Ядерные термоэлектрические установки.

Ядерные термоэлектрические установки.

Прямое преобразование тепла ядерной реакции в электроэнергию для космических аппаратов началось с создания первого в мире всем известного реактора-преобразователя. «Ромашка». Успешные испытания установки «Ромашка» позволили принципиально определиться, можно ли делать ядерные космические энергетические системы. Американская установка с термоэлектрическим преобразователем (SNAP-10А), аналогичная «Ромашке», побывала в космосе.

Следующий этап — бортовая ядерная энергетическая система «Бук», которая была поставлена на вооружение, и выпускалась серийно. Двухкаскадные термоэлектрические преобразователи «Бук», мощностью 3 КВт, по результатам испытаний превзошли зарубежные аналоги. Тридцать одна установка была использована на спутниках серии «Космос». Это были спутники-шпионы для радиолокации объектов. Но закончилась «холодная» война и выпуск этих установок прекратился.

Для бортовой энергетической системы в космосе самое главное – удельная мощность: при минимальном весе максимальный выход энергии. Для большой космической энергетики ЯЭУ вне конкуренции. Не говоря об установках на органическом топливе, даже для солнечных батарей потребуются слишком большие площади развертывания. Для создания космических баз на Луне или Марсе потребуется много энергии и, скорее всего, это будет ядерная энергия. И тут важно преобразовать тепло, которое дает реактор, в электричество. Для этой цели есть несколько принципиально разных систем. В Америке разрабатывался базовый источник электрической энергии SP-100 – 100 кВт реактор-преобразователь модульного типа. В эту разработку были вложены значительные средства, но эти работы были законсервированы . Сейчас к ним снова появился интерес.

Принципиально есть несколько способов преобразования тепловой энергии в электрическую. Традиционные динамические системы «турбина–генератор» эффективно преобразуют тепловую энергию, но имеют очень ограниченный срок эксплуатации из-за изнашивания трущихся механических деталей.

Второе направление – термоэмиссионное. Были созданы ЯЭУ «Топаз» и «Енисей».  Эти установки характеризовались высокой удельной мощностью и летали в космос, т.е. были испытаны в реальных условиях. К их недостаткам следует отнести ограниченный срок службы. В термоэмиссионных установках достаточно высокие температуры – более 1600 оС, все диффузионные процессы там протекают очень активно, вследствие чего через год  узлы преобразователя выходят из строя.

В термоэлектрических преобразователях температуры намного ниже (в ЯЭУ «Бук» ~700оС), ниже удельная мощность и КПД, хотя и не очень существенно, если сравнивать КПД ЯЭУ «Енисея» — 7 % и «Бука» — около 6 %. Но термоэлектрические системы могут долго работать как в космосе, так и на Земле. Это доказано на примере радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). В этих источниках ампулы с радиоактивным изотопом, к примеру, плутонием, период полураспада которого 86,4 лет, длительное время излучают тепло, которое преобразуется в электроэнергию. По этому пути пошли американцы в своих программах энергообеспечения полетов в дальний космос. Чтобы получать информацию с космических аппаратов, они продолжают использовать РИТЭГ на плутонии исходной электрической мощностью 300 Вт, что достаточно для питания аппаратуры связи в течение очень длительного времени.

В «Буке» источником тепла служил атомный реактор, а в первых отечественных аналогичных РИТЭГ космического назначения «Лимон», «Орион» использовался более энергоемкий короткоживущий изотоп – полоний. Эти РИТЭГ были успешно использованы на первых спутниках серии «Космос». Созданные затем многочисленные наземные РИТЭГ  для питания маяков и других навигационных устройств работали на стронции-90. Их срок службы был более 20 лет без замены радиоизотопного источника.

Стронций-90 нарабатывается в ядерных реакторах, его хранение или захоронение представляет собой определенную проблему. Поэтому применение изотопа было экономически оправданным до тех пор, пока не появились охотники за цветными металлами. Даже в труднодоступных районах – в тундре вдоль северного морского пути – находились такие. При этом, конечно, они сами получали изрядную дозу облучения, не говоря о том, что дальнейшая судьба радиоизотопного источника  уже не контролировалась. В общем, на международном уровне было принято решение о замене таких навигационных приборов и утилизации источников излучения.

Но для космоса РИТЭГ особенно актуален. Для дальнего космоса он является единственным вариантом источника электроэнергии. Возможность использования ЯЭУ в электродвигательных установках космических аппаратов рассматриваются очень активно. Есть продуктивные идеи с использованием термоэлектрического преобразования, обеспечивающим электроэнергией жизнедеятельность всех систем летательного космического аппарата. Под эту систему выбираем технические решения для создания преобразователя с оптимальными весогабаритными характеристиками. От плоских систем, которые были использованы в преобразователе «Бук», сейчас перешли к кольцевым термоэлектрическим батареям. Они получились более легкими и компактными, эта работа продолжается.

Кроме того, продолжается работа с радиоизотопными термоэлектрическими преобразователями. Планируется дальнейшее использование радиоизотопного термоэлектрического генератора. Термоэлектрические батареи для таких РИТЭГ могут быть изготовлены.

ритэг

РИТЭГ для космоса