المفاعلات النووية في الفضاء: TEM

كان ذروة 20 عامًا من جهود البحث والتطوير لإنشاء محطات طاقة فضائية تعتمد على المفاعلات النووية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية هو القمر الصناعي بلازما- A المنضب في عام 1988. استندت هذه التركيبات إلى تقنية تحويل الطاقة الحرارية ، والتي تم تصحيحها على الأرض (تم تنفيذ أكثر من 80 مجموعة اختبار في مفاعلات من 100 إلى 16000 ساعة). اتضح أن الجهود وحجم العمل وجمال الفكرة كانت قوية لدرجة أنه في العشرين سنة القادمة في مقالات المنظمات المتخصصة التي صممت وخططت للمركبات الفضائية مع محطات الطاقة النووية لن تجد سوى تطوير أفكار للمفاعلات مع محولات الانبعاثات الحرارية. 20 عامًا من الحديث عن مستقبل نووي وفضائي أكثر إشراقًا انتهى في أكتوبر 2009 ، عندما لم يتلق الكثير من مشروعات تطوير Plasma-A التمويل ،و "وحدة النقل والطاقة" مع تحويل التوربينات. وعلى رأس المشروع لم يكن الأشخاص الذين شاركوا في هذا الموضوع من قبل. أحد الأدوار الرئيسية في هذا الانعكاس ، بالإضافة إلى جهود جماعات الضغط ، لعبت فكرة فنية واحدة تتعلق بإطلاق الحرارة في الفضاء.


كما خططت AWS JIMO الأمريكية مع وجود مفاعل نووي على متنها

من المعروف جيدًا أن الوزن هو العدو الرئيسي لمحطات الطاقة النووية في الفضاء ، وأن ثلاجات التفريغ الحراري الشارد هي أثقل عنصر في هذه الأجهزة. في حالة محولات الانبعاث الحراري ، يتم حل هذه المشكلة بأناقة - نعم ، كفاءتها منخفضة مقارنة بدورة التوربين ، ولكن درجة حرارة مشعات المشعات يمكن أن تكون عالية جدًا (حوالي 1000 كلفن ، ويتم تسخين المفاعل نفسه إلى 1650 كلفن) ، وكما نتذكر ، يعتمد وزن الثلاجات من درجة الحرارة إلى قوة 1 / T ^ 4. ونتيجة لذلك ، يعيد هذا الاعتماد على قانون الطاقة تشغيل كمية أكبر من الحرارة أربع مرات يجب تفريغها من محطة الطاقة النووية الحرارية. فقط إذا لم يكن لديك فكرة ثورية بالتنقيط CI.

الفكرة هي أنه بدلاً من قيادة السوائل عبر الأنابيب الموجودة داخل الألواح الباعثة للانبعاث ، فإنه سيطير مباشرة عبر الفضاء - من فتحات تهوية الطائرات إلى مزيل القطرات. في هذه الحالة ، من الناحية النظرية ، يمكن تقليل وزن CI عدة مرات ، ويتم حل الخسائر الناجمة عن التبخر في الفراغ عن طريق اختيار سائل سيليكون عضوي خاص. في هذه الحالة ، تبدأ محطات الطاقة النووية الحرارية في لعب "علامة الولادة" - كثافة منخفضة للطاقة على قضبان الوقود المولدة للكهرباء ، وكفاءة 5-8٪.

إنه مفهوم TEM - مع تحويل التوربيني للطاقة الحرارية وثلاجات التنقيط التي اقترحها مركز مركز Keldysh في عام 2009. وقع ابتكار الفكرة على أرض خصبة في ذروة "تطوير الابتكارات في البلاد" من قبل الرئيس ميدفيديف ، وضربها بقوة اللوبيين في Rosatom ورئيس الأكاديمي IC Keldysh Koroteyev ، كان من الممكن تبديل المشاريع البائسة من RKK Energia ، KB Arsenal ، OJSC Krasnaya والحصول على تمويل عزيز.


