Лунную АЭС создают в России
🌙В России создают ядерную установку для лунной АЭС. Она станет долговечным источником энергии и поможет в освоении Луны.
🌙В России создают ядерную установку для лунной АЭС. Она станет долговечным источником энергии и поможет в освоении Луны.
Космический шахтер, роковая клешня, атомное переобувание | Новости науки
https://oper.ru/news/read.php?t=1051626417
В этом выпуске:
00:00 Начало
00:36 Атомный реактор в каждый дом
03:35 Самые громкие морские гады
06:25 Вечный зов Дементия
07:58 Как услышать приятный звук
09:38 Приключения космических шахтеров
Аудиоверсия:
https://oper.ru/video/getaudio/nauka_reactor.mp3
Немного о российском ядерном буксире
АВТОР: ИГОРЬ ЕГОРОВ · 19 СЕНТЯБРЯ, 2020
После публикации в интернете фотографий реально изготовленных элементов российского «транспортно-энергетического модуля (ТЭМ)» с «ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса (ЯЭДУ)», который, судя по последним публикациям, получил название «Нуклон», резко обострились его обсуждения.
Одна из фотографий элементов ТЭМ
И, судя по всему, многие из обсуждающих не совсем понимают, «что там к чему», а потому хотелось внести ясность по нескольким вопросам.
Изначально проект был представлен ещё в 2009-м году. И все его подробности на тот момент открыто опубликованы здесь. Далее я буду ссылаться на эту презентацию и вставлять слайды из неё.
https://ppt-online.org/download/517557
На тот момент уже существовало множество теоретических проектов буксиров с электрическими ракетными двигателями, плазменными или ионными, суммарной мощностью в сотни киловатт. Обеспечивать эти самые сотни киловатт мощности должны были либо традиционные солнечные батареи площадью в тысячи квадратных метров, либо ядерные реакторы с термоэмиссионными преобразователями тепла в электрическую энергию. Последние хоть и не столь привычны, как солнечные батареи, но всё равно использовались в космосе десятки раз, а потому являются более или менее отработанной технологией, от которой понятно, чего можно ожидать.
https://thealphacentauri.net/52657-plazmennye-raketnye-dviga...
https://thealphacentauri.net/61706-ionnye-raketnye-dvigateli...
ТЭМ же на фоне прочих проектов выделялся в первую очередь совершенно нестандартным способом преобразования тепла в электричество — с помощью газовых турбин и электромеханических генераторов. С одной стороны, на обычных земных АЭС используют весьма схожую систему, с той поправкой, что в турбинах на Земле гоняют пары воды, а тут планировали использовать смесь инертных газов. А раз так, то такая система должна быть великолепно отработана и проста в реализации. С другой же стороны, у наземных АЭС нет никаких проблем с охлаждением пара после турбины: зачастую для этого используют воду из ближайшей речки. Конечно, река «под боком» есть не всегда, но в любом случае осуществить сброс тепла в наземных условиях не так уж сложно. А вот в космосе с этим проблемы… Кроме того, на Земле турбины и генераторы могут регулярно обслуживаться, их могут смазывать, менять подшипники и т.п. В космосе всё это оказывается невозможным, и отсюда остро встаёт вопрос ресурса подвижных механических частей, испытывающих огромные термомеханические нагрузки.
Решив не останавливаться на одном уникальном для космоса техническом решении, проблему охлаждения тоже стали устранять уникальным методом — капельным холодильником. Обычно в космосе делают большие панели-радиаторы, пронизанные трубками, по которым гоняют теплоноситель. Эти панели нагреваются от теплоносителя и испускают в космос инфракрасное излучение, тем самым охлаждая теплоноситель. Решение надёжное, но громоздкое… Поэтому в ТЭМ решили распылять капли теплоносителя в космосе, давать им там самостоятельно излучить тепло, а затем улавливать уже холодные капли. Подробнее про эту концепцию можно почитать в данной публикации. Решение интересное, но, очевидно, хранящее в себе невообразимую кучу технических проблем…
Не смотря на протесты многих скептиков, после сравнения гипотетических параметров энергоустановки с обычными «панельными» радиаторами и с перспективным капельным холодильником, решили остановиться на последнем.
