Ядерная энергия и космос

[sharp]

может быть его можно масштабировать до мощности 1МВт электричества и 3МВт тепла?

Если ритег дает 3МВт тепла, то через термодинамический цикл можно довести КПД и до 40-50%. Фактически-то нет разницы, что у вас в качестве нагревателя - реакция деления или распад изотопа. Главное - разница температур между нагревателем и холодильником.

Единственно, чтоб не создавать рядом сильный фон, нужны дорогие изотопы.

Прошу уточнить, какие изотопы вы подразумеваете под дорогими, и какие - под дешевыми?

[AlexAV]

Проблемка в том что у РИТЭГ низкий КПД не больше 6%, но в NASA разрабатывали РИТЭГ Стирлинга с КПД 26%

Космические РИТЭГ для Марса - решение неоптимальное. Т.е. у Марса, в отличие от открытого космоса - атмосфера есть и её можно использовать для охлаждения (т.е. можно отказаться от неэффективного охлаждения излучением, абсолютно неизбежного в открытом космосе, но не для Марса) и в качестве рабочего тела, а это позволяет получить совсем другие проценты КПД и удельной мощности.

Единственно, чтоб не создавать рядом сильный фон, нужны дорогие изотопы.
Редактировать сообщение

Если нужны мощности в диапазоне нескольких мегаватт - то здесь идеал U-235 без вариантов. Т.е.  реактор, а РИТЭГ, изотопы на РИТЭГ такой мощности будут в любом случае невменяемо дорогими, ну разве что что-то совсем бросовое использовать, вроде Sr-90. 

[sharp]

Если нужны мощности в диапазоне нескольких мегаватт - то здесь идеал U-235 без вариантов. Т.е.  реактор, а РИТЭГ, изотопы на РИТЭГ такой мощности будут в любом случае невменяемо дорогими, ну разве что что-то совсем бросовое использовать, вроде Sr-90.

С другой стороны, реактор более тяжелое и технически сложное устройство, чем ритег. Поэтому если использовать высококалорийный изотоп типа уран-232, ритег может оказаться легче реактора той же мощности.
А так как цена доставки сильно зависит от веса, это может перекрыть дороговизну производства изотопа.

[Vavanzer]

Управлять цепной реакцией давно научились. Использовать реактор в настоящее время гораздо безопаснее, чем лететь в самолете.
Со

Это построенный на Земле, практически на месте, прошедший кучу проверок...    А как он поведет если его сначала с Земли запустить, ускорение несколько g и бешеные вибрации, потом месяцы в пути, потом торможение несколько g и посадка... Первое - хорошо если без аварии сядет. Второе - если сядет то как он будет работать после таких "мытарств" ?

[Vavanzer]

Поэтому если использовать высококалорийный изотоп типа уран-232, ритег может оказаться легче реактора той же мощности.
А так как цена доставки сильно зависит от веса, это может перекрыть дороговизну производства изотопа.

   К ритегу можно приделать жидкостную систему охлаждения. Или вообще паровую турбину, уже на месте.     Но чудится мне что избыточное тепло там нарасхват пойдет, тк на Марсе - все равно чтона северном полюсе строить чтото )))

[sharp]

Это построенный на Земле, практически на месте, прошедший кучу проверок...    А как он поведет если его сначала с Земли запустить, ускорение несколько g и бешеные вибрации, потом месяцы в пути, потом торможение несколько g и посадка... Первое - хорошо если без аварии сядет. Второе - если сядет то как он будет работать после таких "мытарств" ?

Технология доставки грузов на планету должна быть отработана до начала колонизации. Мы ведь предполагаем сажать туда человеков, а они тоже не слишком любители всяких перегрузочных мытарств.
Если у вас есть технология надежной доставки человека, то и реактору ничего не будет.

[sharp]

   К ритегу можно приделать жидкостную систему охлаждения. Или вообще паровую турбину, уже на месте.     Но чудится мне что избыточное тепло там нарасхват пойдет, тк на Марсе - все равно чтона северном полюсе строить чтото )))

Ну собственно это и для реакторов и для ритегов верно Часть теплового избытка можно пустить на отопление. А вот если у вас солнечные батареи, энергию на отопление придется отнимать от сгенерированной электроэнергии.

[Vavanzer]

Мы ведь предполагаем сажать туда человеков, а они тоже не слишком любители всяких перегрузочных мытарств.
Если у вас есть технология надежной доставки человека, то и реактору ничего не будет.

