современные, советские батареи, характеристики, производство отечественных отопительных приборов

Содержание:

Несмотря на появление более современных радиаторов достаточное количество жилищ до их пор оснащено старыми чугунными батареями. Чтобы определиться, нужно ли менять старые системы на новые, необходимо сравнить их основные характеристики.

Какие бывают чугунные радиаторы

Чугунные радиаторы отопления, подобно конструктору, собираются из отдельных секций, вылитых из серого чугуна в производственных условиях. Углубления для протекания теплоносителя могут быть круглыми или эллипсовидными. Для соединения отдельных секций используются ниппели, что предусматривает дополнительную герметизацию стыков с помощью термостойких прокладок из резины или паронита.

По числу каналов одной секции чугунные радиаторы могут быть:

1. Одноканальными.
2. Двухканальными.

Ширина батарей может разниться, в зависимости от числа секций. То же самое касается и высоты. Выбирая подходящую ширину отопительного секционного чугунного радиатора, ориентируются на объем обогреваемого помещения, число оконных проемов, толщину наружных стен. Уровень тепловой мощности батареи напрямую зависит от числа ее секций. Высота изделий может быть от 35 до 150 см. Также есть такой параметр, как глубина радиатора: она помогает определить, впишется ли обогреватель в обстановку помещения, или нет.

В продаже представлены радиаторы глубиной 50-140 см: их установка проводится при помощи специальных монтажных кронштейнов, предварительно закрепленных в стене. Они обеспечивают не только прочное удержание подвешенной батареи, но и зазор между ее задней поверхностью и стеной. Более современные чугунные радиаторы оснащаются специальными ножками (подробнее: «Современные чугунные батареи отопления – характеристики, преимущества, правила подключения»).

Преимущества и характеристики батарей для отопления из чугуна

К положительным характеристикам чугунных батарей можно отнести:

• Независимость от вида теплоносителя. По ходу прохождения нагретого теплоносителя по трубам происходит заметное ухудшение его качества. В изначально неидеальной воде накапливается еще больше различных примесей. В итоге внутрь радиатора попадает достаточно агрессивная в химическом отношении жидкость: кроме значительного содержания щелочи в ней накапливается также песок, действующий на стенки труб и батарей подобно абразиву. Особенно опасно это для стальных изделий, которые начинают активно разъедаться щелочью, а песчинки лишь усиливают разрушающий эффект. Для чугуна подобное воздействие неопасно, чему способствует его химическая инертность и значительная толщина стенок. Для того, чтобы избежать излишней коррозии, на лето чугунные системы отопления обычно освобождаются от воды.
• Высокое рабочее давление. Показатель рабочего давления у чугунных батарей составляет более 9 атмосфер (у разных производителей этот параметр может слегка отличаться). Это позволяет им комфортно переносить гидроудары, что делает чугунные изделия наиболее подходящим вариантом для комплектации систем централизованного отопления.
• Высокая продолжительность службы. При соблюдении необходимых эксплуатационных мероприятий (промывка, перепаковка прокладок) чугунные батареи способны выдавать феноменальную долговечность – до 100 и более лет.
• Дешевизна. При сравнении стоимости чугунных и биметаллических радиаторов первые оказываются на порядок дешевле. Особенно существенно чувствуется экономия в случае комплектации не одной, а нескольких комнат.

Недостатки современных и советских приборов

К недостаткам чугунных отопительных приборов обычно относят следующее:

• Медленный разогрев.
  Действительно, по сравнению с современными металлическими батареями изделия из чугуна нагреваются намного медленнее. Причина кроется в значительной толщине стенок. Однако есть и обратная сторона медали – охлаждается чугун также медленнее стали, что позволяет нагретому жилью больше хранить свое тепло. Особенно это чувствуется при аварийных отключениях системы в зимнее время.
• Замедленная теплоотдача. Для сравнения можно сопоставить теплоотдачу секций чугунного и алюминиевого или стального радиаторов. Современные системы, при сходных габаритах потребуют меньший объем теплоносителя, при более высокой теплоотдаче. Однако кроме конвекционно-воздушного обогрева у алюминия и биметалла, где греется только сердечник, у чугунных батарей присутствует также лучевая теплоотдача. Как результат, наряду с прогреванием воздуха осуществляется также нагревание поверхности близлежащих предметов. После этого данные предметы также начинают излучать энергию, содействуя более качественному и эффективному прогреву комнаты.
• Большой вес. Вес одной чугунной секции доходит до 5-7 кг, из-за чего собранное изделие получается громоздким и неуклюжим. Такие батареи неудобное перевозить и устанавливать: крепление в стенах требует дополнительной надежности. Однако, если монтаж проводят сантехники, то за неудобства можно не беспокоится. А у большого веса есть и положительная сторона – толстые стенки дольше сохраняют тепло.
• Низкая экономичность. На разогрев чугунного радиатора потребуется на порядок больше топлива, чем на аналогичную по габаритам металлическую модель. Однако, медленно нагреваясь, чугун медленнее отдает тепло – поэтому такая батарея дольше остается теплой в случае отключения отопления.
• Низкая эстетичность. Особенно это касается старых советских радиаторов отопления, которые старались дополнительно покрыть специальными накладными кожухами. В настоящее время для изготовления чугунных радиаторов используется художественное литье: на такой поверхности имеются узоры в самых разных стилях.
  Стоимость литых чугунных батареи может быть разной, в зависимости от страны изготовителя (Германия, Англия, Турция, Франция, Китай). Что касается отечественной продукции, то она уступает в декоративности зарубежным образцам. Однако стоимость их тоже меньше, при довольно добротном внешнем виде.

Отдельные разновидности чугунных радиаторов

В Советском Союзе производством чугунных батарей занималось довольно много предприятий. Достаточно вспомнить только некоторые основные модели НМ-140, НМ-150, Минск-110, Р-90, РКШ. Большая их часть уже снята из производства, за исключением одной испытанной классической разновидности МС-140. Для новых разработок отечественных чугунных радиаторов отопления характерна большая эстетичность. К примеру, модель Мс-110 от производителя Сантхлит имеет глубину всего 11 см, что позволяет без проблем установить ее под неширокий подоконник пластикового окна.

Чебоксарская продукция ЧМ может иметь 1, 2 или 3 канала. Благодаря плоской наружной стороне достигается большая эстетичность и простота уборки. Также внешней красотой отличаются минские двухканальные изделия: всего их выпускается около 10 моделей. Что касается завозных чугунных секционных батарей, то для них характерно наличие двухсторонней гладкой поверхности: за счет этого достигается более высокий коэффициент теплоотдачи. Среди недорогих образцов стоит отметить китайского производителя Kоnner и его модели «Хит», «Модерн» и «Форт».

Более дорогая, но и более качественная продукция представлена чешским предприятием Viadrus, турецкой фирмой DemirDöküm и испанским концерном Roca. Для европейских моделей характерно особенное изящество и использование художественного литья. При этом цена на такие узорчатые отопительные приборы на порядок выше стальных.

В качестве вывода можно сказать, что списывать со счетов чугунные радиаторы отопления еще рано. Это подтверждает тот факт, что их продолжают выпускать ведущие европейские производители. Несмотря на свой большой вес и некоторую медлительность в разогреве, в плане накопления и удержания тепла батареям из чугуна равных пока нет. 

Когда лучше и стоит ли менять старые советские чугунные батареи в квартире?

Демонтаж старой сантехники и коммуникаций во время переезда или ремонта – обычное дело. Однако такую составляющую дома, как чугунные батареи, в таких случаях меняют далеко не всегда. Причина – устоявшееся мнение о том, что старые чугунные батареи хороши и лучше них ничего быть не может. Но так ли это на самом деле? В чем их достоинства и недостатки, и стоит ли менять чугунные батареи на современные? Для тех, кто озадачился этим вопросом, магазин «Сантехбомба» подготовил полезный материал, который поможет принять оптимальное решение.

Преимущества и недостатки чугунных батарей

Прежде всего, стоит четко определить все плюсы и минусы чугунных радиаторов, ведь у них, как и у любых других типов батарей, есть свои особенности, которые стоит учесть перед их удалением (или, наоборот, покупкой).

Плюсы

• Надежность и долговечность. Чугун неприхотлив к теплоносителю, его не повредят даже крупные фракции или агрессивные химические примеси, часто содержащиеся в воде с российских ТЭЦ. Максимально допустимая температура теплоносителя достигает 130-150 градусов. При регулярной промывке срок службы такой батареи может исчисляться десятилетиями.
• Высокая теплоемкость и тепловая инерционность. Такие батареи долго отдают тепло, которого в них после отключения может оставаться до одной трети от изначального объема. Впрочем, эта же особенность материала является еще и его минусом – подробнее об этом в соответствующем разделе.

Минусы

• Большой вес. Чугун – очень тяжелый металл, вес одной секции чугунного радиатора может достигать нескольких килограмм. В среднем, это в 2-3 раза больше, чем вес секции биметаллической батареи, и в 4-6 раз больше по сравнению с весом алюминиевого радиатора. .
• Цена. Одна секция чугунного радиатора заметно дороже, чем аналогичная по размерам и теплоотдаче секция биметаллической или алюминиевой батареи.
• Невозможность установки в систему с автоматической регулировкой. Конструктивные особенности батареи и свойства металла будут препятствовать получению датчиками актуальной информации о температуре теплоносителя и поверхности. При выборе того, какие лучше поставить батареи отопления в квартире, обязательно учтите этот нюанс.
• Низкая эффективность. За счет тепловой инерционности на обогрев квадратного метра площади уйдет гораздо больше энергии и теплоносителя, чем в случае с другими типами батарей. Это может быть совершенно непринципиально, если отопление у вас централизованное, и вы платите исходя из квадратуры дома. Но если у вас газовый котел – придется тратить больше собственных денег, причем уходить они будут преимущественно на обогрев самой батареи, а не на повышение температуры в помещении.
• Неэстетичный внешний вид. Отметим, что это касается лишь старых батарей, но, если у вас как раз такие – едва ли они гармонично впишутся в современную обстановку. Чугунные батареи нового образца в этом плане ничем не отличаются от биметаллических или алюминиевых «собратьев» – они смотрятся современно и стильно, отлично впишутся в интерьер любой квартиры.

Какие есть варианты замены?

Итак, вы решили поменять старые батареи из чугуна на новые. Что лучше выбрать им на замену?

Новые чугунные батареи

Если плюсы чугунной батареи перевешивают для вас ее недостатки, мы можем порекомендовать вам качественные современные батареи из чугуна. В магазине «Сантехбомба» вы найдете несколько практичных вариантов – вашему вниманию представлены модели STI Нова 500 и STI Нова 300. Они отличаются друг от друга размерами и характеристиками мощности – так, «старшая» модель 500 обладает теплоотдачей 150 Вт на одну секцию, вес секции при этом составляет 4,2 кг, объем – 0,52 л. У модели 300 эти показатели равны соответственно 120 Вт, 2,9 кг и 0,3 л, при этом она ниже на 20 см. Оба радиатора отличаются оригинальным дизайном, на поверхность нанесено термостойкое полимерное покрытие.

Тем, кому милее привычный дизайн, отлично подойдет классическая модель MC-140. Состоящая из 7 секций по 150 Вт каждая, она выглядит почти так же, как и «те самые» советские батареи. И, разумеется, она по-прежнему тяжела, так как сделана из настоящего чугуна. Впрочем, вы ведь не забыли, какими достоинствами обладает этот материал?

Биметаллические батареи

Менять ли чугунные батареи на биметаллические? Когда вариант с чугуном не подходит, отличным решением станут батареи из биметалла. Обычно под этим словом подразумевается дуэт алюминия и стали (вместо которой иногда применяют медь). Алюминий играет роль внешнего материала, из стали же выполняется сердечник радиатора, так как этот металл более стоек по отношению к высоким температурам и другим неблагоприятным условиям. По этой части он обладает схожими характеристиками с чугунном, ведь стали не страшна агрессивная химическая среда, также он стоек к коррозии. А по показателю максимально выдерживаемого давления сталь даже превосходит чугун – стальной сердечник позволяет выйти на рабочее давление до 30-40 атмосфер, и ему не страшны возможные гидроудары.

Алюминий же в большинстве современных моделей почти не контактирует с теплоносителем, при этом, получая энергию от стали, он быстро нагревается и передает тепло в помещение. Еще одним важным достоинством биметаллических батарей стоит назвать малый объем теплоносителя.

Итак, биметаллические батареи:

• легкие;
• изящные;
• быстро нагреваются;
• долго служат;
• не подвержены коррозии;
• выдерживают огромное давление;
• отличаются высоким КПД;
• обладают малым объемом теплоносителя.

Говоря о конкретных моделях, упомянем Alecord 350 – один из лучших вариантов по соотношению качества и цены. Вес одной секции здесь составляет всего 1,1 кг, при этом ее теплоотдача равна 136 Вт. Рабочее давление – 25 бар (выдерживает до 35), емкость теплоносителя равна 0,17 литра на секцию. Схожими характеристиками обладает, например, Halsen 350 российского производства.

Также можно отметить интересный вариант Royal Thermo BiLiner 500. 171 Вт теплоотдачи на секцию при ее весе в 2,02 кг и объеме в 0,2 литра создан на основе инновационных высокотехнологичных решений. Об этом говорит буквально все – начиная необычным дизайном радиатора и заканчивая распространяющейся на него 25-летней гарантией и огромной суммой страхового покрытия. Страна производства – Италия.

Алюминиевые батареи

Батареи из алюминия дешевле и проще в установке и обслуживании по сравнению со своими биметаллическими «собратьями». Не лишены они при этом и определенных недостатков.

Главный из них – это повышенная чувствительность к кислотности теплоносителя. Чтобы поддерживать рабочее состояние таких батарей, необходимо регулярно проводить их антикоррозийную обработку. Именно поэтому использовать их в общегородской сети не рекомендуется, ведь нет никаких гарантий того, что с теплоэлектростанции в ваши трубы пойдет вода хорошего качества. Алюминиевые радиаторы – лучший выбор для частных домов и коттеджей, когда есть возможность индивидуально спроектировать систему отопления.

Подытожим достоинства алюминиевых батарей:

• легкие;
• привлекательно выглядят;
• быстро нагреваются;
• выдерживают большое давление

Из минусов, как уже говорилось, стоит отметить чувствительность к качеству теплоносителя и в связи с этим возможную необходимость использовать специальные добавки. Впрочем, современные производители знают об этой особенности алюминия и усиливают его изнутри особыми защитными покрытиями.

К практичным представителям алюминиевых моделей относится Alecord 350. В отличие от биметаллического аналога, здесь теплоотдача секции 155 Вт при весе 0,87 кг и емкости в 0,2 л. Рабочее/максимальное давление составляет 16/25 атмосфер. Внутренняя отделка отличается повышенной коррозийной устойчивостью.

Когда приходит время, лучше менять батареи отопления в квартире на более современные варианты. Если, конечно, вы не горите желанием оставлять тяжелые и объемные радиаторы – но на то действительно могут быть причины. В остальном же, современные чугунные, алюминиевые и биметаллические батареи выигрывают почти во всем. Огромный выбор, доступная цена, меньшие габариты и вес – все это отличает их в выгодную сторону от старых чугунных радиаторов.

Но вне зависимости от того, на какой материал пал ваш выбор, интернет-магазин «Сантехбомба» готов предложить вам лучшие модели, в том числе и из чугуна – удобные в монтаже и эксплуатации, экономичные, долговечные и стильные. В ассортименте магазина вы обязательно найдете подходящие под ваши запросы и бюджет варианты.

22.08.2017

Возврат к списку

Радиаторы чугунные, их технические характеристики и выбор

С наполнением рынка новыми строительными материалами и комплектующими, повышается потребность в качественном и красивом оборудовании. В связи с этим и требованиями времени, многие люди принимаются за капитальный ремонт своего жилья и производственных помещений. Замене подвергаются все старые системы водопроводного и канализационного хозяйства, отопления, электроэнергии. Меняют оконные и дверные конструкции, половое покрытие, крыши частных домов. Однако, при смене старого оборудования часто оставляют старые чугунные батареи, проводя их предварительную промывку.

В чем же популярность этих конструкций, известных нам с советских времен? Почему многие строители не советуют менять старые батареи из чугуна? Конечно, старые конструкции из чугуна по дизайну не идут ни в какое сравнение с новыми видами отопительных приборов. Потому странным сочетанием, иногда, кажутся на фоне дорогих обоев новые металлопластиковые трубы разводки и старые батареи из 5-8 секций. Несмотря на то, что их аккуратно покрасили светлой краской, старомодные батареи не хотят плавно вливаться в дизайн интерьера. Но с точки зрения практичности и долговечности, они являются ценным материалом.

Ассортимент радиаторов отопления

Современные производители отопительных радиаторов предлагают широкий ассортимент таких конструкций. В основном радиаторы отопления отличаются материалом изготовления и внешним видом с определенным цветовым оформлением. Отличие также выражается в размерах, технических характеристиках. Наряду с новыми моделями отопительных радиаторов из стальных, алюминиевых, биметаллических, медных, пластиковых материалов и различных сплавов, многие люди приветствуют чугунные радиаторы отопления, и какие лучше — судить потребителям. Современные модели имеют отличный дизайн, выполненные из различных материалов, обладают красивым видом, практичными формами, легким весом. Но по другим показателям они уступают привычным нам чугунным конструкциям, которые относят к разряду советских времен.

Основные технические характеристики чугунных радиаторов

Батареи изготавливают из крепкого и однородного по структуре чугунного сплава. Каждая секция отливается в отдельности, а затем соединяется в определенную группу. Для установки батарей отопления необходимо определиться с тем, сколько необходимо секций. Их число может быть, начиная от 3-х и до 5-6, а иногда и до 12-ти, и зависит от многих факторов, среди которых выделяют:

• площадь помещения;
• количество окон;
• наличие стеклопакетов;
• высоту помещения;
• этаж;
• угловое размещение квартиры в многоэтажном доме;
• другие факторы, влияющие на уровень энергоэффективности.

Технические характеристики радиаторов чугунных связаны с их выносливостью и надежностью. Максимальной температурой теплоносителя является температура в 130-150 градусов. Максимальным рабочим давлением считается 9-12 бар. В одной секции стандартных батарей из чугуна МС 140 помещается чуть более литра воды (1,11-1,45). Одна секция весит в пределах 6-ти кг (5,7 – 7,1), а ширина секции — 98 мм. Технические характеристики чугунных радиаторов рассчитаны на установку с расстоянием между стеной и батареей от 2- 5 см и высотой установки над плоскостью пола — в 10 см.

Общепринятые советы:

Если в комнате несколько окон, то батареи отопления следует устанавливать под каждым окном. В угловых квартирах следует провести утепление стен снаружи современными методами или увеличить количество секций в батарее.

Расчет количества батарей определяют умножением площади комнаты на 100 Вт и делением на теплоотдачу, которую получают от работы одной секции.

Теплоотдача из 1-й секции МС 140 считается 175 Вт. Из этого расчета исходит, что для комнаты 18 кв.м необходимо:
18х100:175=10,2

Для лучшей эффективности, полученный показатель увеличивают в большую сторону. Потому, для комнаты 18 квадратов подойдет чугунный радиатор МС 140 с 11-ю секциями.

