?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Я уже рассказывал как-то про реакторы, которые летали в космос - всего их чуть больше 30 штук. Рассказывал и про радиоизотопные термоэлектрические генераторы на Pu238. Но в разделе “космические реакторы” есть еще одна интересная глава (пока, правда, теоретическая) - а какие есть варианты для снабжения электроэнергией ядерного происхождения космических колоний?


Причем, речь пойдет про поселения, расположенные на поверхности небесных тел (практически, речь пока может идти про Луну или Марс, хотя циклеры - тоже интересный объект).


Вообще говоря, последние лет 10 единственной интересной точкой на луне считается полюса, где существуют как вечно-затененные места (например Shoemaker) так и вечно освещенные горы - тут явно вполне возможно снабжать лунную базу с помощью солнечных панелей.


Вслед за определением местоположения для междупланетной АЭС, необходимо хоть как-то очертить ее параметры. Хотя периодически кое-кто заводит речь даже о миллионе человек на Марсе, думаю, не слишком консервативной будет оценка, что колонии скорее всего будут представлять собой небольшие аванпосты с не более, чем 10 человеками на борту и потреблением электроэнергии не выше первых сотен киловатт. Попробуем пройтись по вариантам ядерной энергоустановки такой кологии ЯЭУ, начав с самых маленьких


Поскольку ядерный реактор ограничен снизу по массе (нельзя сделать ядерный реактор легче нескольких сотен килограмм), то первыми на ум приходят радиоизотопные термоэлектрические генераторы - РИТЭГи. Поскольку вес для нас весьма критичен, то варианты с дешевыми изотопами типа Sr90 не пройдут: придется либо снабжать наш РИТЭГ многотонной биозащитой, либо придумывать способ запуска, при котором никто не будет приближаться к космическому спутнику с РИТЭГом на всех этапах подготовки.



Для иллюстрации - наземный РИТЭГ Бета-М на изотопе Sr90. Желтое - 2 килограмма радиоизотопного источника тепла, а вокруг 300 кг биозащиты из обедненного урана. Мощность - несколько десятков ватт.

Остается традиционный для космоса Pu238, как самый легкий. РИТЭГи с полупроводниковыми преобразователями заодно и самые простые ядерные источники энергии - тут нет ни движущихся элементов, ни жидкости, ни газа, а практически полное отсутствие гамма-излучения позволяет полупроводниковым преобразователям жить долго. Кстати, плутониевые РИТЭГи уже работали на Луне в составе аппаратуры ALSEP в экспедициях Аполлонов.



РИТЭГ ALSEP на Луне. На картинке как раз процесс зарядки плутония из транспортного контейнера в радиатор РИТЭГ.


Но у плутониевых РИТЭГ есть минус - астрономический ценник, доходящий до 100 млн долларов за киловатт мощности, и отсутствие нуклидной базы, чтобы сделать, к примеру, мегаваттный РИТЭГ.


Однако, если у нас есть запас в несколько тонн на ЯЭУ, появляется новый вариант - компактный ядерный реактор, который можно в неактивированном состоянии (здесь, кстати, конструкторов поджидают неожиданные проблемы, как вам, например проблема самозапуска околокритичного реактора под влиянием космических лучей?) привезти, закопать, и только затем включить. Именно в таком ключе обычно и ведутся проработки - такая ЯЭУ получается доставляемой рейсом существующих ракет, не запредельно дорогой, не опасной до пуска, и не требующих сверхдлинных НИОКР.


Вот, например, рендер реактора FSP на Луне, о нем ниже.


Прежде чем перейти к обсуждению нескольких известных проектов таких ЯЭУ, неплохо бы вспомнить технологии летавших реакторов. Первый в космос отправился американский Snap 10A: реактор на ВОУ с гидридом циркония в качестве замедлителя, и NaK эвтектикой в качестве теплоносителя, полупроводниковый преобразователь выдавал от тепла реактора 550 ватт электрических при весе 450 килограмм. Большая серия советских БЭС-5 с похожей конструкцией давала 2 киловатта при 700 кг веса. Наконец, вершина линейки ЯЭУ “Топаз”/”Енисей” использовали совершенно другую технологию выработки электроэнергии. Это термоэмиссионный реактор, в котором система генерации электричества и реактор совмещены. Грубо говоря, блочки уранового топлива тут служат катодами радиоламп, вырабатывающих напряжение и ток за счет термоэмиссии электронов. В результате при весе 980 кг система выдавала 5 киловатт (э).



