?

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 07:41 am (UTC)
и в момент принятия решений о строительстве ITER было полно тех, кто сомневался в том, что это решение оправданное и рациональное.

И в момент отказа от планов ERDA (где токамак были лишь одной из трех ветвей, и две из тех, от которых в итоге изрядно отвернулись из-за "денег будем мало, и надо будет выбирать").

И в момент отказа от открытых ловушек в пользу токамаков.

И даже когда MFMF-B под нож пустить решение приняли.

Т.е. такие оценки/ люди были все это время.
jr0
Jan. 24th, 2017 07:55 am (UTC)
1. А это не демократия. Мнение многих не занимает. Важно согласное мнение важных экспертов, а не плебисцит.

2. Исследования иных направлений ведутся. Продвижения там не впечатляющие. ITER сталкивается с теми же инженерными (не научными уже) сложностями, что и гипотетические подходы. Благодаря ITER видно сколько смежных технологий необходимо иметь готовыми, чтобы воплотить экономически оправданную установку.

3. Задача эта уже экономическая, не сугубо научная. Вложение больших средств отяготит проект на десятилетия отдачей затрат на НИОКР.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 09:09 am (UTC)
MFTF закрыли вовсе не по _согласованному_ мнению экспертов. Статья от 1987 года, там прям имя этого "[согласных] ... важных экспертов" (каящияся о трудности этого выбора, ага) есть. Почему-то - одно, внезапно. И поставлен он в условия выбора бы внешними условиями - "дадим денег на что-то одно", а не "согласное мнение важных экспертов".

И речь о деньгах в масштабах, например, космонавтики US (я не говорю даже о масштабах государства, заметим!) - _смешных_. А направление этот шаг-то прикрыл, прикрыл.

Что-то еще хотите рассказать про "согласное мнение важных экспертов", или уже, цитирую вас же (близко к тексту): "прекратите уже сплетни распускать"(конец цитаты)?

>3. Задача эта уже экономическая, не сугубо научная. Вложение больших средств отяготит проект на десятилетия отдачей затрат на НИОКР.

- о боже, боже, поведайте, наконец, нам великую тайну разделения задач на научные и "уже экономические". Я правильно понимаю, развивая, как мне кажется, вашу мысль, на примере астрономии(1) и физики высоких энергий(2), что чем меньше потенциального выхлопа от научной задачи, чем она "менее экономическая", и тем БОЛЬШЕ денег в нее вбухать можно?
jr0
Jan. 24th, 2017 10:02 am (UTC)
1. Нет, MFTF закрыли, используя согласованное мнение экспертов.

Деньги тут не самое важное. Важнее, что направление и не обещает экономической отдачи, а научные задачи решаются иначе, можно адронный коллайдер какой построить или космический телескоп.

3. Термоядерная станция нужна для производства электричества. Ни для чего еще. Дешевого электричества, а не дорогого с радиоактивными отходами и опасностью взрыва. Кто не понял сразу, тому не объяснить.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 10:32 am (UTC)
>1. Нет, MFTF закрыли, используя согласованное мнение экспертов.

- "нет, у меня лучше!". Заканчивайте этот детский сад уже. Сперва найдите статью на которую я ссылаюсь, прежде чем трындеть что-то на данную тему, трундунишка.

>Кто не понял сразу, тому не объяснить.

- мы уже поняли, что вы эгоцентрист (и даже вам об этом понимании сообщено было), не стоит каждый коммент это демонстрировать.

>3. Термоядерная станция нужна для производства электричества.

- ага. Половая тряпка - для мойки полов, ручная пила - для пиления руками, спасибо КО. А научные установки - для научных экспериментов.

Вы не ответили на вопрос про астрономию и физику высоких энергий. Исследование плазмофизики на термоядерных реакторах тоже научные знания нехило так преумножает, а потрачено на нее радикально меньше, чем что на астрономию, что на физику высоких энергий. По вашей логике из предыдущего коммента - это только от того, что у таких реакторов "еще и экономическое значение", кроме научного. Это, я так понял, отягощающий фактор, по этой логике. Ждем рассказа о лютой пользе (или бесполезности) полетов на Луну. Сразу после прояснения ситуации с астрономией и ФВЭ.
__________

Но вообще, так как вы опять свое jr0-ство начали, это попадает под:

http://tnenergy.livejournal.com/94637.html?thread=5306285#t5306285

так что вопросы здесь - чисто риторические.
jr0
Jan. 24th, 2017 10:40 am (UTC)
1. Зачем мне искать статью? Трындите себе в удовольствие.