النسخة الأولى من TEM مع 4 ثلاجات بالتنقيط (ألواح باللون البني البيج). تقديم القاع في الوضع المطوي. (ج) RKK Energy

لإجراء البحث والتطوير في عام 2010 ، تم إطلاق برنامج بقيمة 17 مليار روبل ، تم تخصيص 7.245 مليار روبل للمفاعل ، و 3.955 لنظام تحويل الطاقة ، وحوالي 5.8 مليار روبل للمركبة الفضائية المتبقية. قاموا بتكليف معهد NIKIET (مبتكر BREST سريع الرصاص) للقيام بالمفاعل النووي ، نظام تحويل الطاقة - تم تسمية IC باسم Keldysh ، والمركبة الفضائية بأكملها - RSC Energia.

ضرب ظهور الطبعة الأولى من TEM أي مهندس يعرف السياق. مفاعل سريع التبريد (1600 كلفن) بالغاز ، ووقود كربونات اليورانيوم (واعد ، ولكن لم يدرس إلا القليل) ، ووحدات ضغط توربيني تعمل بسرعة 60 ألف دورة في الدقيقة مع درجة حرارة على التوربين 1500 كيلو لمدة 10 سنوات متواصلة ، ومبادلات حرارية لنفس 1500 كيلو. يبلغ طول التصميم القابل للتوسيع للجهاز 54 مترًا وعرضه 20 ، وهو في الحالة الأولية يناسبه تحت هدية PH. نظام كهربائي بمساحة ميجاوات قياسية بجهد 4.5 كيلو فولت ، يزود 16 نظام دفع كهربائي أيون بقوة 60 كيلووات (10 مرات أقوى من تلك التي كانت تحلق في ذلك الوقت و 1.5 مرة أقوى من حاملي السجلات المختبرية). وأخيرًا ، المركبة الفضائية نفسها ، التي كان من المفترض أن تتحمل 10 أضعاف جرعة الإشعاع الكبيرة ،من المستوى النموذجي اليوم الذي يبلغ 100 كيلوغرام - الإشعاع من كل من المفاعل وأحزمة الإشعاع ، والتي من خلالها يجب سحب الحمولات.


-2013. —

بدأ المشروع في التطور ، يضيء بانتظام مع وجهات النظر والابتكارات في المقابلات والتلفزيون والمؤتمرات. تولى Rosatom العمل بسرعة أكبر - حيث تخلت بسرعة عن وقود الكربونات لصالح أكسيد مألوف ، وتم تصميم مفاعل نووي ، وهو مزيج من المعيار والجديد. توجد عدة مئات من قضبان الوقود الأسطوانية التي تحتوي على أكسيد اليورانيوم العالي التخصيب في قذائف الموليبدينوم أحادية الكريستال بقطر 4-5 مم في مبيت أسطواني من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 50 سم وطول متر واحد تقريبًا. يبلغ إجمالي كتلة الوقود المقدرة 80-150 كجم ، اعتمادًا على الاحتراق الذي يمكن تحقيقه. يتم إجراء التحكم عن طريق تحريك وتوسيع 19 قضيب امتصاص لنظام التحكم من كربيد البورون في غلاف الموليبدينوم. المفاعل السريع لديه طاقة حرارية 3 ،8 ميغاوات ويتم تبريده بمزيج غاز 78٪ هيليوم و 22٪ زينون عند ضغط عمل 40 atm. درجة حرارة خليط الغاز عند المدخل 1200 ، وعند مخرج 1500K (1227 درجة مئوية).


.

يتم تطوير المنشآت النووية من قبل العديد من شركات Rosatom ، بما في ذلك تم إجراء IPPE ، الذي يعمل على تطوير محطات الطاقة النووية الفضائية لعدة عقود ، NPO Luch ، التي تمتلك تكنولوجيات عنصر الوقود عالي الحرارة ، وسلوك المفاعل الداخلي لعناصر الطاقة النووية TEM في حلقة مع خليط غاز ساخن يعمل بواسطة NIIAR ، التي لديها أكبر أسطول من مفاعلات البحث في البلاد. على الرغم من مغادرة NIKIET في عام 2012 ، فإن المصمم الرئيسي للمفاعل V.P. يستمر تطوير Smetannikov للمفاعل في الموعد المحدد تقريبًا: تم اختبار حلقة مع سائل تبريد جديد وعنصر وقود قياسي ، وتم إنشاء مقعد اختبار حراري هيدروليكي جزئي ، ويتم بناء نموذج لمحطة طاقة نووية أرضية في NITI في Sosnovy Bor. من المخطط إطلاق هذا التثبيت في عام 2015 ، وسيكون مثل هذا الإطلاق هو الفوز بلا شك للهندسة النووية.


