Ядерні реактори в космосі

Після повідомлення про початок складання в Росії для космосу потужної ядерної енергетичної установки (ЯЕУ), мені захотілося розповісти трохи докладніше про минулі таких установках. Ядерні реактори застосовуються в космосі, коли там потрібен компактний і потужний джерело енергії, значно потужніший, ніж сонячні батареї або радіоізотопні генератори (РІТЕГ). РІТЕГ неодноразово застосовувалися в минулих космічних місіях, як для роботи сейсмографів на Місяці або важкого марсохода на Марсі, так і для польотів до зовнішніх планет і навіть далі. Про космічних ядерних реакторах пишуть зазвичай менше. Тому важливо зрозуміти їх розвиток в минулі роки, про що і піде мова нижче.

Перший подібний реактор почав створюватися в СРСР в 60-х роках. Він отримав назву «Ромашка». Реактор на швидких нейтронах використовував як паливо карбід урану. Він мав теплову потужність 40 кВт, а електричну до 800 Вт. Реактор призначався для харчування імпульсних плазмових двигунів.

Перший наземний запуск цього реактора стався в 1964 році, а загальні випробування закінчилися в 1965 році. В цілому під час наземних випробувань реактор пропрацював 15 тисяч годин і виробив 6.1 мВт / годин електроенергії. Після смерті Королева сміливий проект закрили. Напрацювання за проектом потім широко використовувалися для створення реактора «Гамма» - компактного джерела енергії для віддалених районів.

джерело .

Одночасно і в США зробили спробу створити подібну установку. Спершу був відпрацьований компактний реактор SNAP-1 , Який використовує церій-144. В цілому, він пропрацював під час наземних випробувань 2500 годин. Потім був створений урановий реактор. Реактор SNAP-10A був розроблений компанією Боїнг для ВПС і комісії з ядерної енергетики США. Він також працював на швидких нейтронах і використовував в якості палива U235. Теплова потужність реактора становила 40 кВт, електрична тільки 500-650 Вт.

джерело .

Для перевірки безпеки реактора, в пустелі були проведені три тести з повним руйнуванням непрацюючого реактора, для імітації аварії під час запуску в космос. 3 квітня 1965 року реактор був запущений в космос, на орбіту висотою в 1300 км в складі супутника Snapshot загальною масою 440 кг. Передбачалося, що реактор пропрацює до 1 року, і буде живити іонний двигун. Перші 43 дня роботи пройшли нормально, і було прийнято рішення на запуск іонного двигуна, який і привів до аварії. Запуск двигуна викликав численні статичні пробої обладнання, в тому числі і спрацьовування механізму повного глушіння реактора. Після цієї невдачі американці надовго припинили запуски подібних установок в космос.

Супутник Snapshot. джерело .

У той же час в СРСР було вирішено використовувати ядерні реактори для харчування військових супутників радіолокаційної розвідки. Для цієї мети був створений реактор на швидких нейтронах БЕС-5 «Бук». Теплова і електрична потужність реактора складала 100 і 3 кВт відповідно. Маса установки становила 900 кг, маса палива в ньому близько 30 кг, а всього космічного апарату 3800 кг. У реакторі використовувалося два контури з сумішшю розплавленого натрію і калію. Спочатку ресурс роботи склав 45 діб, потім він був збільшений до 150 діб.

Зовнішній вигляд супутника з ЯЕУ Бук. джерело .

Для роботи супутник з ЯЕУ виводився на низьку навколоземну орбіту з висотою близько 200 км. Потім після завершення місії, реакторний відсік за допомогою твердопаливного двигуна перекладався на орбіту поховання з висотою до 1000 км. На орбіті поховання термін балістичного існування перевищував 10 періодів напіврозпаду ядерного палива. всього було запущено 32 таких супутника. В кінці 80-х років було вирішено закрити програму через декілька аварій і активізації антиядерні рухів після Чорнобильської аварії.

До цього часу в СРСР встигли випробувати більш потужну ЯЕУ, яка готувалася, як заміна «Буків». Установка Топаз-1 мала більш високий ККД. Теплова потужність реактора була знижена до 150 кВт, а електрична навпаки підвищена 5 кВт. Також була знижена маса урану в реакторі - до 11 кг. За рахунок збільшення електричної потужності реактора, було вирішено відмовитися від складної системи переходу з робочою орбіти на орбіту поховання. Тепер робоча орбіта була одночасно і орбітою поховання.

У 1987 році були проведені два тестових випробування в космосі, без бортового радіолокатора. В ході першого випробування реактор пропрацював 142 діб, в ході другого 342 діб. В обох випадках закінчення роботи ЯЕУ було пов'язано з плановим вичерпанням запасів цезію, використовуваного при роботі термоемісійного реактора-перетворювача.

Космічний апарат Плазма-А, на якому випробовувалася ЯЕУ Топаз-1. джерело .

Порівняння ЯЕУ побували в космосі. джерело .

Паралельно велися роботи і для використання ЯЕУ «Топаз» для електроживлення геостаціонарних супутників зв'язку в рамках проекту «Єнісей». Для цієї мети час роботи установки було збільшено до 3 років. Під час кризи 90-х років США купили за 13 мільйонів доларів дві установки Топаз-2 з проекту Єнісей, плануючи їх випробування в космосі в парі з іонними двигунами. Але через бюджетних обмежень в США, і цей проект потрапив під закриття.

також проводилася розробка ще більш потужною ЯЕУ «Топаз-100/40» ( «Топаз-3»), також для геостаціонарних супутників зв'язку. У режимі потужності 100 кВт ЯЕУ повинна була забезпечити переклад космічного апарату за допомогою електроракетних двигунів з початкової радіаційно-безпечної орбіти (800 км) на геостаціонарну, а в режимі потужності 40 кВт - для харчування цільової апаратури на геостаціонарній орбіті протягом 7 років.

Порівняння радянських ЯЕУ. джерело .

Ймовірно, «Топаз-3» і був узятий за основу, при розробці нової російської ЯЕУ, з планованою електричною потужністю до 1 МВт.

У той же час і в США періодично спалахує інтерес до ЯЕУ. У минулому десятиліття NASA розробляло програму створення ЯЕУ для важкої міжпланетної станції JIMO (орбитер для вивчення супутників Юпітера). В ході цього проекту пропонувалося створити ЯЕУ електричною потужністю в 100 кВт, яка б мала маршові іонні двигуни. На програму встигли витратити близько 400 мільйонів доларів із запланованих 16 мільярдів. Звана причина закриття пов'язана з великими витратами на програму Сузір'я.

Зовнішній вигляд апарата JIMO. джерело .