stringtranslate.com

Системы для вспомогательной ядерной энергетики

Программа «Системы вспомогательной ядерной энергетики» ( SNAP ) представляла собой программу экспериментальных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и космических ядерных реакторов, запущенных в космос в 1960-х годах НАСА .

Программа SNAP была разработана в результате проекта Feedback, исследования разведывательных спутников, проведенного корпорацией Rand в 1954 году. [1] Поскольку некоторые из предлагаемых спутников имели высокие требования к мощности, некоторые достигали нескольких киловатт, Комиссия по атомной энергии США (AEC) в 1951 году запросила у промышленности серию исследований ядерных электростанций. Завершенные в 1952 году, эти исследования определили, что ядерные электростанции технически осуществимы для использования на спутниках. [2] : 5 

В 1955 году AEC начала два параллельных проекта ядерной энергетики SNAP. Один, контракт с The Martin Company , использовал радиоизотопный распад в качестве источника энергии для своих генераторов. Этим установкам были даны нечетные обозначения SNAP, начиная с SNAP-1. Другой проект использовал ядерные реакторы для генерации энергии и был разработан Atomics International Division of North American Aviation . Их системам были даны четные обозначения SNAP, первым из которых был SNAP-2. [2] : 5 

Большая часть разработки систем и испытаний реактора проводилась в полевой лаборатории Санта-Сусана , округ Вентура, Калифорния, с использованием ряда специализированных установок. [3]

Нечетные SNAP: радиоизотопные термоэлектрические генераторы

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют тепло радиоактивного распада для производства электроэнергии. [ необходима ссылка ]

СНАП-1

SNAP-1 была испытательной платформой, которая никогда не была развернута, с использованием церия-144 в цикле Ренкина с ртутью в качестве теплоносителя . Успешно проработала 2500 часов. [4]

СНАП-3

SNAP-3 был первым РИТЭГом , использованным в космической миссии (1961). Запущен на борту навигационных спутников ВМС США Transit 4A и 4B . Электрическая мощность этого РИТЭГа составляла 2,5 Вт. [4]

СНАП-7

Навигационный буй возле Балтимора с проблесковым маячком, работающим от SNAP 7A

SNAP-7A, D и F были разработаны для морских применений, таких как маяки и буи; [5] по крайней мере шесть единиц были развернуты в середине 1960-х годов с названиями от SNAP-7A до SNAP-7F. SNAP-7D производил тридцать ватт электроэнергии [6] используя 225 килокури (8,3  ПБк ) [5] (около четырех килограммов) стронция-90 в виде SrTiO 3 . Это были очень большие единицы, весом от 1870 до 6000 фунтов (от 850 до 2720 кг). [4]

СНАП-9

После SNAP-3 на Transit 4A/B, блоки SNAP-9A служили на борту многих спутников серии Transit . В апреле 1964 года SNAP-9A не смог выйти на орбиту и распался, рассеяв примерно 1 килограмм (2,2 фунта) плутония-238 по всем континентам. Большая часть плутония выпала в южном полушарии. Оценочно было выброшено 6300 ГБк или 2100 человеко-Зв радиации. [7] [8] [9] [10]

СНАП-11

SNAP-11 был экспериментальным РИТЭГом, предназначенным для питания зондов Surveyor во время лунной ночи. РИТЭГи на кюрии-242 могли бы вырабатывать 25 Вт электроэнергии, используя 900 Вт тепловой энергии в течение 130 дней. Температура горячего спая составляла 925 °F (496 °C; 769 K), температура холодного спая — 350 °F (177 °C; 450 K). Они имели жидкостную систему терморегулирования NaK и подвижную заслонку для сброса избыточного тепла. [11] [12] Они не использовались в миссиях Surveyor. [ необходима цитата ]

