Источник: Forbes

Перепечатка

Агентство NASA выделило деньги на создание атомных реакторов для работы на поверхности Луны. Возвращение ядерных технологий в космос может сделать реальностью поселения на других планетах. Если, конечно, новые реакторы будут достаточно безопасными — а этого очень непросто добиться, предупреждает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев

Сила в простоте

Проще всего использовать радиоактивный распад. В этом процессе радиоактивные элементы сами собой, без внешнего вмешательства, превращаются в другие элементы (например, плутоний — в уран). При этом испускаются заряженные частицы. Пролетая сквозь толщу вещества, они тормозятся, и их энергия превращается в тепло. Это тепло, в свою очередь, можно преобразовать в электроэнергию. Так и работает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).

Радиоактивный распад — это самопроизвольный и чрезвычайно стабильный процесс. На его размеренный ход невозможно повлиять при всем желании, поэтому РИТЭГ и не нуждаются в управлении. И в техническом обслуживании тоже, поскольку устроены они крайне просто и не имеют движущихся частей. Наконец, такой генератор может давать энергию десятилетиями, хотя его мощность плавно уменьшается по мере распада радионуклида. В общем, это устройство класса «сделал и забыл» — то, что нужно для космических аппаратов.

И действительно, РИТЭГи летают в космос с 1960-х годов. Их первые космические испытания проводились на спутниках Земли. Но основная ниша РИТЭГов — там, где солнечные батареи не работают или работают плохо.

Это, разумеется, Луна с ее долгой ночью. Именно РИТЭГи питали советские «Луноходы», а также приборы, оставленные на Луне американскими астронавтами.

Пригодились радиоизотопные генераторы и на Марсе. От них запитаны марсоходы Curiosity и Perseverance, что позволяет им не зависеть от капризов местной погоды. Конечно, на Красной планете работают и солнечные батареи (марсианская ночь длится примерно как земная). Но их постепенно заносит пылью, отчего энерговыделение падает. По этой причине прямо сейчас медленно умирает InSight — первый зонд, зафиксировавший марсотрясения.

Наконец, РИТЭГи незаменимы на зондах, чересчур удаляющихся от Солнца. Например, «Вояджеры» поддерживают связь с Землей уже более 40 лет и за это время успели выйти в межзвездное пространство. Понятно, что никакая солнечная батарея не будет работать, когда Солнце выглядит просто яркой звездочкой.

Однако при всех своих достоинствах РИТЭГи имеют высокую стоимость и невысокую мощность. Например, источник питания марсохода Curiosity вырабатывает чуть больше 100 Вт. Ровер массой под тонну вынужден довольствоваться мощностью бытовой советской лампочки. И чтобы получать свои 70 киловатт-часов в месяц, ему требуется почти 5 кг чрезвычайно дорогого диоксида плутония.

Для сравнения: среднее российское домохозяйство тратит за месяц сотни киловатт-часов. И это на Земле, в городской квартире, где водопровод, вентиляция, канализация и так далее работают просто так, не терзая наш электросчетчик. А сколько энергии понадобится обитаемой лунной базе, вынужденной обеспечивать себя буквально всем? Нет смысла даже подсчитывать, во что обойдется ей использование РИТЭГов: сумма выйдет во всех смыслах слова астрономической. Радиоизотопные генераторы хороши для марсоходов, но космическим поселенцам нужны атомные электростанции (АЭС).

АЭС на орбите

Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). Ядро делится, когда в него попадает нейтрон. При этом оно само испускает несколько нейтронов, те попадают в другие ядра и заставляют делиться уже их, и так далее. Это и называется цепной реакцией.

Цепная реакция — гораздо более капризный процесс, чем радиоактивный распад. Чтобы она не затухла, ядерного топлива в активной зоне должно быть достаточно много. Но если его будет слишком много, произойдет взрыв. Конструкторы и операторы установки вынуждены поддерживать этот очень тонкий баланс, нарушение которого грозит катастрофой. Зато энергии при этом выделяется столько, что усилия многократно окупаются. Тому порукой почти 450 атомных реакторов, эксплуатировавшихся в мире на конец 2020 года.