 Там особо не придумаешь - 2 варианта - реактивный, и за счет подушек безопасности.  Наверно надо комбинировать эти 2 способа ))))

 Единственно разница - человек - самовосстанавливающаяся система. А вот необслуживаемый реактор -нет. Микроповреждения от перегрузок могут сыграть злую шутку.

[AlexAV]

Поэтому если использовать высококалорийный изотоп типа уран-232, ритег может оказаться легче реактора той же мощности.

Для урана-232 нет хороших источников. Его в принципе можно получать облучением Pa-231 и иония (Тh-230) в процессах:

Pa-231 + n = Pa-232 (бета-распад с Т_1/2 =1.31 день) = U-232
Th-230 + n = Th-231 (бета-распад с Т_1/2 = 25.52 часа) = Pa-231 + n = Pa-232 (бета-распад с Т_1/2 =1.31 день) = U-232

Но тут непонятно, где протактиний или ионий брать. В принципе и то и то - естественные изотопы входящие в радиоактивный ряд U-235 и U-238 соответственно и их можно пробовать получать из урановых руд, но протактиния там совсем мало, такая добыча будет выгладить как добыча радия с той же производительностью, едва ли удастся получать более нескольких килограмм в год, относительно долгоживущего иония - побольше, соотношение иония к урану в состояние векового равновесия 1,7 10^-5. В тории урановых руд его может быть весьма заметное количество. Но такой торий надо потом обогащать по ионию, что резко снижает экономическую привлекательность такой схемы.   

В принципе протактиний с хорошим выходом получается при облучение природного тория термоядерными нейтронами в (n,2n) процессе. Но для получения по такой схеме нужно строить специальный токамак с ториевым бланкетом масштаба JET специально для этого. Установка стоимостью несколько миллиардов долларов ради производства сотен килограмм, максимум единиц тонн, протактиния (в большем количестве протактиний с ураном-232 скорее всего будет мало кому нужен). Технически реально, но тоже экономика так себе.

Ну и наконец реакторный уран-233, получаемый при облучение тория. В нём всегда есть примесь урана-232 (образующейся в следствие (n, 2n) реакций и из примеси иония). Но там его весьма мало (при облучение в спектре ВВЭР около 3300 ppm), а в сочетание с высокой радиотоксичностью U-232 обогащать по тему такое сырьё - тоже удовольствие очень небольшое. Ну и объёмы производства при всём желание здесь будут очень небольшие.

Совершенно аналогичная история у другого высококалорийного изотопа с удобным периодом полураспада - Ac-227. Интересный материал для РИТЭГ, вот только единственный его разумный источник - облучение радия-226. А радий в значимых количествах можно получить только из природного сырья и содержится его там очень мало. Добыча даже килограммовых количеств - большая проблема.

[sharp]

Алекс, по поводу получения есть у меня кое-какие ссылки, позже их скину. Наверное, лучше в отдельную тему с изотопами?

И как считаете, верна ли моя оценка, что ритег на уране-232 весил бы меньше реактора на уране-235 той же мощности?

[AlexAV]

И как считаете, верна ли моя оценка, что ритег на уране-232 весил бы меньше реактора на уране-235 той же мощности?

Да, в целом согласен. Плотность энерговыделения U-232 близка к энергонапряжённости АЗ водоводяного ректора. При этом органы СУЗ ненужны, биологическая защита проще и легче (гамма-излучение, даже жёсткое - это не нейтроны, куда проще экранировать), выбор материалов и геометрии шире (не нужно нейтронику учитывать) и это тоже можно конвертировать в уменьшение массы системы в целом. В итоге устройство вероятнее всего получится заметно легче.

Наверное, лучше в отдельную тему с изотопами?

Я не сторонник плодить множество тем по каждому частному вопросу. Пусть пока здесь будет, если обсуждение разрастётся - возможно будет иметь смысл, но ради нескольких сообщений создавать новую тему думаю не стоит.

[sharp]

Ну и наконец реакторный уран-233, получаемый при облучение тория. В нём всегда есть примесь урана-232 (образующейся в следствие (n, 2n) реакций и из примеси иония).

Вот как раз торий-232 выглядит довольно перспективным сырьем для получения урана-232, если я правильно интерпретирую найденные мною данные.
Сечение Th-232 (n,gamma) много больше, чем Th-232 (n,2n) на тепловых нейтронах. Однако на быстрых нейтронах картина меняется кардинально, и уже (n,2n) имеет сечение на 3 порядка выше. Показано, например, в этой работе: http://www.ias.ac.in/article/fulltext/pram/079/02/0249-0262

То есть, если целенаправленно нарабатывать уран-232, то вполне можно сделать его именно основным продуктом, а уран-233 побочным.

