Ядерная энергетика в космосе — это использование ядерной энергии в космическом пространстве , обычно либо небольших систем деления , либо радиоактивного распада для получения электроэнергии или тепла. Другое использование - для научных наблюдений, например, в мессбауэровском спектрометре . Наиболее распространенным типом является радиоизотопный термоэлектрический генератор , который использовался на многих космических зондах и в пилотируемых лунных миссиях. Также были запущены небольшие реакторы деления для спутников наблюдения Земли, такие как ядерный реактор ТОПАЗ . [1] Радиоизотопный нагреватель работает за счет радиоактивного распада и может удерживать компоненты от переохлаждения, чтобы они не 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 энергетической системы ядерного реактора, предназначенного для использования в космосе, состоялось 13 сентября 2012 года в рамках испытания «Демонстрация с использованием деления с плоской вершиной» (DUFF). реактора Kilopower . [4]
После наземных испытаний экспериментального реактора «Ромашка» в 1965 году , в котором использовался уран и прямое термоэлектрическое преобразование в электричество, [5] СССР отправил в космос около 40 ядерно-электрических спутников , в основном работающих на реакторе БЭС-5 . Более мощный реактор ТОПАЗ-II выдавал 10 киловатт электроэнергии. [3]
Примеры концепций, использующих ядерную энергию для космических двигательных систем, включают ядерную электрическую ракету ( ионный двигатель с ядерным двигателем (и)), радиоизотопную ракету и радиоизотопную электрическую двигательную установку (REP). [6] Одной из наиболее изученных концепций является ядерная тепловая ракета , которая прошла наземные испытания в рамках программы NERVA . Ядерный импульсный двигатель был предметом проекта «Орион» . [7]
После запрета ядерного оружия в космосе Договором о космосе в 1967 году ядерная энергетика обсуждалась государствами по крайней мере с 1972 года как деликатный вопрос. [8] Потенциальная опасность для окружающей среды Земли и, следовательно, для людей, в частности, побудила государства принять на Генеральной Ассамблее ООН « Принципы , относящиеся к использованию ядерных источников энергии в космическом пространстве» (1992 г.), в частности, введя принципы безопасности при запусках и управлении ими . их трафик . [8]
Хотя солнечная энергия используется гораздо чаще, ядерная энергия может предложить преимущества в некоторых областях. Солнечные элементы, хотя и эффективны, могут снабжать энергией космические корабли только на орбитах, где солнечный поток достаточно высок, например, на низкой околоземной орбите и в межпланетных пунктах назначения, достаточно близких к Солнцу. В отличие от солнечных батарей, ядерные энергетические системы функционируют независимо от солнечного света, что необходимо для освоения дальнего космоса . Ядерные системы могут иметь меньшую массу, чем солнечные элементы эквивалентной мощности, что позволяет создавать более компактные космические корабли, которые легче ориентировать и направлять в космосе. В случае пилотируемого космического полета концепции ядерной энергетики, которые могут питать как системы жизнеобеспечения, так и двигательные установки, могут сократить как стоимость, так и время полета. [9]
Отдельные приложения и/или технологии для космоса включают:
На протяжении более пятидесяти лет радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) были основным источником ядерной энергии США в космосе. РИТЭГи предлагают множество преимуществ; они относительно безопасны и не требуют технического 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 были использованы для питания 25 различных космических кораблей США, некоторые из которых работают уже более 20 лет. Во всем мире (в основном в США и СССР) в космических полетах использовалось более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов. [14]
Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга (ASRG, модель радиоизотопного генератора Стирлинга (SRG)) производит примерно в четыре раза больше электроэнергии, чем ритэг на единицу ядерного топлива, но готовые к полету установки на основе технологии Стирлинга ожидаются не раньше 2028 года . 15] НАСА планирует использовать два ASRG для исследования Титана в отдаленном будущем. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-ASRG_Labeled_Cutaway_(English).jpg)
Радиоизотопные генераторы энергии включают в себя:
Радиоизотопные нагреватели (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. [ нужна цитата ]
Чрезвычайно медленно распадающиеся радиоизотопы были предложены для использования в межзвездных зондах со сроком службы в несколько десятилетий. [16]
По состоянию на 2011 год еще одним направлением развития стал РТГ с докритическими ядерными реакциями. [17]
Энергетические системы деления могут использоваться для питания систем отопления или двигательной установки космического корабля. С точки зрения требований к отоплению, когда космическому кораблю требуется более 100 кВт энергии, системы деления гораздо более рентабельны, чем ритэги. [ нужна цитата ]
В 1965 году США запустили космический реактор SNAP-10A , который был разработан компанией Atomics International , тогдашним подразделением North American Aviation . [18]
За последние несколько десятилетий было предложено несколько реакторов деления, а в период с 1967 по 1988 год Советский Союз запустил 31 реактор деления малой мощности БЭС-5 на своих спутниках РОРСАТ с использованием термоэлектрических преобразователей .
