Ядерная энергия в космонавтике

[SpaceEngineer]

Как решена проблема радиации? Какую дозу может человек получить и остаться живым? Какая нужна защита при межпланетном перелете? По поводу невесомости: как решена проблема вымывания кальция? Отчего-то Григорьев ее решения не знает, а Вы - знаете. Срочно пишите в Президиум РАН, что директор ИМБП не может элементарную задачку решить, и неделю назад на юбилее Келдыша страну опозорил.

А почему на Земле нет проблемы радиации? Потому что нас защищает магнитосфера и сравнительно плотная атмосфера. Так давайте будем защищать корабль от заряженных частиц магнитным полем. Поставим мощные электромагниты, а жилые помещения расположим вблизи магнитопровода, где напряженность поля небольшая. Отклоненные полем частицы поглощаем экранами, за одним из них на длинной ферме находится реактор с двигателем. Вот вам ещё одна система, требующая большой энергии, которую на сегодняшний день может обеспечить только ядерный реактор.

Как решить проблему невесомости? Двумя путями. Первый: создавать искусственное тяготение. Либо вращением всего корабля или его части, либо полётом с постоянным ускорением 0.1-1g. Второй вариант пока невозможен, но он не фантастичен. Химические ракеты на это не способны, а вот ядерные двигатели (или ядерный реактор + электрореактивные двигатели) - способны. Второй путь решения проблемы невесомости - сокращение времени полёта. Не 7 месяцев лететь на Марс, а один. Химические ракеты на это способны, но корабль будет чудовищных размеров и стоимости. С ядерной энергией этого достичь куда проще.

[Mars]

Впрочем, о чем вы тут вообще разговор ведете? В первую очередь энергоблок предлагается для беспилотных грузовых буксиров и тяжелых дальних научных зондов (к Юпитеру и Сатурну, конкретно). В случае использования в качестве источника энергии для пилотируемого марсианского экспедиционного комплекса защита может быть дополнительно усилена. А кроме того сами жилые модули будут оборудованы собственной радиационной защитой (от солнечного и фонового космического излучения).

Разумеется этот двигатель для беспилотных миссий. Пилотируемый марсианский комплекс скорее всего  ЯРД будет разгонятся, а не ЭРДУ.

[Mars]

Наподобие вот этого:
http://www.membrana.ru/particle/3200

[Belll]

Впрочем, о чем вы тут вообще разговор ведете? В первую очередь энергоблок предлагается для беспилотных грузовых буксиров и тяжелых дальних научных зондов (к Юпитеру и Сатурну, конкретно). В случае использования в качестве источника энергии для пилотируемого марсианского экспедиционного комплекса защита может быть дополнительно усилена. А кроме того сами жилые модули будут оборудованы собственной радиационной защитой (от солнечного и фонового космического излучения).

Разумеется этот двигатель для беспилотных миссий. Пилотируемый марсианский комплекс скорее всего  ЯРД будет разгонятся, а не ЭРДУ.

Нет, тот же самый блок ЭРД, питаемый ЯЭУ, только суммарная мощность последней порядка 20 МВт. Во всяком случае именно таковы текущие официальные планы.

[Azteckium]

  Так давайте будем защищать корабль от заряженных частиц магнитным полем. Поставим мощные электромагниты, а жилые помещения расположим вблизи магнитопровода, где напряженность поля небольшая. Отклоненные полем частицы поглощаем экранами, за одним из них на длинной ферме находится реактор с двигателем. Вот вам ещё одна система, требующая большой энергии, которую на сегодняшний день может обеспечить только ядерный реактор.

Посчитайте, какое должно быть поле, что бы отклонить 100МэВный протон на 5м на расстоянии 10м. И какая при этом напряженность поля будет "вблизи магнитопроводов". Сколько такая система магнитов будет весить, и сколько энергии потреблять.

Как решить проблему невесомости? Двумя путями. Первый: создавать искусственное тяготение. Либо вращением всего корабля или его части, либо полётом с постоянным ускорением 0.1-1g. Второй вариант пока невозможен, но он не фантастичен. Химические ракеты на это не способны, а вот ядерные двигатели (или ядерный реактор + электрореактивные двигатели) - способны. Второй путь решения проблемы невесомости - сокращение времени полёта. Не 7 месяцев лететь на Марс, а один. Химические ракеты на это способны, но корабль будет чудовищных размеров и стоимости. С ядерной энергией этого достичь куда проще.