[AlexAV]

Вот как раз торий-232 выглядит довольно перспективным сырьем для получения урана-232, если я правильно интерпретирую найденные мною данные.

Да, но нужен источник нейтронов с очень жёстким спектром. Причём реактор деления (даже быстрый) на эту роль не годится, в спектре деления нейтронов с энергией >7 МэВ очень мало. А значит или ускоритель (причём ещё надо подбирать реакцию - источник нейтронов, скажем тот же испарительный спектр при попадание протона с энергией ~1 ГэВ в тяжёлое ядро - тоже слишком мягкий), или термоядерный реактор (не обязательно полноценный, высоких коэффициентов усиления мощности здесь не надо, Q>0.1 - уже достаточно). Причём для получения объёмов в сотни килограмм - термоядерный реактор вообще безальтернативен, с ускорителем на электричестве разориться можно.

Про наработку изотопов протактиния и урана в бланкете термоядерного реактора есть такая работа: http://vant.iterru.ru/vant_2014_2/1.pdf

Оценка состава того, что получается там даётся следующая:



Т.е. даже в термоядерном спектре с входящим потоком с преобладающим спектром в 14 МэВ всё равно в банкете нарабатывается преимущественно U-233, даже исходно высокоэнергетические нейтроны в неупругих столкновениях сильно замедляются, хотя всё же протактиния-231 нарабатывается достаточно много. Но в любом случае потребуется два этапа. На первом в бланкете термоядерного реактора облучаем торий и из полученного материала выделяем Pa-231, на втором полученный протактиний облучаем в обычном реакторе и получаем после переработки U-232. За один этап, как можно видеть из состава того, что образуется в бланкете - не получится.
 

[sharp]

Но в любом случае потребуется два этапа. На первом в бланкете термоядерного реактора облучаем торий и из полученного материала выделяем Pa-231, на втором полученный протактиний облучаем в обычном реакторе и получаем после переработки U-232.

Ну два значит два. На 2-м этапе наработка урана-232 из протактиния уже идет достаточно легко.
И, как видно даже из этой статьи, уран-232 все-таки рассматривают обычно как "мусорный" изотоп, поскольку он дает сильное гамма-излучение. Если поставить задачу на максимальное производство этого изотопа, наверняка проценты можно и нарастить.

[crazy_terraformer]

Ну если вас не смущает отсутствие электричества в темное время суток, тогда конечно да. Солнце зашло - все легли спать.

Про аккумуляторы что нибудь слыхали ? Я уже говорил что ими даже ытовые автономные солнечные и ветростанции оснащают.  Они так же есть и на МКС ))))   А главная приколюха в том, что как и на Земле, большинство производственных процессов происходит днем, когда все бодрствуют. На марсе тож такой же распорядок будет, тем боле что сутки по длине почти такие же.
  Ночную же энергию для непрерывных производств и отопления как раз хорошо из ритегов каких-нибудь продвинутых брать.

РИТЭГов энтих понадобится множество для электролизных ванн и плавильных печей хотя бы, там желательно постоянные температуры держать. Ряд химических производств требует длительного периода безостановочной работы.

Топливо посчитайте для него. расход и количество перезаправок и все вытекающие из этого последствия.   Плюс надежность высокотемпературной установки. Какая то она аварийно-опасная...   Преимуществ особо нет никаких. Бочка с порохом.

Обвес теплоотводящий добавьте к нему. И наполнители ( теплоноситель ). 

Ну, значит будет какая-то другая конструкция. Будут собирать и сваривать элементы реактора на месте после проверки детекторами и потом всё опять проверять.

[AlexAV]

Ну два значит два.

Да я согласен, что технически проблем никаких. Сложность в том, что требуется много сложной и дорогостоящей инфраструктуры. Токамак для облучения тория, радиохимический завод для выделения протактиния, дополнительный реактор для облучения протактиния, дополнительная линия для выделения U-232. Стоимость такого комплекса на несколько миллиардов долларов потянет минимум. Если же U-232 нужен только для научных миссий, то его потребление составит десятки килограмм, ну может быть сотни килограмм в год. Здесь по одним только капитальным затратам получается очень дорого, даже без операционных. Вот на облучения нептуния-237 (который уже лежит на складе) с выделение Pu-238 средств найти не могут, и в результате несчастный JUNO летит с явно неуместными у Юпитера солнечными батареями. А здесь затраты в сотни раз большие нужны и вниз они не масштабируются.

