Системы для вспомогательной атомной энергетики
Программа Systems Nuclear Auxiliary POWER ( SNAP ) представляла собой программу экспериментальных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ) и космических ядерных реакторов, запущенных НАСА в 1960-х годах .
Программа SNAP была разработана в результате проекта Feedback — исследования разведывательных спутников, проведенного корпорацией Rand в 1954 году. [1] Поскольку некоторые из предложенных спутников требовали высокой мощности, некоторые достигали нескольких киловатт, Комиссия по атомной энергии США (AEC) запросила у промышленности серию исследований атомных электростанций в 1951 году. Завершенные в 1952 году, эти исследования установили, что ядерная энергия электростанции были технически возможны для использования на спутниках. [2] : 5
В 1955 году AEC начала два параллельных проекта атомной энергетики SNAP. Один из них, работавший по контракту с The Martin Company , использовал радиоизотопный распад в качестве источника энергии для своих генераторов. Этим заводам были присвоены обозначения SNAP с нечетными номерами, начиная с SNAP-1. В другом проекте для выработки энергии использовались ядерные реакторы, и он был разработан международным подразделением Atomics компании North American Aviation . Их системам были присвоены четные обозначения SNAP, первое из которых - SNAP-2. [2] : 5
Большая часть разработки систем и испытаний реактора проводилась в полевой лаборатории Санта-Сусаны , округ Вентура, Калифорния, с использованием ряда специализированных объектов. [3]
SNAP с нечетными номерами: радиоизотопные термоэлектрические генераторы
[ редактировать ]Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют тепло радиоактивного распада для производства электроэнергии. [ нужна ссылка ]
SNAP-1
[ редактировать ]SNAP-1 представлял собой испытательную платформу, которая никогда не применялась, в ней использовался церий-144 в цикле Ренкина с ртутью в качестве теплоносителя . Успешно проработал 2500 часов. [4]
SNAP-3
[ редактировать ]SNAP-3 был первым ритэгом , использованным в космическом полете (1961 г.). Запущен на борту ВМС США навигационных спутников Transit 4A и 4B . Электрическая мощность этого РИТЭГ составляла 2,5 Вт. [4]
СНАП-7
[ редактировать ]SNAP-7A, D и F был разработан для морских применений, таких как маяки и буи; [5] в середине 1960-х годов было развернуто как минимум шесть единиц с названиями от SNAP-7A до SNAP-7F. SNAP-7D производил тридцать ватт электроэнергии. [6] используя 225 килокюри (8,3 ПБк ) [5] (около четырех килограммов) стронция-90 в виде SrTiO 3 . Это были очень большие агрегаты весом от 1870 до 6000 фунтов (от 850 до 2720 кг). [4]
СНАП-9
[ редактировать ]После SNAP-3 на Transit 4A/B устройства SNAP-9A служили на борту многих спутников серии Transit . В апреле 1964 года SNAP-9A не смог выйти на орбиту и распался, разбросав примерно 1 килограмм (2,2 фунта) плутония-238 по всем континентам. Большая часть плутония выпала в южном полушарии. По оценкам, было выброшено 6300 ГБк или 2100 человеко-Зв радиации. [7] [8] [9] [10]
СНАП-11
[ редактировать ]SNAP-11 — экспериментальный РИТЭГ, предназначенный для питания зондов Surveyor в лунную ночь. Ритэги с кюрием-242 могли бы производить 25 Вт электроэнергии, используя 900 Вт тепловой энергии в течение 130 дней. Температура горячего спая составляла 925 ° F (496 ° C; 769 К), температура холодного спая - 350 ° F (177 ° C; 450 К). Они имели систему терморегулирования на основе жидкого NaK и подвижную заслонку для отвода избыточного тепла. [11] [12] Они не использовались в миссиях Surveyor. [ нужна ссылка ]
