Kernreaktoren im Weltraum: TEM

Der Höhepunkt von 20 Jahren Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Schaffung von Weltraumkraftwerken auf der Basis von Kernreaktoren in der UdSSR war der 1988 erschöpfte Plasma-A-Satellit. Diese Anlagen basierten auf der Technologie der thermionischen Energieumwandlung, die am Boden getestet wurde (mehr als 80 Testanordnungen wurden in Reaktoren von 100 bis 16.000 Stunden durchgeführt). Der Aufwand, der Umfang der Arbeit und die Schönheit der Idee erwiesen sich als so gewaltig, dass Sie in den Artikeln spezialisierter Organisationen, die Raumfahrzeuge mit Kernkraftwerken entworfen und geplant haben, in den nächsten 20 Jahren nur Ideen für Reaktoren mit thermionischen Emissionswandlern entwickeln werden. Das 20-jährige Gespräch über eine bessere Zukunft im Nuklear- und Weltraumbereich endete im Oktober 2009, als nicht viele Plasma-A-Entwicklungsprojekte finanziert wurden.und "Transport- und Energiemodul" mit Turbomaschinenumwandlung. Und an der Spitze des Projekts standen nicht die Personen, die zuvor an diesem Thema beteiligt waren. Eine der Schlüsselrollen bei dieser Umkehrung war neben den Bemühungen der Lobbyisten eine technische Idee im Zusammenhang mit der Freisetzung von Wärme im Weltraum.


Amerikanische AWS JIMO, ebenfalls mit einem Kernreaktor an Bord geplant

Es ist bekannt, dass das Gewicht der Hauptfeind von Weltraumkernkraftwerken ist und Kühlschränke für die Streuwärmeabgabe das schwerste Element solcher Geräte sind. Bei thermionischen Emissionswandlern wird dieses Problem recht elegant gelöst - ja, ihr Wirkungsgrad ist im Vergleich zum Turbinenzyklus niedrig, aber die Temperatur der Heizkörper der Heizkörper kann sehr hoch sein (etwa 1000 K, und der Reaktor selbst wird auf 1650 K erwärmt), und wie wir uns erinnern, hängt das Gewicht der Kühlschränke ab von der Temperatur bis zur Potenz von 1 / T ^ 4. Infolgedessen spielt diese Abhängigkeit vom Potenzgesetz die vierfach größere Wärmemenge wieder, die aus dem thermionischen Kernkraftwerk abgegeben werden muss. Nur wenn Sie nicht die revolutionäre Idee eines Tropf- CI haben.

Die Idee ist, dass Flüssigkeit nicht durch die Rohre in den emittierenden Platten getrieben wird, sondern direkt durch den Raum fliegt - von den Düsenformern der Düsen bis zum Tropfenabscheider. In diesem Fall kann theoretisch das Gewicht von CI um ein Vielfaches reduziert werden, und Verluste aufgrund der Verdampfung in ein Vakuum werden durch Auswahl einer speziellen Organosiliciumflüssigkeit gelöst. In dieser Situation beginnen thermionische Kernkraftwerke, ihr „Muttermal“ zu spielen - eine geringe Leistungsdichte bei Strom erzeugenden Brennstäben und ein Wirkungsgrad von 5 bis 8%.

Es ist ein solches TEM-Konzept - mit Turbomaschinenumwandlung von Wärmeenergie und Tropfkühlschränken, das 2009 vom Keldysh Center Center vorgeschlagen wurde. Die Innovation der Idee fiel auf dem Höhepunkt der „Entwicklung von Innovationen im Land“ durch Präsident Medwedew auf fruchtbaren Boden. Multipliziert mit der Stärke der Lobbyisten von Rosatom und des Leiters des IC Keldysh-Akademikers Koroteyev war es möglich, die elenden „archaischen“ Projekte von RKK Energia, KB Arsenal und JSC Red Star aus dem Vorstand zu streichen und erhalten Sie die geschätzte Finanzierung.