"Чем меньше о предмете мы знаем, тем больше иллюзий испытываем". Пошли по кругу. Что проще с ядерной энергией?

[SpaceEngineer]

  Так давайте будем защищать корабль от заряженных частиц магнитным полем. Поставим мощные электромагниты, а жилые помещения расположим вблизи магнитопровода, где напряженность поля небольшая. Отклоненные полем частицы поглощаем экранами, за одним из них на длинной ферме находится реактор с двигателем. Вот вам ещё одна система, требующая большой энергии, которую на сегодняшний день может обеспечить только ядерный реактор.

Посчитайте, какое должно быть поле, что бы отклонить 100МэВный протон на 5м на расстоянии 10м. И какая при этом напряженность поля будет "вблизи магнитопроводов". Сколько такая система магнитов будет весить, и сколько энергии потреблять.

Индукция поля в электромагнитах В, импульс ускоренных частиц р и радиус кривизны их траектории R связаны между собой соотношением pc = eBR, которое в удобных для практического применения единицах имеет вид:
pc [МэВ] = 300 B[Тл] R[м],
откуда
B = pc / (300 R) = 100 / (300*5) = 66 мТл
Напряженность геомагнитного поля над поверхностью Земли изменяется в пределах 0,035 — 0,07 мТл, т.е. на 3 порядка меньше. Возьми не 5м, а 50 - будет 2 порядка. Это поля и энергии, характерные для циклотронов, так что можно принять, что магнитная система будет весить и потреблять приметрно столько же, сколько циклотноны - 100-1000 тонн и 1-10 МВт. Сверхпроводящие магниты будут поэкономичнее.
Напряженность поля в кабине корабля может быть хоть ноль - выбор конфигурации магнитопровода и магнитная экранировка ферритами.

Как решить проблему невесомости? Двумя путями. Первый: создавать искусственное тяготение. Либо вращением всего корабля или его части, либо полётом с постоянным ускорением 0.1-1g. Второй вариант пока невозможен, но он не фантастичен. Химические ракеты на это не способны, а вот ядерные двигатели (или ядерный реактор + электрореактивные двигатели) - способны. Второй путь решения проблемы невесомости - сокращение времени полёта. Не 7 месяцев лететь на Марс, а один. Химические ракеты на это способны, но корабль будет чудовищных размеров и стоимости. С ядерной энергией этого достичь куда проще.

"Чем меньше о предмете мы знаем, тем больше иллюзий испытываем". Пошли по кругу. Что проще с ядерной энергией?

Удельный импульс (примерно равный скорости истечения реактивной струи) плазменного двигателя достигает 300 км/сек, у химических только ~3 км/с. Это значит, что плазменные двигатели создадут ту же тягу при в 100 раз меньшем расходе рабочего тела. Т.е. для набора заданной характеристической скорости потребуется в 100 раз меньше "топлива", чем с химическими двигателями. Освободившееся место займёт ядерный реактор и прочая полезная нагрузка. На данный момент проблема только в том, что тяга существующих плазменных двигателей едва превышает пару ньютонов, так что пока ждём дальнейшего их совершенствования.
Компоновка корабля такая. Реактор расположен недалеко от двигателей, чтобы уменьшить потери на передачу сотен мегаватт электроэнергии. Баки с рабочим телом расположены между реактором и жилыми отсеками, и выступают в роли дополнительной защиты. Жилые отсеки удалены от реактора на неск. десятков метров на ферме, внешняя поверхность фермы занята радиаторами охлаждения реактора.

Удельный импульс газофазного ядерного двигателя может быть доведен до 100 км/сек, а тяга - сотни и тысячи тонн. Удельный импульс твердофазного ядерного двигателя пока всего в 3-4 раза превосходит уд. имп. химических двигателей, а тяга такая же - сотни и тысячи тонн. Для примера вот характеристики реально построенного и испытанного в СССР двигателя РД-0410:

Тяга в пустоте — 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора — 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте — 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений — 10
Ресурс работы — 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
Масса с радиационной защитой — 2 тонны (всего!)
Габариты двигателя: высота 3.5 м, диаметр 1.6 м
Годы разработки — 1965—1985

