Ритэг

Партия плутония для NASA

Министерство энергетики США передало партию из 0,5 кг недавно изготовленного плутония-238 в Лос-Аламосскую национальную лабораторию. Это важный шаг на пути к обеспечению энергией дальних космических миссий NASA.

Абсолютное большинство космических аппаратов использует для получения энергии солнечные батареи. Однако, в некоторых случаях их применение невозможно. Например, если речь идет о зондах, направляющихся во внешнюю часть Солнечной системы. Для них NASA использует радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги). Они содержат радиоактивный изотоп плутоний-238. В ходе его распада выделяется тепло, которое затем преобразуется в электроэнергию.

В некоторых случаях также используются радиоизотопные обогреватели. Как правило, они устанавливаются на аппаратах, исследующих поверхности других небесных тел (Луны или Марса). Такие обогреватели не дают их электронике замерзнуть во время ночевки. Они также содержат плутоний-238.

Проблема заключается в том, что сейчас NASA располагает весьма ограниченными запасами плутония-238, что является большой проблемой при планировании дальних космических миссий. Дело в том, что США прекратили производство этого изотопа еще в 1988 году. В период с 1992 по 2009 год его закупки производились в России, но затем были прерваны. В результате, NASA осталась с запасами плутония-238, значительная часть которого была произведена еще в годы Холодной войны. При этом надо учитывать, что из-за радиоактивного распада (период полураспада плутония-238 составляет 87 лет), их ценность заметно снизилась. По состоянию на конец прошлого десятилетия у NASA оставался лишь 21 кг плутония. При этом, только 17 кг соответствовали всем критериям.

В этой ситуации было принято решение о возобновлении производства изотопа. Первая пробная партия в 50 грамм была получена еще в 2015 году. Однако долгие годы темпы наращивания производства оставляли желать лучшего. Именно поэтому, новая партия является важным шагом на пути к достижению цели производить не менее 1,5 кг плутония-238 в год. Ее планируется достичь к 2026 году.

В то же время стоит отметить, что даже достижение этого уровня все равно не решит всех проблем. Например, легендарная миссия Cassini использовала три ритэга, содержащих 24 кг плутония-238. Несложно посчитать, что производство такого количества изотопа заняло бы 16 лет. И это лишь для одной миссии. Решением проблемы является создание новых дизайнов ритэгов, более эффективно преобразующих тепло в энергию, что позволит уменьшить количество используемого в них плутония-238. Альтернативный вариант — переход на другие изотопы, которые легче и дешевле в производстве.

Zeno Power построит спутник c ритэгом для американских военных

Аэрокосмический стартап Zeno Power Systems получил 30-миллионый контракт на строительство спутника с радиоизотопной энергетической установкой для американских ВВС. Его планируется запустить к 2025 году.

Абсолютное большинство космических аппаратов получают энергию от солнечных батарей. Они дешевы и технология их производства давно налажена. Тем не менее, в некоторых случаях солнечных батарей недостаточно для обеспечения нужд миссии. Это, например, касается космических аппаратов, направляемых в дальний космос. Для их энергообеспечения NASA использует радиоизотопные термоэлектрогенераторы (ритэги).

Принцип действия ритэга весьма прост. Внутри него находится радиоактивный изотоп. В процессе распада он выделяет тепло, которое затем конвертируется в электроэнергию посредством термопары. Поскольку в ритэгах нет способных сломаться механических частей, они крайне надежны и способны работать десятилетиями. Именно ритэги установлены на паре знаменитых зондов Voyager, обеспечивая их энергией на протяжении вот уже более чем 45 лет.

Но, несмотря на ряд преимуществ, ритэги до сих пор остаются фактически штучным продуктом, который не нашел применения в коммерческом секторе. Основная причина заключается в том, что NASA использует в своих ритэгах плутоний-238. США прекратили производство этого изотопа в 1988 году и возобновили его лишь несколько лет тому назад. Однако его темпы пока что невелики, и имеющихся запасов изотопа сейчас не хватает даже для всех нужд NASA.

Zeno Power Systems собирается изменившееся сложившееся положение дел и продемонстрировать, что ритэги могут стать массовым продуктом и найти применение и в коммерческом секторе. Для этого компания собирается сделать ставку на стронций-90, который дешевле и проще в производстве, нежели плутоний-238.

Стоит сказать, что в прошлом американские военные пытались использовать стронций-90 на некоторых спутниках. Стронциевые ритэги также устанавливались и на советских межпланетных аппаратах. Однако они так и не получили широкого распространения в США из-за невыгодного соотношения массы и вырабатываемой мощности.

