Ядерная энергетика в космосе — это использование ядерной энергии в открытом космосе , как правило, либо в небольших системах деления , либо в радиоактивном распаде для получения электроэнергии или тепла. Другое применение — научные наблюдения, как в спектрометре Мёссбауэра . Наиболее распространенным типом является радиоизотопный термоэлектрический генератор , который использовался во многих космических зондах и в пилотируемых лунных миссиях. Также были запущены в эксплуатацию небольшие реакторы деления для спутников наблюдения за Землей, такие как ядерный реактор TOPAZ . [1] Радиоизотопный нагревательный блок питается от радиоактивного распада и может удерживать компоненты от слишком сильного охлаждения для функционирования, потенциально в течение десятилетий. [2]
В 1965 году Соединенные Штаты провели 43-дневные испытания ядерного реактора SNAP-10A в космосе [3] , а следующее испытание энергетической системы ядерного реактора, предназначенной для использования в космосе, состоялось 13 сентября 2012 года в ходе демонстрационного испытания реактора Kilopower с использованием реакции деления на плоской вершине (DUFF) . [4]
После наземного испытания экспериментального реактора «Ромашка» 1965 года , использовавшего уран и прямое термоэлектрическое преобразование в электричество, [5] СССР отправил в космос около 40 ядерно-электрических спутников , в основном с питанием от реактора БЭС-5 . Более мощный реактор ТОПАЗ-II вырабатывал 10 киловатт электроэнергии. [3]
Примерами концепций, использующих ядерную энергию для космических двигательных установок, являются ядерная электрическая ракета (атомный ионный двигатель ), радиоизотопная ракета и радиоизотопный электрический двигатель (РЭД). [6] Одной из наиболее изученных концепций является ядерная тепловая ракета , которая была испытана на земле в программе NERVA . Ядерный импульсный двигатель был предметом проекта Orion . [7]
После запрета ядерного оружия в космосе Договором о космосе в 1967 году ядерная энергетика обсуждалась государствами как деликатный вопрос по крайней мере с 1972 года. [8] Космические ядерные источники энергии могут подвергаться авариям во время запуска, эксплуатации и завершения фазы обслуживания, что приводит к воздействию на ядерные источники энергии экстремальных физических условий и выбросу радиоактивных материалов в атмосферу Земли и на поверхность. [9] Например, все радиоизотопные энергетические системы (РЭС), используемые в космических миссиях, используют Pu-238. Плутоний-238 — это радиоактивный элемент, который испускает альфа-частицы. Хотя НАСА заявляет, что он существует в космических кораблях в форме, которая нелегко усваивается и не представляет никакой химической или токсикологической опасности при попадании в организм человека (например, в конструкции американских космических кораблей диоксид плутония существует в керамической форме для предотвращения вдыхания или проглатывания людьми, и он помещен в строгие системы защиты безопасности), нельзя отрицать, что он может быть выпущен и рассеян в окружающей среде, представляя опасность как для окружающей среды, так и для здоровья человека. [10] Pu-238 в основном накапливается в легких, печени и костях при вдыхании порошкообразной формы, тем самым представляя опасность для здоровья человека. [11]
В истории было несколько экологических катастроф, связанных с космической ядерной энергетикой.
