Năng lượng hạt nhân trong không gian. Xung gia tốc nguyên tử

Ý tưởng sử dụng năng lượng hạt nhân để đẩy tàu vũ trụ và sử dụng nó trong các căn cứ hoặc khu định cư ngoài trái đất trong tương lai không phải là mới. Gần đây, chúng đã xuất hiện trong một làn sóng mới, và khi chúng trở thành một lĩnh vực cạnh tranh giữa các cường quốc, việc thực hiện chúng sẽ có nhiều khả năng hơn.

NASA và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ bắt đầu tìm kiếm giữa các công ty đại lý dự án nhà máy điện hạt nhân trên Mặt Trăng và Sao Hỏa. Điều này sẽ hỗ trợ các dự án nghiên cứu dài hạn và thậm chí có thể định cư. Mục tiêu của NASA là chuẩn bị sẵn sàng để phóng vào năm 2026. Nhà máy phải được chế tạo và lắp ráp hoàn toàn trên Trái đất, sau đó được kiểm tra độ an toàn.

Anthony Calomino, giám đốc công nghệ hạt nhân của NASA tại Cơ quan quản lý công nghệ vũ trụ cho biết Kế hoạch là phát triển một hệ thống phân hạch hạt nhân XNUMX kilowatt cuối cùng sẽ được phóng và đặt trên mặt trăng. (1). Nó phải được tích hợp với tàu đổ bộ mặt trăng và bộ tăng áp sẽ đưa nó đến quỹ đạo mặt trăng. Bộ tải sau đó đưa hệ thống lên bề mặt.

Dự kiến ​​khi đến công trường, nó sẽ sẵn sàng hoạt động ngay lập tức mà không cần lắp ráp hoặc xây dựng thêm. Hoạt động này là một minh chứng về các khả năng và sẽ là điểm khởi đầu để sử dụng giải pháp và các dẫn xuất của nó.

“Một khi công nghệ đã được xác thực trong một buổi trình diễn, các hệ thống trong tương lai có thể được mở rộng quy mô hoặc nhiều thiết bị có thể được sử dụng cùng nhau cho các nhiệm vụ dài hạn tới Mặt trăng và có thể là cả Sao Hỏa,” Calomino giải thích trên CNBC. “Bốn tổ máy, mỗi tổ máy sản xuất 10 kilowatt điện, sẽ cung cấp đủ năng lượng cho thiết lập một tiền đồn trên Mặt trăng hoặc Sao Hỏa.

Khả năng tạo ra lượng điện lớn trên bề mặt hành tinh bằng cách sử dụng hệ thống phân hạch trên mặt đất sẽ cho phép nghiên cứu quy mô lớn, tiền đồn của con người và sử dụng tài nguyên tại chỗ, đồng thời cho phép khả năng thương mại hóa.”

Nó sẽ làm việc như thế nào nhà máy điện hạt nhân? hình thức hơi phong phú nhiên liệu hạt nhân sức mạnh ý chí lõi hạt nhân... Nhỏ lò phản ứng hạt nhân nó sẽ tạo ra nhiệt, nhiệt này sẽ được chuyển đến hệ thống chuyển đổi năng lượng. Hệ thống chuyển đổi năng lượng sẽ bao gồm các động cơ được thiết kế để chạy bằng nhiệt của lò phản ứng chứ không phải nhiên liệu dễ cháy. Các động cơ này sử dụng nhiệt, chuyển hóa thành điện năng, được điều hòa và phân phối tới các thiết bị người dùng trên bề mặt Mặt Trăng và Sao Hỏa. Phương pháp tản nhiệt rất quan trọng để duy trì nhiệt độ hoạt động thích hợp của các thiết bị.

Điện hạt nhân hiện được coi là sự thay thế hợp lý duy nhất khi năng lượng mặt trời, gió và thủy điện không sẵn có. Ví dụ, trên sao Hỏa, cường độ của mặt trời thay đổi rất nhiều theo mùa và các cơn bão bụi định kỳ có thể kéo dài hàng tháng.

Trên mặt trăng mặt trăng lạnh đêm kéo dài 14 ngày, với ánh sáng mặt trời thay đổi rất nhiều ở gần các cực và vắng mặt ở các miệng núi lửa bị che khuất vĩnh viễn. Trong những điều kiện khó khăn như vậy, rất khó thu được năng lượng từ ánh sáng mặt trời và nguồn cung cấp nhiên liệu thì hạn chế. Năng lượng phân hạch bề mặt cung cấp một giải pháp dễ dàng, đáng tin cậy và hiệu quả.

Không giống như lò phản ứng mặt đấtkhông có ý định loại bỏ hoặc thay thế nhiên liệu. Khi kết thúc nhiệm vụ 10 năm, cũng có một kế hoạch cho việc ngừng hoạt động an toàn của cơ sở. “Khi hết thời hạn sử dụng, hệ thống sẽ bị tắt và mức độ bức xạ sẽ giảm dần đến mức an toàn cho con người tiếp cận và vận hành,” Calomino giải thích. "Các hệ thống chất thải có thể được chuyển đến một địa điểm lưu trữ từ xa, nơi chúng sẽ không gây nguy hiểm cho phi hành đoàn hoặc môi trường."