В Zeno Power Systems утверждают, что сумели решить эту проблему. Разработанный ее инженерами ритэг будет намного легче и эффективнее предшественников, что позволит устанавливать его даже на небольших спутниках. Летом этого года компания намерена провести демонстрацию своего устройства. Следующим шагом станет запуск спутника-демонстратора с ритэгом для нужд ВВС США. Компания уже получила 30 млн долларов на реализацию этого проекта.

Успех испытания может стать толчком для популяризации ритэгов. Нельзя исключать, что NASA тоже заинтересуется новинкой. Она может позволить приступить к разработке миссий, реализация которых сдерживалась недостатком плутония-238.

https://www.nasa.gov/feature/nasa-extends-exploration-for-8-...

Руководство NASA одобрило новое продление миссии «Новые горизонты». Это позволит земному посланцу продолжить изучение границ Солнечной системы, а также проводить удаленные наблюдения транснептуновых объектов.

Зонд «Новые горизонты» был запущен в 2006 году. Основной целью миссии являлось изучение Плутона и Харона с пролетной траектории. На пути к своей цели аппарат выполнил гравитационный маневр в окрестностях Юпитера, а также провел наблюдения астероида 132524 APL.

Летом 2015 года «Новые горизонты» выполнили пролет Плутона и Харона. Собранная ими информация кардинально перевернула представления научного сообщества об этих научных телах, продемонстрировать что, по крайней мере, Плутон все еще является геологически активным миром, под поверхностью которого может скрываться целый океан.

После Плутона «Новые горизонты» продолжили путешествие вглубь пояса Койпера. В 2019 году они выполнили пролет Аррокота (486958 Arrokoth) — наиболее «первобытного» небесного тела, когда-либо изученного космическим аппаратом с близкого расстояния. «Новые горизонты» также проводили удаленные наблюдения других объектов пояса Койпера и занимались выполнением иных научных задач. Например, зонд сфотографировал Проксиму Центавра и измерил фоновое свечение Вселенной.

По состоянию на апрель 2022 года «Новые горизонты» удалились от Солнца на 53 а. е. Зонд практически прошел пояс Койпера и шансы на то, что на его траектории встретится доступный для изучения с близкой дистанции объект, крайне малы.

В то же время, благодаря своему положению, «Новые горизонты» по-прежнему обладают уникальными возможностями по проведению наблюдений удаленных транснептуновых объектов и мониторингу космической погоды. А после того, как зонды «Вояджер» перестанут выходить на связь (это произойдет через несколько лет), он останется единственным действующим космическими аппаратом на внешних рубежах Солнечной системы. Продление миссии даст возможность собрать немало ценных данных из этого малоизученного региона. Также не исключено, что «Новые горизонты» сделает «ремейк» знаменитого снимка Pale Blue Dot.

«Новые горизонты» получают энергию от радиоизотопного термоэлектронегератора (ритэга). На момент запуска станции, он генерировал около 250 Вт. Однако по мере распада плутония-238 и постепенной деградации термопары, его мощность постепенно уменьшается. К моменту пролета Аррокота, ритэг «Новых горизонтов» выдавал около 190 Вт.

К 2032 году эта цифра уменьшится до 150 Вт — минимального значения, при котором с «Новыми горизонтами» можно будет поддерживать радиоконтакт. Впрочем, не исключено, что специалисты миссии воспользуются опытом «Вояджеров» и смогут отключить часть бортового оборудования, что позволит продлить срок его службы еще на несколько лет.

Космические исследования и ядерная энергетика были символами будущего большую часть прошлого века. Эти технологии открыли путь к решению энергетических проблем и выходу из гравитационного колодца Земли. Их симбиоз давал надежду на то, что человечество вскоре начнёт пилотируемые исследования Солнечной системы.

NASA осознало потенциал применения ядерной энергии в космических полётах более чем за десять лет до того, как на поверхность Луны впервые ступила нога человека. Однако несмотря на многообещающие испытания, мечта агентства о ядерном планетолёте, способном доставить людей на Марс, так и не осуществилась. Но теперь, полвека спустя, небольшая компания из Мэриленда намеревается воплотить эту идею в жизнь.