Электрогенерирующие твэлы наследников "Топаза" - ультрахайтечное изделие, к сожалению с очень узкой применимостью и невысоким кпд.

Таким образом в классе “легких” реакторов технологически у нас есть вариант 1: “усложненный РИТЭГ”, где источник ядерного тепла становится управляемым и более мощным, а полупроводниковый преобразователь приходится все же вынести из активной зоны и соединить жидким теплоносителем. Вариант 2 - уникальная советская технология прямого преобразования, впрочем так же требующая жидкий теплоноситель для выноса тепла на радиатор.


Термоэмиссионные реакторы в СССР были спроектированы на диапазон мощностей 25...100 кВт электрических, при весе 3-12 тонн. Правда есть одна особенность - в космосе не нужна круговая защита, достаточно секторальной. На поверхности такой вариант работает не очень, т.к. ионизирующее излучение отражается от поверхности и портит радиаторы, преобразователи, насосы и т.п. Поэтому к массам космических прототипов следует добавлять либо немаленькую биозащиту, либо вес земле(луно, марсо)ройной техники, для окапывания будущей АЭС.



А это характеристи и нейтронно-физическая модель того, докуда были проработаны термоэмиссионные реакторы - 361-твэльная ЯЭУ мощностью 550 киловатт электрических, для проектировавшегося в конце 80х межорбитального буксира "Геркулес"


Теоретически, следующей рубеж по мощности (>100 кВт) должен полностью принадлежать реакторам с машинным преобразованием тепловой энергии: с двигателями Стирлинга и газотурбинными генераторами. Однако не все так просто:


За 25 лет, прошедших с первого полета термоэмисионных реакторов в космосе в ФЭИ было разработано несколько десятков вариантов подобных ЯЭУ, в т.ч. для марсианских и лунных баз, мощностью до 600 кВт. Только для более мощных блоков машинное преобразование уже начинает в целом выигрывать по получившейся массе и простоте энергоустановки. Поэтому мысль в западных и отечественных проектов идет по разному: в проработках лунных и марсианских баз от РКК “Энергия” вы найдете в основном термоэмисионные ЯЭУ, в проработках NASA - машинные ЯЭУ.



Еще один отечественный проект термоэмиссионной ЯЭУ - на этот раз для марсианской базы.


Впрочем, надо понимать, что все отечественные предложения >50 кВт(э) - весьма бумажные, и требующие НИОКР. К преимуществам термоэмиссионных ЯЭУ можно отнести отсутствие вращающейся механики (при использовании электромагнитных насосов и жидкометаллического теплоносителя), высокую рабочую температуру, сокращающую размер и вес радиаторов, к недостаткам - сложную, энергонапряженную конструкцию твэлов и небольшой ресурс.



Кстати, почти все космические реакторы для облегчения имеют одну и ту же конструктивную схему - плотная активная зона, реактивность в которой управляется с помощью поворотных барабанов, контролирующих утечку нейтронов из АЗ - в одном положении они поглощают нейтроны, в другом - отражают обратно.

Посмотрим теперь на проекты NASA. Начать хотелось бы с разрабатываемого с конце 90х по середину 2000х реактора SAFE (на самом деле, целой линейки реакторов - в основном для дальних космических полетов, типа миссии JIMO к спутникам Юпитера). Это высокотемпературный (впрочем, все космические реакторы высокотемпературные - т.к. сбрасывать тепло в вакууме очень сложно, то приходится делать радиаторы горячими, а активную зону - крайне горячей) реактор с оксидным урановым топливом высокого обогащения, отводом тепла с помощью жидкометаллических тепловых труб (при температуре 1450К - интересно посмотреть, из чего сделана оболочка такой трубки) и преобразованием тепла в электричество на базе двигателя Стирлинга или газотурбинного блока.