Слайд с вариантами энергоблока
Как можно видеть на слайде, капельный холодильник гипотетически позволял охлаждать теплоноситель до 320 К (+47 градусов Цельсия), в то время как даже огромные классические радиаторы едва ли смогли бы охладить его ниже 400 К (+127 градусов Цельсия). И это реально важно…
Дело в том, что эффективность преобразования тепла в любой другой вид энергии фундаментально ограничена. Максимальный возможный КПД равен (1 — Тхол/Тнаг)*100%, где Тхол — абсолютная (та, что в кельвинах) температура «холодильника» (в нашем случае — радиатора), Тнаг — абсолютная температура нагревателя (в нашем случае — активной зоны реактора). На практике КПД преобразования обычно эдак раза в два-три ниже. В частности тут у нас на слайде варианту №1 соответствует максимальный гипотетический КПД в 74,0%, а запланированы лишь 26%, для варианта №2 максимальный теоретический 78,7%, а запланированный — 34%, для варианта №3 — 73,3% и 26% соответственно.
За счёт снижения температуры теплоносителя с 400 до 320 К можно было либо снизить температуру активной зоны реактора с 1500 до 1230 К, что сделало бы реактор надёжнее и долговечнее, либо повысить КПД с 26% до 34%, что позволило бы при неизменной электрической мощности 900 кВт снизить рассеиваемую холодильником тепловую мощность более чем на треть. Последнее делает всю конструкцию меньше и легче, что в космической технике весьма ценится.
Судя по описанию реактора, где указана температура 1500 К, в итоге сошлись именно на варианте №2 с КПД преобразования 34%.
Слайд с описанием реактора
И всё было бы хорошо, если бы не ВНЕЗАПНО возникшие проблемы с созданием капельного холодильника… В статье, на которую я выше давал ссылку, описывается эксперимент на орбитальной космической станции «Мир» по изучению некой модели капельного холодильника. И он, судя по публикации, прошёл успешно. Для более детальной проработки холодильника на МКС начали проводить эксперимент «Капля-2». Если вы зайдёте на страницу эксперимента, то в списке связанных с ним научных публикаций найдёте две чисто теоретические и третью — ту, на которую я уже дал ссылку. Всё.
https://tsniimash.ru/science/scientific-experiments-onboard-...
Собственно по результатам работ на МКС за шесть лет эксперимента никаких публикаций. И, как я слышал сразу от нескольких людей, работающих в Роскосмосе, причина этого в тотальном провале эксперимента: капельный холодильник просто не работает так, как задумали разработчики, и способов его «починить» найти не удалось.
Дополнительные проблемы, опять таки ВНЕЗАПНО, подкинули турбины, которые «почему-то» не хотят работать в жёстких температурных условиях десять лет без обслуживания…
В итоге от всех этих «прорывных» технологий было решено отказаться. На последней анимации буксира видны традиционные панельные радиаторы:
Анимация 2020 года, демонстрирующая разворачивания буксира на орбите
К слову, на той же анимации видно, как будет складываться-раскладываться огромная ферма, которая в новом проекте стала углепластиковой, а не металлической, что позволило снизить массу буксира буквально в разы.
Вслед за капельным холодильником «на свалку» отправились и турбины, уступив место проверенному термоэмиссионному преобразователю:
По слайдам презентации, представленной Урличичем, к 2025 г. планируется создать «опытные образцы космической ядерной энергоустановки с термоэмиссионным реактором-преобразователем»
Источник
На этом моменте у многих начинает возникать вопрос на счёт КПД таких преобразователей: он ведь 4-6%! При таком низком КПД количество тепла, которое нужно будет сбрасывать, становится просто огромным!
На самом деле КПД термоэмиссионных преобразователей не ограничен величиной в 6%. Он может быть и 8%, и 10%, и 12%, и даже более. Вопрос в том, какую разницу температур между нагревателем и холодильником вы создадите. В отличии от турбин, которые при малом перепаде температур просто не работают, у термоэмиссионного преобразователя такой проблемы нет, и вы можете заставить его работать при весьма малой разнице температур. С низким КПД, естественно…
Но зачем нарочно делать преобразователь с низким КПД? Тут причина в простоте охлаждения. Это контринтуитивно, но это так.
Максимальная температура нагревателя (активной зоны реактора) ограничена необходимостью обеспечить его долговечность. Это в любом случае будет величина порядка 1500 К (+1227 градусов Цельсия) или даже меньше. Сделать реактор на 2000 К или даже 2500 К вполне возможно, но его ресурс будет измеряться не годами, а часами.
Раз так, то КПД у нас определяется температурой «холодильника» — радиатора. А мощность теплового излучения с единицы площади радиатора пропорциональна четвёртой (!) степени температуры.
