Реакторы космических летательных аппаратов


Реакторы космических летательных аппаратовРеакторы космических летательных аппаратов используются в двух направлениях: как двигательные установки, и как источники бортового питания. Понятно, что требования здесь должны быть самые жесткие как по компактности, потому что ракетоноситель имеет ограниченные возможности, так и по температуре теплоносителя, тут она должна быть максимально высокая (дальше мы выясним, почему).

 Если говорить о двигательных установках, то это могут быть ядерные ракетные двигатели, где реактор, например, замещает камеру сгорания какого-то  ракетного двигателя. Т.е. если в ракетном двигателе на химическом топливе тепло выделяется при сгорании  (то ли с воздухом, то ли с каким-то окислителем топлива) и струя газа дает реактивную силу, то  в ядерном реакторе рабочее тело  уже не сгорает. Наиболее выгодно здесь использовать водород, а ядерный реактор используется в этом случае просто как источник тепла, разогревая водород до 20000.  Прототипы таких ядерных ракетных двигателей были разработаны и испытаны в соответствующих бункерах под землей — и в США и в Советском Союзе. Т.е. такая технология была освоена. Если речь идет о разгонных блоках ракет, здесь, естественно, должны быть большие мощности.

При использовании реакторов космических летательных аппаратов в качестве бортовых источников электропитания применялось два способа преобразования тепловой энергии в электрическую. Первый способ – с помощью термоэлектрических батарей. В физике известно такое явление: если соединить некоторые материалы и потом нагреть соединение этих материалов, то возникает разность потенциалов. Соединения таких металлов называются термоэлементами (самый простейший – термопара). Таким образом, если пропускать через термоэлемент тепло, то возникает разность потенциалов и, коммутируя эти материалы, можно сделать батарею и т.д. Такие полупроводниковые преобразователи были сделаны и в США (у них летал в космосе такой реактор), и у нас, в Советском Союзе. В ССР было выпущено 35 спутников серии «Космос» с реакторами с полупроводниковыми преобразователями (эти установки  назывались «Бук»), с электрической мощностью порядка 3 кВт, что для связи, в общем, было достаточно. Эти спутники были запущены и успешно летали в космосе. Были,  конечно, и свои проблемы, из-за потери ориентации был неудачный сход с орбиты,  один такой реактор упал на территорию Канады, после этого СССР заплатил неустойку – 6 млн. $ за загрязнение окружающей среды, за поисковые работы и т.д. После этого были внесены изменения в конструкцию: чтобы распыление производилось на определенной высоте в космосе и т.д. Но, тем не менее, после рассмотрения на разных Международных форумах, была высказана рекомендация все-таки воздержаться от вывода в космос ядерных реакторов. Это не было запретом, но, тем не менее,  сейчас ядерные реакторы в космосе не летают.

Это один способ преобразования тепловой энергии в электрическую, а второй способ заключается в прямом преобразовании электроэнергии. Принцип работы здесь аналогичен принципу работы электронной лампы, а именно: если какое-то тело нагрето до высокой температуры так, что оно светится, т.е. с него идет поток электронов (это тело называется катодом), а с другой стороны есть элемент (анод), который собирает электроны, то если замкнуть эту цепь — возникает электрический ток. Так вот, в этих реакторах катодом был твэл (тепловыделяющий элемент), с молибденовой или вольфрамовой оболочкой, которая разогревалась до температуры 2000 – 25000
С, в зазоре находилась плазма цезия (это неважно), а с другой стороны – твэлы охлаждались жидким металлом и возникал ток, подобные элементы коммутировались и получалась установка с мощностью около 10 кВт. Такие установки были созданы в Советском Союзе и летали в космосе. Но сейчас эти установки не используются. В этой технологии Советский Союз сильно опередил США, они купили эту технологию, но тоже в космос спутников с такими реакторами не запускали.

Вопрос – эта технология по проценту выхода выше или ниже?

Выше. Здесь был получен коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии в электрическую около 10 %, а на АЭС где-то около 5 %, т.е. на полупроводниковых преобразователях был получен самый высокий к.п.д. У АЭС к.п.д. намного ниже.

Вопрос – у батарей какой к.п.д.?

У полупроводниковых батарей около 5 % (3 – 5), а у батарей прямого преобразования термоэмиссионных, с эмиссией электронов – около 10 %.