نسخة مبكرة من مفاعل RUGK لمحطة TEM للطاقة النووية. (ج) Rosatom

تعاون آخر من IC تم تسميته باسم كانت Keldysh و KBHM و KBHA و VNIIEM تعمل في محول توربيني. في TEM ، من المخطط تركيب 4 وحدات متطابقة بسعة 250 كيلووات. يتضمن النظام أيضًا محولات AC / DC و DC / DC ، وبطاريات عازلة ، وأنظمة تبريد إضافية للمعدات. جنبا إلى جنب مع المفاعل النووي ، كان من المفترض أن تكون كتلة وحدة الطاقة 6800 كجم.


مخطط ومعلمات الطاقة النووية TEM. (ج) مركز كلدش -


إطار من فيديو المركز الذي يحمل اسمًا Keldysh بقطع توربيني 250 كيلووات TEM. (ج) أ. إيلين

يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في دورة التوربين الغازي (برايتون) ، حيث تذهب طاقة الغاز المستخرجة في التوربين إلى كل من المولد الكهربائي وإلى دوران الضاغط الذي يدعم دوران الغاز. من خلال المبادل الحراري ، يتم تفريغ الحرارة المتبقية في الدائرة الثانية ، حيث يتم تبديدها في الفضاء بمساعدة بواعث الثلاجة.


الموديل 250 kW turbogenerator TEM 1: 2 (s) Anik

تعقيد العناصر النامية لنظام التحويل التوربيني يضاهي تعقيد المفاعل. بشكل منفصل ، جميع المتطلبات مجدية: هناك توربينات غازية عند درجات حرارة أعلى من 1500 ألف ، ومضخات توربينية لمحركات الصواريخ التي تضخ الهيدروجين لها سرعات دوران وسرعات محيطية أعلى من 60،000 و 500 م / ث. ومع ذلك ، لجمع كل شيء في وقت واحد بالاشتراك مع مورد خالٍ من الصيانة لمدة 10 سنوات - كانت القفزة فوق رأسه بوضوح. على سبيل المثال ، أدت المشكلات المتعلقة بالمبادلات الحرارية الغازية ذات درجة الحرارة المرتفعة في وقت واحد إلى قطع اتجاه واعد للغاية لمحركات التوربينات الغازية المتجددة ، ومن الصعب جدًا اختبار محامل الغاز الديناميكية لعدم الوزن من أجل الحصول على مورد في الجاذبية.


لوحات المبادل الحراري TEM. (ج) أ. إيلين

في عام 2013 ، تم تسمية مركز المعلومات باسم أفاد Keldysh عن نجاحات في إنشاء نماذج أولية لجميع العناصر الأكثر أهمية لمحول التوربينات - نوعان من المبادلات الحرارية ، ومولد ووحدة توربينات غازية. ومع ذلك ، وفقًا لأحدث بيانات البحث والتطوير ، فهي ضيقة للغاية وموارد المعدات بعيدة عن الضرورة. بالفعل في خريف عام 2013 ، افترض أن ثلاجات التنقيط بعيدة عن الهندسة ، ولا يمكن تطويرها بعد. تتلاشى تدريجياً الطاقة الكهروضوئية الأيونية الموعودة تدريجياً - لا تزال مشاكل الأقطاب الكهربائية المثقبة كبيرة الحجم ذات الموارد العالية التي لا يمكن لأي شخص في العالم حلها بدون حل.


