Космическое агентство НАСА заявило о начале испытаний урановых атомных установок нового типа, которые специалисты организации предлагают использовать на Марсе или других планетах Солнечной системы. Портативный атомный реактор был разработан в рамках проекта Kilopower.
Собственно, это и есть название реактора, который способен производить до 10 кВт электрической мощности в течение десяти лет. В качестве топлива в таком реакторе используется металлический уран-235. Теплоноситель — жидкий натрий. Получаемое реактором тепло будет посредством двигателя Стирлинга приводить в движение специальный поршень. А уже этот поршень, в свою очередь, соединяется с генератором для получения электричества.
Авторы проекта — специалисты из Научно-исследовательского центра НАСА имени Джона Гленна в Кливленде, США. Также среди разработчиков — команда экспертов из центра космических полетов НАСА имени Маршалла в Хантсвилле. Сам реактор для всей установки разрабатывается Окриджской национальной лабораторией при участии других учреждений Министерства энергетики США. Испытания планируется проводить в штате Невада.
В ходе экспериментов ученые включат реактор в режим постоянной работы со сроком до 28 часов с полной мощностью. Патрик Макклюр, один из представителей команды проекта, заявил следующее: «Этот реактор позволяет обеспечить высокую плотность энергии источника питания с возможностью работы независимо от солнечной энергии или ориентации, он может без проблем функционировать в экстремальных условиях на поверхности других планет, включая Марс».
По словам представителей проекта, эта технология может быть использована в самых разных проектах агентства. В конечном итоге ученые планируют стимулировать качественный скачок в космических исследованиях. С новым источником питания космические путешественники не будут нуждаться в энергии на протяжении нескольких лет. Главное достоинство системы — простота ее конструкции.
В настоящее время НАСА использует радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). К примеру, этот источник энергии работает в корпусе Curiosity. Но в РИТЭГах используется плутоний-238, который, как уже сообщалось на Geektimes, стал достаточно дефицитным. Плюс ко всему, РИТЭГи могут обеспечить мощность не более нескольких сотен ватт. Для нужд космонавтов, которые отправляются на другие планеты этого явно недостаточно.
Ранее сообщалось, что мощность реактора может настраиваться в зависимости от конкретной миссии. При этом модифицироваться будет лишь тепло-электрическая часть, атомный элемент будет примерно одинаков для всех конфигураций.
Реактор представляет собой цилиндр, материалом для которого послужил сплав 7% молибдена и высокообогащенного урана 235. Диаметр его составляет 11 сантиметров, длина — 25 см, вес — 35 кг. Единственный стержень реактора из карбида бора расположен внутри канала диаметром в 3,7 см.
Представители НАСА решили добавить молибден для того, чтобы придать механическую прочность и устойчивость урану к фазовым переходам при нагреве. Стержень будет использоваться для настройки реактивности. Для снижения критической массы реактор решили окружить отражателем нейтронов из оксида бериллия. В него вставлены тепловые трубы. Также предусмотрена сегментная защита из слоев гидрида лития и вольфрама.
Реактор уже испытывали в 2016 году в центре Гленна. Тогда, правда, использовался имитатор реактора и 8 генераторов Стирлинга.
Значительным достоинством Kilopower то, что он более дешев, чем РИТЭГи. Дело в том, что 35 кг высокообогащенного урана-235 стоит около 500 тыс. долларов США. А вот для РИТЭГа нужен плутоний-238 с ценой около 50 млн долларов за 45 кг. Есть у реактора и недостатки. Так, он гораздо более тяжелый, чем те же РИТЭГи. Реактор весит более 300 кг, в то время, как РИТЭГи редко превышают вес в 50 кг. Самыми тяжелыми элементами конструкции Kilopower являются корпус реактора и радиационная защита.
В целом, система такого типа действительно может обеспечивать энергией небольшую колонию людей. Если же реакторов установить несколько, то производимого ими электричества хватит для гораздо более масштабной колонии. Плюс можно представить, что колонисты на других планетах смогут использовать и солнечные батареи. Что касается Марса, то здесь есть вода, а если будет и почти неисчерпаемая энергия, то это решит многие проблемы для жителей или гостей Красной планеты.
Комментарии (62)
wilderwind
28.11.2017 12:43На мой взгляд диванного эксперта по ядерным реакторам несколько странен выбор двигателя Стирлинга, у классической паровой турбины должен быть выше КПД, и притом меньше движущихся частей. Насадил генератор прямо на вал турбины — и получай электричество вёдрами. Но разработчики, видимо, что-то знают.