В целом топливный блок SNAP 11 представляет собой цилиндрический блок из нескольких материалов, занимающий внутренний объем генератора. Топливная капсула ТЗМ (сплав молибдена), заправленная кюрием-242 (См 2 О 3 в иридиевой матрице), расположена в центре топливного блока. Капсула окружена платиновой сферой размером примерно 2 + 1 ⁄ дюйма Диаметр , который обеспечивает экранирование и действует как поглотитель энергии при ударах. Этот узел заключен в графитовые и бериллиевые узлы для обеспечения надлежащего распределения тепла и абляционной защиты. [12]
СНАП-19
[ редактировать ]SNAP-19(B) был разработан для спутника Nimbus-B ядерным подразделением компании Martin-Marietta. [13] (ныне Teledyne Energy Systems). Заправленные плутонием-238, два параллельных генератора на термопарах из теллурида свинца производили первоначальный максимум примерно 30 Вт электроэнергии. [14] «Нимбус-3» использовал SNAP-19B с топливом, полученным в результате попытки «Нимбус-B1». [15]
SNAP-19 использовался в миссиях «Пионер-10» и «Пионер-11» . [16] Использовались термоэлектрические элементы 2N-PbTe n-типа и TAGS-85 p-типа. [17]
Модифицированные SNAP-19B использовались для спускаемых аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2» . [18]
SNAP-19C использовался для питания телеметрической системы в Нанда Деви в Уттаракханде в ходе операции ЦРУ по отслеживанию запусков китайских ракет. [19]
SNAP-21 и 23
[ редактировать ]СНАП-21 [20] и СНАП-23 были предназначены для использования под водой. [5] [21] и использовал стронций-90 в качестве радиоактивного источника, инкапсулированный либо в виде оксида стронция , либо в виде титаната стронция . Они производили около десяти ватт электроэнергии.
СНАП-27
[ редактировать ]Пять блоков SNAP-27 обеспечивали электроэнергией комплексы для экспериментов на лунной поверхности «Аполлона» (ALSEP), оставленные на Луне «Аполлоном - 12» , «14» , «15» , «16» и «17» . Блок питания SNAP-27 весил около 20 килограммов, имел длину 46 см и диаметр 40,6 см. Он состоял из центральной топливной капсулы, окруженной концентрическими кольцами термопар. Снаружи термопары располагался набор ребер, обеспечивающих отвод тепла от холодной стороны термопары. Каждое из устройств SNAP производило примерно 75 Вт электрической мощности при напряжении 30 В постоянного тока. Источником энергии для каждого устройства служил стержень из плутония-238, обеспечивающий тепловую мощность около 1250 Вт. [22] Эта топливная капсула, содержащая 3,8 кг (8,4 фунта) плутония-238 в оксидной форме (44 500 Ки или 1,65 ПБк ), была доставлена на Луну в отдельном топливном контейнере, прикрепленном к боковой части лунного модуля . Топливный контейнер обеспечивал теплоизоляцию и дополнительную структурную поддержку топливной капсулы. На Луне пилот лунного модуля извлек топливную капсулу из контейнера и вставил ее в ритэг.
Эти станции передавали информацию о лунотрясениях и падениях метеоритов, лунных магнитных и гравитационных полях, внутренней температуре Луны и атмосфере Луны в течение нескольких лет после миссий. Спустя десять лет SNAP-27 по-прежнему выдавал более 90% своей первоначальной мощности в 75 Вт.
