Ядерная электрическая ракета
( Ядерно-электрическая ракета точнее, ядерная электрическая двигательная установка ) — это тип космического корабля двигательной установки , в которой тепловая энергия ядерного реактора преобразуется в электрическую энергию , которая используется для приведения в движение ионного двигателя или другой электрической двигательной технологии космического корабля. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Терминология ядерно-электрической ракеты немного противоречива, поскольку технически « ракетная » часть двигательной установки не является ядерной и может также приводиться в движение солнечными батареями . Это контрастирует с ядерной тепловой ракетой , которая напрямую использует тепло реактора для добавления энергии к рабочему телу , которое затем выбрасывается из сопла ракеты.
Концептуальный обзор
[ редактировать ]Ключевыми элементами НЭПа являются:
- Компактная активная зона реактора
- Электрический генератор
- Компактная система отвода отходящего тепла, такая как тепловые трубки.
- Система кондиционирования и распределения электроэнергии
- Двигательная установка космического корабля с электроприводом
История
[ редактировать ]Соединенные Штаты
[ редактировать ]В статье Майрона Левоя 1963 года была предложена конструкция гибридного ядерно-электрического двигателя, который мог бы работать как в режиме открытого цикла в качестве ядерного теплового двигателя на этапах миссии, требующих высокой тяги, так и в режиме замкнутого цикла в качестве двигателя. Ядерно-электрический двигатель с малой тягой, но высоким КПД на остальных этапах миссии. Предлагаемое применение этой конструкции двигателя предназначалось для быстрого полета туда и обратно с экипажем человека на Марс . [9]
В 2001 году безопасный доступный двигатель деления разрабатывался с испытанным ядерным источником тепла мощностью 30 кВт, который должен был привести к разработке теплового реактора мощностью 400 кВт с газовыми турбинами цикла Брайтона для производства электроэнергии. Отвод отходящего тепла должен был осуществляться с использованием технологии тепловых трубок малой массы . Безопасность должна была быть обеспечена прочной конструкцией. [ нужна ссылка ]
Проект «Прометей» по ядерно-электрическому космическому кораблю в начале 2000-х годов представлял собой исследование НАСА . [ нужна ссылка ]
Kilopower — новейшая программа разработки реакторов НАСА, но она предназначена только для наземного использования. [ нужна ссылка ]
Россия
[ редактировать ]Проект TEM стартовал в 2009 году с целью обеспечить питанием марсианский двигатель.
Март 2016 г. – Получена первая партия ядерного топлива. [ нужна ссылка ]
Концепции
[ редактировать ]Реактор с галечным слоем, совмещенный с газовой турбиной
[ редактировать ]нормальном атмосферном . давлении Возможным источником тепла является реактор с галечным слоем, в котором используется газообразный азотный теплоноситель с высоким массовым расходом при Производство электроэнергии может осуществляться с помощью газотурбинной технологии, которая хорошо развита. Ядерное топливо будет представлять собой высокообогащенный уран, заключенный в с низким содержанием бора шарики из графита диаметром примерно 5–10 см. Графит также будет замедлять нейтроны ядерной реакции.
Реактор такого типа может быть спроектирован так, чтобы быть безопасным по своей сути. При нагревании графит расширяется, отделяя топливо и снижая критичность реактора. Это свойство может упростить управление работой турбины до одного клапана. В закрытом состоянии реактор нагревается, но вырабатывает меньше энергии. В открытом состоянии реактор охлаждается, но становится более критичным и производит больше энергии.