Но ядерная энергетика в космосе — задача совсем другого порядка. Грузоподъемность ракет накладывает чрезвычайно жесткие ограничения на массу и габариты как самого реактора, так и вспомогательных систем. В космос не возьмешь с собой ни пруд-охладитель, ни защитный бетонный купол, ни оператора с пультом. Операторы, разумеется, будут дежурить на Земле, но связь с Землей может и прерваться. Однако конструкторов не остановили трудности.

Первым спутником с реактором на борту стал американский SNAP-10a, запущенный в 1965 году. Однако вскоре в США свернули все работы в этом направлении, сконцентрировавшись на лунной программе.

А вот СССР отправил на орбиту целую серию атомных спутников. Большинство из них несло на борту реактор «Бук». При очень скромных габаритах он имел ресурс 4400 часов и мощность вырабатываемого электричества 3 кВт. С 1970 по 1987 год в космос было запущено 32 «Бука». 11 из этих 32 полетов (более трети) сопровождались теми или иными неполадками. Расскажем о самых серьезных из них.

Активная зона первого запущенного «Бука» (1970 год) буквально расплавилась из-за небрежности, допущенной при сборке. По команде с Земли аварийный реактор отделился от спутника и отправился на орбиту захоронения, где пребывает и сейчас. Эта орбита достаточно высока, чтобы он не упал на Землю ни за какое обозримое время.

В 1973 году произошла новая авария, на этот раз с ракетой-носителем. Спутник не вышел на орбиту и упал в Тихий океан. Эта авария не стала экологической катастрофой, поскольку не сгоревшие урановые стержни не слишком радиоактивны. По-настоящему опасно отработанное ядерное топливо, богатое чрезвычайно активными радионуклидами.

Самый неприятный инцидент случился в 1978 году. Со спутником «Космос-954» была потеряна связь, команда на отстрел реактора не прошла, и радиоактивные обломки аппарата рухнули на территорию Канады. Ликвидация загрязнения заняла много месяцев. Канада предъявила СССР счет на более чем 6 млн канадских долларов, из которых было выплачено 3 млн.

После этого «Буки» были оснащены дополнительной системой безопасности. Если реактор входил в атмосферу, она автоматически выбрасывала наружу топливные стержни. Они разрушались потоком воздуха и рассеивались высоко над землей, так что радиоактивные вещества выпадали на поверхность планеты уже в безопасных концентрациях. Эта система пригодилась при авариях еще двух спутников, запущенных в 1982-м и 1987 году.

В 1987-м на орбиту отправились два советских аппарата с ядерными реакторами «Топаз», более мощными, чем «Бук». К 1988-му еще более перспективная установка «Енисей» прошла полный цикл наземных испытаний и была готова отправиться на орбиту.

Однако в том же 1988 году в СССР были свернуты все работы по ядерным реакторам в космосе. Тому было несколько причин — здесь и экономические трудности в стране, и Чернобыльская авария, подорвавшая доверие к ядерным технологиям. Свою роль сыграло и давление США. Вашингтон нервировали витающие над головой ядерные реакторы, с которыми регулярно что-то случалось — тем более что у него их не было.

Тропинки далеких планет

Интересно, что США когда-то свернули разработки космических реакторов ради первой лунной программы, а теперь возрождают их ради второй. Впрочем, ядерные технологии могут дать космосу гораздо больше программы «Артемида». Еще в 1950-х годах начались разработки ядерных ракетных двигателей. В таких установках вещество, истекающее из сопла, нагревается ядерным реактором (хотя само оно и не является продуктом реакции). Потенциально такие двигатели имеют куда большую тягу, чем сегодняшние химические. Они позволили бы строить межпланетные лайнеры в духе ранних Стругацких.

Тяжелые корабли — важное условие для колонизации Марса, о которой сегодня так модно говорить. Некоторые эксперты считают, что только на корабле с очень толстыми стенами и можно туда добраться, не погибнув по дороге от космической радиации. И в любом случае серьезный межпланетный поток людей и грузов явно требует чего-то большего, чем «Драгоны» или даже «Старшипы».

Корабли на ядерной тяге пока остаются на страницах классиков научной фантастики. Но о работах в этом направлении сегодня заявляют как в США, так и в России. Возможно, недалек тот день, когда эта технология наконец станет былью.

Сообщение Ядерные реакторы на Луну? появились сначала на ECOMHUB - о E-Commerce, омниканальном ритейле, логистике, технологиях, соцсетях.