В Канаде построят первый в мире микромодульный ядерный реактор. Местом строительства был выбран исследовательский центр Canadian Nuclear Laboratories в деревне Чок-Ривер, расположенной в округе Ренфру канадской провинции Онтарио. Установку разработала компания Global First Power.

Источник изображений: CTV News

«Один из таких реакторов сможет обеспечивать электроэнергией 5000 человек в течение 20 лет. При этом объём радиоактивных отходов от такой установки составит всего 1 кубический метр», — прокомментировал исполнительный директор Global First Power Джос Дининг (Jos Diening) в интервью CTV News.

Целью Global First Power является использование компактных реакторов для обеспечения электроэнергией удалённых регионов, не подключённых к общей канадской энергетической системе, что особенно актуально в северной части страны.

«На севере живёт много людей. Это открывает для нас большой потенциал. Мы хотим заменить дизельные генераторы. Одна из наших установок способна произвести объём электроэнергии эквивалентный объёму, полученному при сжигании 200 млн литров дизельного топлива», — добавил Дининг.

Микромодульные реакторы будут состоять из 90 частей, каждая из которых будет иметь размеры грузовика. Эти части (или модули) будут производиться в том числе и в центрах CNL. Затем модули будут транспортировать на нужное место, где из них будет собираться реактор. Процесс чем-то напоминает сборку конструктора Lego. В собранном виде размеры реактора не будут превышать площадь футбольного поля.

Первый из таких реакторов возведут в Чок-Ривер. В качестве демонстрации он будет обеспечивать электроэнергией кампус CNL. Построить реактор планируют к 2027 году.

«Это идеальное место для демонстрации возможности реактора, поскольку это по сути удалённый населённый пункт. Если мы сможем сделать это здесь, то сможем везде», — прокомментировала Эми Готтшлинг (Amy Gottschling), вице-президент по науке, технологиям и коммерции компании Atomic Energy of Canada Ltd., которой принадлежит кампус CNL.

Институт передовых концепций NASA (NIAS) выдал компании Positron Dynamics грант на разработку ядерного ракетного двигателя нового типа — FFRE (fission fragment rocket engine) или двигателя на осколках деления. Для реализации проекта Positron Dynamics предложила новый и неожиданный вид топливной сборки в виде легчайшего аэрогеля с вкраплениями урана. Это лучшее, что можно предложить для космоса, где каждый грамм на вес золота.

Источник изображения: NASA

Двигатели на осколках деления — это давно предложенная концепция. Сегодня ядерные двигатели в целом выходят на передний план в качестве перспективных для освоения как далёких уголков Солнечной системы, так и для полётов в ближнем космосе, где они обеспечат манёвренность и постоянный контроль над пространством. В отличие от ядерных ракетных двигателей с нагревом реактивного вещества, двигатели на осколках деления создают реактивную тягу за счёт самих продуктов деления. Это означает, что дополнительной реактивной массы не нужно и её можно заменить полезной нагрузкой.

Фактически в двигателях FFRE происходят те же процессы, что в реакторах атомных электростанций на Земле. Но в ракетном двигателе продукты деления в виде плазмы необходимо направить строго в заданном направлении для создания тяги и для защиты компонентов двигателя и корабля от разрушения неуправляемыми потоками радиоактивного вещества. Тем самым разработчикам необходимо решить два вопроса: максимальное облегчение топливных сборок с сохранением удобства обращения и контроль контура плазмы в двигателе.

Задачу максимального облегчения топливных сборок компания Positron Dynamics обещает решить с помощью упаковки урана в аэрогелевую структуру. Что касается удержания плазмы, то здесь на выручку придут сверхпроводящие магниты. Развитие сверхпроводящих магнитов значительно подстегнули исследования в области термоядерных реакторов. Там тоже необходимо удерживать перегретую плазму во избежание разрушения стенок реакторов. В отрасли достаточно наработок, чтобы их можно было использовать для конструирования ракетного двигателя с управляемым контуром плазмы, уверены в Positron Dynamics и в NASA также придерживаются этого мнения.

Компания Rolls-Royce опубликовала в своём аккаунте в Twitter изображение ядерного реактора, способного обеспечить электроэнергией лунную базу или космические миссии на Марс и к другим планетам. Тем самым компания дала понять, что занимается разработкой технологий для освоения космоса, как те же SpaceX и Blue Origin, а также другие технологические компании.