Компания X-energy была основана в 2009-м году предпринимателем Кэмом Гаффарианом. Этот человек приложил руку к созданию таких предприятий, как Axiom Space (наверняка известной вам фирмы, занимающейся космическим туризмом и намеревающейся создать собственную низкоорбитальную станцию) и Intuitive Machines (которая может стать одной из первых частных компаний, совершивших высадку автоматического аппарата на поверхность Луны). Кэм также был сооснователем фирмы SGT (Stinger Ghaffarian Technologies), которая является одним из крупнейших поставщиков услуг для NASA. Эта компания наделила Гаффариана состоянием, которое он вложил в развитие технологий, способных изменить правила игры как на Земле, так и за её пределами.

Предприниматель Кэм Гаффариан стоит за такими компаниями, как Axiom Space, Intuitive Machines и X-energy. Credit: Axiom Space.

Когда Гаффариан создавал X-energy, он задал компании цель разработать передовой ядерный реактор, который был бы дешевле и безопаснее любого из когда-либо созданных. Для достижения столь высокой цели он собрал команду учёных из ЮАР, работавших над проектом создания модульного реактора с шаровой засыпкой – PBMR. Эта установка разрабатывалась с 1994-го года и должна была помочь ЮАР избавиться от угольной зависимости при помощи безопасной и изобильной чистой энергии.

Но воплотить данный проект в жизнь оказалось труднее, чем на то рассчитывало правительство страны. В 2010-м году оно сократило финансирование программы, и проект был заморожен. Когда это произошло, Гаффариан предложил некоторым участвовавшим в проекте учёным продолжить свою работу над реактором подобного типа, но уже под крылом X-energy. В результате на свет появился Xe-100 – небольшой модульный ядерный реактор, который спроектирован таким образом, чтобы исключить расплавление, при этом будучи самым малогабаритным реактором в мире.

Ключом к безопасной работе реактора являются гранулы, каждая из которых размером с бильярдный шар. Они вращаются в активной зоне реактора, напоминая автомат с жевательной резинкой. Это топливо TRISO-X. Каждая его гранула содержит тысячи крохотных зёрен урана, обёрнутых слоями высокотемпературной керамики. Оболочка сдерживает реакцию деления урана, предотвращая тепловой разгон, также известный как расплавление. Такая встроенная система безопасности позволяет активной зоне ядерного реактора X-energy работать при температурах свыше 1600 °C, что в три раза превышает аналогичный показатель у классических реакторов.

Работа при таких температурах имеет ряд преимуществ. Полученный пар можно использовать в обезуглероживании промышленных процессов или производстве чистого водорода. Сам реактор при этом имеет высокую топливную эффективность. Каждый реактор Xe-100 вырабатывает около 80-ти мегаватт электроэнергии, чего достаточно для снабжения энергией 80-ти тысяч домов. И, в то время как классический ядерный реактор занимает площадь в несколько городских кварталов за счёт необходимости размещения большого количества оборудования систем безопасности, Xe-100 в общей сумме требуется лишь 10 акров земли (квадратный участок поверхности со стороной в 200 метров).

Структура топливной гранулы TRISO-X. Credit: X-energy.

Конструкция реактора от X-energy привлекла внимание Министерства энергетики США. В 2015-м году оно выбрало компанию для строительства производственного объекта на территории Ок-Риджской национальной лаборатории, где фирма продемонстрировала способность изготовления топлива TRISO-X в коммерческих масштабах. А в прошлом году Министерство выбрало X-energy (наряду с ещё одной компанией) для установки ядерного реактора как источника электроснабжения восточной части штата Вашингтон к 2027-му году. Такой резкий поворот событий для ядерно-энергетической отрасли весьма нетипичен: обычно от начала проектирования объекта до его ввода в эксплуатацию проходит не менее десяти лет.

И здесь X-energy улыбнулась удача. В то время как компания разрабатывала свой реактор, NASA вновь начало обращать внимание на роль ядерных технологий в пилотируемых полётах на Марс. Теперь, когда у агентства есть планы по возвращению людей на Луну с дальнейшими намерениями к запуску экспедиции на Красную планету, в игру вернулись ядерные планетолёты. И после десятилетия работы над передовым наземным реактором, у X-energy появилось то, что нужно.

Исследования космоса и ядерная энергия имеют большую совместную историю

Многие роботизированные космические миссии – от путешествующих в дальний космос аппаратов Voyager до новейшего марсохода NASA Perseverance – использовали в качестве источника энергии плутоний. Но на борту этих машин нет реакторов. Они используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГ, которые десятилетиями преобразуют тепловую энергию естественного распада радиоактивного материала в электричество. С установкой плутония в РИТЭГ, генератор становится невозможно выключить.