Контейнер с топливом из блока SNAP-27, доставленного миссией «Аполлон-13», в настоящее время находится на глубине 20 000 футов (6 100 м) на дне желоба Тонга в Тихом океане . Этой миссии не удалось приземлиться на Луну, а лунный модуль с генератором сгорел при входе в атмосферу Земли, при этом траектория была устроена так, что бочка приземлилась в траншею. Бочка выдержала возвращение в атмосферу, как и была задумана. [23] и никакого выброса плутония не обнаружено. Ожидается, что коррозионностойкие материалы капсулы будут удерживать ее в течение 10 периодов полураспада (870 лет). [24]
Четные SNAP: компактные ядерные реакторы
[ редактировать ]Серия компактных ядерных реакторов, предназначенных для использования в космосе, четные номера SNAP были разработаны для правительства США подразделением Atomics International компании North American Aviation . [ нужна ссылка ]
Экспериментальный реактор SNAP (SER)
[ редактировать ]Экспериментальный реактор SNAP (SER) был первым реактором, построенным по спецификациям, установленным для использования в космических спутниках. SER использовал гидрид урана-циркония в качестве топлива и эвтектический сплав натрия и калия ( NaK ) в качестве теплоносителя и работал при тепловой мощности около 50 кВт. Система не имела преобразования энергии, но использовала систему вторичного нагрева воздуха для рассеивания тепла в атмосферу. В SER использовалось такое же устройство-замедлитель реактора-отражателя, что и в SNAP-10A, но только с одним отражателем. Критичность была достигнута в сентябре 1959 года, а окончательное закрытие завершилось в декабре 1961 года. Проект был признан успешным. Это придало постоянную уверенность в развитии программы SNAP, а также привело к углубленным исследованиям и разработке компонентов. [ нужна ссылка ]
СНАП-2
[ редактировать ]Экспериментальный реактор SNAP-2 был вторым построенным реактором SNAP. Этот аппарат использовал уран-цирконий-гидридное топливо и имел проектную мощность реактора 55 кВт· т . Это была первая модель, в которой использовался узел управления полетом, и она проходила испытания с апреля 1961 года по декабрь 1962 года. Основная концепция заключалась в том, что ядерная энергия будет долгосрочным источником энергии для пилотируемых космических капсул. Однако капсулу экипажа пришлось защитить от смертоносной радиации, исходящей из ядерного реактора. Об окружении реактора радиационной защитой не могло быть и речи. Его было бы слишком тяжело запустить с помощью имеющихся в то время ракет. Для защиты «экипажа» и «полезной нагрузки» в системе СНАП-2 использовался «теневой щит». Экран представлял собой усеченный конус, содержащий гидрид лития . Реактор находился на малом конце, а капсула экипажа/полезная нагрузка - в тени большого конца. [25]
Были проведены исследования реактора, отдельных узлов и системы обеспечения. Разработкой и испытаниями занималась компания Atomics International, подразделение North American Aviation. За разработку радиационной защиты отвечало подразделение SNAP-2 Shield Development. Создание щита означало расплавление гидрида лития и придание ему необходимой формы. Форма представляла собой большой усеченный конус. Расплавленный гидрид лития приходилось заливать в литейную форму понемногу, иначе при остывании и затвердевании он растрескивался. Трещины в материале щита были бы фатальными для любого космического экипажа или зависящей от него полезной нагрузки, поскольку это позволило бы радиации проникнуть в отсек экипажа/полезной нагрузки. По мере того, как материал охлаждался, в середине образовывался своего рода полый вихрь. Инженерам-разработчикам пришлось придумать способы заполнить вихрь, сохранив при этом целостность щита. И при этом им приходилось помнить, что они работают с материалом, который может быть взрывоустойчивым во влажной среде, богатой кислородом. Анализ также показал, что под воздействием температурных и радиационных градиентов гидрид лития может диссоциировать, а ионы водорода могут мигрировать через экран. Это приведет к изменению эффективности защиты и может подвергнуть полезные нагрузки интенсивному излучению. Были предприняты усилия по смягчению этих последствий. [ нужна ссылка ]
В SNAP 2DR использовалось такое же устройство-замедлитель реактора-отражателя, что и в SNAP-10A , но с двумя подвижными и внутренними фиксированными отражателями. Система была спроектирована таким образом, чтобы реактор можно было интегрировать с ртутным циклом Ренкина для выработки 3,5 кВт электроэнергии. [ нужна ссылка ]