Источник изображения: Rolls-Royce

Rolls-Royce также объявила о заключении соглашения о сотрудничестве с Космическим агентством Великобритании с целью исследования возможности использования ядерной энергии для освоения космоса. Как известно, на днях Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) сообщили о сотрудничестве с целью создания ядерного теплового двигателя, который будет использоваться в ракетах для полётов в дальний космос.

Показанный микрореактор, разработанный Rolls-Royce, представляет собой автономное и энергоёмкое решение для использования в космических исследованиях поверхности других планет или спутников, или для обеспечения питанием космического корабля.

«Микрореактор Rolls-Royce разработан для использования изначально безопасной и чрезвычайно прочной формы топлива. Каждая ячейка урана покрыта несколькими защитными слоями, которые действуют как система локализации, что позволяет ей выдерживать экстремальные условия», — указала Rolls-Royce.

Джейк Томпсон (Jake Thompson), руководитель отдела инновационных продуктов и услуг Rolls-Royce сообщил, что компания использует имеющийся опыт для разработки небольших реакторов, которые будут применяться на базах на Луне или Марсе, «обеспечивая надёжную и чистую энергию для астронавтов в этих локациях».

Впрочем, Rolls-Royce не собирается останавливается на лунных базах и в партнёрстве с Космическим агентством Великобритании займётся изучением того, как можно использовать ядерную энергию для других направлений освоения космоса.

Группа учёных инженерного факультета Корнеллского университета получила грант NASA на разработку керамических радиаторов для охлаждения силовых ядерных установок для космоса. Керамика обеспечит снижение веса радиаторов и работу агрессивных хладагентов, что невозможно в случае металлических тепловых трубок и радиаторов. Также керамика позволит 3D-печать радиаторов из пористых материалов, повышая их эффективность и облегчая производство.

Источник изображения: NASA

Согласно новой стратегии Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и ООН, дальнейшее освоение космоса станет невозможным без переноса ядерных технологий в космические программы. В США оборонные исследовательские ведомства уже начали запускать соответствующие программы и выдавать гранты. Космические корабли с силовыми ядерными установками от электрических до использующих энергию деления ядер для реактивного выброса рабочего вещества смогут летать дальше и дольше, а без этого изучение и освоение Солнечной системы не имеет значимых перспектив.

Исследователи из Корнеллского университета получили деньги на работу в рамках программы AdVECT (Additive Vehicle-Embedded Cooling Technologies). Проект направлен на создание новых керамических теплоотводящих технологий, пригодных для ядерных энергетических систем, включая атомные реакторы для работы на поверхности планет (Fission Surface Power), которые однажды смогут обеспечить работу лунной базы, и ядерные электрические двигатели, которые смогут эффективно направлять ракеты к Марсу.

В рамках гранта учёные будут разрабатывать новые керамические смолы и методы аддитивного производства для 3D-печати таких компонентов, как пористые керамические радиаторы со встроенными теплопроводами. Для оптимизации механической прочности и других свойств керамики будут использоваться рентгеновская съёмка, термический анализ и испытания в вакуумной камере.

Перед учёными стоит задача преодолеть ограничения в технологиях охлаждения, которые сегодня используются для освоения космоса, а это относительно тяжёлые радиаторы с металлическими тепловыми трубками, что ограничивает будущие миссии. Более лёгкая по весу альтернатива в виде углеродно-композитных материалов также не подходит для решения таких задач, поскольку такие материалы плохо переносят космические условия. Зато керамика открывает небывалые перспективы в космических системах охлаждения, что учёные берутся доказать на практике.

Китай не намерен отставать от США в вопросах исследования и освоения Луны — Поднебесная объявила, что к 2028 году намерена построить на Луне свою первую базу. Причём строительство завершится за годы до того, как на спутнике Земли высадятся первые китайские тайконавты.

Источник изображения: Luke Stackpoole/unsplash.com

Как сообщает китайское информационное агентство Caixin, лунная база, вероятно, будет обеспечена энергоснабжением за счёт ядерного реактора. В исходной конфигурации она будет включать посадочный модуль, бункер, орбитальный модуль и лунный ровер. Всё это будет построено или доставлено в ходе шестой, седьмой и восьмой миссий «Чанъэ».