Достоинства конструкций из чугуна

Сейчас применяют различные виды отопительных радиаторов, среди которых имеются современные чугунные изделия. Нынешний чугун и его сплавы не отличаются от прежних. Останавливает только «запредельная» цена современных чугунных конструкций. В таком случае, можно пользоваться старыми чугунными батареями, проведя их предварительный осмотр, промывку и очистку. Чугунные радиаторы отопления, и какие лучше: бывшие в употреблении или современные конструкции из разных материалов, решают в индивидуальном порядке. Длительное пребывание на пике славы чугунных батарей обусловлено рядом неоспоримых преимуществ:

• химической устойчивости. Централизованно поступающая вода, может, имеет красновато-коричневый цвет и содержит в своем составе химические добавки. Различные химические соединения негативно влияют на состояние современных радиаторов из пластика, не повреждая чугун;
• длительности эксплуатации. Еще до сих пор в наших квартирах стоят радиаторы отопления, которые были установлены в середине прошлого века. Технические характеристики чугунных радиаторов дают им срок эксплуатации в 50 лет, хотя практически их срок эксплуатации составляет 100 и более лет.
• инерционности. Прогретые батареи отопления из чугуна сохраняют тепло длительный период времени. Теплоотдача при отключении системы уменьшается постепенно;
• низкого уровня гидравлического сопротивления. Благодаря большому внутреннему диаметру и достаточному объему чугунных секций, отсутствуют помехи для циркуляции воды. На работу системы слабо влияет отложение солей и наличие ржавчины. Только, когда батареи полностью «забиты» различными скоплениями, горячая вода не поступает в одну или несколько секций чугунных батарей. Потому на вопрос: «Какие лучше: чугунные радиаторы отопления или пластиковые?» имеется однозначный ответ: «Конечно,чугунные!»;
• прочности. Батареи из чугуна могут выдерживать давление 18 атмосфер.

Минусы чугунных конструкций для отопления

Читая лестные отзывы о преимуществах батарей отопления из чугуна или его сплавов, невольно возникает известная фаза о том, что незаменимых предметов не существует. Если бы чугунные конструкции отоплении были столь совершенными, то не появились бы пластиковые, биметаллические, медные, разносплавные радиаторы отопления. К недостаткам конструктивных и технических характеристик чугунных радиаторов относят:

• внушительные размеры и тяжелый вес;
• непрезентабельность внешнего вида;
• наличие труднодоступных мест для окрашивания и ухода;
• невозможность регулирования температурного режима;
• медленный нагрев холодного помещения.

Однако такие недостатки не столь существенны и часто допустимы.

Чугунные радиаторы отопления, и какие лучше

Конечно, современные батареи отопления обладают своеобразной красотой и практичностью. Только их применение не приспособлено к нашим системам теплоснабжения. Потому до улучшения систем централизованного отопления, установку новых радиаторов из пластиковых материалов лучше не проводить. Чугунные радиаторы отопления, и какие лучше — нового или старого образца, решать вам. Если смену оборудования проводят в своем доме, где заливается вода без химикатов, поддерживается ее определенная температура, то оригинальные варианты (не китайские) прослужат не меньше, чем указано в инструкции по применению.

Технические характеристики чугунных радиаторов отопления: мощность, размеры, срок службы

Несмотря на появившиеся в последнее время новые технологии производства батарей отопления, старые добрые чугунные радиаторы по-прежнему выпускаются нашими и иностранными производителями и по праву занимают свое место на рынке отопительных приборов.

Что же такое современная чугунная батарея – анахронизм, отчаянно борющийся за свое существование, или один из незаслуженно критикуемых вариантов организации обогрева собственного дома или квартиры? Как водится, ответ находится где-то посередине. [contents]

Теплоотдача и мощность

Это основные характеристики любого прибора отопления, которые определяют его эффективность и обслуживаемую площадь. Чаще всего производители указывают мощность одной секции, а требуемое количество секций рассчитывается, исходя из типа и размеров помещения.

Классический чугунный радиатор

Теплоотдача радиаторов зависит от материалов, из которых они изготовлены. В этом чугун, конечно, проигрывает и стали и, тем более, алюминию.

Его теплопроводность примерно в два раза хуже, чем у алюминия. Однако это компенсируется низкой инертностью. Он долго набирает тепло и так же долго его отдает.

Поэтому эффективность алюминиевой батареи будет выше при интенсивном потоке теплоносителя, например, в закрытых системах с принудительной циркуляцией. В открытых системах или при естественной циркуляции преимущество будет у чугуна.

Мощность секции радиатора из чугуна составляет примерно 160 Вт. Для сравнения аналогичные характеристики алюминиевых и биметаллических батарей находятся в районе 200 Вт. Поэтому при прочих равных условиях чугунное изделие должно состоять из большего числа секций.

Расчет количества секций

Технические расчеты радиаторов можно выполнять с помощью разных методик. Существуют точные алгоритмы, которые учитывают многие параметры материала, конфигурации и расположения помещения. Мы же приведем упрощенную формулу, позволяющую с достаточной точностью оценить искомое значение, и затем покажем, как нужно модифицировать результат, если условия отличаются от стандартных.

Итак, количество секций можно определить, если площадь помещения умножить на 100 и разделить на мощность секции в Ваттах.

Теперь несколько советов:

• Если получилось дробное число, увеличивайте его в большую сторону – лучше запас по теплу, чем недостаточный прогрев помещения;
• Если в комнате два окна, предпочтительнее поставить две батареи, распределив на них полученное количество секций. Так будет выше срок службы и ремонтопригодность системы отопления. Кроме того, радиаторы будут создавать эффективный заслон холодному воздуху из окон;
• Если помещение имеет две внешние стены или высота потолков в нем более 3 м, лучше добавить одну-две секции для компенсации теплопотерь. То же самое можно сделать, если наверху находится неотапливаемый чердак.

Размеры и вес

Размеры, вес и внешний вид чугунных радиаторов – это больное место всех обладателей и установщиков подобных приборов. Посмотрим, так ли все ужасно, на примере наиболее популярного отечественного радиатора – МС-140.

Итак:

• Высота радиатора – 59 см;
• Глубина секции – 14 см;
• Ширина секции – 9,3 см;
• Вес – 7 кг;
• Емкость секции– 1,4 л;
• Мощность секции – 160 Вт.

Конечно, переносить и устанавливать 10-секционные радиаторы весом 70 кг – удовольствие не самое большое, но ведь делается это один раз (технические специалисты и монтажники, наверное, сейчас грустно улыбнулись).

А вот по количеству теплоносителя чугунная батарея действительно не впечатляет – 14 литров на эти 10 секций нужно ведь нагреть и доставить.

В городской квартире это не сильно обременяет, а вот если тепловая энергия берется из котла автономной системы отопления, то лишние кубометры газа или киловатты электроэнергии придется оплачивать из собственного кармана.

Срок службы

Ну а теперь немного о приятном: срок службы и чувствительность к качеству теплоносителя – это те характеристики, по которым чугунные радиаторы опережают всех конкурентов. Это и понятно – чугун абсолютно устойчив к абразивному износу и не вступает в химические реакции с материалами труб или элементов котлов. Размеры каналов внутри секций здесь внушительные, поэтому эти батареи практически никогда не засоряются, а, следовательно, им не нужны технические работы по очистке.

Многие специалисты утверждают, что срок службы современных чугунных батарей – 30-40 лет. Что же, очень может быть, ведь во многих домах еще живы старые советские радиаторы.

Однако есть здесь и своя ложка дегтя – гидравлические удары. Об этом поговорим далее. Ниже предлагаем вам ознакомиться с видео о достоинствах и недостатках чугунных батарей:

Рабочее и опрессовочное давление

Когда речь заходит про технические характеристики радиаторов, показатели давления всегда приводятся в числе первых. Обычное рабочее давление теплоносителя 6-9 атмосфер. С этим напором любые радиаторы справляются, для чугунных батарей штатной нагрузкой считается как раз 9 атмосфер.

Есть еще понятие «опрессовочного» давления – это максимальное давление в системе, которое может возникать при ее первоначальном запуске. Для модели МС-140 – это 15 атмосфер.

Различные дизайнерские решения оформления чугунных радиаторов

По регламенту при запуске системы отопления обязательно должна выполняться проверка возможности плавного пуска центробежных насосов. По-хорошему, все насосы должны быть оборудованы автоматикой, обеспечивающей этот плавный пуск. Ну а на самом деле…

На самом деле, в большинстве домов ее или нет, или она находится в неисправном состоянии. Но и на такой случай в инструкции предусмотрен соответствующий пункт: первоначальный пуск должен выполняться при закрытой задвижке, которую можно (плавно!) открывать только после выравнивания давления в магистрали. Учитывая, кто и как запускает отопление в наших домах, нетрудно себе представить процент выполнения этих инструкций.

При нарушении регламента и возникает тот самый гидроудар, при котором мгновенный скачок давления вызывает превышение допустимого значения, и один из радиаторов по ходу движения теплоносителя не выдерживает нагрузки. Дальнейший ход событий понятен – его срок службы оказывается не столь долгим, как хотелось бы.

Качество теплоносителя

Мы уже отмечали, что чугунные батареи абсолютно не чувствительны к качеству теплоносителя. Им не важен его вид, состав, показатели pH и другие характеристики. Все посторонние примеси, камни и прочий мусор, всегда содержащийся в коммунальных сетях, свободно проходят через широкие каналы радиатора и отправляются дальше (возможно, для того чтобы застрять в узких отверстиях стальных вставок биметаллического радиатора соседа).

Неважно для чугуна и то, каким теплоносителем вы собираетесь оборудовать систему, если предполагаете использовать ее в вашем доме. Это может быть и вода, и тосол, и любая другая незамерзающая жидкость.

Многие делают вывод о том, что при использовании чугунных радиаторов совсем не нужна водоподготовка. Ни в коем случае не следуйте этим советам! В вашей системе есть еще много других компонентов, прежде всего, котел, у которого от плохого качества теплоносителя может упасть мощность, выйти из строя теплообменник или гидравлическая группа.

Корпус радиатора

Обсуждая характеристики чугунных радиаторов, нельзя не отметить еще одну их отличительную особенность – они продаются неокрашенными. Поэтому после покупки их нужно покрыть декоративным термостойким составом, а перед этим обязательно протянуть – качество отечественной сборки часто оставляет желать лучшего.

Однозначного ответа на вопрос, лучше или хуже чугунные радиаторы, чем, например, алюминиевые или биметаллические, наверное, дать невозможно. Кто-то ругает новомодные изделия, кто-то, наоборот, является ярым противником раритетов. Надеемся, что наш цикл статей по радиаторам отопления поможет разобраться, что же нужно именно вам.

Как выбрать чугунные радиаторы отопления: обзор характеристик и преимуществ.

26.04.2019

Несмотря на широкое распространение стальных, алюминиевых и биметаллических радиаторов отопления, из года в год остаются востребованными модели из чугуна. Они изготавливаются из отдельных секций, между которыми для герметизации помещаются термостойкие прокладки. Причина высокого спроса кроется в многочисленных преимуществах чугунных радиаторов — как перед современными моделями из других материалов, так и перед их «прародителями» из советских времён. Как выбрать чугунные батареи для квартиры или другого помещения — так, чтобы все их достоинства раскрылись в полной мере? Развёрнутый ответ — в этой статье.

Во-первых, за их исключительную надёжность и долговечность. Чугунные секции не боятся высокого давления теплоносителя и его перепадов, им почти не вредят загрязнения, содержащиеся в воде, они не подвержены коррозии и исправно служат десятилетиями. Эти особенности чугунных радиаторов отопления российского производства и зарубежных моделей делают их идеальным выбором для систем центрального отопления.

Во-вторых, за их температурную инертность. Некоторые считают это недостатком (приборы отопления долго прогреваются), но в то же время это и достоинство (радиаторы так же долго сохраняют тепло при перебоях в работе системы).

В-третьих, за ещё одно важное отличие чугунных радиаторов от металлических — возможность сравнительно легко увеличить или уменьшить количество секций.

Выполняем тепловой расчёт

В первую очередь нужно выполнить расчёт секций чугунных батарей, чтобы определить их оптимальное количество. Общая формула такова:

N = S * (100 / P),

где N — количество секций, S — площадь отапливаемого помещения в кв. м, P — тепловая мощность отопительного прибора в кВт.

Формула справедлива для помещений с одной наружной стеной, одним окном и потолком стандартной (равной 2,7 м) высоты. Если внешних стен и окон больше, а потолок — выше, используются поправочные коэффициенты, поскольку для хорошего прогрева таких помещений требуется большее количество секций.

Выбираем дизайн

На следующем этапе подбора определите внешний вид приборов отопления, который будет оптимально сочетаться с существующим интерьером. В советские годы выбора практически не было — повсеместно использовались однотипные батареи-«гармошки», но сейчас всё иначе. В продаже представлены:

• современные модели из чугуна, по дизайну близкие к самым эффектным стальным, алюминиевым и биметаллическим моделям. Они подходят для самых разных интерьеров — даже выдержанных в стиле хай-тек;
• чугунные дизайн-радиаторы в ретро-стиле — настоящие произведения искусства, способные достойно украсить самую роскошную квартиру или коттедж.

Выбираем производителя

Наконец, определитесь с торговой маркой отопительных приборов, которые будете приобретать. В продаже по-прежнему представлены отечественные изделия марки МС-140 — те самые «гармошки», — но наряду с ними продаются и гораздо более интересные зарубежные модели. Так, заслуживают внимания чугунные радиаторы Viadrus, выпускаемые в Чехии. Использование качественного сырья и современного оборудования для их изготовления, строгий контроль качества на всех этапах производства делают эти приборы надёжными и долговечными. Покупателю есть из чего выбрать — в ассортимент Viadrus входят классические модели, эффектные разновидности в современном стиле, декорированные под старину и другие отопительные приборы.

« Назад в раздел

Другие статьи

Сроки эксплуатации батарей отопления — срок жизни чугунных и алюминиевых радиаторов

Нормальная эксплуатация радиаторов отопления для квартиры в многоэтажном доме зависит от ряда важнейших факторов, где далеко не последнюю роль играет длительность использования, определяемая каждым конкретным производителем. Исходя из материала производства, различные батареи могут служить от 15 до 35 лет.

Ввиду того, что установка новых батарей в квартире – инвестиция в долгосрочную перспективу, выбирая приборы для оснащения квартирной системы теплообеспечения, следует поинтересоваться, сколько служат устройства определенного типа и что может повлиять на их долговечность!

Сроки эксплуатации радиаторов отопления в жилых домах

Усредненный показатель периода стабильной работы по ГОСТ в зависимости от материала исполнения выглядит следующим образом:

• Стальные – 15-20 лет;
• Чугунные – 25-35 лет;
• Алюминиевые – 20-25 лет;
• Биметаллические – 25-30 лет.

Тем не менее, данные характеристики идут вразрез с фактическими данными. Стабильность работы системы зависит её реальных технических параметров и условий использования. Эксплуатация радиаторов отопления в жилых домах зависит от:

• рабочего давления теплоносителя;
• химического состава вещества;
• средней температуры воды в системе;
• вероятность возникновения гидроударов.

Сроки эксплуатации алюминиевых батарей отопления

Степень устойчивости к негативным воздействиям, способным оказать влияние на долговечность батареи, определяется металлом, из которого изготовлен прибор. Так, эксплуатация алюминиевых радиаторов отопления рассчитана на период 20-25 лет со термином гарантийного обслуживания на протяжении 5 лет с момента фактической установки и включения в систему.

При этом стоит отметить, что столь длительный период работы обеспечивается исключительно при правильном уходе и соблюдении идеальных условий использования. Существует ряд факторов, которые могут свести долговечность батарей данного типа к нулю:

• Высокое рабочее давление;
• Низкая устойчивость к гидроударам;
• Подверженность коррозии из-за высокого уровня pH теплоносителя.

Сроки эксплуатации чугунных радиаторов отопления

Несмотря на заявленный термин службы до 35 лет, при соблюдении всех правил, эксплуатация чугунных батарей отопления может достигать более 50 лет. Объяснить это явление можно высокой устойчивостью чугуна к коррозийным процессам. Для квартир в Москве, подобный вариант является идеальным решением, обладая совокупностью достоинств и преимуществ в сравнении с оборудованием, изготовленным из иных разновидностей металлов.

Чугунные батареи отопления — характеристики современных батарей из чугуна

Немного истории

Появление чугунных радиаторов неразрывно связано с развитием системы парового отопления, позволившей перевести бытовые условия немалой части населения нашей страны на качественно новый уровень.

Идея изготовления прибора отопления из чугуна принадлежала Франц Карловичу Сан-Галли, владевшему небольшой литейной мастерской в Петербурге, расположенной на Лиговке. Именно он в 1857 году решил соединить вертикальными каналами две горизонтальные трубы, получив, так называемую «гармошку» из чугуна, ставшую прототипом современного чугунного радиатора отопления.

До этого паровое отопление применялось исключительно для обогрева теплиц и в жилых помещениях не использовалось. Причина простая: используемые для движения теплоносителя стальные трубы не имели достаточной прочности, быстро выходили из строя и могли дать течь в любой момент.

Другое дело чугунные радиаторы! Они обладали всеми эксплуатационными свойствами, необходимыми для успешной работы парового отопления:

• Радиаторы из чугуна не подвержены коррозии

• Они имеют большой запас прочности и способны выдержать нагрев до нескольких сот градусов, не говоря уже о температуре эксплуатации системы парового отопления, равной 130 С.

• Чугунные радиаторы имеют большую теплоемкость, что позволяет поддерживать тепло в доме на протяжении нескольких часов даже при выключенной системе отопления.

• Технология производства чугунных радиаторов отопления предельно проста, что позволило начинать их выпуск в любой чугунолитейной мастерской. В дальнейшем именно простота производства и близость к потребителю сделали чугунные радиаторы самыми распространенными отопительными приборами в нашей стране.

• Чугунные батареи в значительной мере выигрывали в цене по сравнению с применяемыми до этого стальными регистрами, что сделало водяную систему отопления более доступной и в немалой степени способствовало ее распространению.

• Чугун химически нейтрален и не вступает в реакции взаимодействия с веществами и примесями, присутствующими в составе воды, что позволяет использовать их с равным успехом, как в закрытых, так и в открытых системах отопления.

Остается добавить, что чугунные радиаторы проверены временем и с достоинством выдержали все испытания. В старых домах и сегодня можно встретить батареи из чугуна, установленные более ста лет назад и успешно работающие до сих пор.

Несколько слов о дизайне

В дореволюционной России существовала прекрасная традиция художественного литья, благодаря которой выпускались удивительно красивые предметы быта, сделанные из чугуна: столы, стулья, кровати, утюги и …радиаторы. Их окрашивали черной, серебряной или золотистой краской и устанавливали в помещении произвольным образом, так же, как и мебель.

В советские времена батареи художественного литья назвали «мещанским пережитком» и заменили некрасивыми, но недорогими «гармошками», определив им место под подоконником.

Неудивительно, что столь непритязательный дизайн отопительных приборов вызывал немало нареканий со стороны граждан, стремящихся при первой же возможности заменить чугунные радиаторы более привлекательными алюминиевыми радиаторами отопления.

В результате в начале этого столетия прочные и надежные чугунные батареи оказались забытыми, и могли бы и вовсе исчезнуть с рынка теплотехнического оборудования, если бы не дизайнеры, проявившие интерес к интерьеру в стиле «ретро» и вытащившие на свет позабытые радиаторы художественного литья.

Именно с этого времени начинается вторая жизнь чугунных радиаторов. Впрочем, в нашей стране немало граждан, не спешащих реагировать на капризы изменчивой моды и с успехом использующих для отопления своих квартир батареи, установленные несколько десятилетий назад. Сегодня они могут с гордостью заявлять, что в их домах «модные» чугунные приборы отопления.

Какие они, современные чугунные радиаторы отопления?

Современные чугунные радиаторы отопления изготавливают из серого пластичного чугуна, аналогичного металлу, используемому для производства посуды.

Они обладают рядом достоинств, характерных исключительно для этого вида приборов отопления:

• Высокая теплоемкость, и как следствие большая тепловая инерция

• Химическая нейтральность, благодаря чему радиаторы можно промывать, удаляя с внутренних стенок прибора накипь и другие ненужные отложения

• Устойчивость к воздействию высоких температур вплоть до 150 С, что позволяет использовать батареи из чугуна в современных системах парового отопления

• Устойчивость к давлению до 12 атм и возможным гидравлическим ударам

• Доступная стоимость (за исключением дизайн радиаторов)

• Большие внутренние просветы, обеспечивающие движение теплоносителя даже при наличии отложений на внутренних стенках прибора.

Конструктивные особенности

Чугунные радиаторы состоят из отдельных секций, соединенных между собой ниппелями. Номинальный тепловой поток отдельных секций, а также их форма и геометрические размеры у различных производителе могут быт разными.