СНАП-8
[ редактировать ]Реакторы SNAP-8 были спроектированы, построены и эксплуатируются компанией Atomics International по контракту с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства . Были изготовлены два реактора SNAP-8: экспериментальный реактор SNAP 8 и экспериментальный реактор SNAP 8. В обоих реакторах SNAP 8 использовалось то же высокообогащенное уран-цирконий-гидридное топливо, что и в реакторах SNAP 2 и SNAP 10A. Конструкция SNAP 8 включала первичный и вторичный контуры NaK для передачи тепла в ртутную систему преобразования энергии Ренкина . Электрогенерирующую систему для реакторов SNAP 8 поставила компания Aerojet General . [26]
Экспериментальный реактор SNAP 8 представлял собой реактор мощностью 600 кВт , который испытывался с 1963 по 1965 год. [ нужна ссылка ]
Экспериментальный реактор SNAP 8 имел активную зону размером 9,5 на 33 дюйма (24 на 84 см), содержал в общей сложности 18 фунтов (8,2 кг) топлива и имел номинальную мощность 1 МВт т . Реактор был испытан в 1969 году в полевой лаборатории Санта-Сусаны . [27]
СНАП-10А
[ редактировать ]SNAP-10A — энергетическая система ядерного реактора, предназначенная для использования в космосе, запущенная в космос в 1965 году по программе SNAPSHOT . [28] [29] Он был построен как исследовательский проект для ВВС, чтобы продемонстрировать способность генерировать более высокую мощность, чем РИТЭГи. В реакторе для управления использовались два подвижных бериллиевых отражателя, и он вырабатывал 35 кВт т . в начале эксплуатации [ нужна ссылка ] Система вырабатывала электричество, циркулируя NaK вокруг свинцово-теллуровых термопар. Чтобы снизить опасность запуска, реактор не запускали до тех пор, пока он не достиг безопасной орбиты. [ нужна ссылка ]
SNAP-10A был запущен на околоземную орбиту в апреле 1965 года и использовался для питания исследовательского спутника Agena-D , построенного компанией Lockheed/Martin. Во время сокращенных 43-дневных летных испытаний система произвела 500 Вт электроэнергии. Реактор был преждевременно остановлен из-за неисправного приемника команд. По прогнозам, он останется на орбите в течение 4000 лет. [27]
См. также
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Дж. Э. Липп; Роберт М. Солтер (март 1954 г.). «Сводный отчет об обратной связи по проекту, том I» . РЭНД . Проверено 11 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Уильям Р. Корлисс (1966). ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ SNAP . Комиссия по атомной энергии США/Отдел технической информации.
- ^ «Обзор SNAP» . Министерство энергетики США . Проверено 9 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Шварц, HJ; Шуре, Л.И. (1 января 1965 г.). «Обследование электростанций космического назначения» . NTRS — Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 25 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с «Антропогенная радиоактивность: основные точки источников шлейфа – RADNET: Раздел 11» . www.davistownmuseum.org . Проверено 31 марта 2018 г.
- ^ Янг, Китай (15 марта 1963 г.). Snap 7d – Источник питания термоэлектрического генератора на стронции-90. Плавающая метеостанция ВМС США мощностью тридцать ватт. Итоговый отчет (Отчет). дои : 10.2172/4713816 . ОСТИ 4713816 .
- ^ Ловас, Резсо Г. (2003). Справочник по ядерной химии: Приборы, методы разделения, экологические иусы . Springer Science & Business Media. п. 308. ИСБН 978-1-4020-1317-1 .
- ^ Жере, Р.; Стилле, Питер (2018). Энергия, отходы и окружающая среда: геохимическая перспектива . Геологическое общество Лондона. п. 145. ИСБН 978-1-86239-167-3 .
- ^ Готовность к чрезвычайным ситуациям для спутников с ядерными двигателями . Стокгольм: Организация экономического сотрудничества и развития. 1990. с. 21. ISBN 9264133526 .
- ^ Харди, EP; Крей, П.В. и Волчок, Х.Л. (1972). Глобальная инвентаризация и распространение Pu-238 из SNAP-9A (PDF) . Комиссия по атомной энергии США. п. 6. дои : 10.2172/4689831 .
- ^ Программа геодезистов SNAP-11, третий квартальный отчет
- ^ Jump up to: а б Программа геодезистов SNAP-11, тринадцатый квартальный отчет
- ^ Фихелли, Артур В.; Бакстер, Чарльз Ф. (16 апреля 1970 г.). «Эксперимент с радиоизотопным термоэлектрическим генератором SNAP-19» . Транзакции IEEE по геолого-геофизической электронике . 8 (4): 255. Бибкод : 1970ITGE....8..255F . дои : 10.1109/TGE.1970.271419 .
- ^ SNAP 19 Радиоизотопный источник питания: эксплуатация и техническое обслуживание. Техническое руководство (Отчет). 1 января 1967 г. doi : 10.2172/4513086 . ОСТИ 4513086 .