«Наши тайконавты, вероятно, смогут отправиться на Луну в ближайшие 10 лет», — заявил главный конструктор китайской программы по освоению Луны У Вэйжень (Wu Weiran) в одном из интервью на этой неделе. По его словам, атомная энергия сможет решить проблему долговременного снабжения лунной станции энергией в больших объёмах.

В последние годы Китай наращивает амбиции в освоении космоса, реализуя околоземные, лунные и даже марсианские проекты. Только недавно было заявлено о намерении организовать в ближайшем будущем строительство космической солнечной электростанции для обеспечения электричеством наземных потребителей.

В ближайшей перспективе Китай остался, пожалуй, единственным конкурентом США в части изучения и освоения Луны — NASA намерено снова высадить на Луне астронавтов до конца этого десятилетия. При этом ранее сообщалось, что Китай будет сотрудничать с Россией при строительстве лунной станции. Заметим, что Россия отменила разработку лунной ракеты, а также отложила уже запланированные лунные миссии — так, исследовательский аппарат «Луна-25» теперь планируется запустить летом 2023 года, хоть раньше пуск намечался на минувший октябрь. Как Китай, так и США тратят миллиарды долларов не только на то, чтобы отправить людей на Луну, но и получить доступ к ресурсам, которые будут способствовать появлению жизни на лунной поверхности или отправлять корабли к Марсу.

В 2019 году Китай стал первой в мире страной, высадившей ровер на обратной стороне Луны, а позже доставил на Землю собственные образцы лунного грунта. Ожидается, что база станет первым аванпостом на южном полюсе Луны — учёные считают, что здесь проще всего будет обнаружить воду, на этот же регион нацеливается в своих проектах и NASA. В будущем Китай рассчитывает расширить базу, превратив её в международную исследовательскую станцию.

На днях Европейский Парламент большинством голосов отклонил предложение вычеркнуть ядерную и газовую энергетику из плана перехода к «зелёной» экономике. Предложение запретить инвестиции в мирный атом и природный газ поступило в ответ на предложение Европейской Комиссии временно считать эти энергоносители «устойчивыми» на период перехода к возобновляемым источникам энергии. После поддержки в Европарламенте атом и газ станут в ЕС законной целью для развития.

Источник изображения: European Parliament

Для опротестования предложения Европейской Комиссии о внесении атома и газа в таксономику ЕС — в промышленность, экономику и сферу для развития и инвестиций — противниками инициативы была выработана резолюция. Для принятия этой резолюции требовались голоса 353 членов Европарламента из 705 депутатов. В итоге поддержали это предложение 278 евродепутатов при 33 воздержавшихся, 65 отсутствующих и 328 против. Тем самым предложение Европейской Комиссии о временном «озеленении» атома и природного газа остаётся в силе и станет законом с 1 января 2023 года. Если, конечно, Европейский Совет будет не против, а он, скорее всего, будет за.

Для правительств и компаний ЕС данное обстоятельство станет приглашением без ограничений финансировать проекты по созданию в Европе объектов атомной энергетики и газовых электростанций. Учитывая растущий в ЕС спрос на электричество и тепло, можно ожидать колоссальных вливаний в обе отрасли. Впрочем, власти отдельных государств ЕС могут пойти по своему пути, как, например, Германия, которая категорически против работы атомных электростанций на своей территории и, очевидно, не в восторге от АЭС в Европе в целом.

Сама Бильбао-и-Леон (Sama Bilbao y León), генеральный директор Всемирной ядерной ассоциации, международной организации, представляющей мировую ядерную промышленность, сказал: «Положительное голосование Европейского парламента направляет чёткое одобрение ядерной энергии финансовому сообществу. Он прислушался к научным данным и признал, что устойчивые инвестиции в ядерную энергию помогут ЕС достичь нулевого уровня выбросов к 2050 году. Теперь правительства, инвесторы и промышленность должны действовать безотлагательно и ускорить развертывание новых ядерных мощностей для достижения этой цели».

Одна проблема, Европа утратила компетенции и лидерство в вопросе создания передовых и даже обычных ядерных реакторов и просто залив отрасль деньгами эту проблему быстро решить не получится.