В любом случае получается существенная экономия по массе рабочего тела. Второе преимущество ядерных двигателей - рабочим телом может быть почти что угодно, эффективнее всего - водород, который легко можно добыть на месте, например из атмосферы Юпитера или льда его спутников. Третье преимущество - часть тепла активной зоны может направляется на генерацию электроэнергии для корабля, так что другие источники кроме аварийных не нужны.
Недостаток - радиационная опасность выше чем у простого реактора, за счет выноса небольшого количества делящегося вещества вместе со струей.
Компоновка корабля примерно такая же, как описано выше. Ядерный двигатель отнесен от жилых отсеков на неск. десятков метров, длина кабелей от него не играет принципиального значения, т.к. по ним передается сравнительно небольшая энергия - для питания жилых отсеков и оборудования.

PS: Прошу не переходить на личности ("Чем меньше о предмете мы знаем, тем больше иллюзий испытываем"), это сразу отталкивает и создаёт негативное мнение о собеседнике.

[Belll]

Удельный импульс (примерно равный скорости истечения реактивной струи) плазменного двигателя достигает 300 км/сек, у химических только ~3 км/с. Это значит, что плазменные двигатели создадут ту же тягу при в 100 раз меньшем расходе рабочего тела. Т.е. для набора заданной характеристической скорости потребуется в 100 раз меньше "топлива", чем с химическими двигателями.

Знаете, за это Вас могут начать бить и возможно даже ногами

[Azteckium]

Черт, как известно, сидит в деталях:
 магнитная система будет весить и потреблять приметрно столько же, сколько циклотноны - 100-1000 тонн и 1-10 МВт.
это чтобы прикрыть КА по одному направлению. Допустим, солнечному, на галактические КЛ не обращаем внимания или все же экранируемся?
Какой нужен радиатор, что бы сбросить тепло от такой установки?
У циклотрона диаметр пучка отнюдь не несколько метров, хотя радиусы поворота похожи. Это я к тому, что для 5 м входящего пучка установка совсем циклопическая будет.
Вы , кстати, циклотрон живьем видели? Его космическую реализацию как представляете? Поблочно такая дура не собирается в принципе, как запускать ее представляете?
Какие наводки от такой системы будут на кабельную сеть?

Напряженность поля в кабине корабля может быть хоть ноль - выбор конфигурации магнитопровода и магнитная экранировка ферритами.
Вес экранировки не оцените?

Удельный импульс (примерно равный скорости истечения реактивной струи) плазменного двигателя достигает 300 км/сек,... На данный момент проблема только в том, что тяга существующих плазменных двигателей едва превышает пару ньютонов, так что пока ждём дальнейшего их совершенствования.

Не задумывались, почему? Как задача ионного травления решена для такой плазмы?

 Для примера вот характеристики реально построенного и испытанного в СССР двигателя РД-0410:
Ресурс работы — 1 час
Унушает. Сколько таких движков надо, чтобы до Марса долететь.

В любом случае получается существенная экономия по массе рабочего тела.
Так сколько надо рабочего тела для полета такого изделия на Марс?

эффективнее всего - водород, который легко можно добыть на месте, например из атмосферы Юпитера или льда его спутников.
Какие технологии такой "добычи"? Как конкретно она будет реализована? В рамках того же космического монстра или отдельные заправщики? Как быть, если надо только до Марса долететь?

Третье преимущество - часть тепла активной зоны может направляется на генерацию электроэнергии для корабля, так что другие источники кроме аварийных не нужны.
Кстати, как будет отводиться тепло от такого реактора? Какие площади радиаторов нужны? Какой вес? Что делать с радиационным старением покрытий?

Ядерный двигатель отнесен от жилых отсеков на неск. десятков метров, длина кабелей от него не играет принципиального значения, т.к. по ним передается сравнительно небольшая энергия - для питания жилых отсеков и оборудования.
Угу, если не считать 1-10 МвТ на магнтную защиту....

И еще эти проблемы - отдельные и несвязанные. Если решать их в комплексе, подводных камней будет на порядок больше.

PS: Прошу не переходить на личности ("Чем меньше о предмете мы знаем, тем больше иллюзий испытываем"),
Т.е. цитирование классиков расценивается, как переход на личности? Вы являетесь специалистом по разработке космических ядерных реакторов? Чего же Вы тогда ссылаетесь на реакторы 40-летней разработки? Поновее есть что-то, только реальное, хотя бы до эскизнго проекта доведенное?