На тему высокотемпературности есть такой интересный слайд, связывающий температуру теплоносителя на выходе из АЗ (нижняя шкала) с необходимым материалом оболочки (цвет) и удельной энергоемкостью АЗ. Точками нанесены существовавшие в железе реакторы и концепты (незакрашенные треугольники).

SAFE прорабатывался сразу во многих вариантов, дело дошло до тепловых испытаний 30-киловаттного блока (макета с ТЭН) с двигателем Стрилинга на 350 ватт электрических. В лаборатории Сандия испытывалось топливо. Проект был закрыт в середине 2000х вместе с отменой миссии JIMO к лунам Юпитера.


Технологическая карта различных вариантов SAFE.


SAFE вполне можно было преобразовать для наземных миссий, что и было сделано в программе Fission Surface Power System (FSP), последовавшей сразу за SAFE




FSP особенно интересен тем, что он проектировался для работы сразу на поверхности Луны. Реакторная установка имела мощность тепловую мощность в 200 и электрическую в 40 кВт при массе 5800-6600 кг (в зависимости от возможностей лунной базы по закапыванию/окапыванию РУ - интересный системный аспект), время работы на мощности в 8 лет и более умеренные температурные параметры, чем “простой и надежный” SAFE. В качестве генератора используется модули с двигателями Стирлинга (по 10 кВт), теплоноситель - NaK эвтектика, два контура, температура АЗ довольно умеренная (около 480 С). Сброс тепла, как обычно - излучением с больших радиаторов. Проект был хорошо проработан в железе в начале 2010х, в т.ч. были проведены испытания полноразмерной тепловой схемы (с насосами, двигателями Стирлинга, радиаторами) в вакуумной камере.



Железо, изготовленное в ходе НИОКР ЯЭУ FSP.

Хотя мощность в этом проекте меньше, чем максимальная бумажная для термоэмиссионных реакторов, надо признать, что это более реалистичный вариант.


Как видно из вышеприведенного текста, в основном проекты напланетных ЯЭУ представлены “бумажными” реакторами, которые тем не менее базируются на когда-то воплощенных в железе технологиях и проведенных НИОКР. Можно полагать, что разрабатывающийся сегодня быстрый газовый реактор РУГК тепловой мощностью в 4 мегаватта с газотурбинным преобразователям по 250 кВт тоже скоро ляжет в базис напланетных ЯЭУ. Во всяком случае для тех баз, где будет мыслится энергопотребление в сотни киловатт. Напомню, что при массе до 20 тонн и ресурсе в 10 лет это один из самых лучших вариантов по соотношению запасенная энергия/вес.

P.S. Не могу пройти мимо прекрасного: схемы 200 мегаваттного космической ядерной энергоустановки на уран-калий-фторидной плазме с МГД-генератором, весом всего 74 тонны:


Comments

Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 07:32 am (UTC)
3.
jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC)
> 2. Это какой-то идиотский расчет? Для чего он?


- не надо судить о других по себе, не надо тут этого подросткового эгоцентризма. Если вы дурак и/или мудак - не значит, что остальные ровно такие же. Я вам честно и прямо сказал, я не понимаю, о каком критерии эффективности вы там болтали (и, уверен, у вас в той области - ад и коровники, впрочем, вы это и так показали).


jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC) >3. Мировые лидеры


- "девочка-пятиклассница имеет мнение, что Дарвин не прав", и пытается убедить нас в значимости своего мнения неумело состряпанными аппликациями из эклектично собранных слов и фактов (которые понимает в меру своих способностей девочки-пятиклассницы). Дододо, умница, умница!

____________________________
jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC)
>4. Я не буду искать доводы за вас.


- не за меня, врунишка, за себя! (A)

Итак, мы видим по сути то, что lj user jr0 собственноручно расписался в том, что он сплетник! (B)

С чем вас и поздравляю! )

____________________________



jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC)
>Я ведь не вы.


- ну, хоть одна мысль адекватная у вас случилась!


jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC)
>5. Только мнение одного специалиста


- не одного, на надо врать! Ах вы неуемный врунишка!