TxN
28.11.2017 13:01Только вот паровая турбина требует обвязки, вроде парогенератора, рабочего тела (воды), конденсатора, на котором пар будет превращаться обратно в воду, и скорее всего чего-то еще. Это вдогонку к тому, что паровая турбина небольших размеров высоким КПД похвастаться не сможет.
DrPass
28.11.2017 13:06+1Думаю, ответ банально в простоте и надежности. Двигатель Стирлинга — это просто поршень в цилиндре с радиатором, и любой теплоноситель, который можно подобрать под параметры нагревателя. Паровая турбина помимо себя самой требует ещё парогенератор, конденсатор, трубопроводы для циркуляции теплоносителя. Плюс, для обеспечения хорошего КПД всё это должно быть, кхм, большим.
darthmaul
28.11.2017 13:08А чем охлаждать паровую турбину в космосе? Там или пар конденсировать при т<100C или собирать тяжёлую систему, работающую под огромным давлением (и всё равно высокой температуры холдильника не достичь). А в стирлинге можно подобрать такое рабочее тело, чтобы он работал, скажем на перепаде 400-700С и охлаждать излучением (можность охладителя в космосе зависит от Т в четвёртой степени).
roller
28.11.2017 14:31А чем охлаждать «холодный» конец двигателя стерлинга в космосе?
upd: я буду дочитывать комменты до конца я буду дочитывать комменты до конца я буду дочитывать комменты до конца я буду дочитывать комменты до конца
TheCop
28.11.2017 13:13Наверное, с двигателем стирлинга проще сделать замкнутый цикл рабочего тела, чем с турбиной.
Valerij56
28.11.2017 13:46Есть проблема сделать эффективную малогабаритную и маломощную турбину. В данном случае реактор будет иметь мощность всего до десяти киловатт.
AbstractGaze
28.11.2017 15:39У аэс, основные затраты и простой идут как раз из за обслуживания паровой обвязки. Кто это на марсе будет обслуживать?
mehos
28.11.2017 16:36Еще вроде турбина работает на высоких оборотах, т.е. получим дополнительный функционал в виде гироскопа.
agat000
29.11.2017 05:35Турбина на малой мощности не будет работатью. Это же не печка, а всего лишь небольшой «нагреватель».
Sly_tom_cat
29.11.2017 14:55Стирлинг у них «простой как палка»: www.grc.nasa.gov/www/tmsb/stirling/animation/animation_TDC_01_jeff.gif
На самом деле там много хитростей, но итог достаточно примитивный получился — проще любой турбины во много раз.
Andy_Big
28.11.2017 12:44-1используется плутоний-238, который, как уже сообщалось на Geektimes, является довольно дефицитным изотопом урана
Плутоний-238 — изотоп урана??
novice2001
28.11.2017 12:47-1в РИТЭГах используется плутоний-238, который, как уже сообщалось на Geektimes, является довольно дефицитным изотопом урана
Плутоний не является изотопом урана
z09
28.11.2017 12:50Интересно еще каким образом будет происходить охлаждение рабочего тела двигателя Стирлинга в условиях космоса. При заявленной мощности в 10 кВт электрических получается что тепловая мощность порядка 30 кВт, а с рассеиванием тепла в космосе большие проблемы.
Victor_koly
28.11.2017 13:15Медные радиаторы и тепловые трубки на банальной воде (вода условно кипит в замкнутом объеме из рассчета на то, что при температуре около 100 градусов она полностью заполняет трубку).
P.S. Применение хотя бы 1 стержня — хорошая идея для дальнего космического полета. И масса радиоактивного изотопа здесь существенно выше, чем в «Пионерах» или «Вояджерах» была?
vibornoff
28.11.2017 13:15Речь о колонизации Марса. Там, например, им можно отапливать базу, сбрасывать его в атмосферу или в грунт
Victor_koly
28.11.2017 15:59В грунт — да. В атмосферу все равно выйдет не намного лучше, чем по «сигма T в четвертой» на больших медных радиаторах.
Marwin
28.11.2017 13:19+1Назад в Будущее близко? Можно мне Теслу с таким движком? Вроде даже по массе умещается. Да даже цена не космическая, как у среднего спорткара. Единственное что вот горячий он походу ((
LevOrdabesov
28.11.2017 13:36+1К автодому сзади прикрутить, а тепло снимать для готовки, горводы и отопления.
