Ядерная энергия в космосе: РИТЭГи и космические реакторы

• ≈ 88 летпериод полураспада плутония-238 — топлива космических РИТЭГов
• ≈ 0,56 Вттепла выделяет грамм чистого плутония-238
• ≈ 6 %тепла превращает в электричество генератор MMRTG марсоходов
• 1965на орбиту вышел первый космический реактор — американский SNAP-10A

Зачем в космосе атом

Космическому аппарату нужно электричество — для приборов, связи и систем ориентации — и тепло, чтобы электроника и топливо не замёрзли. Вблизи Земли с этим справляются солнечные батареи. Но чем дальше от Солнца, тем меньше от них толку: освещённость падает обратно пропорционально квадрату расстояния.

У Марса солнечного света примерно в 2,3 раза меньше, чем у Земли, у Юпитера — примерно в 27 раз, у Сатурна — примерно в 90 раз, а на орбите Плутона — в среднем примерно в 1500 раз. Чтобы собрать у Сатурна столько же энергии, сколько у Земли, панели пришлось бы сделать примерно в 90 раз больше. Трудности есть и ближе: лунная ночь длится около двух земных недель, а марсианские пылевые бури надолго закрывают Солнце.

Во сколько раз солнечного света меньше, чем у Земли

• ≈ 2,3Марс
• ≈ 27Юпитер
• ≈ 90Сатурн
• ≈ 1500орбита Плутона, в среднем

Шкала логарифмическая: каждое деление — в десять раз больше предыдущего.

Аккумуляторы и топливные элементы хороши для коротких полётов, а дальние экспедиции длятся годами и десятилетиями. Остаётся атом, и способов два: использовать тепло радиоактивного распада или поставить на борт ядерный реактор. Радиоизотопные источники дают десятки и сотни ватт, реакторы — киловатты.

Как устроен РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — источник тепла и преобразователь в одном корпусе. В центре стоят капсулы с радиоактивным изотопом, которые нагреваются от его распада. Вокруг — термоэлементы, снаружи — корпус с рёбрами-радиаторами, излучающими тепло в космос.

Термоэлемент работает на эффекте Зеебека: если спай двух разных проводников или полупроводников нагреть, а другие их концы охладить, в цепи появляется напряжение. Один конец термоэлемента прижат к горячему источнику, другой — к холодному корпусу, и поток тепла от капсул к радиаторам рождает ток. Элементы соединяют в батареи, набирая нужные напряжение и мощность.

Движущихся частей в РИТЭГе нет — нечему изнашиваться и заклинивать. Зато КПД невелик: в электричество превращается лишь несколько процентов тепла. Генератор MMRTG марсоходов Curiosity и Perseverance в начале работы получает от капсул около 2000 Вт тепла и выдаёт около 110 Вт электричества — около 6 %. Часть остального тепла марсоходы используют для обогрева.

Материал термоэлементов выбирают по температуре. В генераторах «Вояджеров», «Кассини» и «Новых горизонтов» стоят элементы из сплава кремния с германием, горячий конец которых нагрет примерно до 1000 °C, а в MMRTG — элементы на основе теллурида свинца, работающие при более низкой температуре.

Мощность РИТЭГа со временем падает: распадается изотоп и стареют термоэлементы. Каждый из трёх генераторов «Вояджеров» при запуске давал около 158 Вт, и спустя десятилетия полёта аппаратам пришлось отключать часть приборов и обогревателей, чтобы хватало энергии.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (схема). В центре — капсулы с изотопом, который годами греется за счёт распада; тепло идёт наружу через термоэлектрические преобразователи, и на них возникает ток, а лишнее тепло рёбра отдают в космос излучением. Справа — аппарат для полёта к дальним планетам: РИТЭГ вынесен на штангу подальше от приборов, а питание не зависит от Солнца.