Die erste Entwurfsversion des TEM mit 4 Tropfkühlschränken (beige-braune Paneele). Unten in gefalteter Position rendern. (c) RKK Energy

Für die Durchführung von F & E im Jahr 2010 wurde ein Programm im Wert von 17 Milliarden Rubel gestartet, von denen 7,245 Milliarden Rubel dem Reaktor, 3,955 dem Energieumwandlungssystem und etwa 5,8 Milliarden dem verbleibenden Raumschiff zugewiesen wurden. Sie beauftragten das NIKIET-Institut (den Erfinder des Lead Fast BREST) ​​mit dem Bau des Kernreaktors, des nach ihm benannten Energieumwandlungssystems IC Keldysh und das gesamte Raumschiff - RSC Energia.

Das Erscheinen der ersten Ausgabe von TEM traf jeden Ingenieur, der den Kontext kannte. Ein ultrahochtemperatur (1600 K!) Schneller gasgekühlter Reaktor, Urancarbonitrid-Brennstoff (vielversprechend, aber wenig untersucht), Turbokompressoreinheiten, die 10 Jahre lang bei 60.000 U / min mit einer Temperatur an der Turbine von 1500 K betrieben werden, Wärmetauscher für dieselben 1500 K. Das erweiterbare Design des Geräts ist 54 Meter lang und 20 Meter breit. Im Ausgangszustand passt es unter die PH-Verkleidung. Ein Rekord-Megawatt-Weltraum-Elektrosystem mit einer Spannung von 4,5 Kilovolt, das 16 Ionen-Antriebssysteme mit einer Leistung von 60 Kilowatt liefert (10-mal leistungsstärker als die damals fliegenden und 1,5-mal leistungsstärker als Laborrekordhalter). Schließlich das Raumschiff selbst, das der zehnfachen Strahlungsdosis standhalten sollte,als das heutige typische Niveau von 100 Kilorad - Strahlung sowohl vom Reaktor als auch von den Strahlungsbändern, durch die Nutzlasten geschleppt werden müssten.


-2013. —

Das Projekt begann sich zu entwickeln und strahlte regelmäßig Perspektiven und Innovationen in Interviews, Fernsehen und Konferenzen aus. Rosatom übernahm die Arbeit am zügigsten - er verzichtete schnell auf den Carbonitridbrennstoff zugunsten des bekannten Oxids, es wurde ein Kernreaktor entworfen, eine Mischung aus Standard und Neuem. Mehrere hundert zylindrische Brennstäbe, die hochangereichertes Uranoxid in einkristallinen Molybdänschalen mit einem Durchmesser von 4 bis 5 mm enthalten, befinden sich in einem zylindrischen Edelstahlgehäuse mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Länge von etwa einem Meter. Die geschätzte Gesamtkraftstoffmasse beträgt 80-150 kg, abhängig vom erreichbaren Burnout. Die Kontrolle wird durchgeführt, indem 19 absorbierende Stäbe eines Kontrollsystems aus Borcarbid in einer Molybdänhülle bewegt und verlängert werden. Ein schneller Reaktor hat eine Wärmeleistung von 3,8 Megawatt und wird durch ein Gasgemisch aus 78% Helium und 22% Xenon bei einem Arbeitsdruck von 40 atm gekühlt. Die Temperatur des Gasgemisches am Einlass beträgt 1200 und am Auslass 1500 K (1227 ° C).


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Die kerntechnische Anlage wird von mehreren Rosatom-Unternehmen entwickelt, darunter Das IPPE, das seit vielen Jahrzehnten Weltraumkernkraftwerke entwickelt, NPO Luch, das Hochtemperatur-Brennelementtechnologien besitzt, und das interne Reaktorverhalten von TEM-Kernkraftelementen in einem Kreislauf mit einem heißen Arbeitsgasgemisch wurden vom NIIAR durchgeführt, das über die größte Flotte von Forschungsreaktoren im Land verfügt. Trotz des Ausscheidens aus dem NIKIET im Jahr 2012 hat der Chefkonstrukteur des Reaktors V.P. Smetannikovs Entwicklung des Reaktors verläuft nahezu planmäßig - ein Kreislauf mit einem neuen Kühlmittel und einem Standardbrennelement wurde getestet, ein partieller thermohydraulischer Prüfstand wurde erstellt, und am SIT in Sosnovy Bor wird ein bodengestütztes Kernkraftwerksmodell gebaut. Der Start dieser Anlage ist für 2015 geplant, und ein solcher Start wird zweifellos der Sieg der Nukleartechnik sein.


