Немного о российском ядерном буксире
АВТОР: ИГОРЬ ЕГОРОВ · 19 СЕНТЯБРЯ, 2020
После публикации в интернете фотографий реально изготовленных элементов российского «транспортно-энергетического модуля (ТЭМ)» с «ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса (ЯЭДУ)», который, судя по последним публикациям, получил название «Нуклон», резко обострились его обсуждения.
Одна из фотографий элементов ТЭМ
И, судя по всему, многие из обсуждающих не совсем понимают, «что там к чему», а потому хотелось внести ясность по нескольким вопросам.
Изначально проект был представлен ещё в 2009-м году. И все его подробности на тот момент открыто опубликованы здесь. Далее я буду ссылаться на эту презентацию и вставлять слайды из неё.
https://ppt-online.org/download/517557
На тот момент уже существовало множество теоретических проектов буксиров с электрическими ракетными двигателями, плазменными или ионными, суммарной мощностью в сотни киловатт. Обеспечивать эти самые сотни киловатт мощности должны были либо традиционные солнечные батареи площадью в тысячи квадратных метров, либо ядерные реакторы с термоэмиссионными преобразователями тепла в электрическую энергию. Последние хоть и не столь привычны, как солнечные батареи, но всё равно использовались в космосе десятки раз, а потому являются более или менее отработанной технологией, от которой понятно, чего можно ожидать.
https://thealphacentauri.net/52657-plazmennye-raketnye-dviga...
https://thealphacentauri.net/61706-ionnye-raketnye-dvigateli...
ТЭМ же на фоне прочих проектов выделялся в первую очередь совершенно нестандартным способом преобразования тепла в электричество — с помощью газовых турбин и электромеханических генераторов. С одной стороны, на обычных земных АЭС используют весьма схожую систему, с той поправкой, что в турбинах на Земле гоняют пары воды, а тут планировали использовать смесь инертных газов. А раз так, то такая система должна быть великолепно отработана и проста в реализации. С другой же стороны, у наземных АЭС нет никаких проблем с охлаждением пара после турбины: зачастую для этого используют воду из ближайшей речки. Конечно, река «под боком» есть не всегда, но в любом случае осуществить сброс тепла в наземных условиях не так уж сложно. А вот в космосе с этим проблемы… Кроме того, на Земле турбины и генераторы могут регулярно обслуживаться, их могут смазывать, менять подшипники и т.п. В космосе всё это оказывается невозможным, и отсюда остро встаёт вопрос ресурса подвижных механических частей, испытывающих огромные термомеханические нагрузки.
Решив не останавливаться на одном уникальном для космоса техническом решении, проблему охлаждения тоже стали устранять уникальным методом — капельным холодильником. Обычно в космосе делают большие панели-радиаторы, пронизанные трубками, по которым гоняют теплоноситель. Эти панели нагреваются от теплоносителя и испускают в космос инфракрасное излучение, тем самым охлаждая теплоноситель. Решение надёжное, но громоздкое… Поэтому в ТЭМ решили распылять капли теплоносителя в космосе, давать им там самостоятельно излучить тепло, а затем улавливать уже холодные капли. Подробнее про эту концепцию можно почитать в данной публикации. Решение интересное, но, очевидно, хранящее в себе невообразимую кучу технических проблем…
Не смотря на протесты многих скептиков, после сравнения гипотетических параметров энергоустановки с обычными «панельными» радиаторами и с перспективным капельным холодильником, решили остановиться на последнем.
Слайд с вариантами энергоблока
Как можно видеть на слайде, капельный холодильник гипотетически позволял охлаждать теплоноситель до 320 К (+47 градусов Цельсия), в то время как даже огромные классические радиаторы едва ли смогли бы охладить его ниже 400 К (+127 градусов Цельсия). И это реально важно…
Дело в том, что эффективность преобразования тепла в любой другой вид энергии фундаментально ограничена. Максимальный возможный КПД равен (1 — Тхол/Тнаг)*100%, где Тхол — абсолютная (та, что в кельвинах) температура «холодильника» (в нашем случае — радиатора), Тнаг — абсолютная температура нагревателя (в нашем случае — активной зоны реактора). На практике КПД преобразования обычно эдак раза в два-три ниже. В частности тут у нас на слайде варианту №1 соответствует максимальный гипотетический КПД в 74,0%, а запланированы лишь 26%, для варианта №2 максимальный теоретический 78,7%, а запланированный — 34%, для варианта №3 — 73,3% и 26% соответственно.