В целом топливный блок SNAP 11 представляет собой цилиндрический многокомпонентный блок, занимающий внутренний объем генератора. Топливная капсула TZM (сплав молибдена), заправленная кюрием-242 (Cm 2 O 3 в иридиевой матрице), расположена в центре топливного блока. Капсула окружена платиновой сферой, примерно 2+1 ⁄ 4 дюйма в диаметре, что обеспечивает экранирование и действует как поглотитель энергии при ударах. Эта сборка заключена в графитовые и бериллиевые подсборки для обеспечения надлежащего распределения тепла и абляционной защиты. [12]

СНАП-19

SNAP-19 на реплике Pioneer 10/11

SNAP-19(B) был разработан для спутника Nimbus-B ядерным подразделением компании Martin-Marietta [13] (теперь Teledyne Energy Systems). Работающие на плутонии-238, два параллельных генератора на основе термопар теллурида свинца вырабатывали начальный максимум около 30 Вт электроэнергии. [14] Nimbus 3 использовал SNAP-19B с восстановленным топливом из попытки Nimbus-B1. [15]

SNAP-19 обеспечивали питание миссий Pioneer 10 и Pioneer 11. [16] Они использовали термоэлектрические элементы n-типа 2N-PbTe и p-типа TAGS-85. [17]

Модифицированные SNAP-19B использовались для посадочных модулей Viking 1 и Viking 2. [18]

SNAP-19C использовался для питания телеметрической антенной решетки в Нанда Деви в Уттаракханде для операции ЦРУ по отслеживанию запусков китайских ракет. [19]

SNAP-21 и 23

SNAP-21 [20] и SNAP-23 были разработаны для подводного использования [5] [21] и использовали стронций-90 в качестве радиоактивного источника, инкапсулированного либо в оксид стронция , либо в титанат стронция . Они производили около десяти ватт электроэнергии.

СНАП-27

SNAP-27 на Луне.

Пять блоков SNAP-27 обеспечивали электроэнергией пакеты экспериментов на поверхности Луны Apollo (ALSEP), оставленные на Луне Apollo 12 , 14 , 15 , 16 и 17. Блок питания SNAP-27 весил около 20 килограммов, имел длину 46 см и диаметр 40,6 см. Он состоял из центральной топливной капсулы, окруженной концентрическими кольцами термопар. Снаружи термопар находился набор ребер для обеспечения отвода тепла с холодной стороны термопары. Каждое из устройств SNAP вырабатывало около 75 Вт электроэнергии при 30 В постоянного тока. Источником энергии для каждого устройства был стержень из плутония-238, обеспечивающий тепловую мощность около 1250 Вт. [22] Эта топливная капсула, содержащая 3,8 килограмма (8,4 фунта) плутония-238 в форме оксида (44 500  Ки или 1,65  ПБк ), была доставлена ​​на Луну в отдельном топливном контейнере, прикрепленном к боковой стороне лунного модуля . Топливный контейнер обеспечивал теплоизоляцию и добавлял структурную поддержку топливной капсуле. На Луне пилот лунного модуля извлекал топливную капсулу из контейнера и вставлял ее в РИТЭГ.

Эти станции передавали информацию о лунотрясениях и падениях метеоритов, лунных магнитных и гравитационных полях, внутренней температуре Луны и ее атмосфере в течение нескольких лет после миссий. Спустя десять лет SNAP-27 все еще производил более 90% от своей первоначальной мощности в 75 Вт.

Топливный контейнер из блока SNAP-27, перевозимый миссией Apollo 13, в настоящее время находится на глубине 20 000 футов (6 100 м) на дне впадины Тонга в Тихом океане . Эта миссия не смогла приземлиться на Луну, а лунный модуль, несущий свой генератор, сгорел во время повторного входа в атмосферу Земли, при этом траектория была рассчитана таким образом, что контейнер приземлился в впадине. Контейнер пережил повторный вход, как и было задумано, [23], и никакого выброса плутония обнаружено не было. Ожидается, что коррозионно-стойкие материалы капсулы будут удерживать его в течение 10 периодов полураспада (870 лет). [24]

Четные SNAP: компактные ядерные реакторы

Сборка активной зоны ядерного реактора SNAP 8 DR.

