Как охладить реактор в космосе
«Сделано у нас» и на Яндекс.Дзен
Cегодня это один их самых популярных каналов в Дзен, с полуторамиллионной аудиторией и 140 тысячами подписчиков. Присоединяйтесь! Канал «Сделано у нас» не дублирует сайт, а дополняет его.
Вступайте в другие наши группы и добавляйте нас в друзья 🙂
Российские физики решили задачу по капельному охлаждению космических ядерных двигателей
На международном авиасалоне МАКС-2015 Московский физико-технический институт (МФТИ) продемонстрировал восемь новых разработок, и в числе их — модель капельного охлаждения ядерных энергодвигательных систем.
Ранее идея капельной системы охлаждения считалась нерабочей, главным образом из-за воздействия солнечного излучения на охлаждающую жидкость в открытом космическом пространстве, поясняется в материалах вуза. Однако математическая модель, разработанная в МФТИ, впервые продемонстрировала, что воздействие этих факторов нейтрализуемо, а значит, капельная система охлаждения все-таки может существовать и использоваться для космических полетов на дальние расстояния.
Космические полеты на дальние расстояния требуют мощных двигателей, которые работают на ядерных энергоустановках. Такие установки сильно нагреваются, и им требуется эффективная система охлаждения — причем тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство, то есть делать это можно только в виде излучения. Традиционный способ решения этой задачи — выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует жидкость-теплоноситель, излучая лишнее тепло в космос. Но такие радиаторы как правило имеют большой вес и габариты, кроме того они никак не защищены от попадания метеоритов.
Ученые предложили новое решение: капельный холодильник-излучатель. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. Таким способом жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), конструкция становится существенно легче, плюс повышается ее живучесть — метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит системе охлаждения.
Однако здесь появляется следующая проблема: капли жидкости-теплоносителя под действием солнечного излучения, частиц ионосферы и других эффектов заряжаются и начинают разлетаться в разные стороны, не попадая в приемник. Именно из-за этой проблемы капельная система охлаждения до сих пор не считалась применимой в космической технике, и именно этой проблеме ученые МФТИ сумели найти решение.
«Мы создали программный комплекс для расчета системы охлаждения космических энергоустановок повышенной мощности, — говорит Наталья Завьялова, заведующая лабораторией Моделирования механических систем и процессов Факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ. — По сути, мы сделали численное описание открытой части этой системы, то есть той части, где жидкость перемещается в открытом космическом пространстве. Важно было правильно оценить эффект разлета и придумать, как его скомпенсировать. Для этого коллектив нашей лаборатории создал специальный комплекс программ, который позволяет моделировать реальные условия полета в космическом пространстве».
Разработка не ограничилась математическим моделированием — в лаборатории МФТИ была сконструирована специальная установка, позволяющая создать условия, приближенные к реальному космическому полету. На ней был проведен цикл отработки и испытаний, и результаты показали: предложенное решение работает. Следующим шагом станет эксперимент в космосе.
Решение предложено в рамках грандиозного проекта — начатой в 2010 году президентской программы по созданию ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Цель проекта — повышение энерговооруженности космических аппаратов на орбите. Установка должна в десятки раз превзойти предшественников по мощности и экономической эффективности и решить ряд задач — например, сделать возможными дальние космические перелеты и удешевить стоимость доставки спутников на нужные орбиты.
Для реализации этого проекта были объединены НИИ и предприятия Росатома, Роскосмоса, университеты министерства образования и науки РФ. Перед учеными МФТИ была поставлена задача моделирования перспективной системы охлаждения для такой установки.
Разработка «Моделирование капельной системы охлаждения космической энергодвигательной установки мегаваттного класса для ТЭМ» была представлена на выставке «Вузовская наука и авиационно-техническое творчество молодежи», проходящей в рамках МАКС-2015 в Жуковском.