Eine frühe Version des RUGK-Reaktors für das TEM-Kernkraftwerk. (c) Rosatom

Eine weitere Zusammenarbeit des nach ihm benannten IC Keldysh, KBHM, KBHA und VNIIEM waren an einem Turbomaschinenwandler beteiligt. Bei TEM ist die Installation von 4 identischen Modulen mit einer Leistung von 250 Kilowatt geplant. Das System umfasst auch AC / DC- und DC / DC-Wandler, Pufferbatterien und zusätzliche Gerätekühlsysteme. Zusammen mit dem Kernreaktor sollte die Masse des Triebwerks 6800 kg betragen.


Schema und Parameter der Kernkraft TEM. (c) Keldysh Center.


Rahmen aus dem Video des nach ihm benannten Centers Keldysh mit einem Schnitt von 250 Kilowatt TEM Turbogenerator. (c) A. Ilyin

Wärmeenergie wird im Gasturbinenzyklus (Brighton) in elektrische Energie umgewandelt, wobei die an der Turbine extrahierte Gasenergie sowohl zum elektrischen Generator als auch zur Rotation des Kompressors gelangt, der die Gaszirkulation unterstützt. Über den Wärmetauscher wird die Restwärme in den zweiten Kreislauf abgegeben, wo sie mit Hilfe von Kühlschrankemittern in den Weltraum abgeführt wird.


Modell 250 kW Turbogenerator TEM 1: 2 (s) Anik

Die Komplexität der Entwicklung von Elementen eines Turbomaschinenumwandlungssystems ist vergleichbar mit der Komplexität eines Reaktors. Unabhängig davon sind alle Anforderungen realisierbar: Es gibt Gasturbinen mit Temperaturen über 1500 K, und Turbopumpen von Raketentriebwerken, die Wasserstoff pumpen, haben Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten von sogar mehr als 60.000 und 500 m / s. Um jedoch alles auf einmal in Kombination mit einer 10-jährigen wartungsfreien Ressource zu sammeln, war der Sprung deutlich über seinem Kopf. Beispielsweise sind Probleme mit Hochtemperatur-Gaswärmetauschern auf einmal eine vielversprechende Richtung für regenerative Gasturbinentriebwerke und gasdynamische Lager für Schwerelosigkeit nur schwer auf eine Schwerkraftressource zu testen.


TEM-Wärmetauscherplatten. (c) A. Ilyin

Im Jahr 2013 wurde das Informationszentrum nach benannt Keldysh berichtete über Erfolge bei der Erstellung von Prototypen aller wichtigen Elemente eines Turbomaschinenwandlers - zwei Arten von Wärmetauschern, ein Generator und eine Gasturbineneinheit. Nach den neuesten F & E-Daten sind sie jedoch recht knapp und die Ausrüstungsressourcen sind alles andere als notwendig. Bereits im Herbst 2013 wurde postuliert, dass Tropfkühlschränke weit von der Technik entfernt sind und noch nicht entwickelt werden können. Das versprochene Rekord-Ionen-ERE verblasst allmählich - die Probleme mit großen perforierten Elektroden mit einer hohen Ressource, die niemand auf der Welt lösen kann, bleiben ungelöst.