Каждая секция состоит из двух горизонтальный коллекторов и вертикальных каналов, количество которых может быть различным ( в зависимости от марки прибора и его изготовителя) К примеру, встречаются приборы с одним, двумя и тремя вертикальными каналами.

Для обеспечения герметичности соединения отдельных секций между ними устанавливаются резиновые прокладки.

Поговорим о слабых сторонах….

Именно ниппельные соединения и резиновые прокладки между ними являются слабым местом чугунных радиаторов. Со временем резина «вырабатывается» и ее необходимо заменять.

Еще одним недостатком приборов отопления является высокая хрупкость чугуна, способного расколоться при падении или ударе, а также под воздействием замерзшего теплоносителя. По этой причине в загородном доме такие приборы отопления лучше не устанавливать: любое упущение может привести к тому, что воду «прихватит», и приборы отопления просто-напросто лопнут.

Не годятся батареи из чугуна и для систем отопления с автоматическим регулированием: их высокая инерция не позволяет своевременно менять температуру в помещении и поддерживать заданные климатические условия.

Но все перечисленные недостатки отступают на второй план перед красотой и изысканностью дизайн-радиаторов из чугуна, способных украсить любой, самый изысканный интерьер.

Вот только выбирать такие приборы отопления нужно особенно внимательно, отдавая предпочтение проверенным торговым маркам и избегая недорогих, но сомнительных вариантов!

Наглядный урок в ожидании ядерной угрозы в лесу

Когда в декабре три лесоруба путешествовали пешком по окраине бывшей советской республики Грузия, их привлекла пара объектов, лежащих в луже растаявшего снега. Мужчины затащили странно теплые вещи обратно в свой лагерь, чтобы защититься от морозной погоды.

По крайней мере, это история, собранная по кусочкам Международным агентством по атомной энергии в Вене, которое утверждает, что эти устройства являются высокорадиоактивными остатками бывшей советской системы связи.

Сейчас агентство пытается отправить команду в заснеженный лес, чтобы забрать предметы, которые вызывали у мужчин тошноту и, как считается, содержат стронций-90. В прошлом месяце плохая погода помешала восстановлению. Агентство рассчитывает повторить попытку в воскресенье.

Эксперты говорят, что стронций-90 не может вызвать ядерный взрыв, но террористы могут прикрепить его к обычным взрывчатым веществам для распространения радиоактивности. В последние годы контрабандисты пытались покупать радиоактивные материалы с бывших советских предприятий на черном рынке.

На самом деле, некоторые эксперты говорят, что Советы разместили сотни устройств на основе стронция-90 в своих бывших республиках, используя их в качестве батарей для радаров или ретрансляционных станций связи в отдаленных районах. Клей Мольтц, специалист по России из Монтерейского института международных исследований, сказал, что эти устройства также использовались для питания прибрежных маяков.

Материал — «очень опасный материал»

«Я бы сказал, что их сотни, но не сотни», — сказал Мольц. «Это вызывает беспокойство, и со стороны российских и постсоветских ядерных властей действительно безответственно не собрать их.Это опасно для населения и может быть использовано террористами для распространения паники ».

Джон Холдрен, физик, возглавляющий Программу Гарвардского университета по науке, технологиям и государственной политике, сказал, что стронций-90 «определенно очень опасен». Но он отметил, что промышленное и медицинское оборудование часто содержит еще более радиоактивные материалы, а также создает проблемы с утилизацией.

Лесорубы обнаружили радиоактивные предметы 2 декабря, сказала Мелисса Флеминг, пресс-секретарь агентства по атомной энергии. «Они совершили ошибку, приведя их к месту своего лагеря и использовав их в качестве источника тепла», — сказал Флеминг, — «лежа рядом с ними и подвергая себя очень большим дозам радиации».

Она сказала, что через несколько часов мужчины заболели и попали в больницу. Там врачи отправили их в больницу Тбилиси, столицы страны. Вскоре после этого грузинские официальные лица обратились за помощью в Международное атомное агентство, организацию Организации Объединенных Наций, занимающуюся безопасностью ядерных материалов.

Флеминг сказал, что канистры, высотой около 15 сантиметров и шириной 10 сантиметров, были оставлены обнаженными в отдаленном лесу примерно в 400 км к северо-западу от Тбилиси, недалеко от сепаратистского региона Абхазия.

Два сотрудника агентства из Бразилии и Великобритании обучают местную команду предпринять еще одну попытку вернуть канистры, возможно, в воскресенье, сказал Флеминг. Среди прочего, команда подготовила свинцовый контейнер для хранения опасного материала.

Новости о работе агентства впервые были опубликованы в западных СМИ в четверг в журнале Science.

Россия может не располагать соответствующими записями

По мнению Флеминга, атомное агентство считает, что канистры содержат стронций-90, поскольку их описание аналогично описанию других радиоактивных контейнеров, обнаруженных в этом регионе.

Скотт Пэрриш, исследователь из Монтерейского института, сказал, что грузинские власти просили Россию о более тесном сотрудничестве в поиске радиоактивных материалов советских времен. «Я не уверен, что русские вели достаточно хорошие записи, чтобы рассказать им все», — сказал он.

Пэрриш сказал, что видел сообщения российской прессы, в которых утверждалось, что устройства, обнаруженные лесорубами, использовались для питания оборудования связи в рамках ряда гидроэлектростанций.

Согласно отчетам, по его словам, эти люди разбили бетонную оболочку вокруг радиоактивного материала, а затем расплавили свинцовый защитный кожух, чтобы сделать пули для своих охотничьих ружей.

«Я бы не хотел преуменьшать это слишком сильно, — сказал Пэрриш, — но каждый год во всем мире происходит множество случаев пропажи или ненадлежащего захоронения подобных радиоактивных источников».Если не будет веских доказательств того, что какая-то террористическая группа преследует именно эти источники, я не уверен, что придаю особое значение какому-либо одному инциденту ».

Неправильно хранящиеся радиоактивные отходы оказались опасными для здоровья во многих частях мира.

*

Штатный писатель Times Грег Миллер внес свой вклад в этот отчет.

Температурный контроль аккумуляторов и электроники марсоходов и марсоходов с использованием петлевых тепловых трубок и технологий накопления тепла на материалах с фазовым переходом на JSTOR

Abstract

В этой статье описывается новая система терморегулирования для будущих марсоходов и марсоходов, предназначенная для поддержания температуры батареи в диапазоне температур от -10 ° C до +25 ° C.Чтобы поддерживать температуру батареи выше нижнего предела, система использует: 1) модуль аккумулирования тепла из материала с фазовым переходом (PCM) для хранения и выделения тепла и 2) петлевую тепловую трубку (LHP) для передачи тепла от комплекта радиоизотопного нагревателя. Единицы (RHU) к батарее. Чтобы поддерживать температуру батареи ниже верхнего предела, в LHP открывается терморегулирующий клапан, перенаправляя рабочую жидкость на внешний радиатор, где избыточное тепло сбрасывается в атмосферу. Модуль аккумулирования тепла PCM был разработан и изготовлен с использованием парафинового воска додекана (точка плавления — 9.6 ° C) в качестве материала с фазовым переходом. Миниатюрная тепловая трубка с аммиачным контуром с двумя конденсаторами и встроенным терморегулирующим клапаном была разработана и изготовлена ​​для использования с теплоаккумулятором PCM. В статье описаны результаты продолжающегося экспериментального моделирования тепловых характеристик марсохода «Марс ’03 / ’05» в марсианской среде. Испытания проводились для различных внутренних конфигураций устройств PCM и LHP в наихудших условиях горячей и холодной окружающей среды. По результатам этих испытаний будет завершена разработка теплового проекта марсохода Mars ’03 / ’05.Многие уроки уже были извлечены в ходе разработки и внедрения этих тепловых технологий для терморегулирования батареи марсохода. Здесь даются рекомендации по проектированию и эксплуатации петлевых тепловых трубок и систем хранения тепловой энергии из материалов с фазовым переходом для будущих космических полетов.

Информация для издателя

SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности.Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

Что на самом деле означает 100-градусный день в Сибири, за Полярным кругом

Из-за продолжительной жары, которая месяцами обжигала российскую Арктику, температура в Верхоянске, Россия — к северу от Полярного круга, — до 100.4 ° F, 20 июня, официальный первый день лета в Северном полушарии. Ученые говорят, что эта рекордно высокая температура является сигналом быстрого и непрерывного потепления на планете, а также предвидением того, как потепление в Арктике будет продолжаться во все более жарком будущем.

«В течение долгого времени мы говорили, что нас ждет еще больше экстремальных явлений, таких как сильная жара», — говорит Рут Моттрам, климатолог из Датского метеорологического института. «Это похоже на то, что прогнозы сбываются, и раньше, чем мы могли подумать.

Субботний рекорд был не просто резким скачком перед возвращением к более нормальным летним температурам для российской Арктики: ожидается, что волна тепла, стоящая за ним, продлится как минимум еще неделю. Это была самая высокая температура, когда-либо зарегистрированная в городе, где записи ведутся с 1885 года.

Арктический жаркий климат

Жаркие летние дни в Арктике не редкость. Побережье с умеренным океаном, как правило, немного прохладнее, но внутри страны летние температуры иногда резко повышаются.Форт Юкон, Аляска, зарегистрировал первый в истории день 100 ° F (37,7 ° C) к северу от Полярного круга в 1915 году; В Верхоянске в 1988 году температура достигла 99,1 ° F (37,3 ° C).

«В это время года, около летнего солнцестояния, вы получаете 24 часа солнечного света», — говорит Уолт Мейер, климатолог из National Snow and Ice Data. Центр. «Это много солнечной энергии. Так что в этих высокоширотных областях — 80 градусов, 90 градусов, это не редкость».

Но изменение климата «нагружает кости» в сторону экстремальных температур, подобных той, что была зафиксирована на этой неделе, — говорит он.Арктика нагревается более чем в два раза быстрее, чем остальная часть планеты: исходное тепло в высокогорных районах Арктики увеличилось на 2–3 ° C (3,6–5,4 ° F) за последние сто лет или около того. Около 0,75 ° C из них произошло только за последнее десятилетие. (Узнайте больше об изменении климата и о том, как люди вызывают его.)

Это означает, что любые тепловые волны, попадающие в регион, усиливаются дополнительным потеплением. Таким образом, средняя температура лета увеличивается, и крайности тоже.

Супер-жаркий день в этом месяце стал результатом сочетания мощных факторов.Во-первых, изменение климата подтолкнуло к повышению базовой температуры. Затем в Западной Сибири был один из самых жарких весенних сезонов, по словам климатологов из Европейской службы по изменению климата Copernicus. С декабря температура воздуха в регионе в среднем была почти на 11 ° F (6 ° C) выше средней, наблюдаемой в период с 1979 по 2019 год. Сильная жара также, вероятно, намного выше средней температуры, наблюдаемой на любом аналогичном шестимесячном отрезке, начиная с 1880 года. В мае температура воздуха была примерно на 18 ° F (10 ° C) выше «нормального» среднего майского значения 33.8 ° F (1 ° C) — то, что могло бы произойти только один раз в 100 000 лет, если бы антропогенное изменение климата не повлияло на водопроводную систему климатической системы.

«Это было действительно странно видеть», — говорит Ивана Цвиянович, климатолог из Барселонского суперкомпьютерного центра. «По всей Сибири действительно так долго было так жарко. Январь, затем февраль, затем март, затем апрель. Образец — он действительно выделяется ».

Теплая зима и горячий источник означали, что снег, покрывавший землю на большей части территории, таял примерно на месяц раньше, чем обычно.Ярко-белый снег играет решающую роль в сохранении прохлады в некоторых частях Арктики, отражая падающее солнце. Как только он ушел, грязь и растения с готовностью впитали тепло.

Затем погодные условия выровнялись. Над Западной Сибирью установилась большая система высокого давления, где она остановилась. Такие системы часто имеют ясное безоблачное небо — идеальное для того, чтобы солнечное тепло беспрепятственно светило прямо на горячую сибирскую землю.

«Воздух здесь как бы застрял; это как печь, стоящая над площадкой, просто чем дольше она там стоит, тем сильнее ее нагревает », — говорит Мейер.

В последние годы эффекты таких неподвижных волн тепла стали более очевидными в Арктике. В 2012 году 97 процентов поверхности ледникового щита Гренландии стало настолько теплым, что превратилось в слякоть. В 2016 году в Высокий Арктический Шпицберген, Норвегия, было так тепло, что часть зимы вместо снега шел дождь. Прошлым летом края ледникового покрова Гренландии испытали до трех дополнительных месяцев таяния погоды. На его поверхности образовывались прозрачные голубые лужи; паводки таяния хлынули с края континента , , и пожары вспыхнули на его редких ландшафтах после того, как волна жары стояла над островом в течение нескольких недель.

В настоящее время ведутся оживленные научные дискуссии о том, продолжаются ли такие волны тепла в высоких широтах дольше или они становятся более частыми, чем в прошлом, из-за изменения климата. Но мало кто спорит о том, что в будущем Арктику ждет гораздо более жаркая погода. Средние зимние температуры в Арктике уже превысили порог в 3,6 ° F (2 ° C), установленный в Парижском климатическом соглашении; прогнозы предполагают, что среднегодовая температура в регионе превысит это значение в течение десятилетий.

«К 2100 году, при сценарии экстремального потепления, мы ожидаем увидеть подобное событие каждый год», — говорит Роберт Роде, климатолог из Berkeley Earth.

Аналогичная картина наблюдается и на южном полюсе. В январе, когда это было летом, температура на Антарктическом полуострове достигла почти 18,3 ° C (65 ° F).

Полярное усиление и человеческие отпечатки пальцев

Полюса нагреваются быстрее, чем остальная часть Земли из-за явления, называемого «полярное усиление».«Морской лед, который раньше покрывал большую часть Северного Ледовитого океана, создавал яркую белую шапку на самых северных участках планеты. Подобно снегу, отражающему приходящую солнечную радиацию в Сибири, лед отражал солнечное тепло обратно в космос.

Но по мере того, как Земля нагрелась, в Северном Ледовитом океане стало меньше морского льда, и остались темные воды, поглощающие гораздо больше тепла. В этой теплой воде менее легко образуется морской лед, из-за чего вода поглощает еще больше солнечного тепла, и система переходит в самоукрепляющуюся петлю.

Трудно с уверенностью сказать, что та или иная отдельная волна тепла была хуже из-за изменения климата — и никто еще не сделал этого анализа для этого участка чрезмерного сибирского тепла. Но исследователи обнаружили следы антропогенного изменения климата по всей волне жары, которая вызвала чрезмерное таяние в Гренландии и по всей северной Европе прошлым летом. Июньская жара 2019 года, из-за которой температура во Франции поднялась выше 113 ° F (45 ° C), была как минимум в пять раз более вероятна из-за антропогенного воздействия.Ученые выяснили, что около 60 процентов чрезмерной жары в Арктике в 2016 году было вызвано антропогенными изменениями климата.

Пожары, разливы нефти

Жаркая погода в этом сезоне имеет свои последствия. Под землей большая часть российской Арктики покрыта вечной мерзлотой, богатыми углеродом торфяными почвами, покрытыми слоем льда, который обычно остается мерзлым большую часть или весь год. Но температура горячего воздуха дестабилизирует мерзлую землю и часто приводит к непоправимым изменениям.

(Прочтите о том, как таяние вечной мерзлоты может ускорить изменение климата — в очень плохом смысле).

В июне размороженная почва могла привести к обрушению резервуара для хранения дизельного топлива в Сибири, в результате чего 20 000 метрических тонн топлива вылилось в близлежащую реку. Недавнее исследование показывает, что это далеко не единичный риск: к ​​2050 году, по словам ученых, огромное количество объектов инфраструктуры в Арктике окажется под угрозой оттаивания земли под ними. Тысячи миль трубопроводов и дорог, зданий и резервуаров для хранения нефти, нефтяных полей и аэропортов и т. Д. — все это потенциально дестабилизировано из-за жаркой погоды, растопившей землю.

Пожары тлеют и в российской Арктике. По данным лесной службы России, перегретый источник иссушил и почву, и растительность, оставив их готовыми к пожару, и на начало июня более 12 миллионов акров были в огне.

«В Сибири много и много растительности и лесов, — говорит Майер. «И когда так долго так жарко, он высыхает и становится похож на трутницу

Наноматериал превращает излучение прямо в электричество

Фил Маккенна

Материалы, которые напрямую преобразуют излучение в электричество, могут создать новую эру космических кораблей и даже наземных транспортных средств, работающих на мощных ядерных батареях, говорят американские исследователи.

Электроэнергия обычно производится с использованием ядерной энергии путем нагрева пара для вращения турбин, вырабатывающих электричество.

Но, начиная с 1960-х годов, США и Советский Союз использовали термоэлектрические материалы, которые преобразуют тепло в электричество, для питания космических кораблей, используя ядерное деление или распадающийся радиоактивный материал. Миссии Pioneer были среди тех, кто использовал второй подход, «ядерную батарею».

Отказ от пара и турбин делает эти системы меньше и менее сложными.Но термоэлектрические материалы имеют очень низкий КПД. Американские исследователи заявляют, что они разработали высокоэффективные материалы, которые могут преобразовывать излучение, а не тепло ядерных материалов и реакций в электричество.

Реклама

Повышение мощности

Ливиу Попа-Симил, бывший инженер-ядерщик Лос-Аламосской национальной лаборатории и основатель частной научно-исследовательской компании LAVM, и Клаудиу Мунтеле из Алабамского университета A&M, США, говорят, что преобразование энергии радиоактивных частиц в электричество более эффективно.

По их расчетам, материалы, которые они тестируют, извлекают в 20 раз больше энергии от радиоактивного распада, чем термоэлектрические материалы.

Продолжаются испытания слоистых плиток из углеродных нанотрубок, заполненных золотом и окруженных гидридом лития. Радиоактивные частицы, которые врезаются в золото, выбрасывают ливень высокоэнергетических электронов. Они проходят через углеродные нанотрубки и переходят в гидрид лития, откуда переходят в электроды, позволяя течь току.

«Вы загружаете материал ядерной энергией и разряжаете электрический ток», — говорит Попа-Симил.

Космические зонды

Плитки лучше всего использовать для выработки электричества из радиоактивных материалов, говорит Попа-Симил, потому что они могут быть встроены непосредственно там, где излучение больше всего. Но они также могли получать энергию непосредственно от излучения реактора деления.

Устройства, основанные на этом материале, могут быть достаточно маленькими, чтобы питать все, от межпланетных зондов до самолетов и наземных транспортных средств, добавляет он.

«Я считаю, что эта работа является новаторской и может существенно повлиять на будущее ядерной энергетики», — говорит Дэвид Постон из Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Однако для совершенствования новых ядерных технологий требуются годы разработки, добавляет он.

Попа-Симил соглашается, говоря, что пройдет не менее десяти лет, прежде чем будут созданы окончательные проекты концепции преобразования излучения в электричество.

Доклад о новых материалах для ядерной энергетики был представлен 25 марта на весеннем собрании Общества исследования материалов в 2008 г., Сан-Франциско, Калифорния, США.

Подробнее по этим темам:

Термоэлектрический генератор

— обзор

Радиоизотопные системы

Радиоизотопные источники энергии используются в космосе с 1961 года.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы ( РИТЭГов ) были основным источником энергии для США. космические работы с 1961 года. Высокая теплота распада плутония-238 (0,56 Вт / г) позволяет использовать его в качестве источника электроэнергии в РИТЭГах космических аппаратов, спутников, навигационных маяков и т. д.Тепло от оксидного топлива преобразуется в электричество через статические термоэлектрические элементы (твердотельные термопары) без движущихся частей. РИТЭГи безопасны, надежны и не требуют обслуживания и могут обеспечивать тепло или электричество в течение десятилетий в очень суровых условиях, особенно там, где солнечная энергия нецелесообразна.

