11 ноября 2019

В США обсуждают вид топлива для будущих космических ядерных энергоустановок

Википедия Википедия

Интерес к космическим реакторам в Соединённых Штатах растёт на глазах. Помимо широко известного проекта "Kilopower", в гонку за финансирование вступили проекты частных компаний.

Появление частников заставило задуматься над вопросом: "На каком топливе должны работать американские космические реакторы?".

Интерес космических ведомств к атому легко объясним. Только на ближайшие 15 лет НАСА и их коллеги из европейского космического агентства анонсировали, как принято говорить, амбициозные планы по исследованию Луны и Марса (а в случае Луны, можно смело употребить слово "освоение").

Ядерные реакторы способны обеспечить будущие лунные и марсианские базы энергией, а для миссий к Марсу - значительно сократить сроки полётов и, соответственно, снизить радиационную нагрузку на людей и оборудование.

Нынешняя волна интереса к космическому атому не первая, но у неё есть важное отличие от волн-предшественниц.

Раньше атом в космосе был делом государств и относился исключительно к программам военных. Сегодня в США говорится о его мирных или условно мирных применениях, а также о готовности подключить к разработке космических реакторных технологий частные компании.

Но это сразу ставит на повестку дня в США вопрос: "Допустимо ли применять в реакторах для освоения космического пространства высокообогащённый уран?".

Реактор SNAP-10A, первый и пока что единственный американский реактор, покинувший Землю, использовал в качестве топлива ВОУ. Реактор "Kilopower", разрабатываемый для будущих полётов, также ориентирован на работу с ВОУ.

Альтернативным топливным материалом для космоса может стать НОУ или, точнее говоря, HALEU - уран с обогащением до 20%, всё ещё остающийся гражданским. К каким последствиям приведёт конверсия космических программ с ВОУ на НОУ?

С точки зрения эффективности реакторы на НОУ практически без вариантов проиграют реакторам на ВОУ.

Они будут тяжелее по массе, менее приспособлены к работе на требуемых в космосе малых мощностях. Их проекты станут более сложными, их кампания может оказаться короче, а технологические риски, связанные с их разработкой, будут выше, чем для реакторов с ВОУ.

В плане ядерной безопасности НОУ-реакторы также уступают. Так, вследствие их более сложной конструкции будет труднее исключать реактивностные аварии, а их большие по сравнению с ВОУ-реакторами размеры в условиях космических ограничений сократят проектное пространство для систем управления авариями.

В конце концов, реакторные проекты с ВОУ-топливом на сегодняшний день просто лучше проработаны. Переход на НОУ означает сдвиг сроков готовности космических реакторов к практическому использованию.

Но и у ВОУ-реакторов есть свои слабые места. Прежде всего, это их цена. Сам по себе высокообогащённый уран весьма дорогой товар, а к этому нужно добавить расходы на обеспечение физической безопасности ВОУ на всех стадиях изготовления топлива и его последующего хранения до запуска космического аппарата.

По классификации министерства энергетики США низкообогащённый уран относится к материалам категории IV, а высокообогащённый уран - к материалам категории I, то есть к категории материалов, требующих наивысшего уровня физической безопасности.

Что означает применение материалов категории I? Прежде всего, расходы, расходы и ещё раз расходы - на вооружённую охрану, на системы учёта и контроля, и на многое другое. Стоимость одних только лабораторий и производственных объектов, где ведутся работы с ВОУ, обойдётся в десятки миллионов долларов каждый.

Помимо расходов, ВОУ-реакторы столкнутся с бюрократическими проблемами, которые, в свою очередь, могут результировать в дополнительные расходы.

Например, для запуска космического аппарата, на борту которого находится партия ВОУ в любом виде, потребуется разрешение президента США. А если такой аппарат упадёт при пуске, то в обязательном порядке должна стартовать спасательная операция по сбору максимально возможного количества вернувшегося на Землю урана.

Не забудем и о политических рисках. Против использования ВОУ в космосе начнут резко возражать нераспространенцы, так как это вступит в противоречие с их программой по изъятию ВОУ из мирного оборота. И МАГАТЭ может сказать своё слово - например, поинтересоваться, кто возьмётся за доставку инспекторов агентства на Луну и Марс для контроля за непереключением?

Таким образом, взвесив все риски, частные компании почти наверняка откажутся от космических реакторных программ США, если топливным материалом будет выбран ВОУ. А это значит, что расходы на них придётся нести американскому государству, чему оно вряд ли будет радо.

Улучшить, хотя бы частично, показатели НОУ-реакторов возможно за счёт введения в их конструкцию замедлителей.

Самый хороший и опробованный замедлитель - это вода (лёгкая и тяжёлая), но обсуждать всёрьёз водные замедлители для условий космоса не получится. Теоретически можно представить себе такой проект, но он однозначно будет сильно ограничен по температурам.

Если вода под запретом, то конструкторам остаются только гидриды металлов. Запасной вариант - графит и бериллий, но это материалы с большим атомным весом, чем водород, и по этой причине не так хороши в качестве замедлителя.

Из гидридов металлов наиболее известным и чаще всего предлагаемым для космоса материалом является гидрид циркония. Из других вариантов в США упоминают гидрид иттрия.

Основная сложность с гидридами - отсутствие достаточного объёма экспериментальных данных об их поведении при условиях (в первую очередь, температурах), требуемых для космических реакторов. Так, например, опыт реакторов TRIGA не подойдёт из-за низких температур, а опыт SNAP-10A практически бесполезен из-за его малой мощности и короткой кампании.

А проблемы у гидридов в космосе обязательно возникнут. При высоких реакторных температурах начнётся диффузия водорода в гидриде. Следовательно, конструкторам понадобится вводить специальные защитные меры - например, помещать замедлитель в противодиффузную оболочку, материал для которой ещё предстоит подобрать.

Работы по направлению космических реакторов с НОУ-топливом и замедлителем в США ведутся, и есть уже целый набор (бумажных!) концепций.

Но сроки их завершения неясны, а страшным сном американского космоса стала опасность того, что другие страны не станут отказываться от ВОУ и их космические реакторы выйдут эффективнее и лучше по параметрам, чем потенциальные НОУ-реакторы США.