Der Prototyp des TEM-Ionenmotors aus dem Keldysh Center. Bereits kleiner als die ursprüngliche Idee © A. Ilyin


Option TEM mit Panel-Kühlschränken

Darüber hinaus ist die Interaktion des Keldysh-Zentrums (Teil von Roscosmos) unter der Leitung von Akademiker Koroteev mit anderen großen Raumfahrtunternehmen häufig angespannt, da Schlammsprühen ebenfalls nicht zum Fortschritt beiträgt. TEM, das in der Phase des vorläufigen Entwurfs wunderschön bemalt wurde, beginnt in der Phase der Bestätigung der Eigenschaften der Einheiten zu bröckeln.


Modell eines gefalteten TEM, Sommer 2013. Achten Sie auf ionische Motoren - es gab 24 gegen 15 auf dem frühen Modell. Kühlschränke tropfen immer noch

Schließlich zielte die Arbeit der von RSC Energia geleiteten Unternehmen darauf ab, ein mit einer Kernenergiequelle bewaffnetes Raumschiff zu schaffen. Energia war gezwungen, die Front der Arbeit aufzunehmen, was den Weg für die eigene Entwicklung eines Schleppers mit einem thermionischen Kernkraftwerk von Hercules versperrte, und die Front der Probleme war breiter als die der beiden anderen Haupt- „Bunts“. Es war notwendig, ein schweres Raumschiff mit allen traditionellen Elementen an Bord zu bauen - Orientierungs- und Orbitalmanöversysteme für Hydrazin-Raketentriebwerke, leistungsstarke Sonnenkollektoren und Telemetrie, Landungssysteme für Nutzlast und Betankung, Xenon-Tanks und schließlich 10 Jahre lang unter Strahlungsbedingungen funktionieren zu lassen. Noch spezifischere Elemente sollten geworden sein:
- Faltbinder zur Entfernung von Kernkraft aus dem Körper des Raumfahrzeugs mit einer 2,5-fachen Raumdehnung von 20 bis 54 Metern;
- die expandierenden Kühlmittelleitungen und ihre Abdichtung - all dies sollte unter Vakuum- und Strahlungsbedingungen reibungslos funktionieren;
- HI-Falttafeln mit einer Fläche von Hunderten von Quadratmetern;
- Hochspannungsleitungen für elektrischen Antrieb;
- Klappflügel mit elektrischem Antrieb und Kühlschrankstrahlern.


TEM-Vorentwurf nach RKK-Energia

All diese Pracht musste auf maximal 22 Tonnen geschoben werden, die die Trägerrakete Angara-5 aufnehmen kann. Tatsächlich begann RSC Energia unmittelbar nach der Veröffentlichung der Skizze des zukünftigen TEM, das TEM intensiv aus dem Projekt herauszuholen, nachdem einige der Aufgaben bei GKNPTs im. Khrunicheva und ein Teil - im Arsenal Design Bureau - die Schöpfer der Raumschiffe US-A und Plasma-A. RKK-Vertreter beginnen in einem Interview zu sagen, dass Schlepper, die auf dem SB basieren, nicht so schlimm sind. Arsenal wiederum bläst Staub aus seinen Schlepperprojekten von 300 bis 500 kW thermionischem Kernkraftwerk.


TEM-Reaktorabschnitt in der technischen Ausführungsversion. (c) NIKIET

Ende 2014 führt die schwierige Situation mit dem Projekt zu seiner Sequestrierung im Rahmen des Federal Space Program für 2016-2025. Es bleibt eine Finanzierung für die Forschung, und zwar hauptsächlich über die Linie, auf der einige Ergebnisse vorliegen - die eigentlichen Konverter für Kernreaktoren und Turbomaschinen. Der TEM-Weltraumstart wird aus den Plänen gestrichen, und wir sehen, wie die Zukunft, in der die Menschheit über neue Werkzeuge für die Weltraumforschung verfügt, schmilzt, wie auf den Fotos in Back to the Future. Wieder einmal, wie im Fall von Hercules oder JIMO, rollt die Menschheit zurück und kann die technische Barriere für die Schaffung leistungsfähiger Weltraumreaktoren nicht überwinden.

Source: https://habr.com/ru/post/de381701/