Почему плутоний-238

Изотоп для РИТЭГа выбирают по нескольким признакам. Период полураспада нужен не слишком короткий, иначе мощность быстро упадёт, но и не слишком длинный: чем медленнее распад, тем меньше тепла даёт грамм вещества. Излучение должно легко задерживаться, чтобы не нужна была тяжёлая защита. Само вещество должно быть устойчивым и тугоплавким.

Лучше всего этим условиям отвечает плутоний-238. Его период полураспада — около 88 лет: за десять лет тепловыделение снижается лишь примерно на 8 %. Грамм чистого плутония-238 выделяет около 0,56 Вт тепла. Распадается он с испусканием альфа-частиц, которые задерживает даже лист бумаги, — о видах распада рассказано в статье «Изотопы и радиоактивность».

Топливо делают не из металла, а из керамики — диоксида плутония, спечённого в таблетки: он тугоплавок, химически устойчив и плохо растворяется в воде. Получают плутоний-238, облучая в реакторе нейтронами мишени из нептуния-237, — это долгий и дорогой процесс.

На Земле масса защиты не так важна, и там применяли более доступный стронций-90 — продукт деления урана. При торможении его бета-частиц в металле рождается рентгеновское излучение, поэтому наземные генераторы окружали толстой защитой, для космоса слишком тяжёлой. О маячных РИТЭГах на стронции-90 и их выводе из эксплуатации рассказано в статье «Изотопы в медицине и промышленности».

От «Пионеров» до марсоходов

Первый РИТЭГ ушёл в космос в 1961 году на американском навигационном спутнике Transit 4A, и с тех пор радиоизотопные генераторы стали главным источником энергии для полётов к дальним планетам. «Пионер-10» и «Пионер-11», запущенные в 1972 и 1973 годах, несли по четыре генератора SNAP-19 и первыми пролетели мимо Юпитера и Сатурна.

Два «Вояджера» стартовали в 1977 году с тремя генераторами каждый и, пройдя мимо планет-гигантов, вышли за пределы гелиосферы. РИТЭГи питали «Галилео» у Юпитера (запуск 1989 года), «Кассини» у Сатурна (1997) и «Новые горизонты» (2006) — первый аппарат, пролетевший мимо Плутона, в 2015 году. На Марсе работали посадочные станции «Викинг» (1975) с РИТЭГами, а марсоходы Curiosity (2011) и Perseverance (2020) оснащены генератором MMRTG.

Советские «Луноходы» обходились без РИТЭГа: электричество давала солнечная батарея на откидной крышке, а лунной ночью, когда крышку закрывали, приборы грел изотопный источник тепла с полонием-210. «Луноход-1», доставленный на Луну 17 ноября 1970 года, проработал около десяти месяцев, «Луноход-2» работал в 1973 году. Полоний-210 с периодом полураспада около 138 суток годился для экспедиции на месяцы, но не на годы.

Кроме генераторов, на многих аппаратах стоят радиоизотопные нагреватели — маленькие капсулы с плутонием-238 тепловой мощностью около ватта. Их ставят прямо у приборов и узлов, которые нужно держать в тепле, без проводов и электрических обогревателей; на «Кассини» их было больше сотни.

Радиоизотопные источники в космосе: от Transit 4A до марсоходов

• 1961первый РИТЭГ в космосе — на спутнике Transit 4A
• 1970«Луноход-1»: полоний-210 греет приборы лунной ночью
• 1972«Пионер-10»: четыре генератора SNAP-19 на борту
• 1977старт двух «Вояджеров» с тремя РИТЭГами каждый
• 1997«Кассини» к Сатурну
• 2006«Новые горизонты» — в 2015 году мимо Плутона
• 2011, 2020марсоходы Curiosity и Perseverance с генератором MMRTG

Реакторы на орбите

Радиоизотопный источник — это сотни ватт. Для мощных радиолокаторов, связи и электрических ракетных двигателей нужны киловатты, и дать их может реактор. Космические реакторы по мощности на порядки меньше даже наземных микрореакторов из статьи «Малые АЭС», зато они компактны и годами работают без обслуживания.