В 1960-х и 1970-х годах Советский Союз разработал реакторы ТОПАЗ , в которых вместо этого используются термоэмиссионные преобразователи, хотя первый испытательный полет состоялся только в 1987 году .
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, из-за идеи перехода на российскую реакторную систему ТОПАЗ-II . Хотя некоторые прототипы ТОПАЗ-II прошли наземные испытания, система так и не была задействована в космических миссиях США. [19]
В 2008 году НАСА объявило о планах использования небольшой энергетической системы деления на поверхности Луны и Марса и начало тестирование «ключевых» технологий для ее реализации. [20]
Предлагаемые космические корабли и исследовательские системы с энергетической системой деления включают SP-100 , ядерно-электрическую двигательную установку JIMO и систему Fision Surface Power . [14]
Для космических применений был разработан или находится в разработке ряд типов микроядерных реакторов : [21]
Ядерные тепловые двигательные установки (NTR) основаны на тепловой мощности реактора деления, предлагая более эффективную двигательную установку, чем система, работающая на химических реакциях. Текущие исследования больше сосредоточены на ядерных электрических системах как источнике энергии для обеспечения тяги космических кораблей, которые уже находятся в космосе.
Другие космические реакторы деления для питания космических аппаратов включают реактор SAFE-400 и HOMER-15. В 2020 году Роскосмос (Роскосмос ) планирует запустить космический корабль с использованием ядерной двигательной установки (разработки в НИЦ Келдыша ), включающей небольшой газоохлаждаемый реактор деления мощностью 1 МВт. [22] [23]
В сентябре 2020 года НАСА и Министерство энергетики (DOE) опубликовали официальный запрос предложений по лунной ядерной энергетической системе, в котором несколько наград будут предоставлены предварительным проектам, завершенным к концу 2021 года, а на втором этапе - В начале 2022 года они выберут одну компанию для разработки 10-киловаттной энергетической системы, которая будет размещена на Луне в 2027 году. [24]
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 был направлен на создание безопасной и долговечной космической реакторной системы деления для питания и двигательной установки космического корабля, заменив давно используемые РИТЭГи. Бюджетные ограничения привели к фактической остановке проекта, но проект «Прометей» добился успеха в тестировании новых систем. [25] После его создания ученые успешно протестировали ионный двигатель High Power Electric Propulsion (HiPEP), который обеспечил существенные преимущества в топливной эффективности, сроке службы двигателя и эффективности двигателя по сравнению с другими источниками энергии. [26]
Галерея изображений космических ядерных энергетических систем.
Космическая ядерная энергетика: с 1961 года в США было запущено более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ) с практически идеальными эксплуатационными показателями. Специфика этих РИТЭГов и выполняемых ими задач тщательно рассмотрена в открытой литературе. США запустили только один реактор, о котором рассказывается ниже. Советский Союз использовал только два РИТЭГа и предпочитал использовать небольшие энергетические системы на ядерном топливе вместо РИТЭГов. СССР имел более агрессивную энергетическую программу космического деления, чем США, и имел более 30 реакторов. Хотя они были рассчитаны на короткий срок службы, программа продемонстрировала успешное использование общих конструкций и технологий.
![Раскаленная оболочка, содержащая плутоний, подвергающийся ядерному распаду, внутри Марсианской научной лаборатории MMRTG.[27] MSL был запущен в 2011 году и приземлился на Марсе в августе 2012 года.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Fueling_of_the_MSL_MMRTG_001.jpg/1280px-Fueling_of_the_MSL_MMRTG_001.jpg)
