Китайские ученые оценили свои возможности по реализации проекта перспективного космического ядерного реактора электрической мощностью полтора мегаватта. Это установка с жидкометаллическим теплоносителем и газовой турбиной, которая по массе и габаритам умещается на ракете-носителе среднего класса. Несколько прототипов ее критически важных узлов уже прошли успешные наземные испытания. Но многие необходимые технологии требуют либо международного участия, либо интенсивного финансирования для доработки.
Амбициозные проекты по освоению других планет и дальнего космоса еще на стадии предварительной проработки сталкиваются с огромной проблемой своих больших энергетических потребностей. Солнечные панели хороши, надежны и проверены временем, однако их удельная мощность мала. Международная космическая станция несет на себе 2,5 тысячи квадратных метров солнечных панелей, которые вырабатывают в среднем всего 120 киловатт электричества. Хватает для работы орбитальной лаборатории, но ни о каких высокоэффективных электрических двигательных установках речи и быть не может.
Для сравнительно быстрых пилотируемых полетов к другим планетам и тем более на окраины Солнечной системы альтернатив атомным реакторам фактически нет. Поэтому китайские физики-ядерщики работают над перспективными установками, способными обеспечить конкурентоспособность родной нации в новой космической гонке. Это очень сложная и дорогостоящая задача, прогресс в выполнении которой можно проследить по недавней публикации в рецензируемом журнале Scientia Sinica Technologica. Ее авторы — сотрудники полутора десятков ведущих научных организаций Поднебесной.
В статье рассматривается проект ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, газовой турбиной и системой охлаждения на основе теплотрубок. В качестве теплоносителя первого контура выступает литий, второго контура — гелий-ксеноновая смесь. Теплотрубки охладителя заправляются сплавом калия и ртути. Расчетная тепловая мощность — шесть мегаватт, электрическая — до полутора мегаватт нетто, еще 50 киловатт тратится на внутренние нужды реактора (насосы, подогреватели, система управления).
В разделе публикации с предварительными анализом существующих наработок в области аналогичных установок авторы объяснили, почему выбрали именно такую схему. Если вкратце, она оптимальна по соотношению удельной мощности, надежности и массы для выбранных задач и диапазона мощностей. Газофазные реакторы устроены проще (теплоноситель первого контура можно сразу направлять в газовую турбину), но требуют более тяжелого экранирования, а их рабочие температуры выше. Жидкометаллические реакторы с тепловыми трубками в первом контуре теплообмена обещают более высокую устойчивость к потенциальным отказам за счет простоты конструкции, однако удельная мощность такой установки будет существенно меньше.
При массе чуть менее восьми тонн перспективная китайская космическая ядерная энергетическая установка в сложенном виде умещается под обтекателем высотой 12 метров и диаметром 4,4 метра — это немало, но по плечу даже ракетам-носителям среднего класса. Слева показан реактор с разложенным радиатором
Источник изображения: YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica
По всем остальным основным узлам перспективной энергетической установки китайские ученые проводят похожий разбор. Наиболее интересен выбор теплоносителя первого контура — это не калий или натрий, обычные для жидкометаллических реакторов, а литий. Его удельная теплоемкость в несколько раз выше, вдобавок он остается жидким вплоть до температуры в 1615 градусов. А чем выше температура горячей части тепловой машины, тем выше ее эффективность при прочих равных.
Проблема только одна: таких реакторов еще никто не делал, есть некоторые наработки у США и Японии, но за пределы лабораторий они не выходили. Следовательно, специалистам из КНР предстоит решить множество сложнейших задач в области материаловедения.
Потенциальным трудностям в разработке посвящена большая часть статьи китайских ученых. Среди них:
- разработка ванадий-рениевого сплава и технологии изготовления металлического композита из него для трубопроводов первого контура (а также методов обработки и сварки таких материалов);
- испытания и доводка сепаратора для отделения гелия от лития (он вырабатывается при облучении) в первом контуре, который должен работать в невесомости (ранее их испытывали только на Земле);
- создание материалов для лопаток газовой турбины, которой предстоит на протяжении десятилетий непрерывно работать при температуре 1500 градусов;
- отработка технологий изготовления углерод-углеродных композитов для основного радиатора системы охлаждения (в листах которого будут заключены теплотрубки);
- разработка уран-нитридного керамического ядерного топлива.
Особый акцент китайские ученые сделали на том, что эти, а также многие другие недостающие знания и технологии в той или иной степени получили развитие за рубежом. Авторы статьи выделили несколько направлений работы для национальных научно-исследовательских учреждений, требующих повышенного внимания и финансирования. Лишь тогда, по мнению исследователей, к 2035-2050 годам, когда и понадобится такой космический реактор, Китай будет им обладать. В противном случае страна рискует отстать от других участников космической гонки XXI века.
Фото прототипа части агрегатов перспективной космической атомной энергетической установки
Источник изображения: YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica
Немалая часть требующихся технологий уже отрабатывается. Например, недавно (когда именно — не сообщается) наземные испытания прошел прототип теплообменника между первым и вторым контурами будущего реактора. В тесте удалось проверить коррозиестойкий трубопровод для литиевого теплоносителя, электромагнитный насос и гелий-ксеноновую турбину. Доказательство работоспособности концепции получено, далее требуются усовершенствования, необходимые для полноценной работы установки длительное время.