На данный момент 44 РИТЭГ используются в 24 американских космических аппаратах, включая космические аппараты «Аполлон», «Пионер», «Викинг», «Вояджер», «Галилео» и «Улисс», а также на многих гражданских и военных спутниках. Космический корабль «Кассини» несет три РИТЭГа мощностью 870 Вт на пути к Сатурну. Космический корабль «Вояджер», который отправлял снимки далеких планет, уже работает более 20 лет и, как ожидается, будет отправлять обратно сигналы, питаемые своими РИТЭГами, еще 15-25 лет. Посадочные аппараты Viking и Rover на Марсе зависели от источников питания RTG, как и марсоходы Mars Rover, которые будут запущены в 2009 году.

Последний RTG представляет собой 290-ваттную систему, известную как GPHS RTG , тепловой источник энергии для этой системы. является источником тепла общего назначения (GPHS).Каждый GPHS содержит четыре топливных таблетки Pu-238, покрытых иридием, имеет высоту 5 см, квадрат 10 см и вес 1,44 кг. Один РИТЭГ GPHS питает 18 блоков GPHS. Многоцелевой RTG (MMRTG) будет использовать 8 блоков GPHS мощностью 2 кВт, которые можно использовать для выработки 100 Вт электроэнергии.

Радиоизотопный генератор Стирлинга (SRG) основан на 55-ваттном электрическом преобразователе, питаемом от одного блока GPHS. Горячий конец преобразователя Стирлинга достигает 650 ° C, и нагретый гелий приводит в движение свободный поршень в линейном генераторе переменного тока, при этом тепло отводится на холодном конце двигателя.Затем переменный ток преобразуется в постоянный ток мощностью 55 Вт. Этот двигатель Стирлинга производит примерно в четыре раза больше электроэнергии из плутониевого топлива, чем РИТЭГ. Таким образом, каждый SRG будет использовать два преобразователя Стирлинга с тепловой мощностью около 500 Вт, обеспечиваемой двумя блоками GPHS, и будет выдавать 100–120 Вт электроэнергии. SRG прошел всесторонние испытания, но еще не летал в космос.

Россия также разработала РИТЭГи, использующие По-210, и два из них все еще находятся на орбите навигационных спутников Cosmos 1965 года.Но он сосредоточился на реакторах деления для космических энергетических систем.

Наряду с РИТЭГами, на спутниках и космических кораблях используются блоки радиоактивного нагревателя ( RHU, ), чтобы инструменты были достаточно теплыми для эффективного функционирования. Их выходная мощность составляет всего около одного ватта, и они в основном используют Pu-238 — обычно около 2,7 грамма. Размеры около 3 см в длину и 2,5 см в диаметре, вес 40 грамм. Примерно 240 из них уже использовались США, а два находятся в отключенных российских луноходах на Луне.Их будет восемь на каждом марсоходе США, запущенном в 2003 году.

И РИТЭГи, и РНУ спроектированы таким образом, чтобы выдерживать крупные аварии при запуске и возвращении в атмосферу, как и SRG.

ЕНИСЫ, советские годы — после NERVA

Здравствуйте и добро пожаловать обратно в Beyond NERVA! Сегодня мы собираемся вернуться к нашему обсуждению ядерных энергетических установок и взглянуть на программу, которая была уникальной в истории астрономической инженерии: проект реактора советской конструкции и конструкции, который был куплен и в основном прошел летную квалификацию. США для американской лунной базы.Это были «Енисы», известные на Западе как «Топаз-2», и программа «Топаз Интернэшнл».

Это будет серия из трех сообщений о системе: эта статья посвящена истории реактора в Советском Союзе, включая историю испытаний, которые, как мы увидим, сильно повлияли на окончательный проект реактора. Далее мы рассмотрим программу Topaz International, которая началась еще в 1980 году, когда Советский Союз все еще казался сильным. Наконец, мы рассмотрим два варианта использования реактора в Америке: в качестве реакторной системы на испытательном стенде для ядерного электрического испытательного спутника и в качестве источника питания для лунной базы с экипажем.Эта увлекательная система и связанные с ней программы определенно заслуживают глубокого погружения — так что давайте прямо сейчас!

Мы рассмотрели историю советской астрономической техники и обширную историю их миссий. Последние два из этих реакторов были реакторами Топаз (Тополь) на спутниках Плазма-А. В этих реакторах использовалась очень интересная система преобразования энергии: термоэлектронная система внутри активной зоны. Термоэлектронное преобразование энергии использует тот факт, что некоторые материалы при нагревании выбрасывают электроны, получая положительный статический заряд, поскольку все, что бы ни происходило при ударе электронов, приобретает отрицательный заряд.Поскольку материалы, необходимые для термоэлектронной системы, могут быть невероятно нейтронно устойчивы, их можно разместить внутри активной зоны самого реактора! Это концепция, которую я полюбил с тех пор, как впервые о ней услышал, и сегодня она остается такой же крутой, как и тогда.

Схема концепции многоэлементного термоэмиссионного тепловыделяющего элемента, Беннет, 1989 г.

В оригинальном реакторе Топаз использовалась концепция многоэлементного термоэмиссионного элемента, в котором тепловыделяющие элементы были уложены в отдельные элементы термоэлектронного преобразования, и некоторые из них были размещены встык, образуя длину активной зоны.Хотя это вполне приемлемый способ создания одной из этих систем, существует также неэффективность и сложности, связанные с таким большим количеством отдельных топливных элементов. Альтернативой может быть создание одиночного термоэлектронного элемента полной длины и использование одного или нескольких топливных стержней внутри термоэмиссионного элемента. Это — подождите — конструкция термоэлектронного элемента с одной ячейкой, и именно она была выбрана для реактора Enisy / Topaz-II (который в этом посте мы назовем Enisy, поскольку он посвящен советской истории реактора. ).Несмотря на то, что он был запущен в 1967 году и тщательно испытан в 70-х, он не прошел летную квалификацию до 80-х годов… а затем распался Советский Союз, и программа умерла.

После распада СССР США предприняли согласованные усилия, чтобы сохранить работу специалистов-инженеров и ученых из бывших советских республик (чтобы они не нашли работу для международных злоумышленников, таких как Северная Корея), и чтобы посмотреть, какие технологии были разработаны за «железным занавесом», которые могут быть куплены для использования в США. Отсюда и появился ракетный двигатель РД-180, который до сих пор используется ракетами United Launch Alliance Atlas. Другая часть этой программы, однако, была сосредоточена на обширном опыте, накопленном Советским Союзом в астрономических миссиях, и, в частности, на наиболее продвинутой — но пока еще не использованной — конструкции известного конструкторского бюро НПО Луч при Министерстве средней промышленности: реактор Enisy (получивший в США обозначение Topaz-II из-за того, что американские наблюдатели ранее не понимали его конструкцию).

Электроснабжение Enisy, изображение Минобороны

Enisy, в своей последней итерации, был разработан с расчетом на тепловую мощность 115 кВт (в начале срока службы) с требованиями к работе не менее 6 кВтэ на клеммах электрических розеток в течение как минимум трех лет. Дополнительные требования включали десятилетний срок хранения после постройки (без загрузки делящегося топлива, охлаждающей жидкости или других летучих веществ), максимальную массу 1061 кг и предотвращение критичности до выхода на орбиту (что было сложно с американской точки зрения, подробнее о что ниже).В качестве теплоносителя для реактора использовался NaK-78, обычный теплоноситель в большинстве реакторов, которые мы рассматривали до сих пор. Цезий хранился в резервуаре на «нижнем» (удаленном от космического корабля) конце корпуса реактора, чтобы обеспечить надлежащее парциальное давление между катодом и анодом тепловыделяющих элементов, которое со временем будет вытекать (около 0,5 г / день во время эксплуатации). Предполагалось, что это будет следующая модернизация советского астрономического флота, и, как таковая, определенно была ступенькой выше реактора Топаз-1.

Пожалуй, наиболее интересной частью конструкции является то, что она была разработана с расчетом на то, чтобы ее можно было испытать как полную систему без использования делящегося топлива в реакторе.Вместо этого в термоэмиссионные тепловыделяющие элементы могут быть вставлены электрические резистивные нагреватели для имитации процесса деления, что позволит провести гораздо более полное тестирование системы в полетной конфигурации перед запуском. Это проектное решение сильно повлияло на проектирование и процедуры испытаний АЭС в США и продолжает влиять на конструкции и сегодня (испытание теплового симулятора KRUSTY с индукционным нагревом является хорошим недавним примером этой концепции, даже если она была сильно модифицирована для другой геометрии реактора. ), однако использование в реакторе цилиндрических тепловыделяющих элементов значительно облегчило этот процесс.

Так как же выглядела «Эниси»? Со временем это изменилось, но мы рассмотрим основы конструкции силовой установки в ее последней советской итерации в этом посте, а изменения, внесенные американцами во время сотрудничества, — в следующем посте. Мы также посмотрим, почему дизайн так изменился.

Однако сначала нам нужно взглянуть на , как работает система , поскольку по сравнению с каждой системой, которую мы рассматривали подробно, физика, лежащая в основе системы преобразования энергии, довольно нова.

Термионика: как сохранить систему преобразования энергии в ядре

В этом блоге мы еще не много рассматривали системы преобразования энергии, но это хорошее место для обсуждения первого типа, поскольку он является неотъемлемой частью этого реактора. Если подробности того, как на самом деле работает система преобразования энергии, вас не интересуют, не стесняйтесь переходить к следующему разделу, но для многих людей, интересующихся астрономическим проектированием, эта система преобразования энергии обещает стать наиболее эффективным и надежным вариантом доступны для ядерных реакторов в космосе, предназначенных для производства электроэнергии.

Короче говоря, термоэлектронные реакции — это реакции, которые происходят, когда материал нагревается и выделяет заряженные частицы. Это то, что было известно с древних времен, хотя физический механизм был полностью неизвестен до открытия электрона. Название происходит от термина «термоионы» или «термические ионы». Одним из первых, кто описал этот эффект, использовал горячий анод в вакууме: современную лампочку накаливания: Томас Эдисон, который наблюдал, как статический заряд накапливается на стекле его лампочек, когда они были включены.Однако сегодня это понятие расширилось и теперь включает использование анодов, а также твердотельных систем и систем, в которых нет вакуума.

Эффективность этих систем зависит от разницы температур между анодом и катодом, работы выхода (или минимальной термодинамической работы, необходимой для удаления электрона из твердого тела в вакуум непосредственно за пределами твердой поверхности) используемого эмиттера и Больцмана. Константа (которая относится к средней кинетической энергии частиц в газе), а также ряд других факторов.В современных системах, однако, структура термоэмиссионного преобразователя, который не является полностью твердотельным, является довольно стандартной: горячий катод отделен от холодного анода с парами цезия между ними. Для ядерных систем анодом часто является вольфрам, катод, кажется, различается в зависимости от системы, а зазор между ними, называемый межэлектродным зазором, зависит от системы.

Цезий находится в интересном состоянии. На данный момент твердое тело, жидкость, газ и плазма знакомы практически всем, но другие состояния существуют при необычных обстоятельствах; возможно, наиболее известной является сверхкритическая жидкость, которая проявляет свойства как жидкости, так и газа (хотя это диапазон возможностей, причем некоторые из них обладают более жидкими свойствами, а некоторые — более газообразными).То, что нас беспокоит сегодня, — это то, что называется ридберговской материей, одна из наиболее экзотических форм материи, хотя ее наблюдали во многих местах по всей Вселенной. В своей простейшей форме ридберговское вещество можно рассматривать как небольшие кластеры взаимосвязанных молекул внутри газа (согласно Википедии, наибольшее количество атомов, наблюдаемых в лаборатории, составляет 91, хотя есть доказательства гораздо большего количества атомов в межзвездных газовых облаках). Эти сгустки в конечном итоге воздействуют на электронные облака этих атомов в кластерах, заставляя их вращаться вокруг ядер этих атомов, вызывая новое состояние с самой низкой энергией для всего кластера.Эти структуры не разлагаются быстрее при радиоактивной бомбардировке из-за ряда квантово-механических свойств, которые привлекли к ним внимание сотрудников Лос-Аламосской научной лаборатории в 1950-х годах, а вскоре и советских физиков-ядерщиков.

Звучит сложно, и это так, но ключевой момент заключается в следующем: поскольку сгустки действуют как единое целое в материи Ридберга, их способность передавать электричество усиливается по сравнению с другими газами. В частности, цезий кажется очень хорошим средством для создания ридберговской материи, а пары цезия, по-видимому, лучше всего подходят для зазора между катодом и анодом термоэмиссионного преобразователя.Плотность паров цезия варьируется и зависит от многих факторов, включая свойства материалов катода и анода, температуру катода, расстояние между электродами и ряд других факторов. Регулировка количества цезия в межэлектродном промежутке — это то, что должно происходить в любой системе термоэлектронного преобразования энергии; Фактически, в оригинальной версии Enisy была возможность изменять давление в межэлектродном зазоре (позже от этого отказались, когда было обнаружено, что оно является излишним для эффективной работы реактора).

Существует две разновидности систем этого типа: в ядре и вне ядра. Вариант вне активной зоны очень похож на системы преобразования энергии, которые мы видели (вкратце) в системах SNAP: теплоноситель из реактора проходит вокруг или через радиационный экран системы, нагревает анод, который затем испускает электроны в промежуток, собираемый катодом, а затем электричество проходит через блок преобразования энергии в электрическую систему космического корабля. Поскольку термоэлектронное преобразование теоретически более эффективно и на практике является более гибким в температурном диапазоне, чем термоэлектрическое преобразование, даже сохранение конфигурации взаимосвязи системы преобразования энергии с остальной частью электростанции дает некоторые преимущества.

Вариант внутри активной зоны, с другой стороны, оборачивает систему преобразования энергии непосредственно вокруг делящегося топлива в активной зоне, при этом электрическая мощность выводится из самой активной зоны через экран. Охлаждающая жидкость проходит через термоэмиссию снаружи, создавая температурный градиент для работы системы, а затем выходит из реактора. Хотя это увеличивает объем активной зоны (по общему признанию, не намного), это также устраняет необходимость в более сложном водопроводе для контура теплоносителя первого контура.Кроме того, это позволяет снизить тепловые потери от охлаждающей жидкости, которая перемещается на большее расстояние. Наконец, гораздо меньше шансов, что случайный метеорит ударит вашу систему преобразования энергии и вызовет проблемы — если термоэмиссионный топливный элемент поврежден посторонним предметом, у вас будут гораздо более серьезные проблемы с системой в целом, поскольку это означает что он повредил ваши системы управления и сосуд под давлением, что привело к повреждению блока преобразования энергии!

Система термоэлектронного преобразования энергии в сердечнике, первоначально предложенная США, рассматривалась как диковинка на их стороне железного занавеса.Были предложены некоторые конструкции, но ни один из них не был серьезно исследован до уровня, позволяющего стать серьезным соперником в борьбе за получение значительного финансирования, необходимого для разработки такой сложной системы, как астрономическая силовая установка деления, и низкой эффективности преобразования, доступной на практике. предотвращает его применение на наземных электростанциях, которые по сей день продолжают использовать паротурбинные генераторы.

Однако по ту сторону железного занавеса это рассматривалось как идеальное решение для системы преобразования энергии: единственные системы, необходимые для работы системы, могли быть твердотельными, без движущихся частей: нагреватели для испарения цезия. , и электромагнитные насосы для перемещения его через реактор.Повышенная радиационная стойкость и более гибкие рабочие температуры, а также большая эффективность преобразования — все это было более перспективным для советских разработчиков астрономических систем, чем термоэлектрический путь, по которому в конечном итоге пошли США. Первый советский реактор, спроектированный для использования в космосе, Ромашка, использовал систему термоэлектронного преобразования энергии, но проблемы, связанные с самой системой, вынудили конструкторское бюро Красной Звезды (которое отвечало за реакторы Ромаша, Бук и Тополь) изначально решили использовать термоэлектрические преобразователи в своей первой летной системе: BES-5 Bouk, который мы видели раньше.

Теперь, когда мы рассмотрели физику, лежащую в основе того, как вы можете разместить свою систему преобразования энергии в корпусе реактора вашей электростанции (и, насколько я смог определить, если вы хотите производить электричество сверх того, что нужен простой датчик, это единственный вариант, не заходя на что-то очень экзотическое), давайте посмотрим на сам реактор.

Енисы: Конструкция реактора ТОПАЗ-II

Enisy — это реактор, работающий на оксиде урана, замедлитель из гидрида циркония, натрий-калиевый эвтектический охлаждаемый реактор, в котором для преобразования энергии в активной зоне использовалась конструкция одноэлементного термоэмиссионного тепловыделяющего элемента.Многоячеечная версия использовалась в реакторе «Тополь», где каждая топливная таблетка была обернута в собственный термоэмиссионный преобразователь. Иногда это называют конфигурацией «фонарика», поскольку она немного похожа на батареи в большом фонарике, но это происходит за счет сложности, массы и повышенной неэффективности. Чтобы компенсировать это, с этой конфигурацией легче справиться со многими проблемами, особенно когда ваше топливо достигает более высокого процента выгорания и ваше топливо разбухает. Конечной целью были единичные термоэмиссионные тепловыделяющие элементы, реализованные в реакторе Ениси.Более сложная с точки зрения требований к материалам, большая простота, меньшая масса и большая эффективность системы обещали больше надежд.

Электростанция должна была обеспечивать 6 кВт электроэнергии на терминалах реактора (перед блоком преобразования мощности) при 27 вольт. Он должен был иметь срок эксплуатации три года и срок хранения, если он не использовался немедленно в миссии, по крайней мере, десять лет. Он также должен был иметь эксплуатационную надежность> 95% и ни при каких обстоятельствах не мог достичь критичности до выхода на орбиту, а охлаждающая жидкость не могла замерзнуть в любой момент во время работы.Наконец, все это пришлось сделать менее чем в 1061 кг (без учета системы автоматического управления).

TFE Full Length, изображение DOD

Тридцать семь тепловыделяющих элементов использовались в активной зоне, которая находилась в корпусе реактора из нержавеющей стали. Они содержали топливные таблетки из оксида урана с центральной полостью для газа деления около 22% диаметра топливных таблеток, чтобы предотвратить разбухание по мере накопления продуктов деления. Излучатели были изготовлены из молибдена, довольно часто используемого для внутренних приложений.Изоляторы из Al2O3 (сапфировые) использовались для электрической изоляции твэлов от остальной части активной зоны. Три из них будут использоваться для непосредственного питания цезиевого нагревателя и насоса, в то время как еще одно (неизвестное) количество питает насос охлаждающей жидкости NaK (я подозреваю, что это примерно столько же). Остальные будут выводить мощность непосредственно от элемента в блок кондиционирования энергии на дальней стороне электростанции.

Разрез ядра Enisy, изображение DOD

Девять контрольных барабанов, сделанных в основном из бериллия, но с нейтронным ядом вдоль одной части внешней поверхности (карбид бора / карбид кремния), окружали активную зону. Три из этих барабанов были предохранительными барабанами с двумя положениями: внутрь, где нейтронный яд был обращен к центру активной зоны, и снаружи, где бериллий действовал как отражатель нейтронов. Остальные барабаны можно поворачивать внутрь или наружу по мере необходимости для поддержания реактивности на соответствующем уровне в активной зоне. У них были приводы, установленные снаружи корпуса высокого давления для управления вращением барабанов, и были подключены к системе автоматического управления для обеспечения автономной стабильной работы реактора в рамках профиля миссии, который реактор должен был поддерживать.

Image DOD

Охлаждающая жидкость NaK будет обтекать топливные элементы, приводимые в действие электромагнитным насосом, а затем проходить через радиатор по кольцевому пути потока, непосредственно окружающему ТФЭ. Для подключения сердечника к радиатору использовались две входные и две выходные патрубки. Между радиатором и сердцевиной находился радиационный экран, сделанный из нержавеющей стали и гидрида лития (подробнее об этом, казалось бы, странном выборе, если мы посмотрим на историю испытаний).

Трубки охлаждающей жидкости были заделаны в замедлитель из гидрида циркония, который находился в кожухах из нержавеющей стали.

Наконец, резервуар с цезием находился на противоположном конце реактора от радиатора. Это было необходимо для правильного функционирования термоэмиссионных тепловыделяющих элементов и претерпело множество изменений на протяжении всей истории проектирования реактора, включая значительное расширение по мере увеличения требований к расчетному сроку службы.