Lò phản ứng nhỏ, nhẹ nhưng hiệu quả, có nhu cầu cao

Khi khám phá không gian phát triển, chúng tôi đã làm khá tốt với hệ thống phát điện hạt nhân trên một cái cân nhỏ. Những hệ thống như vậy từ lâu đã cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ không người lái di chuyển đến những vùng xa xôi của hệ mặt trời.

Vào năm 2019, tàu vũ trụ New Horizons chạy bằng năng lượng hạt nhân đã bay qua vật thể xa nhất từng được nhìn thấy ở cự ly gần, Ultima Thule, vượt xa Sao Diêm Vương trong khu vực được gọi là vành đai Kuiper. Anh ấy không thể làm được nếu không có năng lượng hạt nhân. Năng lượng mặt trời không có đủ cường độ bên ngoài quỹ đạo của sao Hỏa. Các nguồn hóa chất không tồn tại lâu vì mật độ năng lượng của chúng quá thấp và khối lượng của chúng quá lớn.

Được sử dụng trong các nhiệm vụ tầm xa máy phát nhiệt bức xạ (RTG) sử dụng đồng vị plutonium 238Pu, lý tưởng để tạo ra nhiệt vĩnh viễn từ quá trình phân rã phóng xạ tự nhiên bằng cách phát ra các hạt alpha, sau đó được chuyển đổi thành điện năng. Chu kỳ bán rã 88 năm của nó có nghĩa là nó sẽ phục vụ một nhiệm vụ lâu dài. Tuy nhiên, RTG không thể cung cấp sức mạnh cụ thể cao cần thiết cho các nhiệm vụ dài ngày, những con tàu lớn hơn, chưa kể đến các căn cứ ngoài trái đất.

Ví dụ, một giải pháp cho sự hiện diện thám hiểm và có thể là định cư trên Sao Hỏa hoặc Mặt Trăng có thể là các thiết kế lò phản ứng nhỏ mà NASA đã thử nghiệm trong vài năm. Những thiết bị này được gọi là Kilopower dự án năng lượng phân hạch (2), được thiết kế để cung cấp năng lượng điện từ 1 đến 10 kW và có thể được cấu hình dưới dạng các mô-đun phối hợp để cung cấp năng lượng cho các hệ thống đẩy hoặc để hỗ trợ nghiên cứu, khai thác mỏ hoặc thuộc địa trên các thiên thể ngoài vũ trụ.

Như bạn đã biết, vấn đề khối lượng trong không gian. năng lượng lò phản ứng nó không được vượt quá trọng lượng của một chiếc xe trung bình. Như chúng ta biết, ví dụ, từ một chương trình gần đây Tên lửa hạng nặng Falcon của SpaceXphóng ô tô vào không gian hiện không phải là vấn đề kỹ thuật. Do đó, các lò phản ứng nhẹ có thể dễ dàng được đưa vào quỹ đạo quanh Trái đất và xa hơn nữa.

2. Nguyên mẫu lò phản ứng KIlopower XNUMX kilowatt.

Tên lửa với lò phản ứng làm tăng hy vọng và sợ hãi

Cựu quản trị viên NASA Jim Bridenstine ông nhấn mạnh nhiều lần Ưu điểm của động cơ nhiệt hạt nhân, thêm rằng nhiều năng lượng hơn trên quỹ đạo có khả năng cho phép tàu bay trên quỹ đạo trốn tránh thành công trong trường hợp bị tấn công bằng vũ khí chống vệ tinh.

Lò phản ứng trên quỹ đạo họ cũng có thể cung cấp năng lượng cho các tia laser quân sự mạnh mẽ, điều này cũng được chính quyền Hoa Kỳ rất quan tâm. Tuy nhiên, trước khi động cơ tên lửa hạt nhân thực hiện chuyến bay đầu tiên, NASA phải thay đổi luật về việc đưa vật liệu hạt nhân vào không gian. Nếu điều này là đúng, thì theo kế hoạch của NASA, chuyến bay đầu tiên của động cơ hạt nhân sẽ diễn ra vào năm 2024.

Tuy nhiên, Mỹ dường như đang bắt đầu khởi động các dự án hạt nhân của mình, đặc biệt là sau khi Nga công bố chương trình kéo dài một thập kỷ nhằm chế tạo tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân dân sự. Họ đã từng dẫn đầu không thể tranh cãi trong công nghệ vũ trụ.

Vào những năm 60, Mỹ có dự án chế tạo tên lửa hạt nhân xung xung Orion, được cho là mạnh đến mức có thể cho phép di chuyển toàn bộ thành phố vào không gianvà thậm chí thực hiện chuyến bay có người lái tới Alpha Centauri. Tất cả những bộ phim giả tưởng cũ của Mỹ đều đã có mặt trên kệ từ những năm 70.