Серия компактных ядерных реакторов, предназначенных для использования в космосе, четные по номеру SNAP были разработаны для правительства США подразделением Atomics International компании North American Aviation . [ необходима ссылка ]

Экспериментальный реактор SNAP (SER)

Экспериментальный реактор SNAP (SER) был первым реактором, построенным по спецификациям, установленным для космических спутников. SER использовал гидрид урана-циркония в качестве топлива и эвтектический сплав натрия-калия ( NaK ) в качестве теплоносителя и работал при тепловой мощности около 50 кВт. Система не имела преобразования энергии, но использовала вторичную систему воздушного дутья для рассеивания тепла в атмосферу. SER использовал аналогичное устройство замедлителя отражателя реактора, как SNAP-10A, но только с одним отражателем. Критичность была достигнута в сентябре 1959 года, а окончательное отключение было завершено в декабре 1961 года. Проект был признан успешным. Он вселил постоянную уверенность в развитие программы SNAP, а также привел к глубоким исследованиям и разработке компонентов. [ необходима цитата ]

СНАП-2

Реактор разработки SNAP-2 был вторым построенным реактором SNAP. Это устройство использовало уран-цирконий-гидридное топливо и имело проектную мощность реактора 55 кВт т . Это была первая модель, в которой использовался узел управления полетом, и она испытывалась с апреля 1961 по декабрь 1962 года. Основная концепция заключалась в том, что ядерная энергия будет долгосрочным источником энергии для пилотируемых космических капсул. Однако капсула экипажа должна была быть защищена от смертельной радиации, исходящей от ядерного реактора. Окружение реактора радиационным экраном было исключено. Он был бы слишком тяжелым для запуска с помощью ракет, доступных в то время. Для защиты «экипаж» и «полезной нагрузки» система SNAP-2 использовала «теневой экран». Экран представлял собой усеченный конус, содержащий гидрид лития . Реактор находился на меньшем конце, а капсула экипажа/полезная нагрузка находились в тени большего конца. [25]

Исследования проводились на реакторе, отдельных компонентах и ​​системе поддержки. Atomics International, подразделение North American Aviation, занималось разработкой и испытаниями. Подразделение SNAP-2 Shield Development отвечало за разработку радиационной защиты. Создание защиты означало расплавление гидрида лития и отливку его в требуемую форму. Форма представляла собой большой усеченный конус. Расплавленный гидрид лития приходилось заливать в литейную форму небольшими порциями, иначе он трескался при охлаждении и затвердевании. Трещины в материале защиты были бы фатальными для любого космического экипажа или полезной нагрузки, зависящих от него, поскольку они позволяли бы радиации проникать в отсек экипажа/полезной нагрузки. По мере охлаждения материала он образовывал бы своего рода полый вихрь в середине. Инженеры-разработчики должны были найти способы заполнить вихрь, сохранив при этом целостность защиты. И при этом они должны были помнить, что они работали с материалом, который мог быть взрывоопасным во влажной среде, богатой кислородом. Анализ также показал, что под действием температурных и радиационных градиентов гидрид лития может диссоциировать, а ионы водорода могут мигрировать через экран. Это приведет к изменению эффективности экранирования и может подвергнуть полезные грузы интенсивному излучению. Были предприняты усилия по смягчению этих эффектов. [ необходима цитата ]

SNAP 2DR использовал аналогичное устройство замедлителя-отражателя реактора, как и SNAP-10A , но с двумя подвижными и внутренними фиксированными отражателями. Система была разработана таким образом, чтобы реактор мог быть интегрирован с ртутным циклом Ренкина для выработки 3,5 кВт электроэнергии. [ необходима цитата ]

