Продолжая тему атомной энергетики в космосе, мы пообщались с экспертом Ольгой Захаровой. Поговорили о том, как используется ядерное топливо в космосе, как его получают и какие риски оно несет, обсудили проект будущей лунной АЭС и многое другое.
— Ольга, как вы связаны с атомной энергетикой?
Я инженер-электроэнергетик по образованию, сейчас работаю в должности главного специалиста по проектированию систем электроснабжения. Вообще занимаюсь проектированием электрических сетей в течение 15 лет, среди объектов есть и промышленные, и жилые, и дороги, и реконструкции ТЭЦ, подстанций. Параллельно веду свою научно-популярную программу «На волне прогресса», где рассказываю о новых технологиях и инновациях. Напрямую в атомной энергетике я не работаю, но как инженер в смежной сфере и как популяризатор науки изучаю материалы по этой теме и стараюсь объяснять сложные вещи простым языком.
— Какое значение имеет атомная энергия для покорения космоса?
Атомная энергия является ключом к переходу от близких к Земле, коротких полетов к настоящему освоению Солнечной системы и выходу за ее пределы. Для освоения космоса необходимы автономные, компактные и надежные источники энергии. Солнечные панели могут обеспечить энергоснабжение исключительно при наличии солнечных лучей, а в таких условиях, как удаленные от Солнца планеты, выход за пределы Солнечной системы, лунные и марсианские ночи, пылевые бури, становятся бесполезны. Кроме того, солнечные панели не энергоемки, то есть занимают большие площади при относительно небольшой выработке энергии. Поэтому альтернативы атомной энергетике для масштабного изучения космоса просто пока нет.
— Какие преимущества у атомных источников?
Атомные источники работают стабильно 24/7 в любых условиях, обеспечивая энергией системы жизнеобеспечения, связь и прочее оборудование. При этом они могут обеспечивать мегаватты энергии, имея сравнительно компактные габариты. То есть ядерные энергетические установки не зависят от солнечного света, могут обеспечивать энергией масштабные проекты, такие как буксировка грузов или работа мощного научного оборудования. Они имеют продолжительный ресурс и могут стабильно осуществлять энергообеспечение без дополнительного обслуживания.
— Как атом используется в энергоснабжении космических кораблей?
Энергия необходима как для движения космического аппарата, так и для обеспечения работы бортовой аппаратуры. Сейчас применяют два типа атомных источников энергии для космических кораблей.
Первый и наиболее распространенный на текущий момент — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Они являются неуправляемыми, то есть по факту представляют собой «батарейку». Внутри устройства находится капсула с изотопом, который выделяет тепло. Это тепло преобразуется в электричество с помощью термопар — полупроводников, создающих ток за счет разницы температур. РИТЭГи работают десятилетиями, пока радиоактивный материал не распадется.
Второй тип атомных источников энергии — ядерные реакторы. Это устройства, где проводится управляемая цепная реакция. Ядерные реакторы имеют в разы выше мощность, чем РИТЭГи. Ядерные космические реакторы (ядерные энергетические установки) работают на основе управляемой цепной реакции деления радиоактивных изотопов. Это позволяет вырабатывать электроэнергию для питания ракетных двигателей и бортовых систем космического аппарата, а также создавать реактивную тягу в ядерных ракетных двигателях в зависимости от конкретного типа реактора.
— А для изучения других планет, Луны, Марса они используются?
Да, для этого особенно нужны такие источники. Марсоходы работают на РИТЭГах, а для будущих марсианских или лунных баз рассматриваются мини-реакторы, чтобы обеспечить электроэнергию для оборудования, связи, отопления и переработки ресурсов.
— Давайте поговорим о строительстве АЭС на Луне: концепция родилась в Курчатовском институте. Расскажите подробнее.
Концепция мини-АЭС «Селена» для Луны, разрабатываемая Курчатовским институтом в партнерстве с Роскосмосом и Росатомом, представляет собой проект создания автономного источника электроэнергии планируемой российско-китайской Международной научной лунной станции. Станция должна решить проблему лунной ночи, которая длится 14 земных суток, когда солнечные панели не функционируют.
— Как будет работать «Селена» в условиях космоса? Какие технологии будут применять для строительства космической АЭС? Какая мощность станции?
