Мирный атом для Марса

Борис Штерн

Откуда возьмется и  для будущей обитаемой марсианской станции? Это достаточно далекое будущее, но интересно сделать прикидки уже сейчас.

Если речь о Марсе, то не лучший вариант, так как выход с единицы площади небольшой, пыли много, и очистка панелей не самое достойное занятие для марсиан.

Энергетика Марса, несомненно, будет ядерной! Попробуйте возразить! Да и не только Марса, но и вообще далекого космоса, хоть в открытом пространстве, хоть на поверхности самых захудалых небесных тел.

Для начала обсудим энергоснабжение постоянно обитаемой марсианской станции. Сколько ей потребуется энергии? Для прикидки возьмем , ее солнечные батареи выдают в максимуме около 240 кВт и около 100 кВт в среднем. На Марсе хотелось бы иметь побольше — там еще будут такие дополнительные статьи расхода энергии, как транспорт, строительная техника и производство ракетного топлива, которые и не снились конструкторам МКС. Остановимся в своих желаниях на мегаваттном реакторе, скажем, в пару-тройку мегаватт тепловой мощности и до мегаватта электрической. Этого хватит для тепло- и энергоснабжения небольшого поселка на Земле и довольно крупной базы на Марсе. Насколько реально забросить такой реактор на ? Сколько он будет весить? Его стоимость никого не волнует, поскольку она окажется заведомо ниже цены доставки.

Для начала посмотрим, что уже сделано по части ядерной энергетики в космосе. Давным-давно успешно используются радиоизотопные термоэлектрические преобразователи (­РИТЭГи). Они стоят на «Вояджерах» и выдают энергию больше 40 лет; на двух последних марсоходах; на автоматических станциях, запущенных к Юпитеру и Сатурну. Это очень простое устройство: радиоактивный , который выделяет тепло за счет распада, и термоэлектрический преобразователь, чаще всего — термопара. Самый популярный изотоп — плутоний-238, у него удобный период полураспада (87 лет) и максимальный энергетический выход с единицы веса.

Но РИТЭГ хорош лишь тогда, когда нужно получить немного энергии с минимумом головной боли. Рекордные генераторы, использованные в космосе («Кассини», «Галилео», «Улисс»), выдавали 300 Вт электричества (4400 Вт по теплу) и весили больше 50 кг. Возможно, первые люди на Марсе будут греться первыми холодными марсианскими ночами именно такими генераторами, но в стратегической перспективе это безнадежно. Нужны ядерные реакторы.

Энергетический выход при делении урана-235 в тридцать с лишним раз выше, чем при распаде плутония-238. А если использовать турбину с генератором вместо термопары, то выигрыш на единицу веса топлива превысит два порядка величины. Какой именно реактор нужен для космоса вообще и для Марса в частности?

Есть два главных типа реакторов — на тепловых и на быстрых нейтронах. Реактор на тепловых нейтронах дешевле и практичней: сечение захвата тепловых нейтронов существенно больше, чем быстрых, — там можно обойтись умеренными потоками нейтронов для создания критического режима. В реакторе на быстрых нейтронах требуются существенно бо́льшие потоки, более высокая степень обогащения урана, соответственно, возникает более высокая радиационная и тепловая на конструкцию реактора. В результате реакторы на быстрых нейтронах оказываются дороже на единицу мощности.

Тем не менее, их строят. Главное преимущество для Земли: они превращают неделящийся уран-238 в плутоний, который можно сжигать дальше. Таким образом, эти реакторы увеличивают потенциальный земной запас ядерного горючего в сотни раз. Для космоса это преимущество несущественно, зато там важно другое обстоятельство: высокий энергетический выход на единицу массы реактора и топлива. Их уже немало сделано и запущено на орбиту как в США, так и в СССР. Тепловая мощность доходила до 150 кВт, электрическая — до 6 кВт (СССР, «Топаз»). Наиболее известная авария произошла с реактором «Бук» (100 кВт тепловая и 3 кВт электрическая мощность) — спутник с ним упал на территорию Канады в 1978 году. Радиоактивное заражение было незначительным — к счастью, это далеко не Чернобыль — на пять порядков величины слабей. Но свою черную роль в торможении космической ядерной энергетики он сыграл. С радиофобией шутки плохи!

Перечисленные реакторы слабоваты для марсианской базы. Как и Kilopower, разрабатываемый в  специально для этой цели ( и Марс). Это тоже реактор на быстрых нейтронах мощностью от 1 до 10 кВт по электричеству, весом от 135 до 1500 кг в разных модификациях. Для преобразования тепла в  используется двигатель Стирлинга — поршни с нагреваемым и охлаждаемым газом. КПД такого двигателя гораздо выше, чем у термоэлектрических преобразователей, — до 25%. Это решение, видимо, оптимально для небольшой мощности.