Предположим, что КПД нашего термоэмиссионного преобразователя составляет 0,4 от максимального теоретического КПД преобразования тепла, а коэффициент черноты радиатора — 0,95. Зафиксируем температуру нагревателя на уровне 1500 К, а электрическую мощность — на 900 кВт. Рассчитаем на основе этого необходимую температуру радиатора, а следом — и его площадь. Результат выходит такой:
Расчёт для КПД, равного 0,4 от КПД цикла Карно, коэффициента черноты радиатора 0,95, температуры нагревателя 1500 К и выходной мощности преобразователя 900 кВт
В наших предположениях оптимальный КПД оказывается 9%! При нём площадь радиатора составит 92,5 квадратных метра, температура — 1163 К (+890 градусов Цельсия), а рассеиваемая этим радиатором мощность — 9,1 МВт. Попытки поднять КПД выше 9% неизбежно приведут лишь к увеличению размеров и массы радиаторов. При преобразовании тепла с помощью турбин радиатор должен был бы сбрасывать в космос примерно 2,3 МВт тепла — в разы меньше, чем с термоэмиссионным преобразователем. Но из-за температуры всего в 400 К площадь этого радиатора должна была бы составить… более 1600 квадратных метров! Переход к термоэмиссии позволил снизить площадь в 18 раз! Ну или около того, т.к. взятые мною в расчётах «0,4 от максимального теоретического КПД преобразования тепла» — это лишь примерная оценка, а у реального преобразователя может быть и 0,3 (тогда оптимальный КПД всего 6%!) и 0,5 (тогда — 11%). Но в любом случае термоэмиссия требует радиатора, который меньше более чем на порядок.
Кто-то может возразить: но где взять столько энергии чтобы компенсировать низкий КПД?.. Из урана, конечно же!
1 кг высокообогащённого урана потенциально содержит в себе порядка 20 ГВт*ч тепловой энергии. Из-за несовершенства простейших реакторов, используемых в космосе, удаётся «сжечь» всего порядка 5% от имеющегося урана. Затем его концентрация падает ниже критической, цепная реакция останавливается. Получаем «всего лишь» 1 ГВт*ч тепловой энергии. Значит 1 кг урана хватит чтобы обеспечивать энергией 10 МВт (по теплу, по электричеству, при 9% КПД, 900 кВт) реактор в течении сотни часов. Ну а полтонны урана хватит уже на весь ресурс ионных двигателей буксира, который заявляется равным 50 000 часов.
Таким образом проект буксира 2020-го года радикально реалистичнее, проще, легче и компактнее чем то, что предлагали в 2009-м. Да, без «прорывных» капель и турбин, зато это будет работать.
Впрочем, надо отметить, замена преобразователя рождает новые сложности…
Электромеханические генераторы должны были выдавать напряжение в 4500 вольт. При таком напряжении провода должны были пропустить от генератора к двигателям ток всего 200 А. Это примерно на уровне тока, который потребляет стартер автомобиля. Т.е. провода требовались относительно тонкие. Кроме того, ионный двигатель требует как раз тысяч вольт питания, а значит преобразователю питания двигателей нужно будет совсем немного изменить напряжение, он получается достаточно компактным и простым. Потенциально возможно даже прямое питание двигателей от генератора!
Термоэмиссионный преобразователь даёт напряжение скорее 45 В, чем 4500… Соответственно, ток, который нужно передавать через весь буксир, возрастает до десятков тысяч ампер! Установить рядом с реактором DC-DC преобразователь чтобы поднять напряжение в сотню раз? Нет, не выйдет: излучение реактора быстро уничтожит электронику этого преобразователя (собственно из-за излучения реактор и располагают в полусотне метров от всего остального). Так что нужно готовиться передавать десятки тысяч ампер. Единственный вариант сделать это без многотонных толстенных кабелей — использование сверхпроводников… По всей видимости буксир будет иметь линию электропередач на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, благо их массовый выпуск был налажен в России ещё несколько лет назад. Тем не менее для космоса эта технология будет новой, не испытанной, а значит можно ожидать существование «подводных камней».
Впрочем, на сверхпроводниках проблемы низкого напряжения не заканчиваются: ионный двигатель всё ещё требует тысяч вольт… А значит потребуются громоздкие DC-DC преобразователи на сотни киловатт, повышающие напряжение во многие десятки, до сотни, раз. Ну или ионные двигатели нужно заменить на магнитоплазмодинамические, которые как раз питаются от нескольких десятков вольт постоянного напряжения…
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Итак, продолжим тему предполагаемых технологий освоения космоса. На этот раз речь пойдет об энергетике на Марсе.
