Реактор ядерного деления на Луне к 2030 году?
Возвращение человека на Луну уже не за горами. В рамках программы НАСА "Артемида" планируется начать долгосрочное исследование нашего спутника с 2024 года. Но чтобы иметь возможность создать лунную базу и жить на ней, астронавтам обязательно понадобится электричество. Для этого НАСА использует ядерное деление; в партнерстве с Министерством энергетики США космическое агентство просит производителей представить различные проекты лунных ядерных реакторов.
"Изобилие энергии станет ключом к освоению космоса в будущем", — сказал Джим Рейтер, помощник администратора Управления космических технологий НАСА (STMD). Система должна быть легкой и способной работать независимо от местоположения, погодных условий или доступного солнечного света (и других природных ресурсов). По данным НАСА, небольшая энергосистема на поверхности деления может обеспечивать до 10 киловатт непрерывной электроэнергии в течение как минимум 10 лет, что достаточно для удовлетворения потребностей нескольких домов среднего размера.
В частности, в спецификации, выпущенной NASA, говорится о "системе, обеспечивающей мощность 40 кВт и более для обеспечения устойчивого присутствия человека на Луне и Марсе". Система должна быть готова к запуску в течение десятилетия для демонстрации на Луне. Система должна быть способна работать автономно с палубы лунного лендера или лунохода.
На Луне энергопотребление астронавтов, очевидно, будет сильно отличаться от энергопотребления домов на Земле. Приоритетными задачами здесь будут питание систем жизнеобеспечения в местах обитания, а также зарядка батарей луноходов и другого оборудования и приборов для проведения научных экспериментов, включая использование природных лунных ресурсов для получения воды и топлива. Энергия деления - в сочетании с солнечными батареями, аккумуляторами и топливными элементами - может обеспечить энергию для удовлетворения этих потребностей.
NASA выбрало ядерное деление, потому что это особенно мощный способ выработки электроэнергии: агентство намерено производить достаточно энергии для обеспечения 30 домов в течение десяти лет. Кроме того, он может работать непрерывно и не зависит от солнечного света, поэтому установка может работать в течение долгих лунных ночей (которые длятся около 14 земных дней) и в самых темных кратерах на Луне. Наконец, система может быть достаточно компактной и легкой, чтобы ее можно было доставить на Луну или даже создать аванпост на Марсе.
Промышленные партнеры могут присылать свои концептуальные предложения до конца февраля 2022 года, после чего НАСА и Министерство энергетики США (DOE) отберут наиболее перспективные идеи, которые они будут помогать развивать в течение 12 месяцев. После разработки и оценки различных проектов ученые отберут лучшие из них для создания окончательной системы деления энергии, которая будет допущена к полету. Если все пойдет по плану, система может быть запущена на Луну с демонстрационной миссией к концу десятилетия.
Разработка такой энергосистемы, очевидно, является важным шагом вперед в освоении космоса. "Обеспечение надежной, высокоэнергетической системы на Луне - это жизненно важный следующий шаг в освоении космоса человеком, и достижение этой цели находится в пределах нашей досягаемости", — сказал Себастьян Корбисьеро, главный инженер и руководитель проекта по поверхностной энергии деления в Национальной лаборатории Айдахо Министерства энергетики США. И если проект удастся, он также сделает идею создания форпоста на Марсе более конкретной.
Многообещающие предварительные испытания
Этот амбициозный проект американского космического агентства развивает проект Kilopower, который завершился в 2018 году. Цель этого проекта - разработать предварительные концепции и технологии, которые могут быть использованы для устойчивого освоения космоса. Эксперимент Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY), проводившийся с ноября 2017 года по март 2018 года, подтвердил технологии теплообмена с использованием высокообогащенного уранового топлива; система, испытанная на объекте Национальной администрации по ядерной безопасности в Неваде, показала отличные результаты - в том числе при намеренном воздействии сбоев или других аномальных условий.
Прототип энергетической системы был основан на активной зоне реактора на твердом уране-235 размером с рулон бумажного полотенца. Пассивные натриевые тепловые трубы передают тепло от реактора к высокоэффективным двигателям Стирлинга, преобразуя тепло в электроэнергию. Целью эксперимента было продемонстрировать, что система может создавать электричество из энергии деления, а также то, что она стабильна и безопасна в любых условиях.
Впоследствии в исследовании Министерства энергетики, завершенном в марте 2020 года, были определены реакторные решения на основе низкообогащенного урана, имеющие примерно тот же вес, что и система на основе высокообогащенного урана. В результате при проектировании энергетических реакторов с поверхностным делением основное внимание будет уделяться использованию низкообогащенного уранового топлива.
НАСА также подчеркивает, что все исследования, проводимые в области технологий поверхностной энергии деления, несомненно, помогут им в разработке и совершенствовании ядерных силовых установок - также полагающихся на деление для производства энергии - которые однажды могут позволить астронавтам отправиться на Марс на более быстро движущихся космических кораблях; цель - сократить время поездки на Марс туда и обратно примерно до двух лет.