В 1964 году ракета Thor-Ablestar , несущая спутник Transit 5BN-3, не смогла выйти на орбиту, уничтожив спутник при входе в атмосферу над южным полушарием. Один килограмм топлива из плутония-238 в РТГ SNAP-9A был выброшен в стратосферу. Отчет Министерства энергетики США о пробах почвы за 1972 год приписывал 13,4 килокири Pu-238 аварии из 17 килокири общего количества одного килограмма. Это контрастировало с 11 600 килокири стронция-90, выпавшего в результате всех испытаний ядерного оружия. [12]
В мае 1968 года ракета Thor-Agena, на борту которой находился спутник Nimbus B, была уничтожена из-за ошибки наведения. Ее плутониевый РИТЭГ SNAP-19 был извлечен из Тихого океана целым и невредимым, без утечки, восстановлен и запущен на борту Nimbus 3. [ 13]
В апреле 1970 года лунная миссия Apollo 13 была прервана из-за взрыва кислородного бака в служебном модуле космического корабля. При входе в атмосферу лунный модуль, оснащенный РТГ SNAP-27, взорвался и рухнул в южную часть Тихого океана, без утечки ядерного топлива. [9] Это единственная неповрежденная летавшая ядерная система, которая осталась на Земле без восстановления. [ требуется цитата ]
В начале 1978 года советский космический аппарат «Космос-954» , оснащенный 45-килограммовым реактором на высокообогащенном уране, вошел в неконтролируемое снижение. Из-за непредсказуемой точки падения были сделаны приготовления к возможному заражению населенных пунктов. Это событие подчеркнуло потенциальную опасность космических объектов, содержащих радиоактивные материалы, подчеркнув необходимость строгого международного чрезвычайного планирования и обмена информацией в случае космических ядерных аварий. Это также привело к межправительственной формулировке чрезвычайных протоколов, таких как операция «Утренний свет» , в ходе которой Канада и Соединенные Штаты совместно извлекли 80 радиоактивных фрагментов в радиусе 600 километров на северо-западных территориях Канады. COSMOS-954 стал первым примером глобальных мер готовности и реагирования на чрезвычайные ситуации для спутников, несущих ядерные источники энергии. [14]
Большинство ядерных энергетических систем, запущенных в космос, остаются на орбитах захоронения вокруг Земли. В период с 1980 по 1989 год реакторы деления BES-5 и TOPAZ-I советской программы RORSAT пострадали от утечек жидкого натрий-калиевого сплава теплоносителя. Каждый реактор потерял в среднем 5,3 килограмма из 13 килограммов общего теплоносителя, что в общей сложности составило 85 килограммов по 16 реакторам. В статье ЕКА 2017 года подсчитано, что, хотя более мелкие капли быстро распадаются, 65 килограммов теплоносителя все еще остаются в каплях размером с сантиметр на орбитах высотой 800 км, что составляет 10% космического мусора в этом диапазоне размеров. [15]
Орбитальные реакторы деления являются источником значительных помех для орбитальных гамма-обсерваторий . В отличие от РИТЭГов, которые в значительной степени полагаются на энергию альфа-распада , реакторы деления производят значительное гамма-излучение , при этом цепочка урана-235 выделяет 6,3% своей полной энергии в виде быстрых (показано ниже) и задержанных (дочерний продукт распада) гамма-лучей: [16]
Образование пар происходит, когда эти гамма-лучи взаимодействуют с реактором или соседним материалом, выбрасывая электроны и позитроны в пространство:
Затем эти электроны и позитроны попадают в магнитосферные потоки , которые переносят их через ряд орбитальных высот, где позитроны могут аннигилировать со структурой других спутников, снова производя гамма-лучи:
Эти гамма-лучи могут мешать работе спутниковых приборов. Наиболее заметно это произошло в 1987 году, когда ядерные реакторы TOPAZ-I (6–10 кВт) на борту двух испытательных аппаратов RORSAT Kosmos 1818 и Kosmos 1867 повлияли на гамма-телескопы на борту NASA 's Solar Maximum Mission и Университета Токио / ISAS ' Ginga . TOPAZ-I остается самым мощным реактором деления, работающим в космосе, с предыдущими советскими миссиями, использующими реактор BES-5 (2–3 кВт) на высотах значительно ниже обсерваторий гамма-излучения. [17]
Присутствие космических ядерных источников и потенциальные последствия ядерных аварий для людей и окружающей среды нельзя игнорировать. Поэтому существуют строгие правила применения ядерной энергии в космосе для снижения рисков, связанных с использованием космических ядерных источников энергии среди правительств. [18]
