с периодом полураспада, исчисляемым тысячелетиями, удобны и безопасны, но малоэффективны. Батарея на основе оружейного плутония будет весить не килограммы, а тонны. С другой стороны, 10 кг плутония-238 можно заменить всего 40 г полония-210 (время полураспада 138 суток). Но интенсивность распада в радиоизотопном генераторе будет спадать по экспоненте, и в случае применения короткоживущих изотопов потеря мощности окажется очень быстрой: полониевые генераторы непригодны для длительных миссий. Идеальным считается период полураспада, составляющий десятки лет.

Значение имеет и характер ядерных реакций. Например, бета-распад (типичные представители — кобальт-60, стронций-90 и цезий-137) менее эффективен, поскольку значительная часть выделяющейся при этом энергии уносится антинейтрино — частицей, очень слабо взаимодействующей с веществом. Энергию альфа-распада с образованием тяжелых альфа-частиц (ядер гелия) утилизировать гораздо проще.

Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии уран-232 с периодом полураспада 67 лет — немногим меньше, чем у плутония-238. Но уран выделяет в восемь раз 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, отправленный в космос в 1965 году на ракете Atlas-Agena D (на иллюстрации). К сожалению, вместо расчетного года он проработал всего 43 дня
    SNAP-10A — первый полноценный ядерный реактор, отправленный 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 — известный американский проект использования атомной энергии в космосе

Радиоизотопный генератор SNAP-3 был запущен в космос в 1961 году и стал первой энергетической установкой подобного типа, использованной на орбите (в навигационных спутниках Transit 4A и 4B). На базе «снэпов» строились также ядерные реакторы (первый — в 1959 году, SNAP Experimental Reactor, SER).

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№109, ноябрь 2011).

Комментарии

2 комментария