За счёт снижения температуры теплоносителя с 400 до 320 К можно было либо снизить температуру активной зоны реактора с 1500 до 1230 К, что сделало бы реактор надёжнее и долговечнее, либо повысить КПД с 26% до 34%, что позволило бы при неизменной электрической мощности 900 кВт снизить рассеиваемую холодильником тепловую мощность более чем на треть. Последнее делает всю конструкцию меньше и легче, что в космической технике весьма ценится.
Судя по описанию реактора, где указана температура 1500 К, в итоге сошлись именно на варианте №2 с КПД преобразования 34%.
Слайд с описанием реактора
И всё было бы хорошо, если бы не ВНЕЗАПНО возникшие проблемы с созданием капельного холодильника… В статье, на которую я выше давал ссылку, описывается эксперимент на орбитальной космической станции «Мир» по изучению некой модели капельного холодильника. И он, судя по публикации, прошёл успешно. Для более детальной проработки холодильника на МКС начали проводить эксперимент «Капля-2». Если вы зайдёте на страницу эксперимента, то в списке связанных с ним научных публикаций найдёте две чисто теоретические и третью — ту, на которую я уже дал ссылку. Всё.
https://tsniimash.ru/science/scientific-experiments-onboard-...
Собственно по результатам работ на МКС за шесть лет эксперимента никаких публикаций. И, как я слышал сразу от нескольких людей, работающих в Роскосмосе, причина этого в тотальном провале эксперимента: капельный холодильник просто не работает так, как задумали разработчики, и способов его «починить» найти не удалось.
Дополнительные проблемы, опять таки ВНЕЗАПНО, подкинули турбины, которые «почему-то» не хотят работать в жёстких температурных условиях десять лет без обслуживания…
В итоге от всех этих «прорывных» технологий было решено отказаться. На последней анимации буксира видны традиционные панельные радиаторы:
Анимация 2020 года, демонстрирующая разворачивания буксира на орбите
К слову, на той же анимации видно, как будет складываться-раскладываться огромная ферма, которая в новом проекте стала углепластиковой, а не металлической, что позволило снизить массу буксира буквально в разы.
Вслед за капельным холодильником «на свалку» отправились и турбины, уступив место проверенному термоэмиссионному преобразователю:
По слайдам презентации, представленной Урличичем, к 2025 г. планируется создать «опытные образцы космической ядерной энергоустановки с термоэмиссионным реактором-преобразователем»
Источник
На этом моменте у многих начинает возникать вопрос на счёт КПД таких преобразователей: он ведь 4-6%! При таком низком КПД количество тепла, которое нужно будет сбрасывать, становится просто огромным!
На самом деле КПД термоэмиссионных преобразователей не ограничен величиной в 6%. Он может быть и 8%, и 10%, и 12%, и даже более. Вопрос в том, какую разницу температур между нагревателем и холодильником вы создадите. В отличии от турбин, которые при малом перепаде температур просто не работают, у термоэмиссионного преобразователя такой проблемы нет, и вы можете заставить его работать при весьма малой разнице температур. С низким КПД, естественно…
Но зачем нарочно делать преобразователь с низким КПД? Тут причина в простоте охлаждения. Это контринтуитивно, но это так.
Максимальная температура нагревателя (активной зоны реактора) ограничена необходимостью обеспечить его долговечность. Это в любом случае будет величина порядка 1500 К (+1227 градусов Цельсия) или даже меньше. Сделать реактор на 2000 К или даже 2500 К вполне возможно, но его ресурс будет измеряться не годами, а часами.
Раз так, то КПД у нас определяется температурой «холодильника» — радиатора. А мощность теплового излучения с единицы площади радиатора пропорциональна четвёртой (!) степени температуры.