СНАП-8

Реакторы SNAP-8 были спроектированы, построены и эксплуатировались компанией Atomics International по контракту с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства . Было произведено два реактора SNAP-8: экспериментальный реактор SNAP 8 и опытный реактор SNAP 8. Оба реактора SNAP 8 использовали то же самое топливо из высокообогащенного урана и циркония, что и реакторы SNAP 2 и SNAP 10A. Конструкция SNAP 8 включала первичные и вторичные контуры NaK для передачи тепла в систему преобразования энергии ртути Ренкина . Электрическая генерирующая система для реакторов SNAP 8 была поставлена ​​компанией Aerojet General . [26]

Экспериментальный реактор SNAP 8 представлял собой реактор мощностью 600 кВт , испытания которого проводились с 1963 по 1965 год. [ необходима цитата ]

Реактор разработки SNAP 8 имел активную зону размером 9,5 на 33 дюйма (24 на 84 см), содержал в общей сложности 18 фунтов (8,2 кг) топлива, имел номинальную мощность 1 МВт т . Реактор был испытан в 1969 году в полевой лаборатории Санта-Сусана . [27]

СНАП-10А

SNAP-10A — это космическая ядерная реакторная энергетическая система, запущенная в космос в 1965 году по программе SNAPSHOT . [28] [29] Она была построена в качестве исследовательского проекта для ВВС, чтобы продемонстрировать возможность генерировать более высокую мощность, чем РИТЭГи. Реактор использовал два подвижных бериллиевых отражателя для управления и вырабатывал 35 кВт в начале срока службы. [ необходима цитата ] Система вырабатывала электроэнергию путем циркуляции NaK вокруг свинцово-теллуровых термопар. Чтобы снизить риски запуска, реактор не запускался, пока не достиг безопасной орбиты. [ необходима цитата ]

SNAP-10A был запущен на околоземную орбиту в апреле 1965 года и использовался для питания исследовательского спутника Agena-D , построенного Lockheed/Martin. Система вырабатывала 500 Вт электроэнергии в течение сокращенного 43-дневного летного испытания. Реактор был преждевременно остановлен из-за неисправного приемника команд. По прогнозам, он останется на орбите в течение 4000 лет. [27]