И - "для вложения средств больших, чем уже вложены в ITER" - это про что, эгоцентричный вы наш? Я даром телепатии, или ясновидения не обладаю, чтобы ваши эллипсисы контекстов разворачивать однозначно. Вы опять себе какую-то фантазию придумали, и бредите о ней так, будто другие в рамках той же фантазии находятся, и потому поймут ваш бред с полуслова. Нет, мир устроен иначе.

jr0
24 янв, 2017 06:52 (UTC)
>И был бы он таким же умным 30 лет назад? Я точно знаю, что нет.


- ну, мы уже разобрали, что это - ваше эгоцентрической вранье, про другого вы можете быть уверенным в своих оценках, но не _знать_ его поведение в гипотетической ситуации. Но мы уже выяснили, что вы это не со злобЫ (или злОбы своей извечной), а по глупости своей эгоцентрической, скорее всего.
jr0
Jan. 24th, 2017 07:43 am (UTC)
Re: 3.
1. Мудак начинает с оскорбления, чтобы после рассчитывать на мое время и терпение. На кой мне ваши школьные упражнения?

2. Мировые лидеры отрасли занимаются ITER. И я не изображаю, будто лучше и раньше их знал, куда деньги вложить.

А вы, не девочка, хуже - невежественный мудак.

3. Вы и с трех раз не поймете, что речь идет о мнении, разделяемом коллективами. Не о деньгах, а о сообществах ученых. Ибо туповаты и не развиты. Телепатия тут не причем, если не понимаешь - спрашиваешь, так поступают не телепаты.

Я же, не мня себя ядерщиком, как вы, вижу, что ваш эксперт путает причину и следствие. денег не дают, когда отдачи нет и дают, когда есть. Если уж наезжать, то на субсидии на электростанции ядерного деления. В них 80 лет щедро вкладывают, а продвижение давно замедлилось, отдачи уже не будет до следующего прорыва где-то в смежном месте.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 08:35 am (UTC)
и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
>Я же, не мня себя ядерщиком, как вы,

- вот мы и словили lj user'а jr0 на вранье (причина которому - либо его злоба, либо его эгоцентрическая глупость)!

Не надо выдавать свои эротические _фантазии о Реальности_ за _факты о Реальности_. А сейчас вы ровно это сделали, госпожа не-Ванга, и не-цыганка-телепат. ))

Вы уже который раз у этом тредике соврамши? ))

Edited at 2017-01-24 08:43 am (UTC)
jr0
Jan. 24th, 2017 10:06 am (UTC)
Re: и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
Да ну? То есть это я противопоставляю свое мнение выбору руководителей отрасли и козыряю тут избранными по неизвестному критерию названиями проектов?

Или вы? Что вы знаете об MFTF, кроме названия? На что намекаете, кроме своей необычайной осведомленности?
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 10:20 am (UTC)
Re: и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
http://tnenergy.livejournal.com/94637.html?thread=5306285#t5306285

вашего каммингаута тут уже достаточно. Sapienti sat, остальным не помочь.
jr0
Jan. 24th, 2017 11:13 am (UTC)
Re: и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
Мечтатель.
tnenergy
Jan. 24th, 2017 08:41 am (UTC)
Re: 3.
Предлагаю на этом данный содержательный диалог у меня в блоге закончить.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 08:55 am (UTC)
увидел, Ok
.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 08:49 am (UTC)
и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
>1. Мудак начинает с оскорбления,

- тут, наверное jr0 говорит про себя, или про еще какого-то мудака, мы же можем поднять глазки на начало тредика, и увидеть, что это именно jr0 ко мне обратился, и с оскорбления заходить

>невежественный мудак.

- это тоже именно его отличительная черта в данном тредике!

>чтобы после рассчитывать на мое время и терпение.

- ба, но тут мы видим, что он говорит о кого-то другого. Может, это самооправдания его _сплетням_? Это явление психологам известно, оно называется "защитный механизм психики: рационализация". Псевдорациональное объяснение травмирующей (в прямом восприятии, без таких защит) для вас ситуации (например, уличения в сплетничестве и вранье (в ваших, jr0, терминах, в ваших; это называется "отзеркаливание" у тех же психологов).

>
>На кой мне ваши школьные упражнения?