- ^ "Дом" . Радиоизотопные энергетические системы НАСА . Архивировано из оригинала 7 августа 2012 года . Проверено 31 марта 2018 г.
- ^ «SNAP-19: Pioneer F&G, Итоговый отчет], Teledyne Isotopes, 1973» . Архивировано из оригинала 1 апреля 2018 года . Проверено 31 марта 2018 г.
- ^ МакГрю, JW (1 января 1970 г.). «Отчет о свойствах и производительности тегов» . Энергетика, Труды . 70 (2). Хинсдейл, Иллинойс: Американское ядерное общество: 15.31–3. OSTI 4620225 – через www.osti.gov.
- ^ «Устаревшие энергетические системы | Энергетические и тепловые системы» . Радиоизотопные энергетические системы НАСА . Проверено 12 февраля 2021 г.
- ^ Десаи, Шаил (07 мая 2017 г.). «Шпионская миссия Нанды Деви, 1965 год», фильм . мята . Проверено 12 февраля 2021 г.
- ^ Программа SNAP-21, Фаза II. Система электропитания глубоководного термоэлектрического генератора на радиоизотопном топливе. Ежеквартальный отчет № 9, 1 июля 1968 г. – 30 сентября 1968 г. Ежеквартальный отчет № 9, 1 июля 1968 г. – 30 сентября 1968 г. (Отчет). 1 января 1968 г. doi : 10.2172/4816023 . ОСТИ 4816023 .
- ^ Мандельберг, М. (1971). «Океанографический акустический маяк и система телеметрии данных с питанием от радиоизотопного термоэлектрического генератора СНАП-21». Конференция IEEE 1971 года по инженерным разработкам в морской среде . стр. 220–223. дои : 10.1109/OCEANS.1971.1161004 .
- ^ «Ядерные батареи: инструменты для космической науки — Atomic Insights» . Atomicinsights.com . Сентябрь 1996 года.
- ^ Стенограмма разгрузки ALSEP Apollo 12 , содержащая комментарий о живучести топливного контейнера при повторном входе в атмосферу.
- ^ Часто задаваемые вопросы по космосу, 13 октября - Спорные вопросы , faq.org
- ^ Берри, скорая помощь (1963). «ОБЩЕЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТЫ АТОМНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ» . osti.gov . дои : 10.2172/4005255 . Проверено 31 мая 2024 г.
- ^ Aerojet General Corporation (ноябрь 1971 г.). Программа развития электрогенерирующих систем SNAP-8 . Исследовательский центр Льюиса НАСА, Кливленд, Огайо. НАСА CR-1907.
- ^ Jump up to: а б Восс, Сьюзен (август 1984 г.). Обзор реактора SNAP (PDF) . Авиабаза Киртланд, Нью-Мексико: Лаборатория вооружения ВВС США. АФВЛ-ТН-84-14. Архивировано (PDF) из оригинала 15 февраля 2017 г.
- ↑ SNAPSHOT , Исследовательский центр Гленна НАСА, 20 марта 2007 г. Дата обращения 3 апреля 2019 г.
- ^ Снимок , Космическая страница Гюнтера. Проверено 3 апреля 2019 г.
Общие источники
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]- Программа развития электрогенерирующих систем SNAP-8, итоговый отчет
- SNAP-19, Этап 3. Ежеквартальный отчет о ходе работ, 1 января – 31 марта 1966 г.
- SNAP 19, Этап 3. Ежеквартальный отчет о ходе работ, 1 апреля – 30 июня 1966 г.
- Анализ потребности в системах уничтожения команд Agena и/или катапультирования генератора для миссии Nimbus B/SNAP-19.
- Опыт интеграции SNAP-19/Nimbus B
- SNAP-27, Том 1. Ежеквартальный отчет, 1 июля – 30 сентября 1966 г.
- SNAP-27, Том 2. Ежеквартальный отчет, 1 января – 31 марта 1966 г.
- «Космическая ядерная энергетика: открытие последнего рубежа» Г.Л. Беннета (2006 г.)
- «Космические источники ядерной энергии» (таблицы)