Как уже было сказано ранее, если речь идет о создании развитой индустрии на Марсе (а иначе зачем огород городить?), в том числе и металлургии, производства ракетного топлива из воды — требуется мощная энергетика, которая там будет, несомненно, состоять из мощных АЭС — расположенных — внезапно — на полюсах Марса. Все дело в терраморфинге, помимо очевидной причины иметь источник энергии — если помните, в замысел Маска и НАСА входит разогрев Марса за счет выпаривания из полярных шапок Марса углекислоты и создания парникового эффекта. Маск даже предлагал, если кто помнит, подорвать на полюсах Марса ядерные бомбы — на что ему сразу же обосновали бесполезность такого мероприятия. А вот долговременно работающие на полюсах АЭС — совсем другое дело, греть они будут, конечно, слабо, зато непрерывно, постепенно повышая температуру окружающей местности и выпаривая углекислоту в атмосферу, а там уже процесс запустится и само пойдет. Ещё одной причиной размещения АЭС на полюсах является повышение эффективности — чем выше градиент между температурой теплоносителя для раскрутки турбины и наружная температура окружающей среды — тем проще будет сбросить остаточное тепло с теплоносителя после турбины, тем меньше нужны теплообменные поверхности, тем выше КПД АЭС. Но главная причина необходимости размещения мощных (порядка сотен мегаватт и выше) АЭС на полюсах — это наличие там воды — универсального теплоносителя и сырья для производства затем водорода и кислорода — ракетного топлива и запаса энергии. Без такого теплоносителя работа мощных АЭС невозможна в принципе. Примененная в КилоПоверах технология рассеяния тепла излучением только для них и годится. В принципе возможно даже прямое разложение воды прямо в реакторе АЭС — в целях повышения КПД и упрощения, удешевления конструкции. Но проблема в том, что эта технология очень опасна (взрывоопасна) и не отработана в условиях Земли, а значит — вряд ли будет использована на Марсе. Скорее всего, схема будет как на Земле — АЭС с турбиной вырабатывает электричество, которое частично пойдет на нужды колонии, расположенной в районе экватора через протяженную ЛЭП (которая, как мы помним, одновременно будет элементом глобальной магнитной радиационной защиты), а частично — на электролизное разложение воды на кислород и водород, которое будет происходить в отдалении от АЭС в целях безопасности.
Есть серьезная проблема в этом замысле, о которой пока ничто не думал — что будет происходить на полюсах Марса в процессе их разогрева (Южный полюс для этого подходит больше — там льда и углекислоты больше). Как мы уже давно знаем, углекислота и лед там расположены слоями, и в процессе возгонки углекислоты на полюсе будет происходить взрывной выход углекислоты из глубин ледника, а если даже нет — будут образовываться пустоты в толще водяного льда, и он будет периодически обваливаться. Таким образом, на начальном этапе разогрева там будет твориться форменный ад, и работа такой серьезной системы, как мощная АЭС, там будет невозможна. В этом случае на начальном этапе разогрева полюсов нас может выручить как раз технология наподобие КилоПовера, но несколько иной конструкции. Это должны быть мини-реакторы с генерацией на элементах Пельтье или двигателем Стирлинга, то есть максимально простые и надежные машины без необходимости обслуживания, основная функция которых будет — предварительный разогрев окружающего пространства с целью возгонки углекислоты и подготовки рельефа — чтобы потом, когда начнется строительство основной АЭС, все уже устаканилось и не происходило всяких неприятных неожиданностей, вроде взрыва углекислотного вулкана в толще марсианской породы или провала АЭС в образовавшиеся пустоты грунта. У таких мини-реакторов не должно быть никаких хрупких выступающих частей, как у КилоПовера с его тонкой шляпой излучателя — форм-фактор их должен быть наподобие кубика или даже шара, который будет спокойно кататься в происходящем вокруг безумии взрывающейся углекислоты, и ничто ему не сможет повредить. Вот только будет проблема в том, как снять с него сгенерированное электричество. Думаю, для этой внутри реактора должен быть расположен небольшой аккумулятор и радиомаяк, чтобы поисковый робот мог без проблем находить реактор под завалами водяного льда. Думаю, такая технология неубиваемых АЭС медоедного типа (привет пикабушным мемам), вполне может быть начата уже сейчас у нас, на Земле. Тем более, что она и на Земле будет вполне применима. Когда же начнется активный этап колонизации Марса, такие реакторы можно будет начать забрасывать на полюса Марса сотнями прямо с орбиты, возможно, даже без системы мягкой посадки (если конструкция позволит).
