平和的なトラクターが畑を耕し、原子炉が空を飛びます

プロジェクトにしか存在しなかった原子爆発や、地上試験の段階に達した原子エンジンとは異なり、原子炉はエネルギーのために宇宙で使用され、3ダース以上が宇宙に飛びました。

理論

いつものように、理論から始めましょう。 核連鎖反応が直接電気を生成し、それがすぐに使用できれば素晴らしいと思います。 しかし、悲しいことに、核崩壊の結果は熱であり、それを何らかの形で電気に変換する必要があります。 これを行うために、リアクターからの熱は熱エンジン（熱電変換器、熱電子変換器、タービン、スターリングエンジンなど）に送られ、電気を生成してから、ラジエータークーラーから空間に放出されます。 そして、原子炉はバドミントン羽根の特徴的な形を取ります。



宇宙では、すべてのグラムはその重量に見合った金であるため、熱機関とラジエーターの設計は原子炉の設計と同じくらい重要になります。 そして、熱から電気への変換における避けられない損失により、2つのパラメーター-火力と電力について話します。 そして、電力は熱の何倍も少ない。 質量とサイズに制限のない地上ベースの原子炉では、電力は火力の3〜4倍少なく、宇宙原子炉ではこれまでのところ状況ははるかに悪いです。

ソーラーパネルとの比較

宇宙原子炉のパラメーターの数が死んでいないように、それらをソーラーパネルのパラメーターと比較しましょう。 サターンOJSCのサイトには 、太陽電池のパラメーターがあります。

• シリコンパネル：作業開始時に140 W / kg、15年後に80 W / kg。
• ガリウム砒素パネル：作業開始時は196 W / kg、15年後は157 W / kg。

つまり 1メガワットの電力を得るには、シリコンパネル7142 kg、またはヒ化ガリウム5102 kgが必要です。 しかし、これは「下から」の見積もりです。これは、農場、建物、その他のものの質量が考慮されていないためです。 「トップ」を評価するには、ISSソーラーパネルのパラメーターを使用します。 太陽電池パネルを搭載したISSのトラス構造の質量は15824 kgです。 各デザインには2つのソーラー「翼」があり、作業開始時に31キロワット、15年でそれぞれ26キロワットを供給します。 したがって、1つの設計では15トンの質量に対して60キロワットを供給し、メガワットのエネルギーを得るには250トンが必要です。 もちろん、特定のエンジニアリング構造を作成する場合、この恐ろしい量は、たとえばパネルの長さを長くすることでわずかに減らすことができますが、実際には、1メガワットのエネルギーを提供する太陽光発電設備は5よりも250トン近くになります。

物語

アメリカ

スナップ
米国では、最初にSNAP （原子力補助電源システム）プログラムの一環として、電力宇宙炉の作業が行われました。 1959年、SER実験炉が打ち上げられ、約50キロワットの熱容量がありました。 反応器は純粋に実験的なものであり、発生した熱は単に空気中に散乱します。 2年間の作業の後、原子炉は次のモデルの道を開きました。
2つ目は、1961年から1962年まで稼働したSNAP-2原子炉でした。 55キロワットの火力により、3.5 kWの熱機関を接続できる設計になりました。
次の段階は、600 kWと1 MWの火力を備えた2つのSNAP-8原子炉でした。 メガワットの原子炉は24x84 cmのアクティブゾーンを持ち、8.2キログラムの核燃料を含んでおり、冷却剤として水銀を使用し、蒸気エンジンのようなエネルギーを生成できました（ ランキンサイクルによる ）。
プログラムのピークはSNAP-10A原子炉で、1965年4月3日に軌道に打ち上げられました。



この反応器には次の特性がありました。

• コア寸法：39.6 x 22.4 cm。
• 放射線防護なしの重量：290 kg。
• 火力：30 kW。
• 最大達成電力：590ワット。
• 熱機関のタイプ： 熱電変換器 。

実験衛星の原子炉は、ジェットエンジンに燃料を供給することになっています。 残念なことに、フライトの43日目に、エンジンをオンにしようとすると、電圧調整器の誤作動と原子炉の緊急停止が発生しました。 衛星はまだ極軌道で飛行しており、約4000年後に地球に落下します。 プロジェクトのビデオ資料を見ることができます（英語）。
SNAPプロジェクトは放射性同位体発生器で機能しましたが、アメリカの原子炉はもはや宇宙に飛びませんでした。

