Reaktor Nuklir di Luar Angkasa: TEM

Puncak 20 tahun upaya penelitian dan pengembangan untuk menciptakan pembangkit listrik ruang angkasa berdasarkan reaktor nuklir di Uni Soviet adalah satelit Plasma-A yang terkuras pada tahun 1988. Pembangkit ini didasarkan pada teknologi konversi energi termionik, didebug di tanah (lebih dari 80 rakitan uji dilakukan dalam reaktor dari 100 hingga 16.000 jam). Upaya, skala pekerjaan dan keindahan ide ternyata begitu kuat sehingga dalam 20 tahun ke depan dalam artikel organisasi khusus yang merancang dan merencanakan pesawat ruang angkasa dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, Anda tidak akan menemukan pengembangan ide untuk reaktor dengan konverter emisi termionik. 20 tahun pembicaraan tentang masa depan nuklir dan ruang angkasa yang lebih cerah berakhir pada Oktober 2009, ketika tidak banyak proyek pengembangan Plasma-A yang menerima dana,dan "Modul transportasi dan energi" dengan konversi turbo. Dan kepala proyek bukanlah orang-orang yang pernah terlibat dalam topik ini sebelumnya. Salah satu peran kunci dalam pembalikan ini, di samping upaya pelobi, dimainkan oleh satu gagasan teknis terkait pelepasan panas di ruang angkasa.


American AWS JIMO, juga merencanakan reaktor nuklir

Sudah diketahui bahwa berat adalah musuh utama pembangkit listrik tenaga nuklir ruang angkasa, dan lemari es untuk pembuangan panas yang menyimpang adalah elemen terberat dari perangkat tersebut. Dalam kasus konverter emisi termionik, masalah ini diselesaikan dengan sangat elegan - ya, efisiensinya rendah dibandingkan dengan siklus turbin, tetapi suhu radiator radiator bisa sangat tinggi (sekitar 1000K, dan reaktor itu sendiri dipanaskan hingga 1650K), dan seperti yang kita ingat, berat lemari es tergantung dari suhu ke kekuatan 1 / T ^ 4. Sebagai akibatnya, ketergantungan pada hukum daya ini memainkan kembali empat kali lipat jumlah panas yang lebih besar yang harus dikeluarkan dari pembangkit listrik tenaga nuklir termionik. Hanya jika Anda tidak memiliki ide revolusioner dari CI tetes .

Idenya adalah bahwa alih-alih mengarahkan cairan melalui tabung di dalam panel yang memancarkan, itu akan terbang menembus ruang - dari pembentuk nozzle jet ke drop eliminator. Dalam hal ini, secara teoritis, berat CI dapat dikurangi beberapa kali, dan kerugian akibat penguapan menjadi vakum diselesaikan dengan pemilihan cairan organosilicon khusus. Dalam situasi ini, pembangkit listrik tenaga nuklir termionik mulai memainkan "tanda lahir" mereka - kepadatan daya rendah pada batang bahan bakar penghasil listrik, dan efisiensi 5-8%.

Ini adalah konsep TEM - dengan konversi energi termal dan lemari es turbo yang diusulkan oleh Pusat Keldysh Center pada tahun 2009. Inovasi gagasan jatuh di tanah subur di puncak "pengembangan inovasi di negara" oleh Presiden Medvedev, dan dikalikan dengan kekuatan pelobi Rosatom dan kepala Akademisi IC Keldysh, Koroteyev, dimungkinkan untuk menyapu proyek "kuno" menyedihkan dari RKK Energia, KB Arsenal, OJS ZA dan dapatkan pembiayaannya.


Versi draf pertama TEM dengan 4 kulkas tetes (panel krem-coklat). Render bagian bawah dalam posisi terlipat. (c) Energi RKK

Untuk melakukan R&D pada tahun 2010, sebuah program senilai 17 miliar rubel diluncurkan, di antaranya 7,245 miliar rubel dialokasikan ke reaktor, 3,955 ke sistem konversi energi, dan sekitar 5,8 miliar untuk wahana antariksa yang tersisa. Mereka menugaskan Institut NIKIET (pencipta BREST cepat timah) untuk melakukan reaktor nuklir, sistem konversi energi - IC dinamai Keldysh, dan seluruh pesawat ruang angkasa - RSC Energia.

Munculnya edisi pertama TEM mengejutkan setiap insinyur yang tahu konteksnya. Reaktor yang didinginkan gas dengan suhu sangat tinggi (1600K!), Bahan bakar uranium carbonitride (menjanjikan, tetapi sedikit dipelajari), unit turbocompressor beroperasi pada 60.000 rpm dengan suhu pada turbin 1500K selama 10 tahun terus menerus, penukar panas, untuk 1500K yang sama. Desain peralatan yang dapat diperluas adalah 54 meter dan 20 lebar, pada kondisi awal cocok di bawah PH fairing. Sistem listrik ruang rekam megawatt dengan tegangan 4,5 kilovolt, memasok 16 sistem propulsi listrik ion dengan kekuatan 60 kilowatt (10 kali lebih kuat daripada yang terbang pada waktu itu dan 1,5 kali lebih kuat dari pemegang catatan laboratorium). Akhirnya, pesawat ruang angkasa itu sendiri, yang seharusnya menahan 10 kali dosis radiasi yang besar,dari tingkat 100 kilorad saat ini - radiasi dari reaktor dan sabuk radiasi, yang harus ditarik muatannya.