[Mars]

Впрочем, о чем вы тут вообще разговор ведете? В первую очередь энергоблок предлагается для беспилотных грузовых буксиров и тяжелых дальних научных зондов (к Юпитеру и Сатурну, конкретно). В случае использования в качестве источника энергии для пилотируемого марсианского экспедиционного комплекса защита может быть дополнительно усилена. А кроме того сами жилые модули будут оборудованы собственной радиационной защитой (от солнечного и фонового космического излучения).

Разумеется этот двигатель для беспилотных миссий. Пилотируемый марсианский комплекс скорее всего  ЯРД будет разгонятся, а не ЭРДУ.

Нет, тот же самый блок ЭРД, питаемый ЯЭУ, только суммарная мощность последней порядка 20 МВт. Во всяком случае именно таковы текущие официальные планы.

А не слишком долго в радиационных поясах будет корабль находиться, если ЭРД разгонять?

[Belll]

А не слишком долго в радиационных поясах будет корабль находиться, если ЭРД разгонять?

Слишком - это сколько? Экипаж планируется подсаживать на борт уже после выхода из поясов.

[Mars]

А не слишком долго в радиационных поясах будет корабль находиться, если ЭРД разгонять?

Слишком - это сколько? Экипаж планируется подсаживать на борт уже после выхода из поясов.

А, понятно. Я думал экипаж будет находится внутри корабля.

[Dem]

Рассмотрим реально летающую систему – МКС.
Каждая солнечная батарея весит более 2,400 фунтов (более 1080 кг) и вырабатывает 32.8 киловатт. Итого около 33 кг/кВт. А если принять во внимание то, что сегмент вместе с двумя батареями весит 31-35 тысяч фунтов (включая систему наведения на Солнце и панели охлаждения – электронику все равно приходится охлаждать), а декларируемая в последнее время мощность с 8-ю батареями – 80-120 кВт, то не все так радужно как кажется. Удельная масса более 500 кг/кВт.

Нет, радиаторы и т.д. - они для охлаждения не батарей, а потребителей вырабатываемой батареями мощности - аппаратуры на модулях станции. Т.е. не в счёт. Просто свели в единый блок.

Всё просто. В поясах нет тех самых быстрых нейтронов, разрушающих кристаллическую решётку полупроводников.
Попробуйте-ка засунуть микросхему в активную зону реактора.

Зато есть не менее быстрые и массивные протоны.

Под действием быстрых (реакторных) нейтронов U-238 делится с коэффициентом размножения 1,3-1,5. Этого недостаточно для поддержания цепной реакции, однако для "поглотителя" нонсенс. Коэффициент размножения нейтронов в экране должен быть твёрдо равен нулю.

U-238 от быстрого нейтрона не делится, а просто его поглощает, превращаясь в U-239, а затем в Pu-239. Чтобы разделить - нужен сверхбыстрый, от термояда например.

[Golossvyshe]

Всё просто. В поясах нет тех самых быстрых нейтронов, разрушающих кристаллическую решётку полупроводников.
Попробуйте-ка засунуть микросхему в активную зону реактора.

Зато есть не менее быстрые и массивные протоны.

Возможно, вы не в курсе, но протоны солнечного ветра не в состоянии преодолеть даже самую тоненькую оболочку спутника.
Предвосхищая следующие два вопроса - частиц галактических космических лучей, способных прошивать космический аппарат насквозь, слишком мало, чтобы в короткий срок накопилось достаточное кол-во дефектов в монокристалле полупроводника. Рентген и гамма-лучи же при довольно хорошей проницаемости кристаллический кремний не разрушают.

U-238 от быстрого нейтрона не делится, а просто его поглощает, превращаясь в U-239, а затем в Pu-239. Чтобы разделить - нужен сверхбыстрый, от термояда например.

Вы путаете. Это тепловые нейтроны не в состоянии делить U-238.

[Azteckium]

. Рентген и гамма-лучи же при довольно хорошей проницаемости кристаллический кремний не разрушают.

Разрушают, только механизм другой.