Tuy nhiên, đã đến lúc loại bỏ khái niệm cũ. động cơ hạt nhân trong không gianchủ yếu là do các đối thủ cạnh tranh, trong trường hợp này chủ yếu là Nga, gần đây đã tỏ ra rất quan tâm đến công nghệ này. Một tên lửa nhiệt điện hạt nhân có thể cắt giảm một nửa thời gian bay tới sao Hỏa, thậm chí có thể xuống còn XNUMX ngày, điều đó có nghĩa là các phi hành gia tiêu thụ ít tài nguyên hơn và tải lượng bức xạ lên phi hành đoàn ít hơn. Ngoài ra, có vẻ như sẽ không có sự phụ thuộc như vậy vào "cửa sổ", tức là cách tiếp cận lặp đi lặp lại của sao Hỏa với Trái đất vài năm một lần.

Tuy nhiên, có một rủi ro, bao gồm thực tế là lò phản ứng trên tàu sẽ là một nguồn bức xạ bổ sung trong tình huống mà không gian đã mang một mối đe dọa lớn về bản chất này. Đó không phải là tất cả. Động cơ nhiệt hạt nhân nó không thể được phóng vào bầu khí quyển của Trái đất vì sợ có thể xảy ra vụ nổ và nhiễm bẩn. Do đó, các tên lửa thông thường được cung cấp để phóng. Do đó, chúng tôi không bỏ qua giai đoạn tốn kém nhất liên quan đến việc phóng khối lượng lớn lên quỹ đạo từ Trái đất.

Dự án nghiên cứu của NASA được gọi là TREES (Mô phỏng môi trường tên lửa nhiệt hạt nhân) là một ví dụ về nỗ lực của NASA để quay trở lại động cơ đẩy hạt nhân. Vào năm 2017, trước khi có bất kỳ cuộc thảo luận nào về việc quay trở lại công nghệ này, NASA đã trao cho BWX Technologies một hợp đồng ba năm trị giá 19 triệu đô la để phát triển các thành phần nhiên liệu và lò phản ứng cần thiết cho việc xây dựng. động cơ hạt nhân. Một trong những khái niệm về động cơ đẩy hạt nhân trong không gian mới nhất của NASA là Lò phản ứng Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), dự kiến ​​sẽ sử dụng một bộ điều tiết lò phản ứng hạng nhẹ mới và các máy phát nhiệt điện tiên tiến (ATEG) để giảm đáng kể khối lượng lõi tổng thể.

Điều này sẽ yêu cầu giảm nhiệt độ hoạt động và giảm mức năng lượng tổng thể của lõi. Tuy nhiên, khối lượng giảm sẽ cần ít năng lượng đẩy hơn, dẫn đến một tàu vũ trụ điện chạy bằng năng lượng hạt nhân nhỏ, rẻ tiền.

3. Trực quan hóa đầu dò được phát triển trong khuôn khổ dự án Lò phản ứng ATEG kích hoạt đầu dò bầy đàn.

Anatoly PerminovĐiều này đã được công bố bởi người đứng đầu Cơ quan Vũ trụ Liên bang Nga. sẽ phát triển một tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân để du hành vũ trụ sâu, cung cấp cách tiếp cận ban đầu của riêng mình. Thiết kế sơ bộ được hoàn thành vào năm 2013 và 9 năm tiếp theo được lên kế hoạch phát triển. Hệ thống này phải là sự kết hợp giữa phát điện hạt nhân với hệ thống đẩy ion. Khí nóng ở 1500°C từ lò phản ứng sẽ làm quay một tuabin làm quay máy phát điện tạo ra điện cho động cơ ion.

Theo Perminov, ổ đĩa sẽ có thể hỗ trợ một nhiệm vụ có người lái lên sao Hỏavà các phi hành gia có thể ở trên Hành tinh Đỏ trong 30 ngày nhờ năng lượng hạt nhân. Tổng cộng, một chuyến bay tới sao Hỏa với động cơ hạt nhân và gia tốc không đổi sẽ mất sáu tuần thay vì tám tháng, giả sử lực đẩy lớn hơn 300 lần so với lực đẩy của động cơ hóa học.

Tuy nhiên, không phải mọi thứ đều suôn sẻ trong chương trình của Nga. Vào tháng 2019 năm XNUMX, một lò phản ứng đã phát nổ ở Sarov, Nga trên bờ Biển Trắng, là một phần của động cơ tên lửa ở Biển Baltic. nhiên liệu lỏng. Người ta không biết liệu thảm họa này có liên quan đến chương trình nghiên cứu động cơ đẩy hạt nhân của Nga được mô tả ở trên hay không.

Tuy nhiên, không còn nghi ngờ gì nữa, một yếu tố cạnh tranh giữa Hoa Kỳ và Nga, và có thể cả Trung Quốc trên thực địa sử dụng năng lượng hạt nhân trong không gian tạo cho nghiên cứu một động lực tăng tốc mạnh mẽ.