Ядерные реакторы для космических аппаратов¶

Ядерные реакторы для космических аппаратов — это энергетические установки, преобразующие энергию деления тяжёлых ядер (обычно урана-235) в электрическую и (или) тепловую энергию для обеспечения работы космического аппарата. В отличие от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), использующих естественный распад, реакторы работают на управляемой цепной реакции, что позволяет достигать мощности от единиц киловатт до мегаватт, необходимой для длительных межпланетных миссий, работы мощных радиолокаторов и электроракетных двигателей.

¶История развития

Первые теоретические проработки космических ядерных установок появились в СССР и США в конце 1950-х годов. Практические программы стартовали в 1960-х годах в рамках гонки вооружений и космического соперничества.

В СССР было создано семейство спутников радиолокационной разведки «УС-А» (легенда «Космос») с ядерными реакторами типа «Бук» мощностью около 3 кВт. Первый запуск состоялся в 1970 году. Всего было запущено более 30 аппаратов, пока программа не была свёрнута в 1988 году после инцидента со спутником «Космос-954», упавшим на территорию Канады в 1978 году.

В США программа SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) включала реактор SNAP-10A, запущенный в 1965 году — единственный американский реактор, выведенный в космос. Он проработал 43 дня до выхода из строя.

В 1987 году СССР провёл два испытательных запуска аппаратов «Плазма-А» с реакторами «Енисей» (ТЭУ-5) мощностью до 10 кВт.

¶Устройство и принцип действия

Основные компоненты космического реактора:

• Активная зона с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) на основе диоксида урана или высокообогащённого уран-молибденового сплава.
• Регулирующие стержни (бериллиевые или с карбидом бора) для управления реактивностью.
• Радиационный щит для защиты полезной нагрузки от гамма- и нейтронного излучения.
• Система отвода тепла: жидкометаллический теплоноситель (натрий-калий, литий) или газ.
• Преобразователь энергии: термоэлектрический (прямое преобразование), термоэмиссионный (в советских реакторах «Тополь» и «Енисей») либо турбогенераторный цикл Брайтона.

Термоэмиссионный метод, применявшийся в СССР, основан на прямом преобразовании тепла в электричество за счёт термоэлектронной эмиссии с нагретого катода. Это позволяло обходиться без движущихся частей, повышая надёжность.

¶Классификация

По назначению реакторы делятся на:

• Энергетические (мощность 1–100 кВт) — для электроснабжения бортовых систем и научной аппаратуры.
• Двигательные (мощность 100 кВт – 10 МВт) — для питания электроракетных двигателей (ионных, магнито-плазменных) при межпланетных перелётах.

По типу теплоносителя и преобразования выделяют реакторы с термоэлектрическим, термоэмиссионным и динамическим (турбинным) преобразованием.

¶Современные проекты

В России с 2010-х годов ведётся разработка транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса с турбомашинным преобразованием энергии. Проект предполагает использование газоохлаждаемого реактора и предназначен для дальних космических миссий, включая полёты к Луне и планетам Солнечной системы.

В США компания NASA в рамках программы DRACO (совместно с DARPA) разрабатывает ядерный тепловой ракетный двигатель, использующий реактор для нагрева водорода. Испытания на орбите планируются на середину 2020-х годов. Также ведутся проекты реакторов Kilopower (1–10 кВт) для лунных и марсианских баз.

Китай в 2021 году объявил о планах создания космического реактора мощностью 1 МВт к 2030 году для лунной программы.

¶Преимущества и ограничения

Преимущества ядерных реакторов перед солнечными батареями:

• независимость от расстояния до Солнца и ориентации аппарата;
• высокая удельная мощность при длительной работе (годы);
• возможность питания мощных электроракетных двигателей.

Ограничения:

• высокая масса и сложность конструкции;
• необходимость радиационной защиты и мер по ядерной безопасности;
• риск радиоактивного заражения при авариях на старте или при входе в атмосферу;
• международные ограничения и протоколы безопасности, требующие захоронения отработавшего реактора на высокой орбите (орбита захоронения выше 800 км).

¶Интересные факты

• Реактор «Бук» содержал около 30 кг урана-235 и вырабатывал 100 кВт тепловой мощности.
• Спутник «Космос-954» рассеял радиоактивные обломки на площади около 100 тысяч квадратных километров в Канаде; операция по очистке обошлась в несколько миллионов долларов.
• В 2015 году Роскосмос оценивал стоимость создания ЯЭДУ мегаваттного класса в 17–20 миллиардов рублей.

¶Источники

• «Космические ядерные энергетические установки» / под ред. А. С. Коротеева, М.: Машиностроение, 1987.
• Дементьев В. А. «Ядерные ракетные двигатели и энергетические установки», М.: МИФИ, 2003.
• Отчёты NASA и DARPA по программе DRACO, 2021–2023.
• Материалы Госкорпорации «Роскосмос» о транспортно-энергетическом модуле, 2018–2024.