В РФ успешно испытана система охлаждения ядерного двигателя
Один из наиболее важных элементов космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) – система охлаждения – успешно прошла наземные испытания, сообщает РИА Новости.
Мероприятия выполнены в полном объеме, результаты соответствуют требованиям задания, отмечается в акте приемки работ.
Испытания ЯЭДУ мегаваттного класса проводились в условиях, максимально приближенных к космическим. При этом выявлены закономерности функционирования узлов перспективной системы отвода тепла.
Исполнитель работ – Исследовательский центр им. Келдыша. Заказчик – «Роскосмос».
Специалисты пояснили, что ядерные двигатели могут обеспечить полеты на дальние расстояния, но при этом сильно нагреваются. Традиционные способ – выносимые во внешнюю часть корабля панельные радиаторы, по трубам которых циркулирует специальная жидкость-теплоноситель, «отдающая» лишнее тепло в космос, – имеет существенный недостаток: большой вес и размеры. Кроме того, радиаторы никак не защищены от попадания космических тел (метеоритов).
Новое решение основано на принципе так называемого капельного холодильника-излучателя. Установка похожа на душ, который распыляет нагревшуюся жидкость прямо в открытое космическое пространство. Там она отдает тепло, потом улавливается заборным устройством и вновь повторяет весь цикл. Благодаря этому конструкция значительно сбросила вес и стала более живучей – метеорит, пролетевший сквозь жидкость, не принесет ущерба системе охлаждения.
Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса реализуется в РФ с 2010 года. Он позволит решать многие космические задачи, в том числе исследование Луны, а также полеты к другим планетам.
Параллельно идут работы по созданию сверхтяжелой ракеты, запуск которой намечен на 2028 год. Ее предполагаемая грузоподъемность – 100 тонн. К концу следующего года должно быть завершено эскизное проектирование ракеты.
Как сообщил в своем «Твиттере» глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин, в настоящее время обсуждается технический облик «сверхтяжа».
Как охладить реактор в космосе
Войти
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
Главный секрет ядерного планетолета из России
Решение с охлаждением ядерного реактора в космосе снимает вопрос по ограничению его мощности, а следовательно, и по скорости перелетов.
Напомню цифры. Титан, один из крупнейших спутников Сатурна, почти в 2 раза массивнее Луны. Это целая планета, с громадными метановыми озерами. Чуть большего размера Ганимед у Юпитера, на нем есть крупные запасы воды, так же как и на Европе и Каллисто. Так вот, при наличии дешевых и скоростных грузовых межпланетников, экономика снабжения марсианских поселений водой и углеводородами со спутников Юпитера становится намного более эффективной, чем тащить это всё допотопными реактивными ракетами с Земли. Далеко не один Илон Маск заплачет горючими слезами от таких новостей. Его, на сегодня безвозвратно устаревшая технология, не может даже вернуть человека с Марса.
Повторюсь. Снятие запрета на ограничение мощности ядерного реактора в космосе снимает вопрос межпланетной экономики и логистики.
Чем больше мощность ядерных реакторов в космосе, тем быстрее, ближе и дешевле доступ к планетам. Помните единственную страну в мире, непонятно по какой причине, вложившей ресурсы в корпорацию Росатом? Опять «Путин виноват», теперь уже в прорыве существ с Земли к освоению планетарной системы своей звезды?
Давайте посмотрим на то, что мы уже давно имели.
Во-первых, это технологии ядерных реакторов в космосе.
Во-вторых, это ионные двигатели, которые сегодня обеспечивают экономику коммуникационных спутников на геостанционарной орбите. Чего бы стоила долгоживущая и хваленая западная электроника на комуникационных спутниках-ретрансляторах, если для удержания ее на орбите с удалением в 40 тыс. км от Земли не использовать самые эффективные ионки из России?