Отдел оборонных инноваций США (DIU) заключил контракты с компаниями Ultra Safe Nuclear Technologies и Avalanche Energy на демонстрацию нового поколения ядерных двигательных и энергетических установок для малых космических аппаратов. Сумма контрактов не разглашается. Демонстрация в космосе запланирована на 2027 год. Новые двигатели помогут космическим аппаратам совершать длительные манёвренные полёты вплоть до выхода за орбиту Луны.

Источник изображения: USNC

США заявили о насущной важности постоянно контролировать околоземное пространство до орбиты Луны и немного за её пределами для военных и коммерческих миссий страны и её союзников. Речь не идёт о возможном военном противостоянии, хотя это всегда держат в уме. В этой области пространства достаточно космического мусора, который может угрожать миссиям. Вот и недавно на Луну что-то упало: то ли обломок китайской ракеты, то ли ракеты американской.

Совершать длительные по времени и сложности манёвров рейды на химических двигателях и современных электрических силовых установках — плазменных или ионных — занятие малоперспективное. На «химии» особенно не налетаешься, поскольку запасы топлива сильно ограничены, а на «электричестве» можно летать долго, но не быстро. Манёвры на электрических двигателях тоже дело неблагодарное — тяга оставляет желать лучшего.

Прорывом могут стать двигатели на ядерных реакциях, с чем согласны даже в МАГАТЭ, и в США уже работают программы для разработки таких двигателей. Новый контракт обещает помочь в создании компактных ядерных силовых установок для небольших спутников, которым тоже найдётся задача в ближнем и не очень космосе.

От компании Ultra Safe Nuclear заказчики ожидают изотопную батарею под названием EmberCore. Утверждается, что мощность батареи будет в 10 раз больше, чем в случае классических батарей на плутонии. Всего несколько килограммов топлива обеспечат выработку до 1 миллиона кВт·ч энергии.

Изотопная батарея EmberCore. Источник изображения: USNC

Компания Avalanche Energy предлагает силовую установку Orbitron на основе управляемого термоядерного синтеза. Установка будет компактной и двойного назначения. Полученные в результате термоядерной реакции высокоэнергетические частицы будут вырабатывать как тепло для нагрева рабочего вещества и реактивного движения, так и электрическую энергию для работы бортовых систем космического аппарата.

Подробности о данных проектах остаются закрытыми. Но в целом разработчики всех стран идут в одном направлении — для длительных и дальних полётов в космосе без освоения ядерных технологий не обойтись.

С начала этого года под эгидой Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и ООН прошли конференции по вопросам переноса ядерных технологий в космические программы. По мнению экспертов, освоение Солнечной системы будет невозможным без появления ракетных двигателей на ядерной энергии и без новых мощных источников электричества для космических кораблей и баз.

Источник изображения: NASA

Идея космических силовых ядерных установок не нова. Человек научился управлять реакцией распада атома на Земле и был не против перенести опыт в космос. К сожалению, атом не уставал показывать, что он опасен. История с падением в 1978 году силовой ядерной установки в составе спутника «Космос-954» на северные территории Канады больно ударила по кошельку и престижу СССР. Иметь над головой такое «счастье» больше никто не хотел.

Впрочем, даже вывод в космос корабля с ядерной установкой на борту чреват катастрофическими результатами в случае аварии, что тоже никак нельзя исключать. Очевидно, что для вывода в космос кораблей с ядерными силовыми установками потребуются новые технологии по обеспечению беспрецедентного уровня аварийной защиты радиоактивных материалов. МАГАТЭ и ООН к этому готовы и всячески поддерживают новые инициативы.

Концепт космического корабля NASA с ядерным двигателем. Источник изображения: NASA

Кстати, многочисленные сообщения в прошлом году стали лишним свидетельством, что в космонавтике фокус снова сместился в сторону ядерных двигателей. Россия, США, Китай и другие страны инициировали или продолжили программы по разработке как ядерных двигателей для космических аппаратов, так и ядерных установок для обеспечения питанием космических станций и баз.

«Ядерные технологии уже давно играют важную роль в известных космических миссиях, но будущие миссии могут использовать ядерные системы для гораздо более широкого спектра применений — наш путь к звёздам лежит через атом», — сказал Михаил Чудаков, заместитель генерального директора МАГАТЭ. Это заявление прозвучало на виртуальном мероприятии МАГАТЭ: «Атомы для космоса: Ядерные системы для освоения космоса», в котором приняли участие 500 человек из 66 стран.