SP-100
1983年に、研究プログラムSP-100が開始されました。その目的は、 熱電子または熱電変換器と、 ヒートパイプを使用した熱伝達を備えたリアクターを開発することでした



情報不足から判断して、プログラムは終了しました。

安全な
2000年代初頭には、 SAFE （Safe Affordable Fission Engine-Safe Affordable Fissile Engines）プロジェクトがありました。 SAFE-400原子炉は、400 kWの火力、100 kWの電力を持ち、ガスタービンを使用して発電することが想定されていました。 インターネットには、2001年のSAFE-30原子炉の写真があります。



情報源は、プロジェクトの終了日として2007年を示しています。これは、プロジェクトの凍結または終了を意味します。

ロスアラモスプロジェクト
2012年、ロスアラモス研究所のシンプルなエネルギーリアクターのプロジェクトで、非常に素晴らしいビデオが登場しました。

提案されている原子炉は、設計が非常に単純であるため、生産に利用できますが、記録パラメータに違いはありません。 22.5 kgの濃縮ウランの中空シリンダーをアクティブゾーンとして使用することが提案されています。 活性ゾーンは、直径25 cmのベリリウム中性子反射器で囲まれています。活性ゾーンの高さは30 cmです。 リアクターからの熱はヒートパイプによって除去され、500ワットの総出力でスターリングエンジンに供給されます。 これがリアクターの図です：

残念ながら、これは単なるプレゼンテーションであり、プロジェクトの運命は不明です。

ソ連とロシア

カモミール

最初の国内実験宇宙原子炉はカモミールでした。 40 kWの火力と800 Wの電気を備えた原子炉は、熱電変換​​器を使用していました。 原子炉は1964年に最初に打ち上げられました。 S.P. コロレフは、「カモミール」とプラズマERDを併用したいと考えていました。 しかし、1966年の夏のカロミール試験の終了後、コロレフの死後、彼女は宇宙に飛びませんでした。

ブナ
しかし、スペースリアクターの2番目のシリーズであるBES-5 "Buk"は、30回以上宇宙に飛びました。 これらの原子炉は、欧米ではRORSATとして知られるUS-Aレーダー偵察衛星の電源として使用されました。



レーダーは大量の電力と低軌道を必要としました。 低軌道は、衛星が常に地球の影に落ちることを意味しました。 ソーラーパネルとバッテリーのセットは重すぎるため、原子力発電所が唯一の選択肢となりました。 BES-5リアクターには次のパラメーターがありました。

• 火力：100 kW。
• 電力：3 kW。
• 反応器の質量：900 kg。
• 熱機関の種類：熱電発電機。
• 核燃料の質量：30 kg。
• 作業時間：〜135日

合計35回の打ち上げが行われ、そのうち33回の打ち上げで原子炉が軌道に投入されました。 プロジェクトの特徴は安全対策でした-事故が発生した場合、または作業が終了した場合、原子炉は処分高度750〜1000 km、寿命250年までの軌道に投入されました。 システムに障害が発生した場合、原子炉は燃え尽きて密な大気に入ると崩壊するはずでした。 残念ながら、破壊システムの初期バージョンはあまり成功しておらず、さらに開発する必要がありました。 US-A衛星は1970年から1988年に打ち上げられ、海域のレーダー偵察に使用され、敵対行為が発生した場合、ミサイルを搭載する潜水艦のターゲット指定を発行し、レジェンドコンプレックスの一部として機能しました 。

トパーズ
Buk原子炉の開発はTEU-5 Topolであり、Topaz-1でもあります。



「Topaz」のパラメーターが改善されました。

• 火力：150 kW。
• 電力：5-6 kW
• 熱機関のタイプ： 熱電子発電機 。
• 核燃料の質量：11 kg。
• 期間：1年。

原子炉はCosmos-1818およびCosmos-1867衛星で 2回宇宙に飛び、レーダー偵察という同じ目的で使用されました。

エニセイ
エニセイ型の原子炉は、民間のテレビ放送衛星に使用することが提案されました。 原子炉の特徴は、古典的な燃料要素を発電チャネルに置き換えることでした-炉心は熱機関と組み合わされました。 原子炉は115-135 kWの火力、4.5-5.5 kWの電力、および3年間の耐用年数を持つと想定されていました。 このプロジェクトは90年代前半に終了し、1992年に米国は2つの原子炉を購入しましたが、宇宙では使用されませんでした。