ХОТЕТ.
Wizard_of_light
28.11.2017 13:38Ага, и налог маленький с 13,6 лошадиных сил :)
mironoffe
28.11.2017 15:22Батарейку оставить) Пусть заряжает потихоньку, за ночь как-раз успеет. Либо 50 км едем, пол часа стоим.
RusakovMxL
28.11.2017 13:48Горячий и радиоактивный тоже. В активной зоне 150 рентген в секунду. За вычетом биологической защиты… Вам, в общем, хватит, чтобы зазвенели бубенцы.
AlexanderG
28.11.2017 16:19А если использовать аккумуляторные батареи, которые в электромобиле всё равно есть, в качестве биозащиты?
vvzvlad
28.11.2017 16:29А куда девать потом кучу фонящих батарей?
AlexanderG
28.11.2017 20:18А куда сейчас девается куча и так вредных с химической т.з. батарей? Неизвестно, насколько восприимчивы к наведенной радиоактивности конструкционные материалы батарей (впрочем, как и их эффективность в качестве защиты), может, там не все так плохо. Вопрос РАО в атомной энергетике один из самых болезненных, спору нет.
Victor_koly
28.11.2017 21:12Свинец-206 с очисткой до изотопа не выше 207.
Для временной защиты (1-2 суток) можно было бы брать покрытие из золота, но где же Вы возьмете столько золота?
Victor_koly
28.11.2017 16:2310 кВт — это конечно может быть много Р/с на условного человека прямо за границей стержня. А 1 толщина человеческого тела сможет поглотить огромный процент энергии нейтрона при начальной скажем 1 МэВ. А вот объем воды, занимающий все на расстоянии 290 см от активной зоны, будет хорошей защитой.
Bronto3
28.11.2017 18:00+1Достаточно закопать реактор на 1 м вниз под грунт… Это достаточная защита. И не подходить ближе 100 метров к нему. На Марсе нет ветра и нет осадков, ну и рек тоже нет. Так что факторов которые могли бы разрушить реактор практически нет, за исключением метеоритов (ну на Земле они тоже могут быть). Так что просто закопать и достаточно.
AlexanderG
28.11.2017 16:20Единственное что вот горячий он походу
Вряд ли сильно горячее выхлопа ДВС:
Marwin
28.11.2017 16:26КПД стирлинга много меньше КПД ДВС, поэтому, если оно будет производить 10кВт полезной мощности, то генерируемое побочное тепло будет ну пусть 40-50кВт. А калорифер такой мощности под боком будет сильно греть
AlexanderG
28.11.2017 17:52+1У ДВС КПД <50%, то есть для 150 кВт на колесах имеем 300+ тепловой мощности. Так что не думаю, что 50 кВт от реактора будет большой проблемой. Может быть, даже есть варианты совместить систему охлаждения с биозащитой.
darthmaul
28.11.2017 22:32Вот только ДВС реально отдаёт в среднем процентов 20-30 мощности (в зависимости от мощности, веса авто и стиля езды) т.к. достигает пиковой мощности на 5-6к оборотов что бывает не так и часто. А значит, рассеивать приходится 50-100кВт, не больше.
AlexanderG
28.11.2017 23:48Вряд ли система охлаждения проектируется не на максимальный режим, хотя тут я сказать не могу.
Для резкопеременных нагрузок реактор непригоден, так что придется ставить батареи в любом случае. А в случае повторно-кратковременного режима его работы ситуация уже совсем другая, как по требуемой мощности, так и по охлаждению.darthmaul
29.11.2017 00:06Так в этом и разница: ДВС работает на малой мощности с редкими пиками, а реактор — постоянно, в рабочем режиме и поэтому требует больше охлаждения
Vaskrol
29.11.2017 13:16В спорте (например, в дрифте), двигатели работают почти всегда на 100% мощности, причем куда большей, чем 150 кВт. Так что, реально. вопрос отвода тепла не выглядит столь уж нерешаемым.
Tyusha
29.11.2017 12:59Вы упускаете главное, о чём здесь толкуют. ДВС находится на Земле, в атмосфере, где выделяемое тепло передаётся как минимум воздуху, и уносится. В космосе не с чем организовать теплообмен. Единственный способ утилизации тепла — излучение, что во много раз менее эффективно. И вот тогда 50 кВт становятся проблемой.