«Для будущих межпланетных полетов с экипажем почти наверняка потребуются двигательные установки с характеристиками, значительно превосходящими лучшие современные химические двигатели», — подтвердил Уильям Эмрич (William Emrich), бывший ведущий инженер проекта в NASA.

Простым вариантом ядерного ракетного двигателя представляется ядерная тепловая двигательная установка (ЯТП), в которой ядерный реактор деления нагревает жидкое топливо, например, водород, превращая его в газ, который расширяется через сопло для создания тяги и приведения в движение космического аппарата. По сравнению с традиционными химическими ракетами это может сократить время полета на Марс на 25 %.

Источник изображения: Rolls-Royce

Ещё один вариант — это ядерная электрическая силовая установка (ЯЭДУ), в которой тепловая энергия реактора преобразуется в электрическую. Тяга при этом ниже, но будет непрерывна, а эффективность использования топлива намного выше, как и скорость, которую можно развить, что может сократить время полета на Марс на 60 % по сравнению с традиционными химическими ракетами.

Наконец, около двух десятков лет изучается вопрос создания термоядерного ракетного двигателя или привода прямого синтеза (DFD), в котором энергия синтеза должна создавать тягу от реакции без прохождения промежуточного этапа выработки электроэнергии. Этой темой плотно занимаются в Принстонской лаборатории физики плазмы и рассчитывают на успех.

Стефани Томас (Stephanie Thomas), вице-президент компании Princeton Satellite Systems, которая разрабатывает концепцию термоядерной ракеты, сказала: «DFD может производить удельную мощность на несколько порядков выше, чем другие системы, сокращая время полета и увеличивая полезную нагрузку, что позволит нам гораздо быстрее достичь пунктов назначения в дальнем космосе».

Концепция лунных рейдеров NASA на ядерных двигателях. Источник изображения: DARPA

В полной мере использование ядерных реакций деления в космосе будет задействовано для выработки электричества для обеспечения жизнедеятельности экипажей и поддержки работоспособности техники и оборудования. Для этого разрабатываются небольшие ядерные реакторы для работы в условиях космоса и на планетах, в частности, на Луне и на Марсе, где в ближайшие два десятка лет планируется создать базы. В документах ООН и МАГАТЭ подчёркивается, что во главу угла должна быть поставлена безопасность и выработка международных законов об использовании ядерных технологий в космосе.

В основе традиционной радиосвязи лежит электромагнитное излучение, однако учёные Ланкастерского университета (Великобритания) и Института Йожефа Стефана (Словения) в своём новом проекте смогли передать данные в цифровом формате, используя в основе быстрые нейтроны.

Источник изображения: Johannes Plenio / pexels.com

В рамках исследования учёные измерили спонтанную эмиссию быстрых нейтронов, испускаемых калифорнием-252 — радиоактивным изотопом, который производится ядерными реакторами. Далее они произвели модуляцию нейтронного поля, то есть потока свободных нейтронов, закодировав простейшие информационные элементы: слова, алфавит и случайным образом выбранные числа. Поток нейтронов попал на детектор, а выходные данные декодировались на ноутбуке, с помощью которого закодированная информация была восстановлена.

Для проверки работоспособности системы был проведён двойной слепой тест, в котором полученное на генераторе случайных чисел значение было закодировано без предварительного уведомления отправителей, после чего сигнал был передан и декодирован. Все тесты по передаче данных оказались успешными на 100 %.

Профессор Ланкастерского университета Малькольм Джойс (Malcolm Joyce) прокомментировал проект: «Мы демонстрируем потенциал излучения быстрых нейтронов в качестве среды беспроводной связи для случаев, где электромагнитная передача данных либо невозможна, либо ограничена по своей природе». Он уточнил, что быстрые нейтроны имеют преимущество перед электромагнитными волнами, которые ослабляются при прохождении через различные препятствия, в том числе металлические.

Данная технология может оказаться полезной в тех случаях, когда электромагнитные волны не работают, а прокладка кабеля не рекомендуется: защитные оболочки реакторов или металлические своды и переборки в морских сооружениях. Нейтронная связь пригодится и в чрезвычайных ситуациях, когда традиционные коммуникации не работают.