РИТЭГ принципиально отличается от ядерного реактора, для работы которого необходим запуск и управление цепной реакцией в активной зоне. Атомы урана обстреливаются нейтроном, который расщепляет их, приводя к появлению дополнительных нейтронов, которые, в свою очередь, расщепляют другие ядра урана и так далее. При расщеплении атома урана выделяется тепло, которое можно либо улавливать напрямую, либо использовать для нагрева газа, вращающего электрическую турбину. Так работают ядерные реакторы на Земле. Но физикам не потребовалось много времени, чтобы понять, что горячий газ можно также выпустить из задней части реактора через сопло, создав таким образом ядерный ракетный двигатель.

NASA проектировало такие двигатели ещё до программы “Аполлон”. Но эта работа сталкивалась с препятствиями в виде технологических барьеров и непостоянства приоритетов в отношении освоения космоса. Со времён конца эры “Аполлонов” пилотируемая программа NASA была сосредоточена на низкой околоземной орбите. А ядерные планетолёты предназначались для покрытия больших расстояний за короткие промежутки времени: в их услугах не было необходимости, пока речь шла об освоении пространства между Землёй и Луной.

Тем не менее, низкоорбитальные космические станции и возвращение на Луну могут открыть путь к более амбициозным пилотируемым экспедициям. И существует множество технических проблем, которые NASA предстоит преодолеть прежде, чем отправить людей на Марс. Астронавты столкнутся с целым рядом испытаний в ходе этого путешествия: от необходимости пребывания в замкнутом пространстве вдали от Земли в течение месяцев до проблем с радиацией. У них будет не очень большое пусковое окно, которое открывается примерно раз в два года. И не так много возможностей прервать свою миссию после старта.

Ядерные двигатели могут решить часть из этих проблем. Учёные признали это ещё в 1949-м: в тот год в издании Journal of the British Interplanetary Society двумя физиками была опубликована работа, в которой подробно описывалось использование “атомных ракет” для межпланетных путешествий. Физики осознали, что ключевое преимущество ядерного ракетного двигателя состоит в его топливной эффективности. Фактически, эффективность этого типа двигателей превышает показатели ракеты “Сатурн-5” в примерно в два раза, что означает сокращение времени перелёта на Марс вдвое, и, как следствие, уменьшение влияния радиации на астронавтов.

Май 1964-го года. Техники готовят сопло прототипа ядерного ракетного двигателя Kiwi B-1 в вакуумной печи к стендовым испытаниям. Credit: NASA.

Вскоре идея создания ядерных ракетных двигателей привлекла внимание NASA. С 1959-го года и до завершения программы “Аполлон” небольшая группа учёных и инженеров работала над воплощением такого двигателя в реальность. В рамках исследовательской программы под названием NERVA было проведено более двадцати наземных испытаний ядерного ракетного двигателя за десять лет. Даже Вернер фон Браун – главный вдохновитель проекта ракеты “Сатурн-5”, бывший в то время директором Центра космических полётов NASA им. Маршалла – стал большим сторонником создания ядерного планетолёта для путешествия на Марс. Программа NERVA выявила невероятный потенциал по увеличению производительности ядерной силовой установки. А заодно и огромные технические проблемы, связанные с её эксплуатацией.

Далеко не всякий материал способен выдержать подобные температуры

Принцип работы ядерного ракетного двигателя заключается в пропускании жидкого водорода через активную зону реактора, доведении газа до температуры примерно в 2500 °C, а затем вытеснении горячего водорода через сопло для создания тяги. Проблема, с которой столкнулись инженеры NASA, заключалась в том, что пузыри горячего газа разрушали компоненты активной зоны реактора во время его работы, что быстро приводило к катастрофическим отказам. “Он буквально разваливался во время работы”, – говорит Ханс Гугар, менеджер по разработке продуктов в X-energy.

Но дело не только в подборе материалов, способных выдерживать такие тепловые нагрузки. Ядерный реактор должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри ракеты. Это сложная задача, учитывая, что сегодня размеры большинства реакторов измеряются акрами. Даже передвижная версия Xe-100, предназначенная для размещения в транспортном контейнере, слишком велика для орбитальной пусковой установки.

