Ядерний космос. Чи допоможе США ядерна енергетика в космічних перегонах із Китаєм і РФ

На папері Сполучені Штати вже давно перегнали інші країни в ядерних космічних технологіях. Шість десятиліть тому Америка запустила в космос ядерний реактор (він усе ще там), а відтоді країна витратила понад 15 мільярдів доларів на дюжину державних програм розвитку ядерного космічного потенціалу, не здійснивши жодного запуску.Водночас Росія будує ядерний космічний буксир, а Китай оголосив про створення ядерної системи, яка в 100 разів потужніша, ніж чинні американські розробки.

Хоча ці заяви можуть перебільшувати технічну реальність, усі фахівці, які працюють у цій галузі, запитують себе: чи можуть США зберегти лідерство?

Фокус переклав новий текст Раяна Віда, присвячений подальшому розвитку ядерних технологій.

Ядерний космос. Чи допоможе США ядерна енергетика в космічних перегонах із Китаєм і РФ

Програми, над якими спільно працюють Агентство перспективних оборонних дослідницьких проєктів (DARPA) і NASA, до кінця десятиліття створять ядерні теплові двигуни на основі розщеплення ядра. Ці гідні поваги дослідження призведуть до створення космічних апаратів із маневреністю вдвічі-втричі більшою, ніж у нинішніх, які використовують хімічне паливо. Завдяки активній зоні реактора, що нагріває газоподібний водень, ядерна силова теплова установка дозволяє швидко реагувати на маневри в умовах космосу, зберігаючи високе відношення тяги до ваги. Крім ядерної теплової тяги, NASA також досліджує застосування розщеплення ядра для живлення електричних силових установок (Nuclear Electric Propulsion), що відкриє ще більші можливості для майбутніх польотів на Марс та інших міжпланетних місій.

Недоліком усіх цих ядерних реакторів залишається громіздкість — як за розміром, так і за вагою. З урахуванням палива, сповільнювача, захисту, перетворювача енергії та радіаторів, найменший реактор досі залишається досить важким. Оскільки Міністерство оборони продовжує створювати більш компактні та розукрупнені космічні апарати, фізика підштовхує нас до пошуку альтернативних рішень (тобто без розщеплення ядра) для ядерних двигунів і енергії. Поки NASA та DARPA працюють над традиційними підходами до поділу ядра, відділ оборонних інновацій підтримує нетрадиційні підходи до атомної енергетики, не пов'язані з розщепленням.

Як керівник програми у Відділі оборонних інновацій я очолюю ініціативу Міністерства оборони щодо створення прототипів нових атомних енергетичних і рухових систем для малих космічних апаратів. Ця робота безпосередньо вплине на використання Сполученими Штатами енергетики в космосі, відкривши еру, в якій космічні апарати зможуть тактично маневрувати в навколомісячному просторі.

Якщо Міністерство оборони США хоче до кінця десятиліття отримати космічні кораблі на кшталт зорельотів, Америці потрібен набагато компактніший, швидший і безпечніший підхід до ядерної енергетики. У цислунарному просторі, який майже у 2000 разів більший за геостаціонарну орбіту, Міністерству оборони знадобляться космічні апарати з передовими показниками маневреності й потужності, що задають "правила етикету" та правила комерційної діяльності в цій новій області.

Хороша новина в тому, що вже існують відповідні комерційні концепції. Американські компанії очолюють розробку радіоізотопів нового покоління та компактних термоядерних реакторів, які можуть значно покращити маневреність у порівнянні з нинішніми космічними платформами Міністерства оборони (наприклад, X-37B). Давайте розглянемо ці ядерні технології, перешкоди для них і майбутнє, яке вони можуть відкрити.

Радіоізотопи

Усе геніальне просто: радіоактивні матеріали зазнають ядерного розщеплення з виділенням тепла, яке можна перетворити на електрику. Ця електроенергія забезпечує роботу датчиків космічного корабля, засобів зв'язку й електричних рухових установок (наприклад, іонних приводів). Радіоізотопні енергетичні системи існують із перших днів космічної ери, і плутоній-238 з його постійним тепловиділенням і низьким гамма/нейтронним випромінюванням досі залишається найкращим джерелом. Незважаючи на дорожнечу й дефіцитність, радіоізотопні джерела плутонію-238 продовжують живити експериментальні та чинні космічні системи на Місяці та Марсі.

Завдяки періоду напіврозпаду у 88 років плутоній-238 може виробляти стійку енергію протягом десятиліть, що доведено його використанням у міжзоряних зондах "Вояджер", що продовжують підтримувати зв'язок із Землею майже через пів століття після запуску.

Однак провідна радіоізотопна енергетична система являє собою пристрій розміром із мікрохвильову піч, що забезпечує приблизно 100 Вт потужності при досить низькому ККД (близько 5%). При потужності близько 2 вати на кілограм ці пристрої занадто важкі та виробляють занадто мало енергії, щоб приводити в рух майбутні супутники Міністерства оборони, де йдеться про набагато коротші терміни.