Например, в Соединенных Штатах соображения безопасности интегрированы в каждый этап проектирования, испытания, производства и эксплуатации космических ядерных систем. NRC контролирует владение, использование и производство ядерных материалов и установок. Министерство энергетики обязано в соответствии с Законом о национальной политике в области охраны окружающей среды (NEPA) учитывать воздействие на окружающую среду при обращении с ядерными материалами, их транспортировке и хранении. [9] [19] НАСА, Министерство энергетики и другие федеральные и местные органы власти разрабатывают комплексные планы действий в чрезвычайных ситуациях для каждого запуска, включая своевременное информирование общественности. В случае аварии группы мониторинга, оснащенные высокоспециализированным вспомогательным оборудованием и автоматизированными станциями, размещаются вокруг места запуска для выявления потенциальных выбросов радиоактивных материалов, количественной оценки и описания масштабов выбросов, прогнозирования количества и распределения рассеянных материалов, а также разработки и рекомендации защитных мер. [20]
На глобальном уровне после инцидента с COSMOS 954 в 1978 году международное сообщество признало необходимость установления набора принципов и руководящих принципов для обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве. Соответственно, в 1992 году Генеральная Ассамблея приняла резолюцию 47/68 под названием «Принципы, касающиеся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве». [21] Эти принципы в первую очередь касаются оценки безопасности, международного обмена информацией и диалога, ответственности и компенсации. В ней говорится, что принципы должны быть пересмотрены Комитетом по мирному использованию космического пространства не позднее, чем через два года после принятия. [21] После многих лет консультаций и обсуждений в 2009 году были приняты Международные рамки безопасности для применения ядерных источников энергии в космическом пространстве для повышения безопасности космических миссий с использованием ядерных источников энергии. Они предлагают руководство для инженеров и проектировщиков миссий, хотя их эффективное внедрение требует интеграции в существующие процессы. [22] [23]
«Рамки безопасности» утверждают, что каждая страна несет ответственность за безопасность своей космической ядерной энергетики. Правительства и международные организации должны обосновать необходимость применения космической ядерной энергетики по сравнению с потенциальными альтернативами и продемонстрировать ее использование на основе всесторонних оценок безопасности, включая вероятностный анализ риска, уделяя особое внимание риску воздействия на население вредного излучения или радиоактивных материалов. Странам также необходимо создать и поддерживать надежные органы надзора за безопасностью, системы и готовность к чрезвычайным ситуациям, чтобы минимизировать вероятность и смягчить последствия потенциальных аварий. [23] В отличие от «Принципов» 1992 года, «Рамки безопасности» применяются ко всем типам разработки и применения космических ядерных источников энергии, а не только к технологиям, существующим в то время. [22]
В проекте доклада о внедрении Рамок безопасности для применения ядерных источников энергии в космическом пространстве, опубликованном в 2023 году, рабочая группа считает, что рамки безопасности получили широкое признание и продемонстрировали свою полезность для государств-членов в разработке и/или внедрении национальных систем и политик для обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве. Другие государства-члены и межправительственные организации, в настоящее время не участвующие в использовании космических ядерных источников энергии, также признают и принимают ценность этих рамок, принимая во внимание вопросы безопасности, связанные с такими применениями. [24]
В то время как солнечная энергия используется гораздо чаще, ядерная энергия может дать преимущества в некоторых областях. Солнечные элементы, хотя и эффективны, могут поставлять энергию только космическим аппаратам на орбитах, где солнечный поток достаточно высок, таких как низкая околоземная орбита и межпланетные пункты назначения достаточно близкие к Солнцу. В отличие от солнечных элементов, ядерные энергетические системы функционируют независимо от солнечного света, что необходимо для исследования дальнего космоса . Системы на основе ядерных элементов могут иметь меньшую массу, чем солнечные элементы эквивалентной мощности, что позволяет создавать более компактные космические аппараты, которые легче ориентировать и направлять в космосе. В случае пилотируемых космических полетов концепции ядерной энергетики, которые могут питать как системы жизнеобеспечения, так и двигательные системы, могут сократить как стоимость, так и время полета. [25]
Некоторые приложения и/или технологии для космоса включают:
Поскольку активные электромагнитные детекторы, включая радары, наблюдают падение мощности с расстоянием , желательны сравнительно низкие околоземные орбиты.
