Китайские исследователи определили потенциал для осуществления проекта передового космического ядерного реактора, способного генерировать электрическую мощность в полтора мегаватта. Данная установка использует жидкометаллический теплоноситель и газовую турбину и по своим размерам и массе соответствует ракете-носителю среднего класса. Успешные наземные испытания уже были проведены для нескольких прототипов ключевых компонентов. Однако, для совершенствования ряда требуемых технологий необходимо либо международное сотрудничество, либо значительное увеличение финансирования.
Проекты, направленные на исследование других планет и удаленных космических пространств, уже на этапе разработки сталкиваются со значительной проблемой, связанной с большими потребностями в энергии. Солнечные батареи являются эффективным, надежным и проверенным решением, но их удельная мощность ограничена. На Международной космической станции установлено более 2,5 тысячи квадратных метров солнечных панелей, которые в среднем производят всего 120 киловатт электроэнергии. Этого достаточно для функционирования орбитальной лаборатории, однако для создания мощных электрических двигательных установок недостаточно.
Для относительно быстрых пилотируемых перелетов к другим планетам и особенно к отдаленным рубежам Солнечной системы альтернативы ядерным реакторам практически не существует. В связи с этим китайские ученые-ядерщики разрабатывают перспективные системы, которые позволят обеспечить конкурентоспособность страны в новой космической гонке. Это чрезвычайно сложная и затратная задача, динамику решения которой можно отследить по недавним публикации в рецензируемом журнале Scientia Sinica Technologica. Авторами разработки стали специалисты из полутора десятков передовых научных учреждений Китая.
Статья посвящена проекту ядерного реактора, использующего жидкометаллический теплоноситель, газовую турбину и систему охлаждения, основанную на теплотрубках. В качестве теплоносителя первого контура применяется литий, а второго – смесь гелия и ксенона. Теплотрубки, предназначенные для охлаждения, заполнены сплавом калия и ртути. Проектная тепловая мощность составляет шесть мегаватт, электрическая – до полутора мегаватт чистой мощности, при этом 50 киловатт расходуется на обеспечение работы реактора (насосы, подогреватели, система управления).
В публикации авторы, после предварительного изучения опыта создания схожих устройств, изложили причины выбора данной схемы. В сущности, она представляется наиболее эффективной с точки зрения сочетания удельной мощности, надежности и массы, что важно для решения поставленных задач и обеспечения требуемого диапазона мощностей. Газофазные реакторы имеют более простую конструкцию (позволяющая сразу подавать теплоноситель первого контура на газовую турбину), но нуждаются в более массивном экране и характеризуются более высокими рабочими температурами. Жидкометаллические реакторы, использующие тепловые трубки в первом контуре теплообмена, демонстрируют повышенную устойчивость к возможным отказам благодаря своей простоте, но удельная мощность таких установок будет значительно ниже.
Аналогичный анализ проводится китайскими учеными и для остальных ключевых элементов разрабатываемой энергетической установки. Особый интерес представляет выбор теплоносителя для первого контура: вместо традиционных для реакторов на жидком металле калия или натрия используется литий. Его удельная теплоемкость значительно превышает показатели других веществ, а также он сохраняет жидкое состояние при температуре до 1615 градусов. Более высокая температура горячей части тепловой машины, при прочих равных условиях, обеспечивает повышение ее эффективности.
Существует лишь одна сложность: аналогичные реакторы ранее не создавались, отдельные разработки имеются у Соединенных Штатов и Японии, однако они не были реализованы за пределами лабораторных условий. Таким образом, китайским специалистам необходимо будет решить целый ряд очень сложных задач, связанных с материалами.
Значительная часть работы китайских ученых посвящена обсуждению возможных проблем, возникающих в процессе разработки. Среди них:
- разработка вольфрамовых, рениевых и молибденовых сплавов, технологии изготовления металлических композитов из них для трубопроводов первого контура (а также методов обработки и сварки таких материалов);
- испытания и доводка сепаратора для отделения гелия от лития (он вырабатывается при облучении) в первом контуре, который должен работать в невесомости (ранее их испытывали только на Земле);
- создание материалов для лопаток газовой турбины, которой предстоит на протяжении десятилетий непрерывно работать при температуре 1500 градусов;
- отработка технологий изготовления углерод-углеродных композитов для основного радиатора системы охлаждения (в листах которого будут заключены теплотрубки);
- разработка уран-нитридного керамического ядерного топлива.
Китайские ученые подчеркнули, что многие пробелы в знаниях и технологиях, а также другие необходимые разработки, получили дальнейшее развитие за границей. В статье авторы обозначили ряд направлений деятельности для национальных научно-исследовательских организаций, нуждающихся в приоритетном внимании и финансировании. Только в этом случае, как считают исследователи, к 2035-2050 годам, когда возникнет необходимость в таком космическом реакторе, Китай сможет им располагать. Иначе страна может оказаться позади других игроков в космической гонке XXI века.
Значительная часть необходимых технологий находится в стадии разработки. Так, недавно (точное время не указано) наземные испытания прошли опытный образец теплообменника, предназначенного для соединения первого и второго контуров будущего реактора. В ходе тестирования была проверена стойкость к коррозии трубопровода для литиевого теплоносителя, электромагнитный насос и турбина, использующая гелий-ксеноновую смесь. Подтверждение эффективности разработанной концепции получено, теперь требуются доработки, необходимые для обеспечения стабильной и продолжительной работы установки.