После начала программы Topaz International в конструкцию реактора были внесены дополнительные — и весьма значительные — изменения, включая новую автоматизированную систему управления и систему защиты от критичности, которая фактически удаляла часть топлива из активной зоны до команд запуска. были отправлены, но это обсуждение в следующем посте.

Установка нагревателя TISA во время выставки Topaz International, фото НАСА

Самую крутую часть этой системы я оставил напоследок: TISA, или «Тепловые имитаторы ядер аппаратов» (аббревиатура от русского оригинала), нагреватели. Эти блоки были размещены в активной части термоэмиссионных тепловыделяющих элементов для имитации теплоты деления, возникающей в термоэмиссионных тепловыделяющих элементах, при этом остальные системы и подсистемы находились в летной конфигурации. Это привело к беспрецедентному уровню возможностей тестирования, но в то же время привело бы к паре проблем позже при тестировании, которые будут решаться по мере необходимости.

Каким образом эта конструкция оказалась такой? Чтобы понять это, нужно взглянуть на процесс разработки и испытаний советской конструкторской группы.

История дизайна Эниси

Реактор Enisy начался с разработки термоэмиссионного тепловыделяющего элемента Сухумским институтом в начале 1960-х годов, который имел два варианта: одноэлементный и многоэлементный. В 1967 году эти два варианта были разделены на две разные программы: «Тополь» (Топаз), который мы рассматривали в посте «Советская история астрономии», которым руководило КБ «Красная Звезда» в Москве, и «Енисы», который возглавлял ЦКП. КБ машиностроения в Ленинграде (ныне С.Петербург). Помимо головного бюро, отвечающего за общую программу и управление системой, ряд других организаций принимал участие в изготовлении и испытаниях реакторной системы: группа проектирования и моделирования состояла из: Курчатовский институт атомной энергии отвечал за ядерное проектирование и аналитика, научно-производственное объединение «Луч» отвечало за термоэмиссионные тепловыделяющие элементы, Сухумский институт продолжал заниматься проектированием систем автоматического управления реактором; за изготовление и испытания отвечали: Научно-исследовательский институт химического машиностроения для термовакуумных испытаний, Ядерный испытательный комплекс в Тураево НИИ приборостроения, Кразноярский конструктор космических аппаратов для механических испытаний и интеграции космических аппаратов, Лаборатория Прометей для разработки материалов (включая жидкий металл). разработка эвтектики для системы охлаждения и испытания материалов) и сварки, а производственное предприятие Enisy было расположено в Таллинне, Эстония (решение, которое вызовет головные боли в дальнейшем во время сотрудничества).

У Enisy изначально было три клиента (личности которых я не знаю, просто по крайней мере один был военным), и у каждого были разные требования к реактору. Первоначально он был разработан для работы на 6 кВтэ в течение одного года с вероятностью успеха> 95%, но требования клиентов значительно изменили обе эти характеристики. Например, одному заказчику потребовался срок службы системы в течение одного года с выходной мощностью 6 кВтэ, а другому потребовалось всего 5 кВтэ, но требовался срок службы в течение трех лет.Этот более длительный срок службы стал базовым требованием к системе, хотя требование 6 кВтэ и показатель успешности миссии> 95% остались неизменными. Это привело к многочисленным изменениям, особенно к цезиевому резервуару, необходимому для термоэлектронных преобразователей, а также к изоляторам, датчикам и другим ключевым компонентам самого реактора. Как вишенка на вершине, производство системы было перенесено из Москвы в Таллинн, Эстония, в результате чего новый набор технических специалистов должен был быть обучен особым требованиям системы, изменениям в документации и к падению Советского Союза. Утрата Союзом значительной программной документации, которая могла бы способствовать сотрудничеству России и США по системе.

Ядерный дизайн тоже изменился на протяжении всего срока службы. В 1974 г. произошло увеличение количества термоэмиссионных тепловыделяющих элементов (ТТЭ) с 31 до 37 в активной зоне реактора, увеличение высоты «активной» секции ТТЭ, хотя общая длина ТТЭ (и, следовательно, длина сердечника) изменена — информация, которую мне не удалось найти. Дополнительное пространство в TFE было добавлено, чтобы учесть большее разбухание топлива из-за накопления продуктов деления в топливных таблетках, а также были модифицированы сильфоны, используемые для обеспечения надлежащего соединения TFE с компонентами реактора. Блоки замедлителя в активной зоне, изготовленные из гидрида циркония, были модифицированы как минимум дважды, включая изменение материала, в котором находился замедлитель. Также потребовались производственные изменения корпуса реактора из нержавеющей стали, а также изменения конструкции гамма-защиты. для теневого щита. В целом реактор претерпел значительные изменения от первой испытанной модели до конца расчетного срока службы.

Другой областью, в которой значительно изменились требования, была системная интеграция.Первоначально предполагалось, что реактор будет запускаться в поднятом положении, но в 1979 году он был изменен на стартовую конфигурацию с отключенным реактором, что потребовало изменений в нескольких системах, что в итоге потребовало значительных усилий. Другим изменением требований интеграции запуска было увеличение уровней ускорения, необходимых во время динамического тестирования, почти в два раза, что приводило к сбоям в тестировании и, как следствие, переделкам многих структур, используемых в системе. Еще одна вещь, которая изменилась, — это стрела, на которой силовая установка смонтирована на космическом корабле — на протяжении всего срока службы системы с российской стороны использовались три различных конструкции, и, несомненно, еще две (по крайней мере) потребовались для интеграции американского космического корабля.

Пожалуй, наиболее измененной конструкцией стал контур охлаждающей жидкости из-за серьезных проблем во время испытаний и изготовления системы.

Конструкция, обусловленная (ожидаемой) ошибкой: программа испытаний СССР

Летная квалификация ядерных реакторов в СССР в то время сильно отличалась от того, как в США проводилась летная квалификация, что мы рассмотрим чуть позже в этом посте. Советский метод летной аттестации заключался в интенсивных испытаниях ряда испытательных стендов с использованием как ядерных, так и неядерных методов для подтверждения проектных параметров. Однако сами летные изделия не подвергались почти тому же уровню испытаний, что и американские системы, вместо этого они проходили относительно «базовую» (по данным американских источников) проверку качества перед любым теоретическим запуском.

В США обширное системное моделирование является рутинной частью ядерного проектирования любого рода, так же как и астронавтического проектирования. Сбои не являются неожиданными, но в то же время в идеале система должна быть изучена и смоделирована достаточно тщательно математически, чтобы было разумно предсказать, что система будет работать правильно в первый раз … и во второй … и так далее.Это требует не только большого количества квалифицированного интеллектуального и ручного труда, но и значительных вычислительных возможностей.

В Советском Союзе, однако, предпочтительным методом космонавтики и астрономии было создание, казалось бы, хорошо спроектированной системы, а затем ее испытания в ожидании отказа. Как только это произошло, причины отказа были проанализированы, проблема исправлена, а затем обновленная конструкция была протестирована снова… и снова, столько раз, сколько требовалось для разработки надежной системы.Отказ был буквально встроен в процесс разработки, и хотя исправлять возникшие проблемы могло быть неприятно, команда разработчиков знала, что способы отказа их системы были тщательно изучены, что привело к более надежному конечному результату.

Эта философия проектирования приводит к необходимости создания большого количества каждой системы. Каждый построенный реактор прошел пост-производственную экспертизу, чтобы определить качество изготовления в системе и, исходя из этого, надлежащее использование реактора.У этих систем было четыре префикса: SM, V, Ya и Eh. Каждая система в этом порядке могла делать все, что мог делать предыдущий реактор, в дополнение к превосходным возможностям по сравнению с предыдущим типом. Статьи SM, или статические макеты, никогда не создавались ни для чего, кроме механических испытаний, и, как таковые, были урезанными, «шаблонными» версиями системы. Следующим шагом были реакторы типа V, которые использовались для теплофизических (теплопередача, вибрационные испытания и т. Д.) Или механических испытаний, но их качество было недостаточным для ядерных испытаний.Реакторы Я были пригодны для использования и в ядерных испытаниях, а в крайнем случае можно было бы использовать в полете. Реакторы Eh были наивысшего качества и были обозначены как потенциальные летные системы.

Помимо этого обозначения, было четыре различных поколения реакторов: первое поколение было от В-11 до Я-22. В этой активной зоне использовался 31 термоэмиссионный тепловыделяющий элемент с расчетным сроком службы один год. Они предназначались для запуска в вертикальном положении и имели легкий радиационный экран.У следующего поколения от В-15 до Я-26 срок эксплуатации увеличен до полутора лет.

Третье поколение V-71 до Eh-42 претерпело ряд изменений. Количество TFE было увеличено с 31 до 37, в основном, чтобы учесть еще одно увеличение расчетного срока службы до более чем 3 лет. Эмиттеры на ТФЭ были заменены на эмиттеры монокристаллического Мо, а в более поздних эмиттерах к Мо был добавлен Nb (подробнее об этом ниже). Уровень тепловой мощности наземных испытаний был снижен для устранения теплового повреждения нагревательных блоков во время предыдущих неядерных испытаний.Это также произошло, когда конфигурация запуска была изменена с вертикальной на перевернутую, что потребовало изменений в тепловом экране для предотвращения замерзания, интегральной стреле и монтажных кронштейнах радиатора. Последние два из этого поколения, Eh-41 и Eh-42, имели более тяжелую радиационную защиту, а остальные использовали более раннюю, более легкую защиту от гамма-излучения.

Последнее поколение, от Ya-21u до Eh-44, имело самый длительный срок службы активной зоны — три года при выходной мощности 5,5 кВт. К ним относятся все другие изменения, указанные выше, а также множество мелких изменений корпуса реактора, монтажных кронштейнов и других механических компонентов. Большинство из этих систем в конечном итоге стали модулями Ya или Eh из-за уроков, извлеченных в предыдущих трех поколениях, и все устройства, которые позже будут закуплены США в качестве летных единиц, принадлежат этому последнему поколению.

Всего к 1992 году, когда США стали участвовать в программе, было построено 29 изделий. По состоянию на 1992 год два блока не были завершены, а один так и не был собран в завершенную конфигурацию.

Шестнадцать из 21 блока были испытаны в период с 1970 по 1989 год, что дало обширный экспериментальный отчет о типе реактора.Из этих испытаний тринадцать прошли тепловые, механические и интеграционные неядерные испытания. Ядерные испытания на Байкальском ядерном объекте проводились шесть раз. По состоянию на 1992 год имелось два построенных, но непроверенных летных агрегата: E-43 и E-44, причем E-45 все еще строился.

Тестовый стенд 06/21/72 850 н / д 9038 № 12500 / 01/81 8300 ? н / д

Название устройства	Поколение	Серийный номер	Срок службы сердечника	Кол-во TFE	TFE Generation	Запуск конфигурации	Место производства	Тип испытания	Конец испытания	Продолжительность тестирования	Системные примечания
SM-0	0	Статическая модель 1	н / д		н / д	Вертикальный	CDBMB	Статический		01/01/76 76		Оригинальный макет с тремя основными несущими системами.
SM-1	0	Статическая модель 2	н / д		н / д	Инвертированный	CDBMB	Статический	Красноярск		01/01/1 84		Модель статического испытания инвертированной конфигурации запуска.
SM-2	0	Статическая модель 3	н / д		н / д	Инвертированный	CDBMB	Статический	Красноярск		01/01/1 84		Модель статического испытания инвертированной конфигурации запуска.
V-11	1	Прототип 1	1		1	Вертикальный	CDBMB	Электрообогрев	Байкал	23.07.61 02/08	Разработка методов и операций тестирования системы. Неполный комплект ТФЭ
V-12	1	Прототип 2	1	31	1	Вертикальный	CDBMB	Электрические	Baikal	06/21/72	Разработка технологии предпусковых операций и испытаний системы
V-13	1	Прототип 3	1	31	1	Вертикальный	Talinn	Механический	Байкал 05 Механический	08.01.62	?	Транспортные, динамические, ударные, холоднотемпературные испытания.Надежность при замораживании и нагреве.
Я (?) — 20	1	Образец 1	1	31	1	Вертикальный	Таллинн	Атомный	Ромашка		10/01 74	2500	Тестирование нулевой мощности. Физические характеристики нейтронов, характеристика поля излучения. Разработка методов ядерных испытаний.
Я-21	1	Образец 2	1	31	1	Вертикальный	Talinn	Атомный	Байкал, Ромашка	?	?	?	Ядерные методы испытаний и стендовые испытания.Предстартовые операции. Нейтронные характеристики
Ya-22	1	Образец 3	1	31	1	Вертикальный	Talinn	нет	нет			Безразборный, предназначалась для работы с конструкторской документацией Я-21
Я-23	2	Серийный 3	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Атомная	Ромашка	03/106/75	03/10675	03/106/75	5000	Пересмотр и развитие ядерных испытаний, включая загрузку топлива, радиационную и ядерную безопасность. Изучены нестабильные ядерные условия и свойства материалов из нержавеющей стали, разборка и осмотр. Потери водорода в LiH-замедлителе при испытании.
Eh-31	2	Серийный 4	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Атомный	Ромашка	01.02.18	4600	Ядерные наземные испытания. Пуск в эксплуатацию, установившееся состояние СКУД, послеоперационная разборка и осмотр.Срок службы TFE ограничен ~ 2 месяцами из-за набухания топлива
Я-24	2	Серийный 5	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Ядерный	Tureavo	12/01/6	14000	Ядерные испытания в устойчивом состоянии. Значительное сокращение ТФЭ после облучения.
V-16	2	Серийный 2	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Механический, электрический	Механический	08/01/79	08/01/79 / 79	2300	Транспортировка, вибрация, удары.Пост-механические испытания на работоспособность электрооборудования.
V-15	2	Последовательный 1	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Холодная температура	Байкал, Тестирование холодной температуры 6	?	Эксплуатация и проверка работоспособности при замораживании и нагреве.
(??) — 35	2	Серийный 8	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn	Подготовка испытательного стенда	Baikal	?	?	?	Второй этап изготовления не завершен.Используется для некоторых экспериментов с испытательным стендом Байкал. Разобрал в Сосновиворде.	н / д	TFE требует перепроектирования, тестирование системы не проводилось. Установлен в Тураево как макет. Используется для установления процедур транспортировки и погрузочно-разгрузочных работ
V (?) — 25	2	Последовательный 7	1-1.5	31	2	Вертикальный	Talinn	Интегрированный космический аппарат	Красноярск	н / д	н / д	?	Система не завершена. Использовался как макет космического корабля, физических испытаний не проходил.
V (?) — 26	2	Серийный 9	1-1,5	31	2	Вертикальный	Talinn, CDBMB	нет	нет	н / д	н / д	Реконструкция на CDBMB.ТФЭ сгорел и повредился во время второго обтекания. Паз между TISA и эмиттером
Eh-42	3	Последовательный 18	1,5	37	3	Перевернутый	Talinn	нет	нет		нет		Критическое повреждение компонента при сварке ткани. Единица никогда не использовалась.
Я-81	3	Серийный 11	1,5	37	3	Перевернутый	Талинн	Ядерный	Ромашка	09/01/80	09/01/80	Ядерные наземные испытания, установившийся режим работы.Утечки обнаружены в двух охлаждающих трубах через 120 часов после начала испытания; утечки закрыты, и испытание продолжено. Разборка и осмотр.
V-71	3	Последовательный 10	1,5	37	3	Вертикальный, перевернутый	Talinn	Механический, электрический, Интеграция с космическим кораблем	Baikal 01, Красноярс	01. 01.87	1300	Переоборудована из вертикальной в перевернутую конфигурацию запуска, значительно изменена интеграция космического корабля.Первый, кто использовал конфигурацию ядра 37 TFE. Транспортные испытания (железнодорожные вибрации и удары), холодные испытания. Электрические испытания пост-механические. Испытания нулевой мощности в Красноярске.
Ya-82	3	Серийный 12	1,5	37	3	Инвертированный	Talinn	Ядерный	Tureavo	09/01/638	09/01/638	Ядерные наземные испытания, запуск с использованием ACS, установившийся режим.Первоначальная утечка в насосе EM привела к большой утечке позже при испытании. Испытание закончилось аварией с потерей теплоносителя. Реактор разобран и осмотрен после испытания для определения причины утечки.
Eh-38	3	Серийный 14	1,5	37	3	Инвертированный	Talinn	Ядерный	Ромашка	02/8638 9038	02/8638 9038	02/01/86 9038 4700	Ядерные наземные испытания, предпусковое моделирование. Запуск и эксплуатация СКУД.Тест устойчивого состояния. Послеоперационная разборка и осмотр.
Eh-41	3	Последовательный 17	1,5	37	3	Инвертированный	Talinn	Механический, Герметичный	Байкал, Механический		01/07	?	Начал жизнь как Eh (?) — 39, обозначение после модернизации. Транспортные (железнодорожные) динамические и ударные испытания. Проверка на герметичность проводится после механических испытаний.Первое использование увеличенной массы щита.
Eh-40	3	Последовательный 16	1,5	37	3	Инвертированный	Talinn	Температура холода, поток охлаждающей жидкости	?	03. 01.88	31.12.88	?	Испытания при низких температурах. Никаких электрических испытаний. Заполнен NaK на втором этапе изготовления.
Eh (?) — 37	3	Серийный 13	1.5	37	3	Перевернутый	Talinn	Статический	?	?	?	?	Качество недостаточное для полета (несмотря на обозначение Eh «полет»). Проведены статические и торсионные испытания.
(??) — 39	3	Серийный 15	1,5	37	3	Перевернутый	Talinn	специальный	специальный	специальный	специальный	специальный	специальный	специальный в Эстонии, с некоторыми измененными компонентами.После изменений название системы изменилось на Eh-41, а серийный номер — на 17. Значительные изменения реактора.
Я-21у	4	Серийный 19	3	37	4	Инвертированный	Talinn	Электрический	Байкал	12.01.67	Первый реактор Gen 4 с модифицированными ТФЭ. Проведены электрические испытания TFE. Испытана новая изоляция торцевых заглушек на ТФЭ.
Eh (?) — 45	4	Последовательный 22	3	37	4	Инвертированный	Talinn	нет	нет			нет a	н / д	Частично изготовленный блок с отсутствующими компонентами.
Eh-43	4	Последовательный 20	3	37	4	Инвертированный	Talinn	н / д	30.06.88 (? Неясно, какое тестирование	) н / д	н / д	н / д	Полетная часть.Первый этап производства в Таллинне завершен, второй не завершен по состоянию на 1994 год
Eh-44	4	Последовательный 21	3	37	4	Инвертированный	Talinn	нет	нет			Летная часть. Первый этап производства в Таллинне завершен, второй не завершен по состоянию на 1994 год

Не так много подробностей известно о тестировании этих систем, но у нас есть некоторая информация о тестах, которые привели к значительным изменениям конструкции.Эти изменения лучше всего разбивать по подсистемам электростанции, потому что, несмотря на значительное взаимодействие между этими различными подсистемами, их функциональные возможности могут довольно легко измениться незначительными способами, не затрагивая станцию ​​в целом. К этим системам относятся: термоэмиссионные тепловыделяющие элементы, замедлитель, сосуд высокого давления, экран, контур охлаждающей жидкости (который включает трубопровод радиатора), покрытия радиатора, пусковая конфигурация, цезиевый блок и система автоматического управления (включая датчики системы и приводов барабанов).Хотя кажется, что нужно охватить множество систем, многие из них имеют очень мало информации об истории своего дизайна, которую можно передать, поэтому это не так пугающе, как кажется на первый взгляд.

Термоэмиссионные тепловыделяющие элементы

Неудивительно, что термоэмиссионные тепловыделяющие элементы (ТЭЭ) претерпевали значительные изменения на протяжении всей программы испытаний. Одной из больших проблем было короткое замыкание в межэлектродном зазоре из-за набухания топлива, хотя возникали и другие проблемы, вызывающие короткое замыкание.