-2013. —

Proyek ini mulai berkembang, secara teratur bersinar dengan perspektif dan inovasi dalam wawancara, TV, dan konferensi. Rosatom mengambil pekerjaan paling cepat - dengan cepat meninggalkan bahan bakar carbonitride demi oksida yang dikenal, sebuah reaktor nuklir dirancang, campuran standar dan baru. Beberapa ratus batang bahan bakar silinder yang mengandung uranium oksida yang sangat diperkaya dalam cangkang molibdenum kristal tunggal dengan diameter 4-5 mm terletak di rumah silinder stainless steel berdiameter 50 cm dan panjang sekitar satu meter. Total perkiraan massa bahan bakar adalah 80-150 kg, tergantung pada tingkat kelelahan yang dapat dicapai. Kontrol dilakukan dengan memindahkan dan memperluas 19 batang penyerap sistem kendali boron karbida dalam cangkang molibdenum. Reaktor cepat memiliki daya termal 3,8 megawatt dan didinginkan oleh campuran gas 78% helium dan 22% xenon pada tekanan kerja 40 atm. Suhu campuran gas pada inlet adalah 1200, dan pada outlet 1500K (1227 C).


.

Instalasi nuklir sedang dikembangkan oleh beberapa perusahaan Rosatom, termasuk IPPE, yang telah mengembangkan pembangkit listrik tenaga nuklir ruang angkasa selama beberapa dekade, NPO Luch, yang memiliki teknologi elemen bahan bakar suhu tinggi, dan perilaku reaktor internal elemen tenaga nuklir TEM dalam satu lingkaran dengan campuran gas kerja panas dilakukan oleh NIIAR, yang memiliki armada reaktor riset terbesar di negara tersebut. Terlepas dari kepergian NIKIET pada 2012, kepala perancang reaktor V.P. Pengembangan reaktor Smetannikov berlanjut hampir sesuai jadwal: loop dengan pendingin baru dan elemen bahan bakar standar diuji, bangku tes termo-hidrolik parsial dibuat, dan model pembangkit listrik tenaga nuklir berbasis darat sedang dibangun di NITI di Sosnovy Bor. Peluncuran instalasi ini direncanakan untuk tahun 2015, dan peluncuran seperti itu akan menjadi kemenangan teknik nuklir yang tidak diragukan lagi.


Versi awal reaktor RUGK untuk pembangkit tenaga nuklir TEM. (c) Rosatom

Kerjasama lain dari IC dinamai Keldysh, KBHM, KBHA dan VNIIEM terlibat dalam konverter turbomachine. Di TEM, direncanakan untuk menginstal 4 modul identik dengan kapasitas 250 kilowatt. Sistem ini juga mencakup konverter AC / DC dan DC / DC, baterai penyangga, sistem pendingin peralatan tambahan. Bersama dengan reaktor nuklir, massa unit daya harus 6800 kg.


Skema dan parameter TEM tenaga nuklir. (c) Keldysh Center.


Bingkai dari video Center dinamai Keldysh dengan potongan turbogenerator TEM 250 kilowatt. (c) A. Ilyin

Energi termal diubah menjadi energi listrik dalam siklus turbin gas (Brighton), di mana energi gas yang diekstraksi dari turbin dialirkan ke generator listrik dan ke putaran kompresor yang mendukung sirkulasi gas. Melalui penukar panas, sisa panas dibuang ke sirkuit kedua, di mana ia dibuang ke ruang angkasa dengan bantuan penghasil kulkas.


Turbogenerator Model 250 kW TEM 1: 2 Anik

Kompleksitas elemen yang berkembang dari sistem konversi turbo sebanding dengan kompleksitas reaktor. Secara terpisah, semua persyaratan layak: ada turbin gas pada suhu lebih tinggi dari 1500K, dan pompa turbo dari mesin roket yang memompa hidrogen memiliki kecepatan rotasi dan kecepatan periferal bahkan lebih tinggi dari 60.000 dan 500 m / s. Namun, untuk mengumpulkan semuanya sekaligus dalam kombinasi dengan sumber daya bebas perawatan 10 tahun - lompatan itu jelas di atas kepalanya. Sebagai contoh, masalah dengan penukar panas gas suhu tinggi pada satu waktu memotong arah yang sangat menjanjikan dari mesin turbin gas regeneratif, dan bantalan gas-dinamis untuk tanpa bobot cukup sulit untuk menguji sumber daya gravitasi.