Графитовая капсула упрощает заправку и утилизацию отходов. Графит механически прочен и устойчив к высоким температурам. Это снижает риск незапланированного выброса радиоактивных элементов, в том числе продуктов деления . Поскольку этот тип реактора производит высокую мощность без использования тяжелых отливок, способных выдерживать высокое давление, он хорошо подходит для питания космических кораблей. [10]
Новые концепции электродвижения
[ редактировать ]Для использования с мощными ядерными системами генерации электроэнергии были предложены различные технологии электродвижения, включая VASIMR , DS4G и импульсный индуктивный двигатель (PIT). PIT и VASIMR уникальны своей способностью менять энергопотребление, удельный импульс (мера эффективности, см. удельный импульс ) и тягу в полете. PIT имеет дополнительное преимущество: не требуется кондиционированная мощность. [ нужна ссылка ]
Электрическое производство
[ редактировать ]Был предложен ряд схем преобразования тепла в электричество. В ближайшем будущем генераторы с циклом Ренкина , циклом Брайтона и циклом Стирлинга пройдут промежуточную механическую фазу с сопутствующими потерями энергии. Предлагались и более экзотические технологии: термоэлектрические (в том числе графена) . преобразование тепловой энергии на основе [11] [12] [13] ), пироэлектрические , термофотоэлектрические , термоэлектронные и магнитогидродинамические материалы термоэлектрические .
Другие типы концепций ядерной энергетики в космосе
[ редактировать ]Радиоизотопные термоэлектрические генераторы , радиоизотопные нагревательные устройства , радиоизотопные пьезоэлектрические генераторы и радиоизотопные ракеты используют тепло статического радиоактивного источника (обычно плутония-238 ) для низкого уровня электрической или прямой двигательной мощности. Другие концепции включают ядерную тепловую ракету , ракету на осколках деления, ядерную импульсную двигательную установку и возможность термоядерной ракеты , предполагая, что технология ядерного синтеза будет разработана в какой-то момент в ближайшем будущем. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]- Двигательная установка космического корабля с электроприводом
- Ионный двигатель
- Магнитный парус
- Ядерный импульсный двигатель
- Ядерная тепловая ракета
- Ядерный реактор
- Полиуэлл
- Радиоизотопный термоэлектрический генератор
- Движение космического корабля
- Технологии ракетных двигателей (значения)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дэвид Буден (2011), Космические электроэнергетические системы ядерного деления: Книга 3: Космическая ядерная двигательная установка и энергия
- ^ Джозеф А. Анджело и Дэвид Буден (1985), Космическая ядерная энергетика
- ^ 12-й ежегодный семинар НАСА/Лаборатории реактивного движения/MSFC/UAH по перспективным космическим двигателям (2001), Серия испытаний безопасного доступного двигателя ядерного деления (SAFE) )
- ^ НАСА (2010), Заключительный отчет технико-экономического обоснования малой энергетической системы
- ^ Патрик МакКлюр и Дэвид Постон (2013), Проектирование и испытания малых ядерных реакторов для оборонного и космического применения.
- ^ Мохамед С. Эль-Генк и Жан-Мишель П. Турнье (2011), Использование жидкометаллических и водяных тепловых трубок в энергосистемах космических реакторов
- ^ Комиссия по атомной энергии США (1969), Ядерные космические реакторы SNAP
- ^ Space.com (17 мая 2013 г.), Как электрический космический корабль может доставить НАСА на Марс
- ^ Левой, Майрон (июнь 1963 г.). «Двойной электроядерный двигатель» . Американский институт аэронавтики и астронавтики . 1 (6): 1298–1302. Бибкод : 1963AIAAJ...1.1298L . doi : 10.2514/3.1783 – через Совет аэрокосмических исследований.
- ^ Ван, Чуньюн (31 августа 2003 г.). «Проектирование, анализ и оптимизация системы преобразования энергии для модульной системы реактора с галечным слоем» (PDF) .
- ^ Обзор технологии, 5 марта 2012 г.: Графеновая батарея превращает окружающее тепло в электрический ток. Архивировано 8 декабря 2015 г. на Wayback Machine.
- ^ Scientific Reports, 22 августа 2012 г.: Фотоэлектрические элементы на основе графена для преобразования тепловой энергии в ближнем поле.
- ↑ MIT News, 7 октября 2011 г.: Графен демонстрирует необычную термоэлектрическую реакцию на свет.