В «путинском мультике» показаны ионные монстры, которые работают от ядерного мегаватного реактора. Или гигаватного, какая теперь уже разница? Закинуть на орбиту энергоблок от АЭС ниакого труда не составляет. Причем, по имеющемуся опыту на двигателях в 3 киловата уже известно, что ионки по удельной тяге в 20 раз превышают потуги допотопных реактивных двигателей эпохи Илона Маска, объявленного либералами «технологической иконой» и «визионером» (т.е. «пророком будущего»).
Давайте разберемся подробнее. Скажите, а что известно вам о мощности и возможностях реактивных ракет? Известно ли вам, что про самый мощный американский Сатурн-V заявляли, что он может целых 75 минут освещать Нью-Йорк? А известно ли вам, что 94% этой мощности потрачено, чтобы добраться до низкой орбиты и всего лишь 6% мощности оказалось возможным использовать, чтобы долететь от Земли до Луны?
Вот теперь, очень легко понять, какие мощности уже сегодня нам технологически доступны на межпланетных трассах. Всего лишь 2-3 гигаватных ядерных реактора с межпланетников России могут совершенно спокойно освещать Нью-Йорк не 4,5 минуты, а 10-15 лет. Причем, вся эта энергия тратиться на непрерывное обеспечение полетов по межпланетным трассам. Да еще и ничто не мешает эту и еще большую мощность собрать на одном корабле.
Вот итоговая цифра: сочетание ядерных реакторов и ионных двигателей дает превосходство над реактивной эпохой с соотношением 1 000 000 : 1. Другими словами, наши возможности в космосе умножаются ровно на 1 миллион. Или, на шесть порядков.
Чтобы понять масштаб происходящего перелома, просто сравните эпоху викингов на веслах и эпоху реактивных авиалайнеров, которым через океан надо попасть.
Именно такой масштаб скачка обеспечивают сегодняшние ученые и инженеры России. И не спрашивайте у них, что там за океаном делать можно и на заявляйте, что плыть так далеко от дома нет никакого смысла. Задумайтесь о том, что бывает, если свои возможности в 1 миллион раз увеличить.
Весь секрет в том, каким образом в космосе обеспечить охлаждение рабочего тела. На Земле для этого используют большие водохранилища. Вот, например, Ростовская АЭС с дармовым холодильником в виде естественного водоема:
Как же можно таскать с собой в космосе квадратные километры радиаторов? Вот это и есть секрет планетолета России.
Однако! Панели охлаждения явно не имеют километровых габаритов. И вот в этом месте «мультик Путина» скромно намекает, что российские инженеры решили вопрос с новыми материалами, которые за счет волоконной структуры создают громадную излучающую поверхность, причем сами материалы имеют высокую эффективность преобразования тепловых колебаний атомов в излучение.
«Арсенал» предоставил «мультик Путина». Верить этим мультикам или нет, пусть каждый решает насколько и кому это аукнется. Особенно, пусть рвет мозг об этом у либералов всех мастей от коричнево-рыночных до красных. В прошлый раз с «мультиками» для них получилось очень больно и очень весело для нас.
Ядерные реакторы в космосе: ТЭМ
Вершиной 20 летних исследовательских и конструкторских усилий по созданию космических энергоустановок на базе ядерных реакторов в СССР стал полетевшая в 1988 году двойка спутников «Плазма-А». Эти установки базировались на отлаженной на земле технологии термоэмиссионного преобразования энергии (более 80 испытательных сборок провели в реакторах от 100 до 16000 часов). Вложенные усилия, масштаб работ и красота идеи оказались настолько мощными, что последующие 20 лет в статьях профильных организаций, проектировавших и планировавших КА с ЯЭУ вы не найдете ничего, кроме развития идей реакторов с термоэмиссионными преобразователями. 20 лет разговоров про светлое ядерно-космическое будущее оборвались в октябре 2009 года, когда финансирование получили не многочисленные проекты развития «Плазма-А», а «Транспортно-энергетический модуль» с турбомашинным преобразованием. И во главе проекта встали совсем не те люди, которые занимались этой тематикой раньше. Одну из ключевых ролей в таком развороте кроме усилий лоббистов сыграла одна техническая идея, связанная со сбросом тепла в космосе.