Первым в 1965 году на орбиту вышел американский реактор SNAP-10A. Его тепло превращали в электричество термоэлементами, электрическая мощность составляла около 500–650 Вт. Через 43 дня из-за неисправности электрооборудования спутника реактор остановился, но сам аппарат остался на орбите.

СССР пошёл дальше. С 1970 года на спутниках морской космической разведки серии «Космос» летали установки «Бук» — реакторы на быстрых нейтронах с высокообогащённым ураном, охлаждаемые жидким сплавом натрия с калием. Около 100 кВт тепла термоэлектрический генератор превращал примерно в 3 кВт электричества. Всего таких спутников запустили больше 30.

Спутники летали на низких орбитах, на высоте около 270 км, откуда аппарат довольно быстро сходит в атмосферу. Поэтому после окончания работы реактор уводили на орбиту захоронения высотой 750–1000 км: там он пробудет сотни лет, и активность продуктов деления успеет многократно снизиться.

В 1987 году на двух спутниках «Космос» испытали установку «Топаз» с другим способом преобразования — термоэмиссионным: электроны вылетают с раскалённого катода и собираются на более холодном аноде, а сами преобразователи встроены прямо в твэлы активной зоны. Электрическая мощность составила 5–6,6 кВт, установки проработали 142 и 342 дня.

Три космических реактора

Безопасность

Для радиоизотопного источника главная угроза — авария ракеты при запуске или падение аппарата обратно на Землю. Поэтому РИТЭГ рассчитывают на худшее: в американских тепловых модулях таблетки диоксида плутония заключены в оболочки из иридиевого сплава, а те — в графитовые ударопрочные и теплозащитные корпуса, рассчитанные на взрыв, пожар и вход в атмосферу.

Такой подход сложился не сразу. В 1964 году американский спутник с генератором SNAP-9A не вышел на орбиту, и генератор, как тогда и задумывалось, сгорел в верхних слоях атмосферы, рассеяв плутоний. После этого источники стали проектировать так, чтобы они возвращались на Землю целыми. В 1970 году контейнер с топливом РИТЭГа экспедиции «Аполлон-13» вместе с лунным модулем упал в глубоководную часть Тихого океана, и выхода плутония измерения не обнаружили.

Реактор опаснее после работы, чем до неё: свежий уран слабо радиоактивен, а продукты деления накапливаются за время работы. Поэтому его выводят на орбиту незапущенным. «Принципы, касающиеся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве», одобренные Генеральной Ассамблеей ООН в 1992 году, требуют, чтобы реактор не мог стать критическим до выхода на рабочую орбиту — даже при взрыве ракеты, входе в атмосферу или падении на сушу или в воду.

Самый известный инцидент — спутник «Космос-954» с установкой «Бук», запущенный в сентябре 1977 года. Увести реактор на орбиту захоронения не удалось, и 24 января 1978 года спутник вошёл в атмосферу над северо-западом Канады. Обломки упали на малонаселённую территорию; канадские и американские специалисты несколько месяцев обследовали около 124 тысяч квадратных километров и нашли двенадцать крупных фрагментов, десять из них радиоактивные. В 1981 году СССР выплатил Канаде 3 млн канадских долларов.

После этого на «Буках» появилась резервная система: если увести реактор не удаётся, активную зону выбрасывают, чтобы она отдельно вошла в атмосферу и рассеялась на большой высоте. В 1983 году активная зона спутника «Космос-1402» вошла в атмосферу над Южной Атлантикой.

Что важно изготовителю

Космический ядерный источник — изделие на стыке ракетной и атомной техники, и требования здесь складываются из обеих. Каждый грамм на счету, а деталь должна пережить вибрации и перегрузки старта, вакуум, перепады температуры и годы работы без обслуживания.