Предположим, что КПД нашего термоэмиссионного преобразователя составляет 0,4 от максимального теоретического КПД преобразования тепла, а коэффициент черноты радиатора — 0,95. Зафиксируем температуру нагревателя на уровне 1500 К, а электрическую мощность — на 900 кВт. Рассчитаем на основе этого необходимую температуру радиатора, а следом — и его площадь. Результат выходит такой:
Расчёт для КПД, равного 0,4 от КПД цикла Карно, коэффициента черноты радиатора 0,95, температуры нагревателя 1500 К и выходной мощности преобразователя 900 кВт
В наших предположениях оптимальный КПД оказывается 9%! При нём площадь радиатора составит 92,5 квадратных метра, температура — 1163 К (+890 градусов Цельсия), а рассеиваемая этим радиатором мощность — 9,1 МВт. Попытки поднять КПД выше 9% неизбежно приведут лишь к увеличению размеров и массы радиаторов. При преобразовании тепла с помощью турбин радиатор должен был бы сбрасывать в космос примерно 2,3 МВт тепла — в разы меньше, чем с термоэмиссионным преобразователем. Но из-за температуры всего в 400 К площадь этого радиатора должна была бы составить… более 1600 квадратных метров! Переход к термоэмиссии позволил снизить площадь в 18 раз! Ну или около того, т.к. взятые мною в расчётах «0,4 от максимального теоретического КПД преобразования тепла» — это лишь примерная оценка, а у реального преобразователя может быть и 0,3 (тогда оптимальный КПД всего 6%!) и 0,5 (тогда — 11%). Но в любом случае термоэмиссия требует радиатора, который меньше более чем на порядок.
Кто-то может возразить: но где взять столько энергии чтобы компенсировать низкий КПД?.. Из урана, конечно же!
1 кг высокообогащённого урана потенциально содержит в себе порядка 20 ГВт*ч тепловой энергии. Из-за несовершенства простейших реакторов, используемых в космосе, удаётся «сжечь» всего порядка 5% от имеющегося урана. Затем его концентрация падает ниже критической, цепная реакция останавливается. Получаем «всего лишь» 1 ГВт*ч тепловой энергии. Значит 1 кг урана хватит чтобы обеспечивать энергией 10 МВт (по теплу, по электричеству, при 9% КПД, 900 кВт) реактор в течении сотни часов. Ну а полтонны урана хватит уже на весь ресурс ионных двигателей буксира, который заявляется равным 50 000 часов.
Таким образом проект буксира 2020-го года радикально реалистичнее, проще, легче и компактнее чем то, что предлагали в 2009-м. Да, без «прорывных» капель и турбин, зато это будет работать.
Впрочем, надо отметить, замена преобразователя рождает новые сложности…
Электромеханические генераторы должны были выдавать напряжение в 4500 вольт. При таком напряжении провода должны были пропустить от генератора к двигателям ток всего 200 А. Это примерно на уровне тока, который потребляет стартер автомобиля. Т.е. провода требовались относительно тонкие. Кроме того, ионный двигатель требует как раз тысяч вольт питания, а значит преобразователю питания двигателей нужно будет совсем немного изменить напряжение, он получается достаточно компактным и простым. Потенциально возможно даже прямое питание двигателей от генератора!
Термоэмиссионный преобразователь даёт напряжение скорее 45 В, чем 4500… Соответственно, ток, который нужно передавать через весь буксир, возрастает до десятков тысяч ампер! Установить рядом с реактором DC-DC преобразователь чтобы поднять напряжение в сотню раз? Нет, не выйдет: излучение реактора быстро уничтожит электронику этого преобразователя (собственно из-за излучения реактор и располагают в полусотне метров от всего остального). Так что нужно готовиться передавать десятки тысяч ампер. Единственный вариант сделать это без многотонных толстенных кабелей — использование сверхпроводников… По всей видимости буксир будет иметь линию электропередач на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, благо их массовый выпуск был налажен в России ещё несколько лет назад. Тем не менее для космоса эта технология будет новой, не испытанной, а значит можно ожидать существование «подводных камней».
Впрочем, на сверхпроводниках проблемы низкого напряжения не заканчиваются: ионный двигатель всё ещё требует тысяч вольт… А значит потребуются громоздкие DC-DC преобразователи на сотни киловатт, повышающие напряжение во многие десятки, до сотни, раз. Ну или ионные двигатели нужно заменить на магнитоплазмодинамические, которые как раз питаются от нескольких десятков вольт постоянного напряжения…
