WikiDer > Ядерная энергия в космосе - Википедия

Nuclear power in space - Wikipedia
KIWI A Prime ядерный ракетный двигатель на тепловых нейтронах
Марс Любопытство марсоход на РИТЭГе на Марсе

Ядерная энергия в космосе это использование атомная энергия в космическое пространство, обычно либо небольшие деление системы или радиоактивный распад на электричество или тепло. Другое использование - для научных наблюдений, например, Мессбауэровский спектрометр. Самый распространенный тип - это радиоизотопный термоэлектрический генератор, который использовался на многих космических аппаратах и ​​в пилотируемых лунных миссиях. Малые реакторы деления для спутников наблюдения Земли, такие как Ядерный реактор ТОПАЗ, также летали.[1] А блок радиоизотопного нагревателя питается от радиоактивного распада и может предохранять компоненты от перегрева, чтобы они могли функционировать, возможно, в течение десятилетий.[2]

Соединенные Штаты испытали SNAP-10A ядерный реактор в космосе 43 дня в 1965 году,[3] со следующим испытанием энергосистемы ядерного реактора, предназначенного для использования в космосе, которое состоится 13 сентября 2012 г., во время демонстрационного испытания ядерного деления с плоским верхом (DUFF) Килопауэр реактор.[4]

После наземных испытаний опытного образца 1965 г. Ромашка реактор, который использовал уран и прямой термоэлектрический преобразование в электричество,[5] СССР отправил около 40 атомно-электрических спутники в космос, в основном от БЭС-5 реактор. Более мощный реактор ТОПАЗ-II производил 10 киловатт электроэнергии.[3]

Примеры концепций, использующих ядерную энергию для космических двигательных установок, включают: ядерная электрическая ракета (атомная ионный двигатель(s)), радиоизотопная ракета, и радиоизотопные электрические двигатели (РЭП).[6] Один из наиболее изученных - ядерная тепловая ракета, который прошел наземные испытания в NERVA программа. Ядерный импульсный двигатель был предметом Проект Орион.[7]

Преимущества

Оба Викинг 1 и Викинг 2 спускаемые аппараты использовали РИТЭГи для питания на поверхности Марса. (На фото ракета-носитель "Викинг")

Пока 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 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 работают независимо от солнечного света, что необходимо для исследование глубокого космоса. Системы на ядерной основе 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.[8]

К избранным приложениям и / или технологиям для космоса относятся:

Типы

Радиоизотопные системы

SNAP-27 на Луне

Более пятидесяти лет радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) были основным источником ядерной 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 аппаратах, 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.[9]

В усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга (ASRG, модель Радиоизотопный генератор Стирлинга (SRG)) производит примерно в четыре раза больше электроэнергии, чем РИТЭГ, на единицу ядерного топлива, но готовые к полету блоки, основанные на технологии Стирлинга, появятся не раньше 2028 года.[10] НАСА планирует использовать две ASRG для исследования Титан в далеком будущем.[нужна цитата]

Схема в разрезе усовершенствованного радиоизотопного генератора Стирлинга.

Радиоизотопные генераторы энергии включают:

Установки радиоизотопных нагревателей (RHU) также используются на космических кораблях для нагрева научных инструментов до нужной температуры, чтобы они работали эффективно. Более крупная модель RHU называется Источник тепла общего назначения (GPHS) используется для питания РИТЭГов и АСРГ.[нужна цитата]

Чрезвычайно медленно распадающиеся радиоизотопы были предложены для использования в межзвездных зондах с временем жизни в несколько десятков лет.[11]

Еще одним направлением развития с 2011 г. стал РИТЭГ с подкритическими ядерными реакциями.[12]

Системы деления

Энергетические системы деления могут использоваться для питания систем обогрева или двигателей космических аппаратов. С точки зрения требований к обогреву, когда космическим кораблям требуется мощность более 100 кВт, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи.[нужна цитата]

За последние несколько десятилетий было предложено несколько реакторов деления, и Советский союз запущен 31 БЭС-5 реакторы деления малой мощности в своих РОРСАТ спутники, использующие термоэлектрические преобразователи с 1967 по 1988 год.[нужна цитата]