RSC Energiaの輸送およびエネルギーモジュール
2010年頃から、原子炉と電気推進エンジンを使用した輸送およびエネルギーモジュールの積極的な開発が進行中です。 このような核タグボートは、地球と月のルートで貨物を運ぶことができ、主要な資源を開発した後、太陽系の他の惑星にプローブで飛ぶことができます。 このプロジェクトはMAKS-2013で公開され 、作業の進捗に関するニュースが定期的に表示されます。 最新のニュースは、 最初の燃料要素が組み立てられたということです。 発電所とモジュール全体の特性も非常に印象的です。



7000秒の比インパルスと18 N（2 kg）の推力を持つ電気推進と組み合わせた1MW原子炉のエネルギー容量は、技術的なブレークスルーです。

セキュリティの問題

原子力といえば、既知の放射線事故とそれらと戦うための対策について言及することは間違いありません。
1964年、アメリカの放射性同位元素発生器SNAP-9Aは、発射場でのロケットの事故により大気中で破壊されました。 RTGは大気中に散在する高濃度のプルトニウムを使用しているため、世界中のバックグラウンド放射が大幅に増加しています。 教訓を学び、設計を変更し、1968年にSNAP-19B2 RTGによるNimbus-V衛星事故が発生したとき、核物質は大気中に拡散せず、海洋に落下し、その後感染せずに海底から持ち上げられました領土。 1970年、アポロ13号の月モジュールのRTGが海に落ち、その地域を破壊したり感染させたりすることなく、6000メートルの深さで沈みました。 1973年、ソビエトのBuk原子炉を搭載した衛星が太平洋に落下しました。 エリアの汚染に関するデータはありません。 1978年、Cosmos-954衛星からの残骸がカナダに落ちました。 緊急システムの欠陥により、原子炉の炉心は十分に破壊されず、軽度の汚染が発生しました。 それにもかかわらず、ひどいスキャンダルが勃発し、ソ連は残骸の発見とその地域の除染にかかった費用に対してカナダに補償金を支払わなければなりませんでした。 このイベントの後、セキュリティシステムが改善され、ガスジェネレーターが設置され、大気中に進入したときにアクティブゾーンが破壊されることが保証されました。 Cosmos-1402衛星の南大西洋への落下はより成功し、自然放射線バックグラウンドのわずかな増加のみが記録されました。 1996年、火星96 AMCは倒れ、RTGは崩壊せず、安全にdrれました。

一般的な安全上の考慮事項

• RTGには放射性物質が多く含まれているため、原子炉はRTGより安全です。
• RTGは、偶発的な大気中の落下に耐えるカプセルに入れられ、放射能汚染を防ぎます。
• 原子炉は、偶発的な落下中にカプセルに入れたり、大気中に分散させることができます。
• 原子炉の電源を入れるまで、最小限の危険があります。 したがって、原子炉は軌道上で打ち上げられる必要があります。
• 使用済み原子炉は、軌道上で数百年間生き残ることで安全になります。 この場合、半減期が短い材料は消滅し、半減期が長い材料は無害です。

ドリップ冷蔵庫

輸送とエネルギーのモジュールの写真をもう一度見ると、まず、古典的な「シャトル」タイプのスキームが不足していることに気づくでしょう。 事実、現在、2種類の冷蔵庫ラジエーターが競合しています。 古典的なソリッドステートラジエーターはシンプルですが重いです。 それらの代替として、点滴冷蔵庫が提供されました。 物理学で知られているように、体の表面が大きいほど、熱伝達に関与しやすくなります。 そのため、家の暖房用ラジエーターにはリブがあります。 宇宙では、最小限の質量で非常に効率的に熱を放散する液滴の流れを作成できます。



ドリップ冷蔵庫は、時々ラジエーターの質量を減らすことを約束します：



宇宙（ミールおよびISSステーション）で、点滴冷蔵庫のモデルをテストしました：



主な陰謀は現在、開発の速度にあります-輸送およびエネルギーモジュールが飛ぶべき2020年までにドリップ冷蔵庫がそれを作ることができるかどうか。

おわりに

天文学では、原子炉の使用により、太陽エネルギーの到達不可能なレベルが得られます。 そして、原子炉と電気推進エンジンの組み合わせは、新たなレベルの宇宙探査の機会を約束します。

使用されたソースと追加資料

ウィキペディアに加えて、次のものが使用されました。

• 「宇宙船の発電設備の設計」 、訓練施設
• 研究センターのサイト「ドリップ冷蔵庫エミッターの作業」 。 ケルディシュ。
• 「国内宇宙原子力施設の歴史」 、「Made with us」ウェブサイト。
• ドリップ冷蔵庫の材料： 1、2 。