U-238 от быстрого нейтрона не делится, а просто его поглощает, превращаясь в U-239, а затем в Pu-239. Чтобы разделить - нужен сверхбыстрый, от термояда например.

Вы путаете. Это тепловые нейтроны не в состоянии делить U-238.

Дык про это и  сказано

[Azteckium]

И что за ерунда про нового человека? Что за философский факультет?

"музыкой навеяло"
http://www.vz.ru/society/2011/2/24/470964.html

[juseppe]

U-238 от быстрого нейтрона не делится, а просто его поглощает, превращаясь в U-239, а затем в Pu-239. Чтобы разделить - нужен сверхбыстрый, от термояда например.

Вы путаете. Это тепловые нейтроны не в состоянии делить U-238.

Дык сцыль же была: для деления нужен нейтрон с E>1,4МэВ. Но при этом идёт и рассеяние - с впятеро большей вероятностью, и сразу до подпороговой энергии... А "быстрый" - это уже условняк: одни считают быстрые от 100 кэВ, другие - от 1 МэВ...

[Andrey_Samoilov]

04.07.2014 10:53  |   Пресс-служба ОАО «НИКИЭТ»
Произведена сборка первого твэла штатной конструкции для разрабатываемой предприятиями Госкорпорации «Росатом» реакторной установки в рамках реализации проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса».

Главный конструктор реакторной установки – ОАО «НИКИЭТ», главный конструктор-технолог твэла – ФГУП «ГНЦ РФ – ФЭИ»), завод-изготовитель – ОАО «МСЗ».

Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса реализуется совместно предприятиями Росатома и Роскосмоса  в соответствии с решением, принятым в 2009 г. Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России при Президенте РФ. Это поистине инновационный проект, не имеющий мировых аналогов, ориентированный на осуществление масштабных программ по изучению космического пространства, на создание качественно новых средств высокой энерговооруженности.   
http://www.rosatom.ru/journalist/news/10dd3d80449a721ab6a2b6e920d36ab1

[vsf]

Насколько мне объяснили вчера в ЖЖ в этом проекте не будет ядерной двигательной установки. Там ядерный реактор в комбинации с электрическими ионными двигателями.

http://za-neptunie.livejournal.com/27790.html

[Andrey_Samoilov]

МОСКВА, 29 окт — РИА Новости. Наиболее важный элемент создаваемой в России космической ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, ее система охлаждения, успешно прошла наземные испытания, следует из материалов, размещенных в открытом доступе на сайте госзакупок.
http://www.zakupki.gov.ru/epz/order/notice/ok44/view/common-info.html?regNumber=0995000000216000188

"Работы выполнены в полном объеме. Результаты соответствуют требованиям технического задания", — говорится в акте приемки работ.

Как следует из материалов, испытания выявили закономерности функционирования элементов и узлов перспективных систем отвода тепла ЯЭДУ мегаваттного класса в наземных условиях, максимально приближенным к условиям космического пространства. Заказчик работ – госкорпорация "Роскосмос", головной исполнитель — Государственный научный центр "Исследовательский центр имени Келдыша".

Специалисты из ряда предприятий Роскосмоса и вузов разработали новое решение в виде так называемого капельного холодильника-излучателя. Это установка, похожая на душ, в которой жидкость не циркулирует в трубах, а распыляется в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, а затем улавливается заборным устройством и проходит цикл заново. Благодаря этому жидкость охлаждается гораздо быстрее (из-за большей площади поверхности капель), а конструкция становится значительно легче, вдобавок повышается ее живучесть — метеорит, пролетевший через жидкость, никак не повредит системе охлаждения.

Как отмечается в акте приемки, "изготовлены и испытаны экспериментальные образцы генератора капель и элементов заборного устройства… выполнена программа экспериментальных исследований модели капельного холодильника-излучателя".

В России с 2010 года реализуется не имеющий аналогов проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Цель проекта — обеспечить лидирующие позиции России в разработке высокоэффективных энергетических комплексов космического назначения, качественно повышающих их функциональные возможности.
https://ria.ru/science/20181029/1531649544.html

[r1bgg]

Идея конечно интересная и даже наверняка технически решаемая.  Только что то подсказывает мне что этот проект очередная вариация схемы по осваиванию денег налогоплатильщиков без необходимости что либо делать на самом деле (испытания ради отчетности). Было бы интересно узнать что там происходит на самом деле.