В качестве топлива для марсианских АЭС отлично подойдет МОХ-топливо — поскольку плутоний значительно дешевле чистого урана, и его тупо некуда девать. По естественным причинам у всех ядерных государств накопились огромные запасы низкообогащенного плутония, которые очень опасны и дороги в хранении — вот его и можно отправить на Марс, а затем и вообще все ядерное оружие неплохо было бы на мирные цели пустить. Например, оружейный плутоний, накопленный за прошедшие с момента начала его производства десятилетия, все равно уже непригоден для прямого назначения — также по всем известным естественным причинам.
Конечно, МОХ-топливо опаснее уранового — но для Марса актуальна только его конструкционная нестабильность. Проблема же с его высокой токсичностью по понятным причинам для Марса неактуальна — пока, по крайней мере. Конечно, если на полюсе Марса случится авария на АЭС с МОХ-топливом, и плутоний загрязнит половину запасов воды планеты — это будет очень печально. Поэтому такую индустрию следует разместить только на одном полюсе — чтобы запасы воды с другого полюса остались чистыми гарантированно. Правда, есть опасность, что если нагревать только один полюс, то углекислота просто перебежит с одного полюса на другой, и терраморфинга не получится. На этот случай есть смысл придумать способ греть и второй полюс Марса тоже — но только экологически чистыми способами. Велкам к обсуждению этих способов.
На этом пока все, продолжение следует — и оно будет про транспорт на Марсе.
Госкорпорация «Роскосмос» заказала разработку орбитальной атомной электростанции, способной с помощью лазерного луча передавать энергию на расстоянии для подзарядки других спутников. Об этом говорится в тексте техзадания, поступившего конструкторскому бюро «Арсенал».
Согласно документу, разработчик должен представить проект орбитальной АЭС, варианты ее размещения, схемы запуска в космос и другие характеристики.
«Для определения вариантов проектного облика космического комплекса и обеспечения возможности его поэтапного создания допускается рассматривать уровни выходной электрической мощности ядерной энергоустановки от 100 кВт до 1000 кВт», — приводят «Известия» слова из текста техзадания.
Издание отмечает, что ранее успешный наземный эксперимент по передаче электроэнергии на 1,5 км посредством лазерного луча провела ракетно-космическая корпорация «Энергия».
Научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев считает разработку космической АЭС бесперспективной. По его словам, проще и эффективнее использовать для обеспечения спутников энергией солнечные батареи.
С ним не согласен член-корреспондент Российской академии космонавтики имени Циолковского Андрей Ионин. Он отметил, что лазерные технологии в космосе могут найти применение в проектах по отправке микроспутников за пределы Солнечной системы.
https://iz.ru/664661/2017-10-30/roskosmos-postroit-aes-dlia-...
От себя могу добавить, что как средство подзарядки лазерный луч, возможно, малоэффективен, с учётом малого КПД солнечных батарей. А вот как инструмент противоспутниковой обороны может охладить не одну горячую голову.
Российское конструкторское бюро «Арсенал» займется разработкой орбитальной атомной электростанции (АЭС) по заданию государственной корпорации «Роскосмос». Полученную энергию можно будет передавать при помощи направленного лазерного луча. Наземный эксперимент в этой сфере уже успешно провела ракетно‐космическая корпорация «Энергия», сообщила газета «Известия».
Генерировать энергию на атомной орбитальной электростанции будет источник, разработка которого уже ведется с 2010 года. Основные характеристики спутника, орбиты для размещения, параметры средств доставки и безопасности должны быть рассчитаны к ноябрю 2018 года, пишет издание.
Подобные орбитальные аппараты пытались разрабатывать в Советском Союзе. Было построено более 30 спутников с ядерными энергоустановками. Конструкторское бюро «Арсенал» сохранило опыт их создания и эксплуатации. В то время энергетическое оборудование делали на предприятии «Красная звезда», которое сейчас входит в структуру «Росатома» и разрабатывает ядерную энергоустановку нового поколения для электрических ракетных двигателей и бортовых систем.
Практическое применение орбитальных АЭС может быть различным. Однако пока своих планов «Роскосмос» не раскрывает.
В прошлом году министерство обороны США заявило, что опасается атаки на американские спутники в космосе со стороны России и Китая. Такая атака способна вывести из строя инфраструктуру национальной безопасности Соединенных Штатов.
Источник:
https://news.rambler.ru/tech/38281932-roskosmos-zakazal-razr...