Piring penukar panas TEM. (c) A. Ilyin

Pada 2013, Pusat Informasi dinamai Keldysh melaporkan keberhasilan dalam menciptakan prototipe dari semua elemen terpenting dari konverter turbomachine - dua jenis penukar panas, generator dan unit turbin gas. Namun, menurut data R&D terbaru, mereka cukup ketat dan sumber daya peralatan jauh dari yang diperlukan. Sudah pada musim gugur 2013, dipostulatkan bahwa lemari es tetes masih jauh dari teknik, dan belum dapat dikembangkan. Rekor ERE ion yang dijanjikan secara bertahap memudar - masalah dengan elektroda berlubang berukuran besar dengan sumber daya yang tinggi, yang tidak dapat dipecahkan oleh siapa pun di dunia.


Prototipe mesin ion TEM dari Keldysh Center. Ukurannya sudah lebih kecil dibandingkan dengan ide asli © A. Ilyin


Option TEM dengan lemari es panel

Selain itu, interaksi Pusat Keldysh (bagian dari Roscosmos), yang dipimpin oleh Akademisi Koroteev dengan perusahaan ruang angkasa besar lainnya, sering tegang dengan semburan lumpur, yang juga tidak berkontribusi terhadap kemajuan. TEM, yang dilukis dengan indah pada tahap desain awal, mulai runtuh pada tahap mengkonfirmasikan karakteristik unit.


Model TEM yang dilipat, musim panas 2013. Perhatikan mesin ionik - ada 24 lawan 15 pada model awal. Lemari es masih menetes

Akhirnya, pekerjaan perusahaan yang dipimpin oleh RSC Energia bertujuan menciptakan pesawat ruang angkasa yang dipersenjatai dengan sumber energi nuklir. Energia terpaksa mengambil bagian depan pekerjaan, yang menghalangi jalan untuk pengembangan kapal tunda sendiri dengan pembangkit listrik tenaga nuklir termionik Hercules, dan bagian depan masalahnya lebih luas daripada dua "bunts" utama lainnya. Itu perlu untuk membuat pesawat ruang angkasa berat dengan semua elemen tradisional di papan - orientasi dan sistem manuver orbital pada mesin roket hidrazin, panel surya yang kuat dan telemetri, sistem pendaratan untuk muatan dan pengisian bahan bakar, tangki xenon, dan akhirnya membuatnya bekerja selama 10 tahun di bawah kondisi radiasi. Elemen yang lebih spesifik seharusnya menjadi:
- rangka lipat untuk menghilangkan tenaga nuklir dari badan pesawat ruang angkasa, dengan perpanjangan ruang 2,5 kali, dari 20 hingga 54 meter;
- saluran pipa pendingin yang mengembang dan penyegelannya - semua ini harus bekerja dengan lancar dalam kondisi vakum dan radiasi;
- Panel lipat HI dengan luas ratusan meter persegi;
- saluran listrik tegangan tinggi untuk penggerak listrik;
- sayap lipat membawa penggerak listrik dan penghangat kulkas.


Desain pendahuluan TEM seperti yang disampaikan oleh RKK-Energia

Semua kehebatan ini harus didorong hingga maksimum 22 ton, yang mampu diambil oleh kendaraan peluncuran Angara-5. Bahkan, segera setelah sketsa TEM masa depan dikeluarkan, RSC Energia mulai secara intensif menyapu TEM dari proyek, setelah membuang beberapa tugas di GKNPTs im. Khrunicheva, dan sebagian - di Biro Desain Arsenal - pencipta pesawat ruang angkasa AS-A dan Plasma-A. Perwakilan RKK mulai mengatakan dalam sebuah wawancara bahwa kapal tunda berdasarkan SB tidak begitu buruk. Arsenal, pada gilirannya, meniup debu dari proyek tunda dari 300-500 kW pembangkit listrik tenaga nuklir termionik.


Bagian reaktor TEM dalam versi desain teknis. (c) NIKIET

Pada akhir 2014, situasi sulit dengan hasil proyek dalam sekuestrasi dalam kerangka Program Luar Angkasa Federal untuk 2016-2025. Masih mendanai penelitian, dan terutama melalui jalur di mana ada beberapa hasil - reaktor nuklir dan konverter turbo yang sebenarnya. Peluncuran ruang TEM sedang dihapus dari rencana, dan kita melihat bagaimana masa depan, di mana manusia memiliki alat baru untuk eksplorasi ruang angkasa, mencair, seperti dalam foto-foto di Kembali ke Masa Depan. Sekali lagi, seperti dalam kasus Hercules atau JIMO, umat manusia berguling kembali, tidak mampu mengatasi hambatan teknis untuk menciptakan reaktor ruang yang kuat.

Source: https://habr.com/ru/post/id381701/