Советский Союз не запускал межпланетные миссии за пределы Марса и вообще разрабатывал мало РИТЭГов. [26] Американские РИТЭГи в 1970-х годах поставляли мощность в диапазоне 100 Вт. [27] Для военных радиолокационных спутников RORSAT (1967–1988) были разработаны реакторы деления, особенно BES-5 , для подачи в среднем 2 кВт на радар. На высотах в среднем 255,3 км они бы быстро вышли из строя, если бы вместо них использовали большую солнечную батарею. [17]
Более поздняя программа радарных спутников США Lacrosse/Onyx , запуски которой начались в 1988 году, работала на высотах 420–718 км. Для питания радара на этом диапазоне использовалась солнечная батарея длиной, как сообщается, 45 м, предположительно, для обеспечения 10–20 кВт. [28]
На протяжении более пятидесяти лет радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) были основным ядерным источником энергии в космосе в США. РИТЭГи предлагают много 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 были внедрены для питания 25 различных космических аппаратов США, некоторые из которых работают более 20 лет. Более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов использовались по всему миру (в основном в США и СССР) в космических миссиях. [33]
Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга (ASRG, модель радиоизотопного генератора Стирлинга (SRG)) вырабатывает примерно в четыре раза больше электроэнергии, чем РИТЭГ, на единицу ядерного топлива, но готовые к полету устройства на основе технологии Стирлинга не ожидаются до 2028 года. [34] НАСА планирует использовать два ASRG для исследования Титана в отдаленном будущем. [ требуется ссылка ]
.jpg/1280px-ASRG_Labeled_Cutaway_(English).jpg)
Радиоизотопные генераторы энергии включают в себя:
Радиоизотопные нагреватели (RHU) также используются на космических аппаратах для нагрева научных приборов 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 ]
Крайне медленно распадающиеся радиоизотопы были предложены для использования в межзвездных зондах со сроком жизни в несколько десятилетий. [35]
По состоянию на 2011 год еще одним направлением развития стал РИТЭГ с использованием подкритических ядерных реакций. [36]
Системы питания деления могут использоваться для питания систем обогрева или движения космического корабля. С точки зрения требований к отоплению, когда космическому кораблю требуется более 100 кВт для питания, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи. [ необходима цитата ]
В 1965 году США запустили космический реактор SNAP-10A , разработанный компанией Atomics International , тогда являвшейся подразделением North American Aviation . [37]
За последние несколько десятилетий было предложено несколько реакторов деления, и Советский Союз запустил 31 реактор деления малой мощности БЭС-5 на своих спутниках RORSAT в период с 1967 по 1988 год. [ необходима цитата ]
В 1960-х и 1970-х годах Советский Союз разработал реакторы ТОПАЗ , в которых вместо них использовались термоэмиссионные преобразователи, хотя первый испытательный полет состоялся только в 1987 году. [ необходима цитата ]
В 1983 году НАСА и другие правительственные агентства США начали разработку космического реактора следующего поколения SP-100 , заключив контракт с General Electric и другими. В 1994 году программа SP-100 была отменена, в основном по политическим причинам, с идеей перехода на российскую реакторную систему TOPAZ-II . Хотя некоторые прототипы TOPAZ-II были испытаны на земле, система так и не была развернута для космических миссий США. [38]
В 2008 году НАСА объявило о планах использования небольшой ядерной энергетической системы на поверхности Луны и Марса и начало тестирование «ключевых» технологий для ее реализации. [39]
Предложенные космические аппараты с ядерной энергетической системой и исследовательские системы включают SP-100 , ядерную электрическую двигательную установку JIMO и поверхностную энергосистему деления . [33]
Разработано или находится в стадии разработки несколько типов микроядерных реакторов для космических применений: [40]
Ядерные тепловые двигательные установки (NTR) основаны на тепловой мощности реактора деления, предлагая более эффективную двигательную установку, чем та, которая работает на химических реакциях. Текущие исследования больше фокусируются на ядерных электрических системах как источнике энергии для обеспечения тяги для движения космических аппаратов, которые уже находятся в космосе.
Другие космические реакторы деления для питания космических аппаратов включают реактор SAFE-400 и HOMER-15. В 2020 году Роскосмос ( Российское федеральное космическое агентство ) планирует запустить космический аппарат, использующий ядерные двигательные установки (разработанные в Научно-исследовательском центре имени Келдыша ), который включает в себя небольшой газоохлаждаемый реактор деления мощностью 1 МВт. [41] [42]
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, к началу 2022 года, они выберут одну компанию для разработки 10-киловаттной ядерной энергетической системы, которая будет размещена на Луне в 2027 году. [43]
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, оба типа РИТЭГов. Проект также был направлен на создание безопасной и долговечной системы космического реактора деления для питания и движения космического корабля, заменяющей давно используемые РИТЭГи. Бюджетные ограничения привели к фактической остановке проекта, но проект «Прометей» имел успех в тестировании новых систем. [44] После его создания ученые успешно испытали ионный двигатель High Power Electric Propulsion (HiPEP), который имел существенные преимущества в топливной экономичности, сроке службы двигателя и эффективности двигателя по сравнению с другими источниками энергии. [45]
Галерея изображений космических ядерных энергетических установок.
ядерная энергетика: с 1961 года США запустили более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) с практически идеальными эксплуатационными данными. Специфика этих РИТЭГ и миссии, которые они обеспечивали, были тщательно рассмотрены в открытой литературе. США запустили только один реактор, который описан ниже. Советский Союз запустил только 2 РИТЭГа и отдал предпочтение использованию небольших систем ядерного деления вместо РИТЭГов. У СССР была более агрессивная программа по созданию космической ядерной энергетики, чем у США, и было запущено 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.[46] 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)