В 1960-х и 1970-х годах Советский Союз развивался. Реакторы ТОПАЗ, которые вместо этого используют термоэмиссионные преобразователи, хотя первый испытательный полет состоялся только в 1987 году.[нужна цитата]

В 1965 г. нас запустил космический реактор, SNAP-10A, который был разработан Atomics International, затем разделение Североамериканская авиация.[13]

В 1983 году НАСА и другие правительственные агентства США начали разработку космического реактора следующего поколения, СП-100, заключив контракт с General Electric и другими. В 1994 году программа СП-100 была отменена, в основном по политическим причинам, с идеей перехода на российский ТОПАЗ-II реакторная система. Хотя некоторые прототипы TOPAZ-II прошли наземные испытания, система никогда не использовалась для космических миссий США.[14]

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.[15]

Предлагаемые космические корабли и исследовательские системы системы деления энергии включают СП-100, Ядерная электрическая двигательная установка JIMO, и Поверхностная мощность деления.[9]

Номер микроядерный реактор были разработаны или разрабатываются для космического применения:[16]

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

БЕЗОПАСНЫЙ-30 небольшой экспериментальный реактор около 2002 г.

Другие реакторы космического деления для питания космических аппаратов включают: БЕЗОПАСНЫЙ-400 реактор и ГОМЕР-15. В 2020 году Роскосмос ( Федеральное космическое агентство России) планы по запуску космического корабля с ядерными двигательными установками (разработка Келдыша), который включает небольшой реактор деления с газовым охлаждением мощностью 1 МВт.[17][18]

В сентябре 2020 года НАСА и Департамент энергетики (DOE) выпустило официальный запрос предложений по лунной ядерной энергетической системе, в котором несколько наград будут вручены предварительным проектам, завершенным к концу 2021 года, а на втором этапе, к началу 2022 года, они выберут одну компанию для разработки 10-киловаттная система деления энергии будет размещена на Луне в 2027 году.[19]

Проект Прометей

Авторская концепция орбитального аппарата Юпитера Ледяной Луны, который был миссией Прометея. Он должен был питаться от небольшого реактора деления, обеспечивающего электроэнергией ионные двигатели и электронику. Длинная стрела используется для создания расстояния между реактором и остальной частью космического корабля, а ребра излучают отходящее тепло в космос.

В 2002 году НАСА объявило об инициативе по разработке ядерных систем, которые позже стали известны как 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.[20] После его создания ученые успешно испытали Электродвигатель большой мощности (HiPEP) ионный двигатель, который обеспечил существенные преимущества в топливной экономичности, сроке службы и эффективности двигателя по сравнению с другими источниками энергии.[21]

