Если мы хотим, чтобы в космосе была атомная электростанция с мощностью, аналогичной мощности обычной атомной электростанции с кипящей водой на Земле сегодня, какие фундаментальные конструктивные изменения необходимо было бы внести? Самый большой из действующих реакторов выдает около 6-7 ГВт. Как это можно воспроизвести в космосе, в свободном плавании или на поверхности?
Как термоэмиссионные реакторы, такие как российский ТОПАЗ, масштабируются до гигаватт? Я полагаю, что в таком масштабе о радиотепловых генераторах не может быть и речи, хотя бы из-за стоимости создания и обращения с плутонием-238. Является ли кипение воды большим будущим для атомной энергетики и в космосе?
Я хочу подчеркнуть операции в космосе, а не производство. Предположим, производство на Земле и запуск, в лучшем случае, по частям для простой сборки стыковки. Я хочу спросить о том, какой БОЛЬШОЙ ядерный реактор на самом деле будет работать в космосе, а не о том, как он туда попадет.
Чтобы уточнить, я спрашиваю не о ядерных тепловых двигательных установках, а о реакторах, оптимизированных для производства электроэнергии.
Вопрос в том, как преобразовать тепло от ядерного реактора в электричество. Большинство систем, которые были построены (Топаз) или предложены (СП-100), основаны на термоэлектронном преобразовании . Это тот же подход, который используют РИТЭГи. Это не очень эффективно, от 5% до 15% в хороший день, но термоэлектронное преобразование чрезвычайно надежно и не требует движущихся частей. Оба космических корабля «Вояджер» до сих пор живут за счет термоэлектронного преобразования, спустя почти 40 лет после запуска. Нет проблем с масштабированием этого подхода к конверсии. Для более крупных реакторов, независимо от подхода к преобразованию, может потребоваться использование тепловых трубок для эффективной передачи тепла от реактора к преобразователю.
Если у вас все в порядке с движущимися частями (имейте в виду, что обычно ожидается, что эти вещи будут работать не менее десяти или двух лет без обслуживания), то двигатели Стирлинга являются предпочтительной технологией преобразования. Жидкостью будет гелий, всегда в газообразном состоянии. (Перегретая вода — неприятная жидкость, так как она любит разрушать в течение длительного периода времени все материалы, с которыми соприкасается.) Может быть достигнута эффективность от 40% до 50%.
Была программа разработки замены РИТЭГа, в которой использовался конвертер Стирлинга для гораздо более эффективного использования дорогого и труднодоступного плутония-238. Однако эта программа (ASRG) была отменена несколько лет назад из-за перерасхода средств и невыполнения технических задач. Тем не менее, при достаточной настойчивости двигатель Стирлинга в долгосрочной перспективе станет наиболее разумной конверсионной технологией для космической ядерной энергетики.
Также был предложен цикл Брайтона. Вот хорошая статья о работе над космическими двигателями Стирлинга и Брайтона .
В настоящее время в космосе используются только термоэлектрические и термоэмиссионные системы. Однако есть несколько других типов реакторов, которые были предложены для использования на орбите с целью выработки электроэнергии.
В термофотоэлектрических системах будут использоваться солнечные элементы, оптимизированные для теплового спектра реактора, а не для солнечного излучения. Радиационное упрочнение этих систем является препятствием, как и их эксплуатация при высоких температурах.
Цикл Ренкина, обычно используемый реакторной энергетикой, имеет холодные поглотители с очень низкой температурой, что очень затрудняет излучение отработанного тепла благодаря закону Стефана-Больцмана. Однако в предложении НАСА по проекту «Прометей» использовался генератор деления, который вырабатывал энергию по циклу Брайтона. Цикл Брайтона можно использовать без промежуточных стадий охлаждения или теплообменников, что очень привлекательно для экономии массы космических кораблей. Использование газообразного гелия в качестве хладагента также является хорошей идеей для экономии массы.
Реакторы на осколках деления, хотя и весьма спекулятивные, могут оказаться привлекательными в будущем из-за их высокой эффективности.
Термоядерные реакторы на данный момент слишком спекулятивны, чтобы я мог комментировать их практичность, хотя в принципе анейтронный синтез может быть очень привлекательным вариантом из-за большого количества энергии, которую можно извлечь посредством прямого преобразования энергии, а не термодинамических процессов.
Предварительные проекты ядерных ракетных двигателей уже существуют для космических операций. Инженеры предлагают в основном три типа ядерных реакторов деления. Это 1. Двигатель с ядерным реактором с твердым сердечником 2. Двигатель с ядерным реактором с тепловым реактором с жидким сердечником 3. Двигатель с ядерным реактором с газовым сердечником.
Двигатели термоядерных реакторов также рассматриваются в качестве проектов. Однако эти двигатели все еще находятся на уровне проектирования. Эти реакторные двигатели работают так же, как и обычные ракетные двигатели, где топливо поглощает энергию, выделяемую ядерными реакторами синтеза или деления. Основные практические трудности в этих двигателях в основном заключаются в проведении управляемой реакции деления или синтеза в активной зоне двигателя. В будущем такие реакторы могут быть разработаны.
СФ.
LocalFluff
СФ.
Мохаммад Атар