Возможно, самым большим изменением стало изменение с 31 до 37 TFE в активной зоне, одно из основных изменений, направленных на минимизацию разбухания топлива. Длина активной жилы (на которой находились таблетки) была увеличена до 40 мм (с 335 до 375 мм), межэлектродный зазор увеличен на 0,05 мм (с 0,45 до 0,5 мм). Кроме того, отверстие в центре топливного элемента было увеличено в диаметре, чтобы обеспечить большее внутреннее набухание, уменьшив механическое напряжение на эмиттере.

Способ крепления сильфона для теплового расширения был изменен (температура снизилась на 10 К) для предотвращения кристаллизации палладиевой пайки и повышения термоциклирования сильфона после отказов на системе Я-24 (1977-1981 гг. ).

Возможно, самое большое изменение коснулось материалов, используемых в TFE. Излучатель изначально представлял собой поликристаллический молибден в первых двух поколениях реакторов, но границы зерен между кристаллами Мо со временем вызывали хрупкость. Из-за этого они разработали возможность использовать монокристаллический Мо, который улучшил производительность в первых реакторах третьего поколения — но этого недостаточно. В окончательной версии, представленной в более поздних системах 3-го поколения ^{-го и 4-го поколений} , Мо был легирован 3% ниобием, что позволило создать лучший доступный материал для эмиттера.

Во время разработки термоэмиссионных тепловыделяющих элементов было много других изменений, включая добавление покрытий на некоторые материалы для обеспечения коррозионной стойкости, изменения типа электрической изоляции и другие, но они были наиболее значительными с точки зрения функциональности ТФЭ. и их влияние на общий дизайн системы.

ZrH Модератор

Замедлитель нейтронов из гидрида циркония был размещен вокруг активной зоны.При испытаниях несколько раз наблюдались сбои, в том числе испытание Я-23, которое привело к потере водорода в активной зоне и безвозвратной остановке этого реактора. Проблемы с избыточной мощностью в сочетании с потерей теплоносителя также привели к отказу замедлителя в Я-82, но в этом случае улучшенные водородные барьеры, используемые в «банках» из нержавеющей стали, содержащих ZrH, предотвратили аварию с потерей водорода, несмотря на разрыв ZrH вверх (отказ произошел из-за более тонкого распределения ZrH по реактору, а не из-за потери H из-за повреждения ZrH).

Этот процесс разработки был одним из наименее хорошо задокументированных направлений советской программы.

Корпус реактора

Опять же, разработка этой подсистемы плохо документирована. Однако самым большим изменением, похоже, является изменение способа нанесения тройного покрытия (хрома, затем никеля, затем эмали) на нержавеющую сталь корпуса реактора. Это произошло из-за выхода из строя блока Я-23, который вышел из строя на стыке трубы с концом трубы на одном из ТФЭ.Трещина заделалась самоуплотнением, но для будущих устройств покрытия не доходили до сварного шва, а горячий CO2, используемый в качестве покровного газа, позволял обугливать сталь, чтобы предотвратить усталостное растрескивание.

Защитный экран

LiH-компонент радиационной защиты (для защиты от нейтронов), похоже, не сильно изменился за время разработки реактора. LiH находился в кожухе из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, отполированном на концах для обеспечения отражательной способности и покрытом черным покрытием на внешней стороне.

Однако конструкция кожуха из нержавеющей стали была изменена в начале 1980-х, чтобы соответствовать более жестким дозам гамма-излучения полезной нагрузки. Вместо того, чтобы добавлять новый материал, такой как вольфрам или обедненный уран, как это обычно бывает, конструкторы решили просто утолщить реактор и стороны космического корабля LiH-банки до 65 мм и 60 мм соответственно. Хотя это было определенно менее эффективно по массе, чем использование W или U, изменение производства было довольно тривиальным для нержавеющей стали, и это считалось наиболее эффективным способом обеспечить требуемые скорости магнитного потока с минимальными инженерными проблемами.

Первым, кто использовал это, был E-41, изготовленный в 1985 году, который также был первым устройством, испытанным в конфигурации перевернутого полета. Более тяжелый экран в сочетании с новым положением привел к выходу из строя одного из кронштейнов экрана к реактору, а также зажимов для крепления трубопровода радиатора. Эти компоненты были изменены, и в остальной части программы испытаний никаких проблем со щитом не возникло.

Контур охлаждающей жидкости

Контур охлаждающей жидкости NaK был самым большим источником головной боли из-за разработки Enisy. Краткий список сбоев и действий, предпринятых для их устранения, находится здесь:

.

V-11 (июль 1971 г. — февраль 1972 г.): сварной шов на стыке труб радиатора и коллектора разрушился во время теплофизических испытаний. Двойной сварной шов был заменен на тройной, чтобы исправить режим разрушения.

Я-21 (1971 г.): В этом реакторе вроде бы все, пошло не так. Другая утечка на той же границе раздела труба-коллектор привела к привариванию небольшой гильзы для ремонта трещины.Это исправление, похоже, решило проблему сбоев в этом месте.

Я-23 (март 1975 г. — июнь 1976 г.): утечка теплоносителя между трубкой теплоносителя и полостью замедлителя. Как смена покрытия, так и ограничения нарастания мощности устранили проблемы.

V-71 (январь 1981-1994?): Утечка NaK в трубке радиатора после 290 часов испытаний. Подключил, тестирование продолжилось. Новая утечка произошла через 210 часов испытаний, радиатор обследовали под рентгеновским излучением. Две дополнительные плохо изготовленные трубы заменены на конструкционные опоры.Один из испытательных реакторов отправлен в США компанией Topaz International.

Я-81 (сентябрь 1980 г. — январь 1983 г.): две утечки из радиаторных труб через 180 часов после начала ядерных испытаний (без доядерных теплофизических испытаний блока). Трубопроводы были признаны более низкого качества после смены производителей. После ремонта установка проработала 12 500 часов на атомной электростанции.

Я-82 (сентябрь 1983 г. — ноябрь 1984 г.): медленная утечка привела к отказу и колебаниям насоса охлаждающей жидкости, затем произошло разделение одной из шести впускных линий насоса.Причиной этого отказа было два дополнительных фактора: квадратные поверхности были спрессованы в форму из квадратных труб, что может вызвать микротрещины под напряжением на углах, и, во-вторых, впускной насос был вынужден встать на место, что привело к растрескиванию под напряжением в стыке. Этот отказ привел к перегреву реактора из-за потери теплоносителя и к выходу из строя блоков замедлителя из ZrH. Это привело к усилению производственного контроля над насосным агрегатом, и в оставшейся части испытаний не было отмечено никаких дальнейших серьезных отказов насоса.

Eh-38 (февраль 1986 г. — август 1986 г.): Этот сбой является источником некоторых дискуссий среди российских специалистов. Некоторые считают, что это была медленная утечка, которая началась вскоре после запуска, в то время как другие полагают, что это была более крупная утечка, которая началась в какой-то момент к концу 4700-часового ядерного испытания. Точное место утечки так и не было установлено, однако известно, что она находилась в верхнем коллекторе радиаторного узла.

Я-21у (декабрь 1987 г. — декабрь 1989 г.): едкое коррозионное растрескивание под напряжением произошло примерно через полтора месяца после проведения теплофизических испытаний в узле нижнего коллектора, вероятно, из-за роста дефекта покрытия во время термоциклирования.Это означает, что внутри самого коллектора существовали подповерхностные остаточные напряжения. Из-за более высокого, чем обычно (по стандартам США) содержания углерода в нержавеющей стали (в спецификации допускалось содержание углерода 0,08-0,12%, а не менее 0,8% в стандарте US SS-321), сталь был менее пластичным, чем был идеален, что могло быть причиной роста дефекта. Кроме того, повышенный уровень кислорода в охлаждающей жидкости NaK также мог усугубить проблему. Комбинация обеспечения термической обработки после формования, а также обеспечение более бедной кислородом окружающей среды были важны для снижения шансов повторения этого отказа.

Радиатор
Схема радиатора пером и тушью, изображение DOD

Единственные известные данные о разработке радиатора были получены во время испытаний Я-23, когда покрытие радиатора изменило ядерные свойства системы при повышенной температуре (как неизвестно). Это было изменено на что-то, что меньше подвержено влиянию радиационной среды. Окончательная конфигурация радиатора представляла собой подложку из хрома и полимера с излучательной способностью 0,85 в начале срока службы.

Стартовая конфигурация

Как мы видели, ориентация, в которой должен был запускаться реактор, была изменена с вертикальной на перевернутую, при этом стрела, соединяющая реактор с космическим кораблем, находилась рядом внутри обтекателя полезной нагрузки. Это потребовало изменения конструкции тепловой крышки, используемой для предотвращения замерзания NaK, и модификации после испытания V-13, когда было обнаружено, что она не может предотвратить замерзание охлаждающей жидкости. Новое покрытие было проверено на испытаниях V-15 и после этого практически не изменилось.

Некоторые несущие кронштейны также требовали замены или усиления, а также зажимов, используемых для крепления труб радиатора к конструктивным элементам радиатора.

Блок подачи цезия

Для правильной работы TFE было критически важно, чтобы давление паров Cs находилось в правильном диапазоне давлений относительно температуры активной зоны реактора. Эта система была разработана на основе первых физических принципов, что привело к новой конструкции, в которой для работы использовались градиенты температуры и давления.Первоначально дроссельная заслонка, но во время ядерных испытаний Я-24 возникли проблемы с этой функцией. Это изменилось, когда было обнаружено, что существует идеальная настройка давления для всех уровней мощности, поэтому давление подачи было фиксированным. К сожалению, на испытании Я-81 дроссельная заслонка была установлена ​​слишком высоко, что привело к необходимости охлаждать Cs, когда он возвращался в резервуар.

Дополнительные проблемы были обнаружены в подсистеме запуска (одноразовый пробойный клапан), используемой для выпуска инертного газа He из межэлектродного промежутка (он использовался во время запуска и перед запуском для предотвращения сжижения или замерзания Cs в системе), так как а также для уравновешивания давления Cs, выбрасывая его в космос со скоростью около 0. 4 г / сут. Испытания Я-23 показали, что датчик не регистрирует выброс He, что привело к модернизированной пружине клапана.

Наконец, продление срока службы миссии в период 1985/86 годов утроило требуемый срок службы системы, что потребовало гораздо большего резервуара Cs для учета выброса Cs. Это увеличилось с 0,455 г до 1 кг. Они были испытаны на Я-21у и Э-44, несмотря на возражения одного (военного) заказчика из-за недостаточного тестирования модернизированной системы. Эта система позже будет протестирована и признана приемлемой в рамках программы Topaz International.

Система автоматического управления

Система автоматического управления, или САУ, использовалась для автоматического запуска и автономного управления мощностью реактора и претерпела более значительные изменения, чем любая другая система, за исключением, возможно, термоэмиссионных тепловыделяющих элементов. Первая САУ, получившая название САУ-35, использовалась для наземных испытаний Я-23, за ней последовала САУ-105 для испытаний Эх-31 и Я-24. Проблемы возникли, однако, потому что эти системы были изготовлены Институтом приборостроения Министерства авиационного строительства, а программа Enisy находилась в ведении Министерства по атомной энергии, и бюрократические проблемы подняли голову.

Это привело к тому, что программа Enisy обратилась к Сухумскому институту (который, если вы помните, был институтом, который запустил и программы Topol, и Enisy в 1960-х годах до того, как управление было передано в другое место) для следующего поколения ACS. Во время этого перехода произошло наземное ядерное испытание Я-81, но из-за бюрократических пререканий, смены производителя и сертификационных испытаний САУ не было доступного устройства для испытаний. Это привело к тому, что реактор Я-81 стал управляться с наземной станции.На испытаниях Я-82 впервые был использован опытный образец САУ сухумского производства, на котором было успешно выполнено девять пусков.

Авария с потерей охлаждения потенциально привела к последнему значительному изменению ACS для испытания Eh-38: установлению верхнего предела температуры. После этого зона нечувствительности была увеличена, чтобы обеспечить больший дрейф мощности в реакторе (уменьшение необходимого движения управляющего барабана), а также некоторые незначительные модификации, изменяющие прокладку проводов для обеспечения правильных показаний датчика термопары, были заключительными значительными изменениями перед Topaz International. началось.

Датчики

Датчики на Enisy, кажется, регулярно вызывали проблемы, но вместо того, чтобы их заменить, их либо сняли, либо оставили в качестве измерительных датчиков, а не датчиков управления. К ним относятся датчики объемного аккумулятора на сильфоне из нержавеющей стали для термоэмиссионных тепловыделяющих элементов (которые были сняты) и набор датчиков, используемых для контроля за газом He в газовом зазоре ТФЭ (для накопления продуктов деления), объемный аккумулятор (который также содержал Ar) и радиационную защиту.Этот второй набор датчиков оставался на месте, но он мог измерять только абсолютные изменения, а не точные измерения, поэтому не был полезен для ACS.

Блок управления приводом

Блок управления приводом отвечал за расположение управляющих барабанов как при запуске, так и в течение всего срока службы реактора, чтобы поддерживать соответствующие уровни реактивности и мощности. Как и в программе SNAP, эти приводные системы были источником инженерной головной боли.

Возможно, наиболее часто повторяющейся проблемой в середине 1970-х годов был отказ датчика положения для системы привода, который использовался для отслеживания положения вращения барабана относительно сердечника. Это не удалось на Я-20, Я-21 и Я-23, после чего его заменили датчиком новой конструкции, и о проблеме больше не сообщалось. Испытание Я-81 показало потерю газообразного аргона, используемого в качестве начальной смазки в системе привода, а затем заклинивание подшипника, к которому подключена система привода, что привело к его замене смазкой на основе графита.

Однако новости были не так уж и плохи. Испытание Eh-40 продемонстрировало лучший контроль положения барабана, например, за счет уменьшения люфта в кинематической цепи, а усовершенствования используемых материалов и покрытий устранили проблемы отслоения покрытия, улучшив устойчивость системы к термоциклированию и вибрационным нагрузкам, а также радиатор. проблемы с покрытием.

Привод Eh-44 был заменен по рекомендации одного из российских заказчиков из-за отсутствия обязательных испытаний усовершенствованной приводной системы.Эта система оставалась установленной во время Topaz International, и мы рассмотрим это в следующем сообщении в блоге.

Новый клиент выходит на рынок

Во время этих испытаний к американской компании (имя которой не упоминается) обратились с предложением о возможной покупке почти полностью укомплектованных реакторов Эниси: единственное, что Советы не продали бы, это само делящееся топливо, и они помогли бы с его производством. Это было в дополнение к трем российским заказчикам (по крайней мере, один из которых был военным, но снова все остались неназванными).Эта компания не покупала никаких устройств, но направила правительству США с этим предложением.

Это привело к появлению программы Topaz International, финансируемой Организацией противоракетной обороны Министерства обороны США. Большинство задействованного персонала были сотрудниками национальных лабораторий Лос-Аламоса и Сандиа, а испытания проводились на базе ВВС Киртланд в Альбукерке, штат Нью-Мексико.

В качестве личного примечания, я был сразу за ограждением периметра, когда приземлился самолет с испытательным стендом и реакторами, и это остается одним из формирующих событий в моем детстве, хотя у меня было лишь смутное представление о том, что на самом деле происходило. или что когда-нибудь, более чем через 20 лет, я буду писать об этой самой программе, которая, как я видел, достигла критической точки.

Программа Topaz International будет темой нашего следующего сообщения в блоге. Скорее всего, он будет более длительным (как это было), поэтому мне может потребоваться чуть больше недели, чтобы выйти, но возможность сравнивать и сравнивать советские и американские стандарты тестирования в одной и той же системе — слишком прекрасная возможность для сдаться.

Оставайтесь с нами! Скоро будет больше!

Артикул:

Topaz II Design Evolution, Voss 1994 https: // www.researchgate.net/publication/234517721_TOPAZ_II_Design_Evolution

Российская программа испытаний Topaz II, Voss 1993 http://gnnallc.com/pdfs_r/SD%2006%20LA-UR-93-3398.pdf

Обзор программы космических испытаний ядерной электрической тяги, Voss 1994 https://www.osti.gov/servlets/purl/10157573

Оценочные испытания термоэмиссионной системы: система Ya-21U, Международная программа Topaz, Schmidt et al 1996 http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/b222940.pdf

Связанные

Ядерные реакторы для космоса — Всемирная ядерная ассоциация

(Обновлено в феврале 2021 г.)

• Радиоизотопные источники энергии были важным источником энергии в космосе с 1961 года.
• Реакторы ядерного деления в космосе используются в основном в России, но новые и более мощные конструкции находятся в стадии разработки как в США, так и в России.
• Плутоний-238 — жизненно важный источник энергии для полетов в дальний космос.

Ядерные энергетические реакторы используют управляемое ядерное деление в цепной реакции. С помощью поглотителей нейтронов скорость реакции контролируется, поэтому мощность зависит от потребности.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) — альтернативный источник энергии, в котором не происходит цепной реакции. Мощность зависит от начального количества радиоизотопа, используемого в качестве топлива, а мощность обеспечивается путем преобразования тепла, выделяемого при радиоактивном распаде радиоактивного изотопа, в электричество с помощью термопар. В большинстве РИТЭГов используется плутоний-238. При использовании РИТЭГов генерируемая мощность не может быть изменена или отключена, поэтому необходимо учитывать дополнительные батареи в пиковые периоды. РИТЭГи используются, когда космическим кораблям требуется менее 100 кВт. Кроме того, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи.

В Организации Объединенных Наций есть Управление по вопросам космического пространства (UNOOSA) *, которое выполняет решения Комитета по использованию космического пространства в мирных целях (COPUOS), созданного в 1959 году и в настоящее время объединяющего 71 государство-член. UNOOSA признает, что «для некоторых миссий в космическом пространстве ядерные источники энергии особенно подходят или даже необходимы из-за их компактности, длительного срока службы и других характеристик» и «что использование ядерных источников энергии в космическом пространстве должно быть сосредоточено на тех приложениях, которые используют преимущества об особенностях ядерных источников энергии.Он принял набор принципов, применимых «к ядерным источникам энергии в космическом пространстве, предназначенным для выработки электроэнергии на борту космических объектов для неходных целей», включая как радиоизотопные системы, так и реакторы деления.

* UNOOSA преследует двойную цель — поддерживать межправительственные обсуждения в Комитете и его Научно-техническом подкомитете (S&T) и Юридическом подкомитете, а также помогать развивающимся странам в использовании космических технологий в целях развития.Кроме того, он отслеживает правовые, научные и технические разработки, касающиеся космической деятельности, технологий и приложений, с целью предоставления технической информации и рекомендаций государствам-членам, международным организациям и другим отделениям Организации Объединенных Наций.

Радиоизотопные системы — РИТЭГи

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) были основным источником энергии для космических работ в США с 1961 года. Высокая теплота распада плутония-238 (0,56 Вт / г) позволяет использовать его в качестве источника электроэнергии в РИТЭГах космических кораблей, спутников и навигационные маяки.Его интенсивный процесс альфа-распада с незначительным гамма-излучением требует минимальной защиты. Америций-241, с 0,15 Вт / г, является еще одним источником энергии, одобренным Европейским космическим агентством, хотя он имеет высокие уровни относительно низкоэнергетического гамма-излучения. Тепло от оксидного топлива преобразуется в электричество через статические термоэлектрические элементы (твердотельные термопары) без движущихся частей. РИТЭГи безопасны, надежны и не требуют обслуживания и могут обеспечивать тепло или электричество в течение десятилетий в очень суровых условиях, особенно там, где солнечная энергия нецелесообразна.

Важность таких источников энергии была проиллюстрирована миссией Европейского космического агентства Rosetta , в ходе которой зонд Philae успешно приземлился на комете 67P / Чурымов-Герасименко в 2014 году. Оснащенный батареями и солнечными панелями, место, в котором прибыл Philae отдых на поверхности кометы — защищенной от солнечных лучей скалами — означал, что спускаемый аппарат не мог использовать солнечную энергию и мог отправлять данные за 64 часа до того, как разрядился аккумулятор.