• Капсулы источников. Герметичные оболочки топлива из тугоплавких стойких металлов. Альфа-распад непрерывно рождает гелий, поэтому в конструкции капсул предусматривают его отвод или запас объёма.
• Корпуса и радиаторы. Лёгкие оребрённые корпуса, рассчитанные и на прочность, и на излучение тепла: от площади рёбер и покрытия зависит перепад температур на термоэлементах.
• Высокотемпературные детали. Опоры, экраны и теплоизоляция, работающие при сотнях градусов и выше: тугоплавкие металлы, графит, керамика.
• Термоэлементы. Полупроводниковые ветви с коммутационными пластинами; важны чистота материала, качество контактов и стабильность свойств при нагреве в вакууме.
• Узлы реакторных установок. Трубопроводы и теплообменники жидкометаллического контура из нержавеющей стали, отражатель, теневая радиационная защита, которая прикрывает аппарат от излучения реактора.

Общие требования — минимальная масса при заданной прочности, зазоры и посадки с учётом теплового расширения от комнатной до рабочей температуры, чистота поверхностей и полная прослеживаемость материалов. В вакууме загрязнения испаряются и оседают на оптике и контактах, поэтому обезжиривание и упаковку деталей прописывают в технологии так же строго, как размеры.

Изделия проходят испытания на вибрацию, удар и термовакуум, а капсулы — на прочность и герметичность. Типичная ошибка — переносить сюда привычки обычного машиностроения: заменить материал близким по марке, оставить заусенец, не записать номер плавки. Изделие после старта нельзя ни осмотреть, ни отремонтировать, и любая такая мелочь становится неустранимой.

Термины

• РИТЭГРадиоизотопный термоэлектрический генератор: источник тока, в котором тепло радиоактивного распада превращают в электричество термоэлементами.
• ТермоэлементПара разнородных проводников или полупроводников, в которой разность температур концов создаёт напряжение.
• Эффект ЗеебекаПоявление напряжения в цепи из разнородных проводников, концы которой находятся при разной температуре.
• Радиоизотопный нагревательНебольшая капсула с изотопом, тепло распада которой обогревает приборы космического аппарата.
• Термоэмиссионный преобразовательУстройство, в котором электроны вылетают с раскалённого катода на более холодный анод и создают ток.
• Орбита захороненияВысокая орбита, на которую уводят отработавший космический реактор, чтобы его активность успела снизиться до возвращения в атмосферу.
• Теневая защитаРадиационная защита космического реактора, которая прикрывает от излучения только конус, где находится аппарат.

Частые вопросы

Как работает РИТЭГ?

Капсулы с радиоактивным изотопом нагреваются от его распада, а окружающие их термоэлементы превращают поток тепла к холодным радиаторам в электричество. Движущихся частей нет, но КПД невелик — несколько процентов.

Почему в космических РИТЭГах используют плутоний-238?

Его период полураспада около 88 лет: мощность падает медленно, а тепла выделяется достаточно — около 0,56 Вт на грамм. Распадается он с испусканием альфа-частиц, которые легко задержать, поэтому тяжёлая защита не нужна.

Были ли в космосе ядерные реакторы?

Да. Американский SNAP-10A проработал на орбите 43 дня в 1965 году, а СССР с 1970 года вывел на орбиту больше 30 спутников с реакторами «Бук» и в 1987 году испытал две установки «Топаз».

Что случилось со спутником «Космос-954»?

Реактор спутника не удалось увести на орбиту захоронения, и 24 января 1978 года аппарат вошёл в атмосферу над северо-западом Канады. Радиоактивные обломки собирали канадские и американские специалисты, а в 1981 году СССР выплатил Канаде 3 млн канадских долларов.

Чем грели «Луноход» лунной ночью?

Изотопным источником тепла с полонием-210: ночью крышка с солнечной батареей закрывалась, а тепло распада не давало замёрзнуть приборам. Электричество луноходу давала солнечная батарея.