Американская АМС JIMO, тоже планировавшаяся с ядерным реактором на борту
Хорошо известно, что вес — это главный враг космических ЯЭУ, а холодильники для сброса паразитного тепла — самый тяжелый элемент подобных аппаратов. В варианте с термоэмиссионными преобразователями этот вопрос решается довольно элегантно — да, их КПД невелик по сравнению с турбинным циклом, но температура холодильников излучателей может быть очень высока (порядка 1000К, а сам реактор разогрет до 1650К), а как мы помним, вес холодильников зависит от температуры в степени 1/T^4. В итоге эта степенная зависимость переигрывает вчетверо больший объем тепла, который надо сбросить с термоэмиссионной ЯЭУ. Только если у вас нет революционной идеи капельного ХИ.
Идея заключается в том, что бы вместо того, что бы гонять жидкость по трубкам внутри излучающих панелей, она полетит прямо сквозь космос — от форсунок-формирователей струй до каплеуловителя. При этом, теоретически, вес ХИ можно сократить в разы, а потери на испарение в вакуум решаются подбором специальной кремнеорганической жидкости. В таком раскладе у термоэмиссионых ЯЭУ начинает играть их «родимое пятно» — невысокая плотность мощности на электрогенерирующих твэлах, ну и кпд в 5-8%.
Именно такой концепт ТЭМ — с турбомашинным преобразованием тепловой энергии и капельными холодильниками был предложен ФГУП «Центр Келдыша» в 2009 году. Новаторство идеи легло на благодатную почву пика «развития инноваций в стране» президентом Медведевым, а помноженное на силу лоббистов Росатома и главы «ИЦ Келдыша» академика Коротеева позволило смести жалкие «архаичные» проекты РКК Энергии, КБ Арсенал, ОАО «Красная звезда» с доски и получить заветное финансирование.
Первый эскизный вариант ТЭМ с 4 капельными холодильниками (бежево-коричневые полотнища). Снизу рендер в сложенном положении. (с) РКК Энергия
Облик первой редакции ТЭМ поражал любого инженера, знающего контекст. Сверхвысокотемпературный (1600К!) быстрый реактор, охлаждаемый газом, топливо из карбонитрида урана (перспективное, но малоизученное), турбокомпрессорные установки, работающие на 60000 оборотах в минуту c температурой на турбине 1500К непрерывно 10 лет, теплообменники, на те же 1500К. Раздвигающаяся конструкция аппарата длинной 54 метра и шириной 20, в исходном состоянии укладывающаяся под обтекателем РН. Рекордная мегаваттная космическая электросистема с напряжением 4,5 киловольта, питающая 16 ионных ЭРД мощностью по 60 киловатт (в 10 раз мощнее летавших на тот момент и в 1,5 раза мощнее лабораторных рекордсменов). Наконец сам космический аппарат, который должен был выдерживать в 10 раз большую дозу облучения, чем сегодняшний типичный уровень в 100 килорад — облучения как от реактора, так и от радиационных поясов, сквозь которые пришлось бы буксировать полезные нагрузки.
Плакат ТЭМ на МАКС-2013. За ядерным блоком слева и справа видны две основные концепции — с капельными и панельными ХИ
Модель активной зоны ТЭМ для гидравлических испытаний. Простим НИКИЭТ за плохое качество довольно уникального изображения
Ядерную установку разрабатывает несколько предприятий Росатома, в т.ч. ФЭИ, много десятилетий занимавшийся разработкой космических ЯЭУ, НПО «Луч», владеющий технологиями высокотемпературных твэлов, а внутриреакторное поведение элементов ЯЭУ ТЭМ в петле с горячей рабочей газовой смесью вел НИИАР, обладающий самым большим парком исследовательских реакторов в стране. Не смотря на уход с битьем посуды из НИКИЭТ в 2012 году главного конструктора реактора В.П. Сметанникова разработка реактора продолжается практически в графике — испытана петля с новым для ядерщиков теплоносителем и штатным твэлом, создан частичный теплогидравлический стенд, а в НИТИ в Сосновом Бору строится наземный образец ЯЭУ. Запуск этой установки планируется на 2015 год, и такой запуск будет безусловной победой ядерной инженерной науки.