На данный момент более 45 РИТЭГов работают с более чем 25 космическими аппаратами США, включая космические аппараты Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Ulysses, Cassini и New Horizons, а также многие гражданские и военные спутники. Космический корабль Cassini нес три РИТЭГа, обеспечивающих мощность 870 Вт из 33 кг оксида плутония-238, когда он исследовал Сатурн. Он был запущен в 1997 году, вышел на орбиту Сатурна в 2004 году и функционировал очень хорошо до тех пор, пока не был остановлен в сентябре 2017 года. Вояджер 1 & 2 Космический аппарат, который отправлял фотографии далеких планет, уже работал более 35 лет с момента запуска 1977 года Ожидается, что до 2025 года они будут отправлять обратно сигналы с питанием от своих РИТЭГов. Galileo , спущенный на воду в 1989 году, нес 570-ваттный РИТЭГ. Посадочные аппараты Viking и Rover на Марсе в 1975 году зависели от источников питания РИТЭГов, как и марсоход Curiosity из Марсианской научной лаборатории, запущенный в 2011 году. Три РИТЭГа (каждый с 2,7 граммами диоксида плутония-238) использовались в качестве источников тепла. спускаемый аппарат-робот Pathfinder Mars, выпущенный в 1996 году, производил 35 Вт. Каждый производил около одного ватта тепла. (Марсоходы Pathfinder массой 10,5 кг в 1997 году и два марсохода, работавшие в 2004-09 годах, использовали солнечные панели и батареи с ограниченной мощностью и сроком службы.)

Последний РИТЭГ с плутонием представляет собой систему мощностью 290 Вт, известную как GPHS RTG . Тепловая энергия для этой системы поступает от 18 источников тепла общего назначения (GPHS). Каждый GPHS содержит четыре керамических топливных таблетки Pu-238, покрытых иридием, имеет высоту 5 см, квадрат 10 см и вес 1,44 кг. Многоцелевой RTG (MMRTG) (см. Изображение ниже) использует восемь блоков GPHS с общим объемом оксида плутония 4,8 кг, производящим 2 кВт тепла, который можно использовать для выработки около 110 Вт электроэнергии 2.7 кВтч / сутки.

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRT). Источник: NASA

Технология

MMRTG используется в марсоходе миссии NASA Mars Science Laboratory Curiosity (см. Изображение ниже) , который при 890 кг примерно в пять раз превышает массу предыдущих марсоходов. К февралю 2021 года Curiosity прошел около 24 км с момента приземления в августе 2012 года. Другой проект марсохода — марсоход NASA Mars Perseverance , запущенный в июле 2020 года с тем же источником питания MMRTG.Это 1025 кг, и MMRTG заряжает две литий-ионные батареи. Perserverance перевозит беспилотный вертолет массой 1,8 кг. Приземлился в феврале 2021 года.

Марсоход НАСА Curiosity. Источник: NASA / JPL-Caltech / MSSS

Российский институт космических исследований (ИКИ) Российской академии наук и Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана разрабатывают три типа луноходов, один из которых — тяжелый луноход с «ядерным двигателем».Он будет весить 550-750 кг и предназначен для изучения полярных областей Луны. В дополнение к солнечным панелям и батареям на марсоходе будет установлен ядерный источник энергии, чтобы он мог работать на расстоянии до 400 километров, в том числе в тени. Он будет нести до 70 кг научного оборудования, в том числе специальные буры для извлечения проб почвы с глубины 1,5 метра. Марсоход также будет оснащен 16 небольшими станциями для изучения реголита и сейсмической активности Луны.

ExoMars — это совместный проект Российского космического агентства Роскосмос и Европейского космического агентства (ЕКА) по исследованию доказательств существования жизни на Марсе, в котором будут использоваться РИТЭГи.В конечном итоге миссия доставит на Марс европейский марсоход и российскую наземную платформу. Первая часть миссии была запущена в 2016 году, основная цель которой — проверить наличие метана и других следов атмосферных газов. Вторую часть миссии планируется запустить в 2020 году.

Космический корабль New Horizons, пролетевший мимо Плутона в июле 2015 года, оснащен РИТЭГ GPHS мощностью 250 Вт и 30 В, который к моменту пролета Плутона (он был запущен в 2006 году) должен был распасться примерно до 200 Вт.В нем используется 10,9 кг оксида Pu-238, и он менее мощный, чем изначально спроектированный, из-за задержек с производством. Есть 16 двигателей Aerojet, управляющих траекторией и ориентацией 478-килограммового корабля. Четыре подруливающих устройства генерируют 4,4 Н, а 12 — тягу 0,9 Н. Топливо для них — 65 кг гидразина

.

Радиоизотопный генератор Стирлинга (SRG) основан на 55-ваттном электрическом преобразователе, питаемом от одного блока GPHS. Горячий конец преобразователя Стирлинга достигает 650 ° C, и нагретый гелий приводит в движение свободный поршень линейного генератора переменного тока, при этом тепло отводится на холодном конце двигателя.Затем переменный ток преобразуется в постоянный ток мощностью 55 Вт. Этот двигатель Стирлинга производит примерно в четыре раза больше электроэнергии из плутониевого топлива, чем РИТЭГ. Таким образом, каждый SRG будет использовать два преобразователя Стирлинга с тепловой мощностью около 500 Вт, обеспечиваемой двумя блоками GPHS, и будет вырабатывать 130–140 Вт электроэнергии из примерно 1 кг Pu-238. SRG и Advanced SRG (ASRG) прошли всесторонние испытания, но еще не летали. НАСА планировало использовать два ASRG для зондирования спутника Сатурна Титана (Titan Mare Explorer, TiME) или для кометы Виртанен, хотя эти миссии были отложены в пользу миссии Mars InSight, первоначально запланированной на март 2016 года, теперь, вероятно, в середине 2018.В ноябре 2013 года, потратив на это 270 миллионов долларов, НАСА остановило разработку ASRG из-за бюджетных ограничений, заявив, что в нем достаточно Pu-238 для MMRTG.

НАСА также сообщило, что производство Pu-238 увеличивалось до 1,5 кг / год к середине 2020-х годов, и к концу 2015 года на это было потрачено более 200 миллионов долларов (см. Информационный документ по плутонию). С 1990-х годов США рассчитывали на российские поставки Pu-238, производимого на «Маяк», и закупили его 16,5 кг. Однако Россия его больше не производит и не продает.

Россия разработала РИТЭГи с использованием По-210, два из них все еще находятся на орбите на 1965 году навигационных спутников «Космос». Но он сосредоточился на реакторах деления для космических энергетических систем. Китайский лунный аппарат Chang’e 3, по всей видимости, использует РИТЭГи с Pu-238.

Америций-241 можно использовать для РИТЭГов. Он содержит около четверти энергии Pu-238, но он дешевле и легко доступен после очистки старых запасов гражданского плутония, например, в Великобритании. Он также имеет более длительный период полураспада — 432 года по сравнению с 88 годами.Однако он имеет некоторую гамма-активность (указано 8,48 мЗв / час / МБк на одном метре) и не принимался во внимание. Однако Европейское космическое агентство намеревается использовать его и оплачивает Am-241, извлеченный из гражданского плутония Великобритании Национальной ядерной лабораторией, для использования в своих РИТЭГах. РИТЭГ требуется примерно в два раза больше чистого Am-241 по сравнению с Pu-238 (который обычно имеет некоторые примеси). В мае 2019 года Национальная ядерная лаборатория и Университет Лестера производили полезную электроэнергию из америция, добытого из запасов плутония в Великобритании.

Наряду с РИТЭГами, блоки радиоактивного обогрева ( RHU ) используются на спутниках и космических кораблях, чтобы поддерживать инструменты в тепле, достаточном для их эффективного функционирования. Их выходная мощность составляет всего около одного ватта, и они в основном используют Pu-238 — обычно около 2,7 грамма. Размеры около 3 см в длину и 2,5 см в диаметре, вес 40 грамм. Примерно 240 из них были использованы США, а два российских лунохода находятся в отключенном состоянии на Луне, в них используется полоний-210. Восемь были установлены на каждом из американских марсоходов Spirit и Opportunity , приземлившихся в 2004 году, для поддержания работоспособности батарей.Китайский луноход Chang’e 3 Yutu, по-видимому, использует несколько RHU.

Центр космических ядерных исследований (CSNR) Национальной лаборатории штата Айдахо (INL) в сотрудничестве с НАСА разрабатывает хоппер с РИТЭГами для исследования Марса. В неподвижном состоянии транспортное средство будет изучать территорию вокруг себя, медленно всасывая углекислый газ из атмосферы и замораживая ее после сжатия двигателем Стирлинга. Между тем бериллиевое ядро ​​будет хранить тепловую энергию, необходимую для взрывного испарения, необходимого для следующего прыжка.Когда он будет готов к следующему прыжку, ядерное тепло быстро испарит углекислый газ, создавая мощную струю, которая поднимет корабль на 1000 метров в «воздух». Небольшой бункер мог преодолевать 15 км за раз, повторяя это каждые несколько дней в течение десятилетнего периода. Хопперы могли нести полезную нагрузку до 200 кг и исследовать районы, недоступные для вездеходов. INL предполагает, что несколько десятков прыгунов смогут нанести на карту поверхность Марса за несколько лет и, возможно, доставить образцы горных пород со всей поверхности Марса на корабль, который доставит их на Землю.

И RTG, и RHU спроектированы таким образом, чтобы выдерживать крупные аварии при запуске и возвращении в атмосферу без повреждений. Так поступили Nimbus B-1 в 1968 году и лунный модуль Apollo 13 в 1970 году.

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга использует любой внешний источник тепла через газообразную рабочую жидкость для приведения в действие поршня, совершающего возвратно-поступательное движение, который вращает коленчатый вал для выполнения механической работы. Рабочая жидкость постоянно удерживается и через регенератор с теплообменником может непрерывно рециркулировать.Рабочий газ расширяется в горячей части и сжимается в холодной части двигателя, таким образом преобразуя тепло в работу. Чем больше разница температур между горячей и холодной секциями двигателя Стирлинга, тем выше его эффективность. В одноцилиндровых конструкциях поршень вытеснителя перемещает рабочий газ вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками.

Системы деления — тепловые и двигательные

Для более высоких требований к мощности системы энергоснабжения деления (FPS) имеют явное преимущество по стоимости по сравнению с РИТЭГами.Согласно нынешнему замыслу, FPS будет запускаться в холодном режиме, по сути, без радиоактивной опасности. Пуск реактора — после выхода аппарата на орбиту. Затем реактор автоматически реагирует на изменения тепловой нагрузки и поддерживает безопасные рабочие температуры на основе отрицательной обратной связи по реактивности температуры, что дает ему возможность отслеживать нагрузку. Низкая мощность реактора снизит термические напряжения и обеспечит устойчивость к потенциально опасным переходным процессам. Низкое выгорание топлива сводит к минимуму продукты деления, которые могут вызвать неблагоприятное радиационное воздействие на материалы реактора и компоненты космического корабля.

После перерыва в несколько лет наблюдается возрождение интереса к использованию ядерной энергии деления для космических миссий. В то время как Россия использовала более 30 реакторов деления в космосе, США в 1965 году использовали только один — SNAP-10A (Система вспомогательной ядерной энергии).

В феврале 2021 года Национальные академии наук, инженерии и медицины США сообщили о космических ядерных двигательных технологиях, представляющих интерес для будущей миссии человека по исследованию Марса. Они оценили современное состояние, потенциальный путь развития и ключевые риски для ядерной тепловой двигательной установки (NTP), разработанной для создания удельного импульса не менее 900 с, и ядерной электрической двигательной установки (NEP) с мощность по крайней мере 1 МВт и отношение массы к мощности, которое существенно ниже, чем у современных современных технологий.Использование любой из этих систем для базовой миссии на Марс в 2039 году потребует значительных исследований и разработок.

Ранняя программа США: 1960–1980-е годы

Раньше, с 1959 по 1973 год, в США существовала ядерная ракетная программа — Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications (NERVA), которая была сосредоточена на замене ядерной энергии химическими ракетами на последних этапах запусков. NERVA использовала реакторы с графитовым сердечником, нагревающие водород и выталкивающие его через сопло. Около 20 двигателей были испытаны в Неваде, и их тяга была вдвое меньше, чем у ракет-носителей космических кораблей.С тех пор «ядерные ракеты» предназначены для космических двигателей, а не для запусков. Преемник NERVA — сегодняшняя ядерная тепловая ракета (ЯТР).

Другой ранней идеей был американский проект «Орион», который должен был запустить с Земли большой космический корабль массой около 1000 тонн, используя серию небольших ядерных взрывов для его приведения в движение. Проект был начат в 1958 году компанией General Atomics и был прерван в 1963 году Договором о запрещении атмосферных испытаний. Проект Orion дал идеи для других проектов, например ICAN-II и AIMStar, поскольку рассматриваются другие средства генерации движущих импульсов.

US SNAP-10A, запущенный в 1965 году, представлял собой тепловой ядерный реактор деления мощностью 45 кВт для выработки 650 Вт с ZrH-замедлителем (или UZrH-топливом) и эвтектическим NaK-теплоносителем, питающим панели термоэлектрического преобразователя. Он проработал 43 дня при мощности 590 Вт, но был остановлен из-за неисправности регулятора напряжения (не реактора). Остается на орбите.

Последней инициативой США в области создания космических реакторов в этот период была совместная программа НАСА, Министерства энергетики и Министерства обороны США по разработке реактора SP-100 — блока быстрого реактора мощностью 2 МВт и термоэлектрической системы, обеспечивающей мощность до 100 кВтэ — в качестве универсального источника питания. для орбитальных миссий или в качестве лунной / марсианской надводной электростанции.Это было прекращено в начале 1990-х после поглощения почти 1 миллиарда долларов. В реакторе использовалось топливо из нитрида урана и было литиевое охлаждение.

В конце 1980-х годов в сотрудничестве с Министерством энергетики США в рамках программы создания многомегаваттной космической энергии (ММВ) Министерства обороны также был разработан реактор с галечным слоем Timberwind. Его мощность намного превосходила любые требования гражданской космической программы. Но см. MegaPower ниже.

В отношении двигательной установки космического корабля после запуска был накоплен некоторый опыт работы с двигательными установками для ядерных тепловых ракет (NTP или NTR), которые считаются хорошо разработанными и испытанными.Ядерное деление нагревает водородное топливо, которое хранится в виде жидкости в охлаждаемых резервуарах. Горячий газ (около 2500 ° C) выпускается через сопло для создания тяги (которая может быть увеличена за счет впрыска жидкого кислорода в сверхзвуковой выхлоп водорода). Это более эффективно, чем химические реакции. Бимодальные версии будут управлять электрическими системами на борту космического корабля, включая мощные радары, а также обеспечивать движение. По сравнению с ядерными электрическими плазменными системами они имеют гораздо большую тягу в течение более коротких периодов времени и могут использоваться для запусков и посадок.

Более поздние программы в США: 1990-е годы на

В конце 1980-х внимание обратилось на ядерно-электрические двигательные установки (NEP) , в которых ядерные реакторы являются источником тепла для электрических ионных двигателей, выталкивающих плазму из сопла для движения космических аппаратов уже в космосе. Сверхпроводящие магнитные элементы ионизируют ксенон (или водород), нагревают его до чрезвычайно высоких температур (миллионы ° C) и используют очень высокое напряжение для его ускорения и выталкивания с очень высокой скоростью (, например, 30 км / с) для создания тяги.Хотя тяга мала по сравнению с ракетой, ее применение в космосе в течение длительного периода (, например, года) может привести к высокой скорости космического корабля. Космический аппарат НАСА Dawn , курсирующий между Марсом и Юпитером с 2007 года, использует ионный двигатель малой тяги, как и более 100 спутников связи на геостационарной околоземной орбите. Они оба продлевают срок службы спутников и сокращают затраты на запуск и эксплуатацию. Ксенон используется потому, что он легко ионизируется и имеет относительно высокую атомную массу, а также инертен и имеет высокую плотность хранения.

Первая космическая миссия НАСА с ионным двигателем была с 1998 по 2001 год. Ионная силовая установка NASA Solar Technology Application Readiness ( NSTAR ) позволила миссии Deep Space 1, первому космическому кораблю, приводимому в движение в основном ионным двигателем, проехать более 260 миллионов километров и совершить облеты астероида Брайля и кометы Борелли. Эволюционный ксеноновый двигатель NASA (NEXT) и кольцевой двигатель являются его развитием. NEXT — это мощная ионная двигательная установка, разработанная для снижения стоимости полета и времени полета, работающая на уровне мощности в три раза превышающем NSTAR.Запатентованный НАСА кольцевой двигатель потенциально может превзойти характеристики NEXT и других электрических двигательных двигателей малой тяги, при этом общая (кольцевая) площадь луча в два раза больше.

Исследование одной версии, ракеты с переменным удельным импульсом магнитоплазмы (VASIMR), основано на этой модели для получения энергии термоядерного синтеза (токамак) с магнитным ограничением для выработки электроэнергии, но здесь плазма намеренно просачивается для создания тяги. Система работает наиболее эффективно при малой тяге (которую можно поддерживать), с небольшим потоком плазмы, но возможна более короткая работа с высокой тягой.Он очень эффективен, с преобразованием электрической энергии в кинетическую на 99%, хотя только 70% требуется для стрельбы с короткой тягой. VX200, версия мощностью 200 кВт, проходила испытания в 2015 году с целью использования в космических миссиях для ядерной электрической тяги. Его также можно было использовать для удаления космического мусора, вывода на низкую орбиту для выгорания. НАСА заключило контракт с Ad Astra Rocket Co на разработку новой версии VX-200SS («SS» означает «устойчивый режим»), отличающейся новой конструкцией сердечника и терморегуляторами, работающей при температурах 1000000 ºC, при этом почти полностью устраняя необходимость в огромное количество ракетного топлива.

Энергетическая система с тепловыми трубками (HPS) — это компактные быстрые реакторы, вырабатывающие до 100 кВтэ в течение примерно десяти лет для питания космического корабля или планетарного надводного корабля. Они разрабатываются с 1994 года в Лос-Аламосской национальной лаборатории как надежная система с низким уровнем технического риска с упором на высокую надежность и безопасность. В них используются тепловые трубки * для передачи энергии от активной зоны реактора для производства электроэнергии с помощью преобразователей цикла Стирлинга или Брайтона.

* Тепловая трубка — это теплопередающее устройство, сочетающее теплопроводность с фазовым переходом.На горячем конце жидкость испаряется под низким давлением, а на другом конце она конденсируется, высвобождая скрытую теплоту испарения. Затем жидкость возвращается к горячему концу либо под действием силы тяжести, либо под действием капилляров, чтобы повторить цикл. (При использовании силы тяжести их иногда называют двухфазными термосифонами, но основным используемым механизмом является капиллярная «накачка» с использованием поверхностного натяжения.)

В конструкции 1990-х годов энергия деления передается от топливных стержней к тепловым трубкам, заполненным парами натрия, которые переносят ее к теплообменникам, а затем в горячем газе к системам преобразования энергии Стирлинга или Брайтона для производства электричества.Газ на 72% состоит из гелия и на 28% из ксенона. Сам реактор содержит ряд модулей тепловых трубок с топливом. У каждого модуля есть центральная тепловая трубка, вокруг которой расположены топливные муфты, покрытые рением. Они имеют одинаковый диаметр и содержат топливо из нитрида урана с обогащением 97%, и все это внутри оболочки модуля. Модули образуют компактное шестиугольное ядро. Управление осуществляется шестью бериллиевыми барабанами, плакированными нержавеющей сталью, каждый диаметром 11 или 13 см с карбидом бора, образующим дугу 120 градусов на каждом. Барабаны помещаются в шесть секций бериллиевого радиального отражателя нейтронов, окружающих активную зону, и вращаются для управления, перемещая карбид бора внутрь или наружу.

Экранирование зависит от задачи или области применения, но гидрид лития в емкостях из нержавеющей стали является основной защитой от нейтронов.