Чтобы отправить экипаж на Марс или дальше, реактор необходимо уменьшить до размера большого мусорного ведра, заодно сделав его способным выдерживать температуру в несколько раз выше, чем у классического ядерного реактора. При этом он должен поддерживать тягу в течение нескольких часов, чтобы ускорить космический аппарат, направляющийся к соседней планете. По словам Гугара, чтобы выжать такие показатели из реактора размером с мусорный бак требуются столь большие удельные мощности и температуры, что они превратили бы обычный наземный ядерный реактор в кучу шлака.

К счастью, с тех пор, как NASA закрыло программу NERVA (1973-й год), материаловедение шагнуло далеко вперёд. Хотя в данный момент существует лишь несколько материалов, способных выдерживать высокие температуры и радиационную среду ядерного ракетного двигателя, Гугар уверен, что материалы, изучаемые X-energy для применения в такого рода силовых установках, смогут справиться с задачей.

Мы думаем, что они смогут выдержать. Конечно, при таком уровне температур активная зона реактора рано или поздно подвергнется неблагоприятным воздействиям. Но прочности материалов хватит, чтобы она могла проработать достаточно времени для проведения миссии.

Стремление к созданию ядерного ракетного двигателя усиливается как в NASA, так и в Конгрессе

В последние несколько лет Конгресс выделил сотни миллионов долларов на программу NASA по созданию ядерного ракетного двигателя, также призвав агентство к поиску коммерческих партнёров для реализации этого проекта. NASA привлекло группу экспертов из Национальных академий наук, инженерии и медицины для изучения возможности использования ядерного ракетного двигателя для пилотируемого полёта на Марс в 2030-х годах. После более чем дюжины встреч в 2020-м году группа пришла к выводу, что в рамках “агрессивной программы” ядерный двигатель может быть разработан ко времени беспилотного полёта на Марс в 2033-м году, за которым (в 2039-м) последует пилотируемая миссия.

Вскоре NASA совместно с Министерством энергетики США запросило предложения по предварительным проектам реакторов для таких двигателей. Свои наработки представила и X-energy; в этом году NASA и Министерство выберут некоторые из этих предложений с целью дальнейшего изучения. После чего выбор будет сужен до одного или двух проектов, целью которых станет проведение демонстрационного полёта к 2026-му году. Это испытание станет первым космическим полётом в истории с использованием двигательной установки, работающей на ядерной энергии.

Концепция ядерного ракетного двигателя X-energy всё ещё находится в стадии развития, но, по большей части, она базируется на наработках, полученных компанией в ходе создания реактора Xe-100. Как наземная, так и космическая версии реактора будут работать на топливных частицах TRISO-X. А вот материалы, которые будут использоваться в космическом реакторе, должны быть модифицированы в соответствии с требуемыми для ядерных ракетных двигателей условиями. Как и в NERVA, активная зона реактора X-energy будет изготовлена с использованием графита, но с некоторой долей современных материалов, которые сделают её более устойчивой к разрушению.

Топливная лаборатория X-energy. Credit: X-energy.

Но в то время как наземный реактор используется для нагрева жидкого гелия, его космический собрат будет задействован для нагрева жидкого водородного топлива, что создаёт дополнительные проблемы, поскольку это топливо необходимо хранить в криогенных условиях. Гугар отмечает, что одной из самых больших проблем для X-energy или любой другой организации, которая пытается спроектировать ядерный ракетный двигатель, является снижение массы. Коммерческий реактор Xe-100 выдаёт 200 МВт тепловой мощности при массе в несколько сотен тонн. Но чтобы удовлетворить требования NASA, компании придётся вдвое увеличить выходную тепловую мощность, снизив при этом массу до 2 тонн или даже менее. Это огромный инженерный подвиг. Гугар сравнивает его с переходом от компьютеров на электронных лампах, которые занимали целое здание, к более мощным устройствам на базе транзисторов, которые могут поместиться в вашем кармане.

Гугар и его коллеги из X-energy успешно продвигаются в разработке ядерного ракетного двигателя после нескольких лет работы над компактным наземным ядерным реактором. Сегодня большая часть их деятельности сосредоточена на использовании моделирования для проверки конструкции реактора и проведении некоторых базовых экспериментов с топливом TRISO-X на их предприятии в Ок-Ридже. Но Ханс отмечает, что если NASA выберет предложение X-energy для следующего этапа своей программы ядерных ракетных двигателей, то программа выйдет на полную мощность.

NASA ожидает лётных демонстрационных испытаний через три или четыре года. Эти испытания продемонстрируют применение ядерных технологий там, где они никогда ранее не применялись. Детальная разработка ядерной силовой установки занимает много времени. График довольно тяжёлый. Но мы думаем, что справимся.

Источник