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ JE Lipp; Robert M. Salter (март 1954 г.). «Project Feedback Summary Report Volume I». RAND . Получено 11 апреля 2020 г. .
  2. ^ ab Уильям Р. Корлисс (1966). ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ SNAP . Комиссия по атомной энергии США/Отдел технической информации.
  3. ^ "Обзор SNAP". Министерство энергетики США . Получено 9 апреля 2020 г.
  4. ^ abc Schwartz, HJ; Shure, LI (1 января 1965 г.). «Обзор электростанций для космических применений». NTRS — сервер технических отчетов NASA . Получено 25 апреля 2024 г.
  5. ^ abc "Антропогенная радиоактивность: основные точки источника выброса – RADNET: Раздел 11". www.davistownmuseum.org . Получено 31 марта 2018 г. .
  6. ↑ Young, CN (15 марта 1963 г.). Snap 7d – Источник питания термоэлектрического генератора на стронции-90. Плавучая метеостанция ВМС США мощностью 30 Вт. Окончательный отчет (Отчет). doi : 10.2172/4713816 . OSTI  4713816.
  7. ^ Ловас, Резсё Г. (2003). Справочник по ядерной химии: приборы, методы разделения, экологические вопросы. Springer Science & Business Media. стр. 308. ISBN 978-1-4020-1317-1.
  8. ^ Жире, Р.; Стилле, Питер (2018). Энергия, отходы и окружающая среда: геохимическая перспектива. Геологическое общество Лондона. стр. 145. ISBN 978-1-86239-167-3.
  9. ^ Готовность к чрезвычайным ситуациям для ядерных спутников. Стокгольм: Организация экономического сотрудничества и развития. 1990. стр. 21. ISBN 9264133526.
  10. ^ Харди, Э. П.; Крей, П. В. и Волчок, Х. Л. (1972). Глобальный запас и распределение Pu-238 из SNAP-9A (PDF) . Комиссия по атомной энергии США. стр. 6. doi :10.2172/4689831.
  11. ^ Программа обследования SNAP-11, Третий квартальный отчет
  12. ^ Программа обследования SNAP-11, тринадцатый квартальный отчет
  13. ^ Фихелли, Артур В.; Бакстер, Чарльз Ф. (16 апреля 1970 г.). «Эксперимент с радиоизотопным термоэлектрическим генератором SNAP-19». Труды IEEE по геонаучной электронике . 8 (4): 255. Bibcode : 1970ITGE....8..255F. doi : 10.1109/TGE.1970.271419 .
  14. ^ SNAP 19 Радиоизотопный источник питания: Эксплуатация и обслуживание. Техническое руководство (Отчет). 1 января 1967 г. doi : 10.2172/4513086 . OSTI  4513086.
  15. ^ "Home". NASA Radioisotope Power Systems . Архивировано из оригинала 7 августа 2012 года . Получено 31 марта 2018 года .
  16. ^ "SNAP-19: Pioneer F & G, Final Report], Teledyne Isotopes, 1973". Архивировано из оригинала 1 апреля 2018 года . Получено 31 марта 2018 года .
  17. ^ McGrew, JW (1 января 1970 г.). «Отчет о свойствах и производительности меток». Energy, Proceedings . 70 (2). Хинсдейл, Иллинойс: Американское ядерное общество: 15.31–3. OSTI  4620225 – через www.osti.gov.
  18. ^ "Legacy Power Systems | Power and Thermal Systems". NASA Radioisotope Power Systems . Получено 2021-02-12 .
  19. ^ Десаи, Шаил (2017-05-07). "Шпионская миссия Нанда Деви 1965 года, фильм". mint . Получено 2021-02-12 .
  20. ^ Программа SNAP-21, Фаза II. Система электроснабжения термоэлектрического генератора на радиоизотопном топливе в Глубоководном море. Ежеквартальный отчет № 9, 1 июля 1968 г. – 30 сентября 1968 г. Ежеквартальный отчет № 9, 1 июля 1968 г. – 30 сентября 1968 г. (Отчет). 1 января 1968 г. doi :10.2172/4816023. OSTI  4816023.
  21. ^ Мандельберг, М. (1971). «Океанографический акустический маяк и система телеметрии данных, работающая от радиоизотопного термоэлектрического генератора SNAP-21». Конференция IEEE 1971 года по инжинирингу в океанической среде . С. 220–223. doi :10.1109/OCEANS.1971.1161004.
  22. ^ «Ядерные батареи: инструменты для космической науки — Atomic Insights». atomicinsights.com . Сентябрь 1996 г.
  23. ^ Стенограмма разгрузки ALSEP Apollo 12, содержащая комментарий о выживаемости топливного контейнера при возвращении в атмосферу
  24. ^ FAQ 10/13 по космосу – Спорные вопросы, faq.org
  25. ^ Берри, Э. Р. (1963). «ОБОБЩЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ». osti.gov . doi :10.2172/4005255 . Получено 31 мая 2024 г. .
  26. ↑ Aerojet General Corporation (ноябрь 1971 г.). Программа разработки электрической системы генерации SNAP-8 . Исследовательский центр Льюиса НАСА, Кливленд, Огайо. NASA CR-1907.
  27. ^ ab Voss, Susan (август 1984 г.). Обзор реактора SNAP (PDF) . Авиабаза Киртланд, Нью-Мексико: Лаборатория вооружений ВВС США. AFWL-TN-84-14. Архивировано (PDF) из оригинала 15 февраля 2017 г.
  28. ↑ SNAPSHOT, NASA Glenn Research Center, 20 марта 2007 г. Получено 3 апреля 2019 г.
  29. ↑ Снимок, страница Gunther's Space. Получено 3 апреля 2019 г.

Общие источники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Системы для вспомогательной ядерной энергетики» .