Ранняя версия реактора РУГК для ЯЭУ ТЭМ. (с) Росатом
Другая кооперация из ИЦ им. Келдыша, КБХМ, КБХА и ВНИИЭМ занималась турбомашинным преобразователем. На ТЭМ планируется установить 4 одинаковых модуля мощностью по 250 киловатт. В систему входят так же AC/DC и DC/DC преобразователи, буферные аккумуляторы, дополнительные системы охлаждения оборудования. Вместе с ядерным реактором масса энергоблока должна была составить 6800 кг.
Схема и параметры ЯЭДУ ТЭМ. (с) Центр Келдыша
Кадр из ролика Центра им. Келдыша с разрезом 250 киловаттного турбогенератора ТЭМ. (с) А. Ильин
Тепловая энергия превращается в электрическую в газотурбинном цикле (Брайтона), где энергия газа, извлеченная на турбине идет как на электрический генератор, так и на вращение компрессора, поддерживающего циркуляцию газа. Через теплообменник остаточное тепло сбрасывается во второй контур, где рассеивается в космос с помощью холодильников-излучателей.
Модель 250 кВт турбогенератора ТЭМ 1:2 (с) Аник
Сложности по разработке элементов системы турбомашинного преобразования сравнимы со сложностью реактора. По отдельности все требования выполнимы: существуют газовые турбины и на большие, чем 1500К температуры, а турбонасосы ракетных двигателей, перекачивающие водород, имеют частоты вращения и окружные скорости даже выше, чем 60000 и 500 м/с. Однако собрать все сразу в сочетании с 10 летним необслуживаемым ресурсом — прыжок был явно выше головы. Например, проблемы с высокотемпературными газовыми теплообменниками в свое время зарубили очень перспективное направление регенеративных газотурбинных двигателей, а газодинамические подшипники для невесомости довольно сложно испытывать на ресурс в условиях гравитации.
Пластины опытного теплообменника ТЭМ. (с) А. Ильин
В 2013 году ИЦ им. Келдыша рапортовал об успехах по созданию прототипов всех важнейших элементов турбомашинного преобразователя — двух типов теплообменников, генератора и газотурбинной установки. Однако по последним данным НИР идут довольно туго и ресурс оборудования далек от нужного. Уже осенью 2013 постулируется факт, что капельные холодильники далековаты от инженерного воплощения, и разработать их пока не получится. Обещанные рекордные ионные ЭРД постепенно мельчают — проблемы с большеразмерными перфорированными электродами с высоким ресурсом, которые не умеет решать никто в мире остаются нерешенными.
Прототип ионного двигателя ТЭМ от Центра Келдыша. Уже помельчавших в размерах по сравнению с изначальной задумкой © А. Ильин
Вариант ТЭМ с панельными холодильниками
Кроме того, взаимодействие Центра Келдыша (входящего в Роскосмос), возглавляемого академиком Коротеевым с остальными крупными космическими предприятиями зачастую носит натянутый характер с взаимным поливанием грязью, что тоже не способствует прогрессу. ТЭМ, красиво расписанный на этапе эскизного проекта начинает рассыпаться на этапе подтверждения характеристик агрегатов.