Важным технологическим заделом для создания перспективной лунной АЭС стала концепция автономной мини-АЭС «Елена-АМ» для одного из самых северных поселков нашей страны — Тикси в Якутии. Как и в «Елене-АМ», здесь будут использованы термогенераторы, то есть тепло будет преобразовываться напрямую в электричество. Таким образом, станция не будет иметь турбин или других движущихся механизмов, требующих регулярного обслуживания. Это снижает риски поломок и необходимость присутствия человека. Еще одной ключевой особенностью «Селены» является технология охлаждения, оно будет осуществляться с помощью излучателей-радиаторов, которые отводят избыточное тепло в открытый космос в виде инфракрасного излучения. Эта технология уже отработана на современных космических аппаратах. Также конструкция учитывает риски падения метеоритов, экстремальные перепады температур (от –173 °С до +127 °С) и радиационное излучение. Чтобы сократить массу грузов, поставляемых с Земли, при строительстве будет использован лунный грунт — реголит. Из него будут создаваться засыпные валы и купол вокруг реактора.
Строительство заявлено автономным — будут применены роботизированные платформы для транспортировки и сборки модулей АЭС на поверхности Луны.
Что касается мощности электростанции, то пока заявлено, что на начальном этапе будет вырабатываться 3–5 кВт, далее мощность будет увеличена до 500 кВт.
Проект является очень амбициозным, но нужно учитывать всю сложность создания подобных систем, тем более в условиях космоса.
— Когда появится первая АЭС в космосе?
Предварительно озвучивается срок доставки и установки в 2033–2035 годах. Создание лунной базы является совместным проектом России и Китая. За создание компактного ядерного реактора отвечает Россия.
— Какая страна сделает это первой? NASA также работает над проектом ядерного реактора мощностью 100 кВт.
США заявляет срок — 2030 год, то есть на словах раньше, чем Россия и Китай. Как будет на практике, мы все увидим позже. Не стоит забывать, что Россия — единственная страна с реальным опытом создания и эксплуатации космических ядерных установок.
Вопрос здесь даже не в том, кто первый доставит реактор на Луну, а чья технология окажется более надежной, эффективной и способной обеспечить долгосрочное присутствие человека на Луне.
— При очевидных преимуществах атомной энергетики, какие есть риски и как их избежать?
Основные риски — это радиационная безопасность и надежность систем в условиях космоса. Чтобы их минимизировать, проектируют установки с пассивным охлаждением, многоуровневой защитой и полной герметизацией активной зоны.
Использование мирной атомной энергии сопряжено с риском попадания частиц ядерного топлива в космическое пространство и на поверхность Земли. В истории был уже один крайне неприятный случай. В 1977 году в СССР был запущен спутник «Космос-954» с реактором на быстрых нейтронах на борту, работающем на уране-235. В начале 1978 года «Космос-954» потерял управление. Столкновение с поверхностью Земли произошло в Канаде, радиоактивные осколки были рассеяны на площади более 100 тыс. кв. км. После этой аварии требования к космическим средствам, несущим на борту ядерные источники энергии, были ужесточены. В околоземном пространстве их больше не применяют. Согласно требованиям международной резолюции ядерные реакторы могут использоваться в ходе межпланетных полетов; на достаточно высоких орбитах; на низких околоземных орбитах, если после выполнения рабочей части своего полета они хранятся на достаточно высоких орбитах.
При этом достаточно высокой считается та орбита, которая обеспечивает распад радиоактивных частиц до безопасного уровня радиоактивности до их возвращения в атмосферу Земли.
Пока спутник не выйдет на рабочую орбиту, реактор находится в глубокоподкритическом состоянии, то есть цепная реакция запуститься не может в любом случае. Запуск реактора происходит с Земли системой автоматики.
Также с развитием технологий конструкции реакторов совершенствуются, вдобавок разработано много уровней систем безопасности — они дублируют друг друга, физически и функционально разделяются. Меры защиты, предусматриваемые на разных уровнях, по своему действию перекрывают друг друга, так что возникающий отказ обязательно будет обнаружен и скомпенсирован или устранен соответствующими средствами. Это же можно сказать и наземных источниках ядерной энергии.