- не очень понятно, как этот, несомненно, животрепещущий для вас вопрос связан с пердыдущими, но у меня есть парв хороших ответов. Например, для социализации (может, перестанете таким мудаком быть, пообившись об социум-то), и децентрации - уж очень в вас много подросткового эгоцентризма.


>2. Мировые лидеры отрасли занимаются ITER.

- мировые лидеры отрасли токамакостроения, не теряйте важные буковки и слова, милейший!

А тем временем даже Т. Симонен, некогда директор того самого токамака DIII-D, во времена его директорства бывшим самым большим токамаком в мире (и до сих пор остающемся в топе), сотоварищи, с 2008-го года по конференциям ездят (в два захода, 2008 - 2009, и новый - с 2015 но наши дни) - "смотрите, открытые ловушки (благодаря успехам ИЯФ на ГДЛ) уже стали куда более привлекательным вариантом для энергетического реактора, чем токамаки!".

>Вы и с трех раз не поймете, что речь идет о мнении, разделяемом коллективами.

- ах, проекции такие проекции (гуглить "защитные механизмы психики: проекции").

Гуглите историю закрытия MFTF-B, гуглить историю жизни Поста, Ростокера, etc. Гуглить историю ИЯФ. Гуглить историю Tri Alpha Energy. C 1989 года нашлось достаточно людей для коллектива. Коллектив TAE, между прочим - это 150 первоклассных специалистов в оной области. Самый многобещающий из тех, что собираются составить конкуренцию ITER-way.

Так что вы еще порассказывайте, порассказываете про коллективы!

Давайте дальше:

>Я же, не мня себя ядерщиком, как вы,

- вот мы и словили lj user'а jr0 на вранье (причина которому - либо его злоба, либо его эгоцентрическая глупость)!

Не надо выдавать свои эротические _фантазии о Реальности_ за _факты о Реальности_. А сейчас вы ровно это сделали, госпожа не-Ванга, и не-цыганка-телепат. ))

Вы уже который раз у этом тредике соврамши? ))


>Я же, не мня себя ядерщиком, <...далее - эротические фантазии о реальности, лживо выдаваемые за Факты О Реальности> вижу, что <...>

- далее идет чушь вида "девочка-пятиклассница имеет мнение, что Дарвин не прав", и пытается убедить нас в значимости своего мнения неумело состряпанными аппликациями из эклектично собранных слов и фактов (которые понимает в меру своих способностей девочки-пятиклассницы). Дододо, умница, умница!

(При строительстве установок показатели (тройное произведение) росли быстрее, чем по закону Мура. Даже при строительстве на те крохи, что давали. Пример TAE показывает, насколько быстрее работать можно при хорошем финансировании. Но наша "девочка пятиклассница" имеет свое особое мнение(tm), ага-ага. За 63 года вложили меньше, чем за 4 года в Манхеттенский проект вложили, рост параметров при вложении средств экспоненциальный был (быстрее Мура) не, у нашей пятиклассницы "особое мнение")).

Умница, умница!

Правда, умный человек, видя, что его фантазии о реальности противоречат выводам _специалистов_, затыкается, и ищет ошибки в своей картине мира, но так то же умный человек! А мы-то говорим про *известного* персонажа jr0
jr0
Jan. 24th, 2017 10:31 am (UTC)
Re: и вот наш врунишка jr0 опять врать начал! ))
Мне и читать-то ваш бред скучно.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 10:56 am (UTC)
в дорожку, о хорошей литературе
в дорожку, скатертью по попе:
"И тут я не выдержал. У меня был аргумент, доступный пониманию, и я его с удовольствием использовал. Я продемонстрировал Говоруну свой указательный палец, а затем сделал движение, словно бы стирая со стола упавшую каплю.

– Очень остроумно, – сказал Клоп, бледнея. – Вот уж воистину – на уровне высшего разума…

Федя робко попросил, чтобы ему объяснили смысл этой пантомимы, однако Говорун объявил, что это все вздор.

– Мне здесь надоело, – преувеличено громко сообщил он, барски озираясь, – пойдемте отсюда."

АБС, "Сказка о тройке"

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

April 2019
S M T W T F S
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930    
Powered by LiveJournal.com