Якщо плутоній дорогий, дефіцитний і не має необхідної щільності потужності, можливо, радіоізотопи з коротшим періодом напіврозпаду — найкращий варіант? Чи можуть високопродуктивніші радіоізотопні джерела реально забезпечити енергією як різні датчики, так і електричні рухові установки?

Такими джерелами можуть бути кобальт, європій і стронцій.

Нова політика Білого дому (наприклад, Директива-6 із космічної політики та президентський Меморандум-20 із національної безпеки), а також очікуване нормативне керівництво Федеральної авіаційної адміністрації відкрили комерційним організаціям можливість отримувати ліцензію на виробництво й експлуатацію цих радіологічних матеріалів.

З точки зору безпеки виробництва, 100-ватне радіоізотопне джерело плутонію-238 перебуває в тій же нормативній категорії, що і 27 000-ватне джерело європію або 17 000-ватне джерело кобальту. Ці радіоізотопи з коротшим періодом напіврозпаду (від 5 до 15 років) можуть досягти густини енергії в 30 разів вищої, ніж плутоній — до кількох сотень ват на кілограм.

Один зі способів створення потужних (понад 1000 Вт) радіоізотопних джерел енергії розробляє компанія USNC-Tech за фінансування NASA. Нову технологію використають для зустрічі з першим відомим міжзоряним об'єктом Oumuamua, який наразі віддаляється від Землі зі швидкістю близько 30 кілометрів на секунду. Така приголомшлива енергетична система не тільки перевершить плутоній-238, але й забезпечить щільність потужності принаймні в 10 разів вищу, ніж аналогічна за розмірами енергетична система з реактором розщеплення, і може бути готова за роки до появи перших систем на основі поділу. Компанія, що розробляє ці нові радіоізотопні енергосистеми, має велику роботу — їм доведеться розробити нові схеми опромінення, методи інкапсуляції, екранування та віддаленого управління, а також вирішити завдання перетворення енергії. Але результати будуть воістину неймовірними.

Термоядерний синтез: лише через 30 років?

Побудувати компактний термоядерний реактор можна у власному гаражі. Проблема полягає в тому, щоб отримати більше енергії, ніж ви використовуєте для його роботи. Це співвідношення вихідної та вхідної енергії називається Q-фактором. На сьогодні термоядерний реактор із Q-фактором більше одиниці досі не побудований, незважаючи на десятки стартапів, пов'язаних із термоядерною енергією, інтерес промисловості, що зароджується, і постійну надію, що до термоядерного синтезу вже рукою подати. Згідно зі звітом, опублікованим цього року, найближче до мети підійшов Q-фактор 0,33 протягом 5 секунд, досягнутий на Об'єднаному європейському токамаку.

Якщо ядерний синтез не за горами, то як можна використовувати термоядерні реактори в космосі? Розгляньмо можливі варіанти.

Термоядерний синтез у магнітному конфайнменті

Найбільший термоядерний реактор під назвою Об'єднаний європейський токамак (Joint European Tokamak) використовує магнітні котушки для утримання гарячої плазми в пристрої у формі пончика (токамака). Цей підхід, званий магнітним утриманням, розроблявся з перших днів термоядерного синтезу.

Для досягнення Q-фактора більше одиниці при використанні магнітного термоядерного синтезу потрібні величезні обсяги плазми, оточені надпровідними електромагнітами, що кріогенно охолоджуються, розміром із будівлю. Найдорожчий науковий експеримент в історії людства Міжнародний термоядерний експериментальний реактор (ITER), як очікується, досягне Q-фактора більше 10, але він буде побудований лише до 2035 року. Тим не менш, можливо, що інші пристрої магнітного синтезу (наприклад, SPARC), що використовують переваги нових надпровідникових матеріалів, зможуть виробляти безвуглецеву електроенергію вже протягом найближчого десятиліття. Однак вони не зможуть добре працювати в космосі — навіть дуже великий космічний корабель просто не витримає сотні тонн магнітів, необхідних для магнітного термоядерного синтезу. Підсумок: магнітний термоядерний синтез буде хорошим для Землі, але занадто важким для космосу.

Інерційний термоядерний синтез

Інший підхід до термоядерного синтезу заснований на стисканні атомів до їхнього злиття, що називається інерційним утриманням. Сполучені Штати вперше успішно продемонстрували ядерний синтез із інерційним утриманням під час випробування зброї в межах операції "Парник" на атолі Еніветок у Тихому океані в 1951 році. Але з термоядерної зброї виходять не дуже хороші ракети для наших цілей (і NASA, і ВПС США намагалися це зробити).

Із підписанням договорів про заборону ядерних випробувань і появою лазера в 1960-х роках учені почали вивчати можливість використання фотонів замість ядерних вибухів, щоб стиснути атоми водню разом і досягти термоядерного синтезу.

Ця техніка була вдосконалена в Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій Міністерства енергетики, де 192 лазери розміром із три футбольні поля фокусуються на термоядерній мішені розміром із олівцеву гумку в потужному імпульсі. За ці кілька наносекунд лазери поглинають у 500 разів більше енергії, ніж виробляється в Сполучених Штатах, доводячи, що стиснути атоми за допомогою світла надзвичайно складно.