Модель сложенного ТЭМ, лето 2013 года. Обратите внимание на ионные двигатели — их стало 24 против 15 на ранней модели. Холодильники все еще капельные
Наконец, работа предприятий во главе с РКК “Энергия” была направлена на создание собственно космического аппарата, вооруженного ядерным энергоисточником. “Энергия” вынуждена была взяться за фронт работы, который перекрывал путь ее собственной разработке буксира с термоэмиссионной ЯЭУ “Геркулес”, да и фронт проблем был шире чем у двух других основных “головняков”. Необходимо было создать тяжелый КА, имеющий на борту все традиционные элементы — системы ориентации и орбитального маневрирования на гидразиновых ЖРД, мощные солнечные батареи и телеметрию, системы причаливания к полезной нагрузке и заправки, ксеноновые баки и наконец заставить это все работать 10 лет в радиационных условиях. Еще более специфическими элементами должны были стать:
— раскладывающиеся фермы для выноса ЯЭУ от тела КА, с удлинением в космосе в 2,5 раза, с 20 до 54 метров;
— раздвигающиеся трубопроводы теплоносителя их герметизация — все это должно безотказно работать в условиях вакуума и радиации;
— раскладывающиеся панели ХИ площадью в сотни квадратных метров;
— высоковольные линии запитки ЭРД;
— раскладывающиеся крылья, несущие ЭРД и холодильники-излучатели.
Эскизный проект ТЭМ в представлении РКК-Энергия
Все это великолепие требовалось упихать в максимальные 22 тонны, которые способна выводить РН «Ангара-5». Фактически, сразу после выдачи эскиза будущего ТЭМ РКК «Энергия» начинает усиленно отгребать от проекта ТЭМ, скинув часть задач на ГКНПЦ им. Хруничева, а часть — на КБ Арсенал — создателей КА «УС-А» и «Плазма-А». Представители РКК начинает рассказывать в интервью, что буксиры на базе СБ не так и плохи. Арсенал, в свою очередь сдувает пыль со своих проектов буксиров с 300-500 кВт термоэмиссионной ЯЭУ.
Разрез реактора ТЭМ в версии технического проекта. (с) НИКИЭТ
Британцы придумали охлаждение для термоядерного реактора — как охладить солнце
Управляемая термоядерная реакция — это когда человек может контролировать процесс, при котором выделяется больше энергии, чем на солнце. Ученые давно работают над этой технологией, и до последнего времени их останавливала только проблема износа внутренних частей реактора из-за повышенных температур. Но, кажется, термоядерные источники энергии скоро появятся в каждом доме — британские ученые нашли способ снизить нагрев и сделать механику практически вечной.
Британские ученые разработали новый токамак, который способен значительно снизить уровень нагрева в термоядерном реакторе. Это изобретение называется MAST — сферический токамак Mega Amp.
Дело в том, что плазма, которая возникает в результате синтеза тяжелых элементов, может разогреваться выше температуры солнца, что очень быстро уничтожает внутренние части реактора. Именно поэтому технология до сих пор не появилась в масштабах коммерческого использования.
До последнего времени ученые проводили эксперименты с различными способами снизить нагрев и исключить молниеносное повреждение вольфрамовых плиток внутри системы. Самое эффективное решение предложили ученые их Калхэма в Оксфордшире.
Разработка MAST позволяет снизить температуру реакции в несколько раз, что значительно упрощает использование термоядерных систем в повседневной жизни. Для этого ученые разработали дивертор Super-X — система охлаждения, которая способна снизить температуру плазмы со 150 млн °C до 300 °C.
Обновленный токамак, который строили в течение семи лет, функционирует с октября прошлого года, и ученые считают, что эксперимент по введению в строй нового реактора прошел успешно.
Если дальнейшие тесты подтвердят эффективность новой системы, то в ближайшем будущем существующие источники энергии будут заменены более эффективными термоядерными реакторами, которые не требуют частого обслуживания и замены рабочих частей. Ученые ожидают, что первые экономически оправданные термоэлектростанции появятся в Англии уже к 2040 году.