Космический реактор деления SAFE-400 (безопасный доступный двигатель деления) представляет собой ГЭС мощностью 400 кВт и 100 кВтэ для питания космического корабля с использованием двух энергосистем Брайтона — газовых турбин, приводимых в действие непосредственно горячим газом из реактора. Температура на выходе из теплообменника 880 ° C. Реактор имеет 127 идентичных модулей тепловых трубок, изготовленных из молибдена или ниобия с 1% циркония.Каждый из них имеет три топливных стержня диаметром 1 см, соединенных вместе в компактный шестиугольный сердечник диаметром 25 см. Топливные стержни имеют длину 70 см (длина топлива 56 см), общая длина тепловых трубок составляет 145 см, они выступают на 75 см над активной зоной, где они соединяются с теплообменниками. Сердечник с отражателем имеет диаметр 51 см. Масса сердечника составляет около 512 кг, а каждый теплообменник — 72 кг. БЕЗОПАСНОСТЬ также была протестирована с электроионным приводом.

Меньшей версией этого типа реактора является HOMER-15 — исследовательский реактор Марса с тепловыми трубками.Это тепловая установка мощностью 15 кВт, аналогичная более крупной модели SAFE, ее высота составляет 2,4 метра, включая теплообменник и двигатель Стирлинга мощностью 3 кВт (см. Выше). Он работает при температуре всего 600 ° C и поэтому может использовать нержавеющую сталь для топливных стержней и тепловых трубок диаметром 1,6 см. Он имеет 19 модулей с натриевыми тепловыми трубками с прикрепленными к ним 102 топливными стержнями, по 4 или 6 на трубу, и вмещает в общей сложности 72 кг топлива. Тепловые трубки имеют длину 106 см и высоту топлива 36 см. Сердечник шестиугольный (18 см в диаметре) с шестью выводами из BeO по углам.Общая масса реакторной системы 214 кг, диаметр 41 см.

Еще одна небольшая поверхностная энергетическая система деления для Луны и Марса была анонсирована НАСА в 2008 году. Система 40 кВт может использовать одну из двух концепций конструкции для преобразования энергии. Первый, разработанный Sunpower из Афин, штат Огайо, использует два двигателя с оппозитными поршнями, соединенные с генераторами переменного тока, каждый из которых производит 6 киловатт, или в общей сложности 12 киловатт мощности. Второй, разработанный Барбером Николсом из Арвады, штат Колорадо, предназначен для разработки двигателя с замкнутым циклом Брайтона, в котором используются высокоскоростная турбина и компрессор, соединенные с роторным генератором переменного тока, который также вырабатывает мощность 12 киловатт.НАСА само разработает систему отвода тепла и предоставит оборудование для космического моделирования. В середине 2012 года НАСА сообщило об успешных испытаниях компонентов преобразователя энергии и радиатора этой системы мощностью 40 кВтэ, которая основана на нагреве небольшого реактора деления и циркуляции жидкометаллической охлаждающей смеси из натрия и калия. Разница в тепле между этой температурой и наружной температурой заставит два дополнительных двигателя Стирлинга вращать генератор мощностью 40 кВтэ. Около 100 квадратных метров радиаторов отводят технологическое тепло в пространство.

Американский проект «Прометей»: 2003-2007 гг.

В 2002 году НАСА объявило о своей Инициативе ядерных систем для космических проектов, а в 2003 году она была переименована в Проект Прометей и получила увеличенное финансирование. Его цель заключалась в том, чтобы существенно изменить возможности космических полетов. Космические путешествия с использованием ядерных двигателей будут намного быстрее, чем это возможно сейчас, и позволят пилотируемые миссии на Марс. (См. Раздел ниже.)

Одна из частей Prometheus, являвшаяся проектом НАСА с существенным участием Министерства энергетики в ядерной области, заключалась в разработке многоцелевого термоэлектрического генератора и радиоизотопного генератора Стирлинга, описанных в разделе о РИТЭГах выше.

Более радикальная цель Прометея заключалась в создании системы космического деления энергии (FPS), подобной описанной выше, как для мощности, так и для движения, которая была бы безопасной для запуска и которая в течение многих лет работала бы с гораздо большей мощностью, чем RTG. Предусмотрена мощность 100 кВт для ядерной электродвигательной установки с плазменным приводом.

Бюджетное предложение на 2004 финансовый год составляло 279 миллионов долларов, из которых 3 миллиарда долларов должны были быть потрачены в течение пяти лет. Он состоял из 186 миллионов долларов (1 миллиард долларов за пять лет) на основе ассигнований в 2003 финансовом году плюс 93 миллиона долларов (2 миллиарда долларов за пять лет) на первую полетную миссию к Юпитеру — орбитальный аппарат Jupiter Icy Moon (JIMO), запуск которого ожидался в 2017 году. и исследуйте в течение десяти лет.Однако проект «Прометей» получил только 430 миллионов долларов в бюджете на 2005 год, а в 2006 году он сократился до 100 миллионов долларов, большая часть которых предназначалась для компенсации расторгнутых контрактов, поэтому он фактически застопорился. Аналогичный проект был инициирован и запланирован к запуску в 2022 году под названием JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) как межпланетный космический корабль, разрабатываемый Европейским космическим агентством (ESA) с Airbus Defense and Space в качестве основного подрядчика.

В 2003 году в рамках проекта «Прометей» успешно прошел испытания ионного двигателя с электродвигателем большой мощности (HiPEP).Это работает за счет ионизации ксенона микроволнами. В задней части двигателя находится пара прямоугольных металлических решеток, на которые подается электрический потенциал 6000 вольт. Сила этого электрического поля оказывает сильное электростатическое воздействие на ионы ксенона, ускоряя их и создавая тягу, которая приводит в движение космический корабль. Тест проводился на мощности до 12 кВт, хотя предусматривается вдвое больше. Двигатель малой тяги рассчитан на срок службы от 7 до 10 лет с высокой топливной эффективностью и может работать от небольшого ядерного реактора.

Текущая программа США

Космические реакторы киловаттного класса обозначаются НАСА KiloPower и могут включать множество конструкций, сопоставимых по мощности и массе с РИТЭГами. Они используют жидкометаллические тепловые трубки для передачи тепла деления либо на термоэлектрическую энергию, либо на преобразователь энергии Стирлинга. Национальная лаборатория Лос-Аламоса и исследовательский центр Гленна НАСА завершили испытание концепции на объекте национальной безопасности штата Невада в 2012 году с использованием реактора Flattop и двух небольших преобразователей Стирлинга для выработки 24 Вт.

В декабре 2014 года Центр Гленна НАСА объявил о прогрессе в реализации проекта KiloPower мощностью 4 кВт / 1 кВтэ, в котором высокообогащенный уран используется в системе тепловых трубок и двигателе Стирлинга для выработки электроэнергии — Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY). Этот реактор на быстрых нейтронах полностью полагается на отрицательную тепловую обратную связь для управления, цель которой состоит в том, чтобы спроектировать саморегулирование как главную особенность и продемонстрировать его надежность. Проект масштабируется до 10 кВтэ. Ядерная лаборатория Лос-Аламоса (LANL) совместно с НАСА в апреле 2018 года объявила о завершении полномасштабных испытаний прототипа KRUSTY.Испытания проводились с ноября 2017 года по март 2018 года, за это время блок успешно справился с несколькими смоделированными отказами, включая снижение мощности, отказ двигателей и отказ тепловых труб. Это было первое наземное испытание ядерного реактора в космосе в США за несколько десятилетий.

Перед началом испытаний НАСА обратилось в Национальное управление ядерной безопасности США (NNSA) с просьбой разрешить его проведение. Испытания проводятся в рамках Программы безопасности критичности Министерства энергетики совместно с НАСА.Оптимальным топливом для быстрого реактора был предложен сплав ВОУ (с обогащением на 93%) с 7% молибдена в виде твердой отливки диаметром 129 мм и длиной 300 мм *. Его окружал бы отражатель из оксида бериллия диаметром 250 мм с 18 натриевыми тепловыми трубками между топливом и отражателем. Критичность достигается за счет поднятия отражателя BeO для генерации деления в активной зоне реактора. Как только начнется деление, отражатель BeO будет медленно подниматься, чтобы повысить температуру в системе до 800 ° C. Имеется единственный центральный стержень управления из карбида бора.Тепловые трубки будут отдавать 13 кВт тепла от сердечника к восьми двигателям Стирлинга со свободным поршнем и позволяют каждому производить около 125 Вт электроэнергии. Двигатель Стирлинга будет иметь цилиндрический радиатор длиной почти 10 м ² . Масса системы около 750 кг, длина около 5 м. Предполагается, что полезная нагрузка для научных исследований находится на расстоянии около 10 м от активной зоны и защищена 45 кг обедненного урана и 40 кг гидрида лития.

* Сообщается, что в испытательном реакторе мощностью 1 кВтэ в ноябре 2017 года будет использован сплав из 92% урана, 8% молибдена с обогащением до 95% и диаметром 11 см с центральным отверстием 4 см и восемью утопленными тепловыми трубками.Имеются два аксиальных отражателя нейтронов и один радиальный, всего 70,5 кг бериллия.

По оценкам НАСА, для получения энергии на Марсе потребуется около 40 кВтэ, используя десять блоков киловаттной мощности по 4 кВт.

Опыт проекта KiloPower будет использован для проекта MegaPower с блоками 2 МВт. Возможности включают саморегулирование реактора, низкую удельную мощность активной зоны реактора и использование тепловых трубок для отвода тепла из активной зоны реактора. Реактор будет присоединен к открытой системе преобразования энергии по циклу Брайтона с использованием воздуха в качестве рабочего тела и средства отвода тепла.Реактор будет весить около 40 тонн, включая 3 тонны топлива с НОУ (обогащение на 16-19%), и иметь длину 4 м, диаметр 2 м. Его можно было бы масштабировать до 10 МВт, а также можно было бы использовать на военных базах при 72-часовой установке.

Российские системы деления

В период с 1967 по 1988 год бывший Советский Союз запустил 34 маломощных реактора деления на спутниках радиолокационной разведки океана (РОРСАТ) в рамках космических миссий. Они использовали термоэлектрические преобразователи для производства электроэнергии, как и в случае с РИТЭГами.Реакторы Ромашка были их первоначальным ядерным источником энергии, графитовым реактором быстрого спектра с топливом из карбида урана с обогащением 90%, работающим при высоких температурах. Тогда быстрый реактор Бук или Бук вырабатывал 3 кВт в течение до четырех месяцев. Эту программу вело московское конструкторское бюро «Красная звезда». Более поздние реакторы, такие как «Космос-954», который вернулся в Канаду в 1978 году, имели U-Mo топливные стержни и компоновку, аналогичную описанным выше реакторам с тепловыми трубками в США. На большинстве российских военных разведывательных спутников использовались реакторы Бук.

За ними последовали многоэлементные реакторы Тополь или Топаз-1 с системами термоэлектронного преобразования , использующими пары цезия, вырабатывающие около 5 кВт электроэнергии в течение 3-5 лет для использования на борту из 12 кг топлива. Масса реактора составляла около 320 кг. Это была идея США, разработанная в 1960-х годах в Курчатовском институте в России и впервые испытанная в 1971 году. Топаз-1 был запущен в 1987 году на космических аппаратах «Космос 1818 и 1867» для наблюдения за океаном. Один реактор проработал шесть месяцев, другой — год, после чего программа «Топаз-1» была остановлена.

Одноэлементный реактор ЕНИСИ или Топаз-2 разработан ЦКБ машиностроения в Ленинграде на топливе КБ «Луч». При этом каждый топливный стержень (UO ₂ с обогащением 96%), заключенный в оболочку в эмиттере, окружен коллектором, и они образуют 37 тепловыделяющих элементов, которые проходят через цилиндрический замедлитель из ZrH. Он, в свою очередь, окружен бериллиевым отражателем нейтронов с девятью вращающимися барабанами управления и тремя вращающимися предохранительными барабанами в нем. Охлаждающая жидкость NaK окружает каждый топливный элемент, приводимый в действие электромагнитным насосом.Он работал при мощности около 10 кВт (минимум 6 кВт нетто при 27 вольт в течение трех лет), а масса реактора составляла около 1060 кг. Позднее энергоблоки Топаз-2 нацелились на 40 кВтэ в рамках Международной программы Топаз (TIP), осуществлявшейся в основном в США с 1990 года, в ходе которой было испытано шесть реакторов. Два реактора Топаз-2 (без топлива) были проданы США в 1992 году. Бюджетные ограничения в 1993 году вынудили отменить связанную с этим Программу космических испытаний ЯЭУ. Еще четыре реактора Топаз-2 были отправлены в США для испытаний в 1994 году.

В 2010 году Комиссия при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России выделила федеральные средства на разработку ядерной энергетической двигательной установки (ЯЭУ) мегаваттного диапазона мощности, способной приводить в действие корабли в межпланетных дальних полетах. В частности, ГК «Росатом» должен был получить 430 млн руб., А Роскосмос — 70 млн руб. На разработку Транспортно-энергетического модуля на базе НППУ, хотя сообщалось, что Роскосмос не включил этот проект в бюджет космической программы. на 2016-2025 гг.Н.А.Доллежаль НИКИЭТ в Москве был назначен единственным подрядчиком для НППУ на основе предыдущих разработок, в том числе ядерных ракетных двигателей. В ноябре 2015 года НИКИЭТ сообщил, что инженерное проектирование реактора выполнено, испытания «подтвердили целостность корпуса реактора» и проверили его на герметичность и деформацию. Испытания также подтвердили «надежность проектных расчетов» для определения способности судна выдерживать нагрузки.Испытания прототипа пропульсивного реактора для космического применения запланированы на 2018 год. Общая стоимость проекта двигательно-силового модуля на базе пропульсивного реактора оценивается в 20 миллиардов рублей (274 миллиона долларов США) с реакторной частью. 7 млрд руб.

Российская Ракетно-космическая корпорация имени С. П. Королева Космическая корпорация «Энергия» начала в 2011 году работы над стандартизованными космическими модулями с ядерными силовыми установками, первоначально включающими системы мощностью от 150 до 500 киловатт.В результате концептуального проектирования в 2011 году была разработана базовая проектная документация и инженерный проект. В настоящее время российский Центр исследования Келдыша преследует идею использования небольшого реактора деления с газовым охлаждением на борту ракеты для вращения турбины и генераторной установки и, таким образом, выработки электроэнергии для плазменного двигателя. Реакторный блок должен быть разработан примерно в 2015 году, затем на 2018 год запланированы эксплуатационные испытания. Первые пуски намечены примерно на 2020 год.

Директор Роскосмоса говорит, что разработка ядерно-космических энергетических систем мегаваттного класса для пилотируемых космических кораблей имеет решающее значение, если Россия хочет сохранить конкурентное преимущество в космической гонке, включая исследование Луны и Марса.Кажется, что НППУ соответствует этому требованию. Ранее «Энергия» заявила, что готова спроектировать космическую атомную электростанцию ​​со сроком службы 10-15 лет для первоначального размещения на Луне или Марсе. Он также работает над концепцией космического буксира с ядерной установкой, который можно было бы использовать для запуска спутников.

Энергетические системы космических реакторов

	SNAP-10 США	СП-100 США	Ромашка Россия	Бук Россия	Топаз-1 Россия	Топаз-2 Россия-США	БЕЗОПАСНОСТЬ-400 США	ЭРАТО * Франция
Пусковая дека	1960-е	1980-е годы	1960-е	1970-е годы	1980-е годы	1990-е годы	2000-х?	1980-е годы
кВт	45. 5	2000	40	<100	150	135	400
кВт	0,65	100	0,8	<5	5-10	6	100	20
Преобразователь	электрический	электрический	электрический	электрический	тионик	тионик	электрический	электрический
Топливо	U-ZrH x	ООН	UC 2	У-Мо	УО 2	УО 2	ООН	UO 2 , UN
Масса реактора, кг	435	5422	455	<390	320	1061	512
Нейтронный спектр	термический	быстро	быстро	быстро	термический	термический / эпитермальный	быстро	быстро / эпит.
Контроль	Be	Be	Be	Be	Be	Be	Be
Охлаждающая жидкость	NaK	Li	нет	NaK	NaK	NaK	Na	Na, газ
Темп., ° C не более	585	1377	1900	?	1600	1900?	1020	840

* В 1980-х годах французская программа ERATO рассматривала три турбоэлектрических энергосистемы мощностью 20 кВт для космоса. Все использовали преобразователь цикла Брайтона с гелий-ксеноновой смесью в качестве рабочего тела. Первая система представляла собой реактор на быстрых нейтронах UO ₂ с натриевым теплоносителем, работающий при 670 ° C, вторая — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (спектр тепловых или надтепловых нейтронов), работающий при 840 ° C, третья — литиевый реактор. охлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, работающий при температуре 1150 ° C.

Радиация в космосе

Космический полет 2011–2012 годов с марсоходом Curiosity, в котором была отправлена ​​Марсианская научная лаборатория, измерял уровень радиации в пути. Космический корабль подвергался воздействию в среднем 1,8 мЗв / день за 36-недельное путешествие к Марсу. Это означает, что космонавты будут подвергаться воздействию около 660 мЗв в оба конца. Две формы излучения представляют потенциальную опасность для здоровья космонавтов в глубоком космосе. Один из них — галактические космические лучи (ГКЛ), частицы, вызванные взрывами сверхновых и другими высокоэнергетическими событиями за пределами Солнечной системы.Другой, менее интересный, — это солнечные энергетические частицы (SEP), связанные с солнечными вспышками и выбросами корональной массы Солнца. Одним из способов уменьшить воздействие на экипаж могло бы быть использование ядерной силовой установки, значительно сократившей время прохождения.

Доза облучения Международной космической станции, вращающейся вокруг Земли, составляет около 100 мЗв за шесть месяцев.

---

Примечания и ссылки

Общие источники

Постон, Д. 2002, Ядерный проект космического реактора деления SAFE-400, Nuclear News, декабрь 2001 г.
Постон, Д. 2002, Ядерный дизайн поверхностного реактора деления на Марсе HOMER-15, Nuclear News, декабрь 2001 г.
Vrillon et al, 1990, статья ERATO, Nuclear Europe Worldscan 11-12, 1990.
Сайт Министерства энергетики США — космические приложения.
space.com 21/5/00, 16/6/00, 22/7/00, 17/1/03, 7/2/03.
Деловой мир 12.08.95.
G. Kulcinski, Университет Висконсина, материалы в сети.
Кляйнер К. 2003, Управление делением, New Scientist, 04.12.03.
ОЭСР 1990 г., Готовность к чрезвычайным ситуациям для спутников с ядерной установкой.
Сайт НАСА
J.A. Анджело и Д. Буден, Space Nuclear Power , Orbit Book Co. , 1985
Концепция космического реактора KiloPower — исследование реакторных материалов , май 2014 г., Национальная лаборатория Министерства энергетики Лос-Аламоса
Дасари В. Рао и Патрик МакКлюр, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, Nuclear Reactors to Power Space Exploration, статья о KiloPower, опубликованная в журнале R&D (14 февраля 2017 г.)
Марк А. Гибсон, и другие, , «Разработка малой энергетической системы ядерного деления для науки и исследований человека», подготовленный для 50-й конференции по совместным двигательным установкам, спонсируемой AIAA, ASME, SAE и ASEE, Кливленд, штат Огайо, 28-30 июля 2014 г.
Итан Сигал, НАСА не хватает топлива для своих миссий в дальний космос, Forbes (13 декабря 2018 г.)
Сайт исследовательского центра NASA Glenn Ion Propulsion
Патрик МакКлюр, «Проектирование и испытание малых ядерных реакторов для оборонного и космического применения» , приглашенная беседа в Тринити-отдел ANS, 20 сентября 2013 г., Санта-Фе, Нью-Мексико, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, LA-UR-13-27054
Ли Мейсон и др. , Энергетические системы деления киловаттного класса для научных исследований и миссий-предшественников человека (NETS-2013-6814), Исследовательский центр Гленна НАСА, представленный на встрече «Ядерные и новые технологии для космоса» (NETS-2013), состоявшейся в Альбукерке. , Нью-Мексико, 25-28 февраля 2013 г.
Радиоизотопные энергетические системы: императив для поддержания U.S. Leadership in Space Exploration, Национальная академия наук США (2009).
KRUSTY: первый из нового поколения реакторов, Kilopower Part II, Beyond NERVA (19 ноября 2017 г.) , Инженерия и медицина (2021)

.