Хоча фізика вже близька до мети (нещодавно установка досягла Q-фактора 0,7), створення космічного корабля, що несе інфраструктуру для імпульсних лазерів, або неможливе, або призводить до створення невиправдано великих і дорогих конструкцій.

Електростатичний конфайнмент

Електростатичний конфайнмент — це, мабуть, найстаріша та найменш ефективна концепція термоядерного синтезу, яка не удостоїлася серйозної уваги з того часу, як її запатентував Філо Т. Фарнсворт у 1960-х роках. При електростатичному синтезі електроди змушують іони прискорюватися в напрямку центральної частини активної зони реактора, де вони стикаються з іншими іонами та можуть злитися разом. Цей метод дозволяє створити термоядерний пристрій, який не вимагає магнітів, лазерів або конденсаторів розміром із будинок.

Реактор електростатичного синтезу був би надлегким, проте пристрої чистого електростатичного синтезу ніколи не досягали Q-фактора більше 1 через фундаментальне фізичне обмеження: зіткнення між іонами викликають втрати в утриманні набагато швидше, ніж призводять до зіткнень, що запускають реакцію синтезу. Підсумок: пристрій досить легкий для запуску в космос, але потребує справжнього прориву у фізиці для подолання фундаментальних обмежень.

Гібридний конфайнмент

Стає ясно, що для створення досить компактних рухових установок космічних апаратів знадобиться поєднання методів, що базуються на плазмовому конфайнменті. В останні роки в ці гібридні підходи було вкладено мільярди доларів приватного капіталу. Пристрої магнітоінерціального термоядерного синтезу (наприклад, General Fusion) починають із намагніченої плазми низької щільності, а потім використовують лайнер для стиснення до умов термоядерної реакції.

Інший перспективний гібридний підхід передбачає використання самого плазмового палива для створення обмежного магнітного поля (схожого на димове кільце, що самопідтримується)та зіткнення цих плазм одна з одною (як, наприклад, намагається зробити Helion). Важливою характеристикою цих нових пристроїв є їхній малий розмір. Компанія Avalanche Energy зараз працює над концепцією гібридного електростатичного/магнітного конфайнменту, яка може призвести до створення "кишенькового" термоядерного реактора. За таких компактних розмірів встановлення термоядерного реактора на космічний корабель — уже скоріше наука, ніж фантастика.

Отже, фізика ще не зовсім досконала, але гібридний термоядерний реактор може виявитися досить легким для запуску в космос.

То де ми перебуваємо на шляху до встановлення термоядерних реакторів на космічні кораблі Міністерства оборони? Незважаючи на всі труднощі, пов'язані зі створенням космічних апаратів, у космічного термоядерного реактора порівняно з наземними є одна перевага.

При термоядерному синтезі планка для отримання комерційної електроенергії Землі надзвичайно висока (для рентабельності термоядерної електростанції може знадобитися Q-фактор понад 50). Однак для приведення в рух і живлення космічних кораблів може вистачити Q-фактора близько двох, оскільки тут менше етапів перетворення та транспортування енергії. У найближчій перспективі такі комерційні технології будуть надзвичайно цінні для двигунів і систем космічних апаратів Міністерства оборони, тож ризикнути безперечно варто.

Що далі?

Відділ оборонних інновацій зосереджений на двох підходах до прискорення нашого шляху до наземних і льотних випробувань прототипів: компактного термоядерного синтезу та концепції радіоізотопів нового покоління, які для малих супутників перевершать характеристики енергосистем із реактором поділу.

Перший орбітальний прототип має бути представлений у 2027 році. Цей підхід не позбавлений технічних і програмних ризиків. Необхідно домогтися термоядерного синтезу, який генерує більше енергії, ніж споживає (Q-фактор більше 1), сформувати виробництво для високопотужних радіоізотопів, і, що найголовніше, промисловість і Міністерство оборони повинні забезпечити громадську безпеку, працюючи пліч-о-пліч із органами регулювання та ліцензування.

Це складні завдання. Насправді багато фахівців у галузях розщеплення ядра, синтезу та космічної промисловості вважають успіх цих розробок украй малоймовірним. Але Америка не зможе досягти інновацій без ризикованих нових технологій. Такий шлях.

Про автора:

Раян Від — менеджер космічної програми перспективних ядерних двигунів і енергетики у Відділі оборонних інновацій. Доктор фізики та льотчик-експериментатор ВПС США, який налітав понад 2000 годин на більш ніж 30 різних літаках. Як науковий співробітник NASA Innovative Advanced Concepts Fellow вивчав радіоізотопні позитронні рухові установки. Працюючи в компанії Blue Origin, Раян розробив і створив інструментальну лабораторію для кріогенного ракетного палива. Як засновник компанії Positron Dynamics він спроєктував і побудував установку для позитронного променя та розробив концепти високоспецифічних імпульсних рухових установок.