AlexanderG
29.11.2017 20:05Интересно, если отводить в грунт, хватит ли его возможности рассеивать столько тепла?
VT100
28.11.2017 16:10<надмозг_fail_mode_on>Получаемое реактором тепло будет посредством двигателя Стирлинга приводить в движение специальный поршень.<надмозг_fail_mode_off>
ReakTiVe-007
28.11.2017 16:19Хочу себе такой домой, вернее в подвал что бы не зазвенели бубенцы))
Sly_tom_cat
29.11.2017 12:03Даже из подвала он ваши бубенцы звенеть заставит… Да и в подвал вход придется закрыть лет на 600…
Victor_koly
29.11.2017 13:37Как я писал выше — вполне хватит «объем воды, занимающий все на расстоянии 290 см от активной зоны». Если хотите этой водой буквально греть себе батареи — нужно перед или после подачи воды к реактору очищать её от определенных примесей.
З.Ы. Правда есть подозрение, что нужна будет глубокая очиска воды от дейтерия — какое там сечение поглощения нейтронов, вместо протонов может быть?Sly_tom_cat
29.11.2017 14:48Вода почитай что из первого контура ЯР в батарее отопления — спасибо — не надо.
Victor_koly
29.11.2017 15:16Ну да, радиоактивный йод наверное весьма вероятен при распаде урана-235. Захватывает протон (обычные ионы в воде) и задерживается в форме молекулы HI.
BrotherMario
29.11.2017 11:38А всех, кто хочет такой реактор домой/в машину, не смущает стоимость одного только топлива в 500 000 долларов?
Sly_tom_cat
29.11.2017 12:13На мой взгляд смущать должно полное отсутствие биозащиты.
Для космоса — там проще — на штангу вынес и небольшой щиток между реактором и КА. А вот на поверхности — планеты…
Это же придется надыбать немерянный бассейн воды или ну очень глубоко закапывать…zerg59
30.11.2017 23:39Кто мешает также вынести подальше за холм и не ходить туда?
Sly_tom_cat
01.12.2017 00:18… а вдруг завтра вот именно туда и надо будет сходить?
Ну и потом, вот начнет разрастаться этот город, на другой конец тянуть энергию — тяжко — правильно поставим с другой стороны еще несколько реакторов и еще сделаем «туда не ходи — снег бошка попадет».… Так у нас город расти уже в двух направлениях не может…Valerij56
01.12.2017 03:02Почему «не сможет»? Что-то мешает вырыть небольшую ямку, поставить туда реактор, сверху песочком присыпать, оставив, естественно, снаружи радиатор, подвести трубопроводы с теплоносителем и кабеля подачи энергии к распределительным устройствам, для гарантированного снабжения поставить неподалёку второй реактор. Каждый такой реактор займёт площадь баскетбольного поля — вместе с обваловкой по периметру, электростанция, точнее, ТЭЦ, как два баскетбольных поля на одном конце города и ещё два на другом. Причём размеры не очень изменятся, если вместо Килоповера там будут стоять по паре мегаваттных энергоблоков, а этого уже вполне хватит и для немаленького городка. Ну, будет вместо «баскетбольных» «футбольное» поле, не принципиально. Для стационарной ТЭЦ на Марсе проблема охлаждения реактора не очень велика, теплоёмкость колонии позволяет рассеять весьма значительную мощность. А колония эти ТЭЦ спокойно обойдёт, и пойдёт развиваться дальше.
Victor_koly
01.12.2017 11:32Переход от условного килоВт до пары энергоблоков по 1 МВт все же может иметь проблемы просто в том, что необходимо создать такую инфраструктуру, в какую потом выйдет расширить по мощности. А это по идее трубы для теплоносителя куда большего диаметра, генератор побольше и т. д.
zerg59
01.12.2017 05:14Даже на Земле особых проблем нет. Тот же Маяк нехилую территорию засрал. А ведь живёт 7млрд человек. К тому времени, когда город будет разрастаться — и этот реактор закопают и новые уже не будут такими. А для первой экспедиции можно и за холмом.
stormcrew
>>Дело в том, что 35 кг высокообогащенного урана-238 стоит около 500 тыс. долларов США. А вот для РИТЭГа нужен уран-238 с ценой около 50 млн долларов за 45 кг.
Ошибка? Может уран-235 и плутоний-238?