[Vavanzer]

Да я согласен, что технически проблем никаких. Сложность в том, что требуется много сложной и дорогостоящей инфраструктуры. Токамак для облучения тория, радиохимический завод для выделения протактиния, дополнительный реактор для облучения протактиния, дополнительная линия для выделения U-232. Стоимость такого комплекса на несколько миллиардов долларов потянет минимум.

 С космическим коэфициентом х10 как минимум, тк все самое крутое, передовое, супер легкое и сверхнадежное должно быть.    Доставку не считаем.

   В итоге, чтоб только собирать и обслуживать все это надо батальон ученых и инженеров, которых еще и кормить чем то надо и разместить где-то )))   Плюс полчище работников комплекса производства сырья и материалов для всего этого.

  Мож проще пойти путем минимализма, здорового аскетизма, и свести к минимуму все затраты. На новых принципах строить счастливое Марсианское будущее - минимум загрязнения планеты и разработки ее ресурсов, все вещи и оборудование делать прочным, расчитанным на долгий срок службы, как некоторые автомобили в свое время, с движками-миллионниками...

[sharp]

По сути, атомная энергоустановка в космосе имеет один ключевой параметр, за улучшение которого имеет смысл бороться - энерговооруженность, или удельная мощность.

По этому поводу интересная информация попалась мне в старых дискуссиях:

Если прикинуть, то сам ваш движитель 1,6 кг/кВт.
Реактор (по тепловой мощности) 0,1 кг/кВт
Турбина -  3 кг/кВт
Капельный излучатель-холодильник – 0,2 кг/кВт (излучаемой мощности)
КПД преобразования – 30%
Электрический генератор – 2 кг/кВт
Прочая электроника и электропроводка корабля – 1 кг/кВт
В сумме для двигательной установки оценочно – 8,4 кг/кВт

Если вычесть движитель и "прочую электронику", имеем 5,3 кг/кВт для энергоустановки. То есть, 190 Вт/кг, что, в общем-то, очень неплохо.

Смущает в этих цифрах, что указан слишком большой вес механических частей по отношению к реактору и радиатору. По сути основная масса установки - генератор и турбина. То есть даже если реактор и холодильник имеют нулевую массу, все равно механика не пустит нас выше 200 Вт/кг. Можно ли эту массу как-то уменьшить?
Википедия считает, что газотурбинный движок может иметь удельную мощность до 6 кВт/кг. Допустим, у нас будет 2 кВт/кг, или 0,5 кг/кВт. Генератор с использованием легковесных материалов можно уменьшить вдвое по массе. Для равновесия утяжелим радиатор, пусть будет 1 кг/кВт генерируемой электромощности.
В сумме округленно 2,5 кг/кВт, или 400 Вт/кг для космического реактора с обвесом.

Реально ли настолько оптимизировать?

[AlexAV]

газотурбинный движок может иметь удельную мощность до 6 кВт/кг

У газотурбинных - да, но у тех, которые не замкнуты по рабочему телу. Т.е. используют атмосферный воздух на входе и сбрасывают отходящий газ назад в атмосферу. Если же газ будет двигаться по замкнутому контуру, то потребуются ещё теплообменник холодильника, и он характеристики испортит очень сильно. Собственно для тепловых машин с замкнутым циклом - теплообменники одна из самых значимых составляющих массы.

Если установка должна работать на планете с атмосферой (скажем Марсе), то используя атмосферный газ в качестве рабочего тела можно сильно улучшить удельную мощность системы, но в космосе такого варианта нет.

[Vavanzer]

По сути, атомная энергоустановка в космосе имеет один ключевой параметр, за улучшение которого имеет смысл бороться - энерговооруженность, или удельная мощность.

  Хорошо бы еще над надежностью поработать и длительности работы. )))  путь и весит в 2 раза больше будет, но зато на 30 лет и без аварий расчитать.   Е честно, то как то маловероятно это все видится на разных турбинных генераторах. Придется ремонтировать, заменять элементы подверженные быстрому износу.

  Вот интересно, реально ли сделать Ритег с управляемой мощностью, как обычный реактор на стержнях? Чтоб на время транспортировки  и монтажа заглушил его, а когда все смонтировано, в тч и теплообменники для отопления Базы, то врубить его на необходимую мощность.