2. То есть вы понимали различия экономических задач и научных, но придуривались? Ладно.

3. Тратить - это плохо, а не хорошо. Что наводит вас на мысль, что потраченное продвинет науку? Вот ответственные эксперты иного мнения, чем вы. Научные задачи разрешаются не вложением в три направления вместо одного, а широким поиском. Дело в том, что научные задачи должны разрешаться как-то теми учеными, которые их поставили, иначе не в коня корм.

А инженерные задачи разрешаются в соседних областях.

4. Я о пользе полетов на Луну не рассказывал. Скорее наоборот. Вы опять не поняли, это у вас общее место.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 10:59 am (UTC)
 @@[(#H!K s:r<Ț]ZWéB VnF ^T))^s?Ϫd
вы дурак, и хозяин блога попросил не дискутировать с вами:
http://tnenergy.livejournal.com/94637.html?thread=5306285#t5306285

> Вот ответственные эксперты иного мнения, чем вы

- вранье, это безответственные эксперты (если вы их сейчас вообще не из пальца высосали). Ответственные заявляют обратное.


>2. То есть вы понимали различия экономических задач и научных, но придуривались?


- то есть вы опять включили лживую эгоцентричную мудилку (видимо, стараясь перетянуть дискуссию с поля своего позора (еще бы, и в спелтничестве вас уличили, и в прямом вранье и непризнании ошибок/ вранья), на поле своей зоны комфорта - "эгоцентрический мудо-спитч, с с эгоцентрическим враньем и подменой тезисов"). Спасибо, не интересно, хозяин блога попросил уже вас этого не делать.

>4. Я о пользе полетов на Луну не рассказывал. Скорее наоборот. Вы опять не поняли, это у вас общее место.

- я вам уже говорил, что не стоит демонстрировать свой подростковый эгоцентризм в каждом комменте, мы и так поняли, что он у вас есть. То же касается ваших примитивных защит (тут - проекции).

Где, кроме как в своих фантазиях (вот и эгоцентризм, неразличение фантазий о реальности и фактов о Реальности) и непониманиях (в которых вы обвиняете меня, - вот и проекции) вы увидели, что я говорю, что _вы_ говорили о пользе полетов на Луну?

Это риторический вопрос, ваших ответов я у себя в почте не увижу, ибо забанил вас. Чмоки.

Edited at 2017-01-24 11:10 am (UTC)
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 10:39 am (UTC)
>Деньги тут не самое важное. Важнее, что направление и не обещает экономической отдачи, а научные задачи решаются иначе, можно адронный коллайдер какой построить или космический телескоп.


- простите, Шариков, не признал вас без намордника-то! Только по вашему коронному "конгресс, немцы какие-то! голова пухнет! Взять все, да и... " опознал, и по пене на морде.


Засим - вы идете снова в бан, где вы у меня бог весть сколько времени были, пока я на тот заданный нейтральным тоном ваш комментарий при чтении чужих комментов в жж-шном треде не наткнулся. Теперь можете с таким же успехом писать что мне, что в Спортлото. Снова! :)

Дискуссия закончена:

http://tnenergy.livejournal.com/94637.html?thread=5306285#t5306285
tnenergy
Jan. 24th, 2017 08:17 am (UTC)
>момент принятия решений о строительстве ITER было полно тех, кто сомневался в том, что это решение оправданное и рациональное.

Показательно, кстати, что в Евросоюзе (который 45% ИТЭР) никогда не было программ ОЛ.
Андрей Гаврилов
Jan. 24th, 2017 08:59 am (UTC)
А именно про Евросоюз - забавное наблюдение, да!
последнее, что я читал про европейские ОЛ-исследования - было в Рютове, под соусом "позакрывали, на волне успехов токамаков".

Ну, если не считать лютых идей шведов, которые херили один из главных козырей ОЛ - простоту магнитной системы (да и по физике плазмы не ахти были).

А именно про Евросоюз - забавное замечание, да!
jr0
Jan. 24th, 2017 10:26 am (UTC)
Ну так никто не мешает США, Японии и России вложиться помимо ITER, это раз.

Во-вторых, а разве такие ловушки в Кулхеме не исследуют?

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

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