Визуальные эффекты

Раскаленная оболочка, содержащая плутоний, подвергающийся ядерному распаду, внутри Марсианская научная лаборатория MMRTG.[22] MSL был запущен в 2011 году и приземлился на Марсе в августе 2012 года.
Внешний вид MSL MMRTG
SNAP-10A Космическая атомная электростанция, показанная здесь во время испытаний на Земле, была выведена на орбиту в 1960-х годах.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хайдер, Энтони К .; Р. Л. Вили; Г. Хальперт; С. Сабрипур; Д. Дж. Флад (2000). Космические энергетические технологии. Imperial College Press. п. 256. ISBN 1-86094-117-6.
  2. ^ "Факты Министерства энергетики: Установки радиоизотопных нагревателей" (PDF). Министерство энергетики США, Управление космических и оборонных энергетических систем. Декабрь 1998. Архивировано с оригинал (PDF) 27 мая 2010 г.. Получено 24 марта, 2010.
  3. ^ а б «Ядерная энергия в космосе». Spacedaily.com. Получено 2016-02-23.
  4. ^ «НАСА - Исследователи тестируют новую энергетическую систему для космических путешествий - совместная группа НАСА и Министерства энергетики демонстрирует простой и надежный прототип реактора деления». Nasa.gov. 2012-11-26. Получено 2016-02-23.
  5. ^ Пономарев-Степной, Н. Н .; Кухаркин, Н.Е .; Усов В. А. (март 2000 г.). ""Ромашка «реактор-преобразователь». Атомная энергия. Нью-Йорк: Спрингер. 88 (3): 178–183. Дои:10.1007 / BF02673156. ISSN 1063-4258. S2CID 94174828.
  6. ^ "Радиоизотопная электрическая тяга: обеспечение достижения научных целей десятилетнего исследования примитивных тел" (PDF). Lpi.usra.edu. Получено 2016-02-23.
  7. ^ Everett, C.J .; Улам С.М. (Август 1955 г.). «О способе движения снарядов внешними ядерными взрывами. Часть I» (PDF). Лос-Аламосская научная лаборатория. п. 5.
  8. ^ Зайцев, Юрий. «Ядерная энергия в космосе». Spacedaily. Получено 22 ноября 2013.
  9. ^ а б Мейсон, Ли; Стерлинг Бейли; Райан Бехтель; Джон Эллиотт; Майк Хаутс; Рик Каперник; Рон Липински; Дункан Макферсон; Том Морено; Билл Несмит; Дэйв Постон; Лу Куоллс; Росс Радел; Авраам Вайцберг; Джим Вернер; Жан-Пьер Флериаль (18 ноября 2010 г.). «Технико-экономическое обоснование системы малой мощности ядерного деления - Заключительный отчет». НАСА/DOE. Получено 3 октября 2015. Космическая ядерная энергетика: с 1961 года в США эксплуатировалось более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) с практически безупречными эксплуатационными показателями. Специфика этих РИТЭГов и задач, которые они приводят в действие, подробно рассмотрены в открытой литературе. В США эксплуатируется только один реактор, описание которого приводится ниже. Советский Союз эксплуатировал только 2 РИТЭГа и предпочитал использовать малые энергосистемы деления вместо РИТЭГов. СССР имел более агрессивную энергетическую программу деления космоса, чем США, и эксплуатировал более 30 реакторов. Хотя они были рассчитаны на короткий срок службы, программа продемонстрировала успешное использование общих конструкций и технологий.
  10. ^ "Техническая встреча в Стирлинге" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-04-20. Получено 2016-04-08.
  11. ^ «Инновационный межзвездный зонд». JHU / APL. Получено 22 октября 2010.
  12. ^ Ариас, Ф. Дж. (2011). «Передовой подкритический радиоизотопный термоэлектрический генератор: обязательное решение для будущего исследований НАСА». Журнал Британского межпланетного общества. 64: 314–318. Bibcode:2011JBIS ... 64..314A.
  13. ^ А.А.П.-Рейтер (1965-04-05). «Реактор уходит в космос». Канберра Таймс. 39 (11, 122). Австралийская столичная территория, Австралия. 5 апреля 1965 г. с. 1. Через Национальную библиотеку Австралии. Получено 12 августа 2017 г. из https://trove.nla.gov.au/newspaper/article/131765167.
  14. ^ Национальный исследовательский совет (2006). Приоритеты космической науки на основе ядерной энергии и силовых установок. Национальные академии. п. 114. ISBN 0-309-10011-9.
  15. ^ "Лунный ядерный реактор | Виртуальный институт исследования солнечной системы". Sservi.nasa.gov. Получено 2016-02-23.
  16. ^ "Ядерные реакторы для космоса - Всемирная ядерная ассоциация". World-nuclear.org. Получено 2016-02-23.
  17. ^ Пейдж, Льюис (5 апреля 2011 г.). «Россия и НАСА проведут переговоры по ядерному космическому аппарату. У москвичей есть смелость, но нет денег». Реестр. Получено 26 декабря 2013.
  18. ^ «Прорыв в поисках атомных космических кораблей». Российская газета. 25 октября 2012 г.. Получено 26 декабря 2013.
  19. ^ «НАСА будет искать предложения по лунной ядерной энергетической системе». Космические новости. 2 сентября 2020.
  20. ^ «Ядерные реакторы для космоса». Всемирная ядерная ассоциация. Получено 22 ноября 2013.
  21. ^ «НАСА успешно тестирует ионный двигатель». ScienceDaily. Получено 22 ноября 2013.
  22. ^ «Технологии широкой выгоды: мощность». Архивировано из оригинал 14 июня 2008 г.. Получено 2008-09-20.

внешняя ссылка