النموذج الأولي لمحرك أيون TEM من مركز Keldysh. أصغر بالفعل في الحجم مقارنة بالفكرة الأصلية © A. Ilyin


Option TEM مع ثلاجات لوحية

بالإضافة إلى ذلك ، فإن تفاعل مركز Keldysh (جزء من Roscosmos) ، الذي يرأسه الأكاديمي Koroteev مع مؤسسات الفضاء الكبيرة الأخرى ، غالبًا ما يكون متوترًا مع الرش الطيني المتبادل ، والذي لا يسهم أيضًا في التقدم. TEM ، الذي تم رسمه بشكل جميل في مرحلة التصميم الأولي ، يبدأ في الانهيار في مرحلة تأكيد خصائص الوحدات.


نموذج TEM مطوي ، صيف 2013. انتبه إلى المحركات الأيونية - كان هناك 24 مقابل 15 في النموذج المبكر. ثلاجات لا تزال بالتنقيط

أخيرًا ، كان الهدف من عمل الشركات بقيادة RSC Energia هو إنشاء مركبة فضائية مسلحة بمصدر للطاقة النووية. اضطرت شركة Energia إلى تولي العمل ، مما أعاق الطريق أمام تطوير زورق قطر بمحطة هرقل للطاقة النووية الحرارية ، وكانت جبهة المشاكل أوسع من تلك الخاصة بالآلتين الرئيسيتين الأخريين. كان من الضروري إنشاء مركبة فضائية ثقيلة مع جميع العناصر التقليدية على متنها - أنظمة توجيه ومناورة مدارية على محركات صاروخ هيدرازين ، وألواح شمسية قوية وقياس عن بُعد ، وأنظمة هبوط للحمل وإعادة التزود بالوقود ، وخزانات زينون ، وأخيرًا تجعلها تعمل لمدة 10 سنوات في ظروف الإشعاع. يجب أن تصبح العناصر الأكثر تحديدًا:
- دعامات قابلة للطي لإزالة الطاقة النووية من جسم المركبة الفضائية ، مع استطالة في مساحة 2.5 مرة ، من 20 إلى 54 مترًا ؛
- خطوط أنابيب التبريد الممتدة وختمها - يجب أن يعمل كل هذا بسلاسة في ظروف الفراغ والإشعاع ؛
- ألواح قابلة للطي HI بمساحة مئات الأمتار المربعة ؛
- خطوط طاقة عالية الجهد للدفع الكهربائي ؛
- أجنحة قابلة للطي تحمل بواعث دفع كهربائية وثلاجات.


التصميم الأولي لـ TEM كما تم تقديمه بواسطة RKK-Energia

كان مطلوبًا دفع كل هذا الروعة إلى 22 طنًا كحد أقصى ، والتي يمكن لمركبة الإطلاق Angara-5 أخذها. في الواقع ، فور إصدار مخطط TEM المستقبلي ، بدأت RSC Energia في تمشيط TEM بشكل مكثف من المشروع ، بعد أن ألغت بعض المهام في GKNPTs im. Khrunicheva ، وجزء - في مكتب تصميم ارسنال - مبدعي المركبات الفضائية US-A و Plasma-A. يبدأ ممثلو RKK في القول في مقابلة أن القاطرات القائمة على SB ليست سيئة للغاية. آرسنال ، بدوره ، ينفخ الغبار من مشاريع السحب الخاصة به من 300-500 كيلووات من محطة الطاقة النووية الحرارية.


قسم مفاعل TEM في إصدار التصميم الفني. (ج) نيكيه

في نهاية عام 2014 ، أدى الوضع الصعب مع المشروع إلى عزله في إطار برنامج الفضاء الفيدرالي للفترة 2016-2025. يبقى تمويلًا للأبحاث ، وبشكل رئيسي من خلال الخط الذي توجد فيه بعض النتائج - المفاعل النووي الفعلي ومحولات التوربينات. يتم إزالة إطلاق الفضاء TEM من الخطط ، ونرى كيف يذوب المستقبل ، الذي تمتلك فيه الإنسانية أدوات جديدة لاستكشاف الفضاء ، كما هو الحال في الصور في العودة إلى المستقبل. مرة أخرى ، كما في حالة هرقل أو JIMO ، تتراجع البشرية ، غير قادرة على التغلب على العائق التقني أمام إنشاء مفاعلات فضائية قوية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar381701/