Kilopower на Луне
Kilopower на Луне

И всё же нескольких киловатт явно недостаточно для серьезной базы, что на Луне, что на Марсе. Это масштаб одного частного дома. А сколько можно в принципе снять с одного реактора весом в пределах нескольких тонн? Снять можно очень много. Рекорд — 500 тепловых мегаватт с активной зоны объемом 2 м3. Причем не на бумаге, а в железе. Причем эта штука уже работала в течение пяти минут. Потом, к счастью, проект закрыли, поскольку это был американский «летающий чернобыль» под названием «Плутон». Дело было в первой половине 1960-х. Хорошо, что закрыли, но демонстрация возможностей реактора на быстрых нейтронах получилась мощная. Конечно, там не было никаких преобразователей, теплоносителей (рабочее тело и теплоноситель — забортный ), но и 500 МВт на Марсе пока не нужны. Неужели нельзя сделать реактор на мегаватт, подъемный, скажем, для ? Конечно, можно. Проблема в том, что до сих пор было не очень нужно. И опять же !

Из проектов космических реакторов самым привлекательным на данный момент кажется российский Топливно-энергетический модуль (ТЭМ), или «Нуклон». По сути космический буксир с ионным двигателем. Его основа — реактор на быстрых нейтронах, теплоноситель — ксенон, преобразователь — турбина с генератором. Планируемая мощность — мегаватт. Проект финансируется с 2009 года. Существуют некие наработке в железе, пока далекие от конечной цели, и концепция. До настоящего проекта, видимо, еще далеко. Называемые в недавнем прошлом сроки летных испытаний аппарата — 2030-е годы. Причем по дороге происходят явные трения между заказчиками и исполнителями. В 2020 году даже промелькнуло сообщение, что работы по проекту приостановлены1. Вскоре Рогозин заявил, что работы продолжаются, но не афишируются2.

Вообще, проект сам по себе — ключ к исследованию дальних областей Солнечной системы. Я бы послал разработчикам лучи поддержки, но им нужны не лучи, а финансы и, судя по всему, полная замена менеджмента. Предполагаемый вес всего буксира — около 20 тонн; сам реактор, по-видимому, будет весить в несколько раз меньше. Установка для марсианской базы, на самом деле, проще, поскольку там не стоит проблема отвода тепла.

А не проектируют ли подобные небольшие мобильные реакторы мегаваттной мощности для земных нужд? Конечно, проектируют, а именно для военных, которые не считают денег. Есть довольно много проектов и реализованных установок на колесах. Передвижные атомные электростанции создавали с конца 1950-х, но пока они не приобрели широкого распространения. Типичный вес для 10 МВт — десятки тонн, из которых бо́льшую часть составляет биологическая защита. Типичная стоимость — 100 млн долл. Самым привлекательным выглядит Лос-Аламосский проект — от 2,2 до 17 МВт, вес от 10 тонн, цена (в проекте) от 11 до 39 млн долл. Теплоноситель — СО2 (марсианский воздух), турбина, замкнутый цикл. (Может быть, они под видом реактора для военных проектируют марсианскую электростанцию?)

Сказанного достаточно, чтобы сделать вывод: мегаваттный реактор для Марса, который может быть доставлен в собранном виде на планету одним запуском тяжелой ракеты, не проблема. Это будет реактор на быстрых нейтронах, скорее всего, с газовым теплоносителем, с турбогенератором. Он же будет обогревать станцию. Короче, проблем с энергией не будет, проблема — добраться туда!

Борис Штерн


1 ria.ru/20200429/1570715552.html

2 agnc.ru/news/13132

Кто же полетит на Марс?

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
1 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Дмитрий
Дмитрий
3 дней(-я) назад

на МКС есть никель-водородный аккумулятор.
https://ru.wikipedia.org/?curid=4246983&oldid=112678957
Он накапливает и ночью выдает электроэнергию, когда станция на ночной стороне.
На Марсе есть лед. Энергетика будет развиваться и за счет электролиза воды и сжигания водорода в кислороде. Ведь кислород космонавтам нужен. Его можно производить и атмосферы.Но можно и из воды.
Для небольшой базы на 4-6 человек этого достаточно.В Антарктиде на базе «Восток» дизеля на солярке круглый год снабжают всю станцию 13 человек.
https://ru.wikipedia.org/?curid=45595&oldid=113535476
Попробуют использовать ветряные электростанции, нагрев воды от магмы вулканов, подземное тепло.
А затем может откроют термокварковые цепные реакции.
https://www.researchgate.net/publication/346705064_Obsuzdenie_novogo_vida_temnoj_materii_i_energii_Bolsogo_vzryva_Vselennoj_Discussion_of_a_new_type_of_dark_matter_and_energy_of_the_Big_Bang_of_the_Universe?_sg=TENMIRe_npIeVw3trmMcyAfnCrQ5vWAT9MeVDEvo3_9i5pczeHqrKEAicaM0yujrESSgF6_Ud7EFJA4

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 4,71 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: