Прототип космічного реактора мегаватного класу пройшов перші наземні випробування

Китайські вчені оцінили свої можливості щодо реалізації проекту перспективного космічного ядерного реактора електричною потужністю півтора мегавата. Це установка з рідкометалевим теплоносієм та газовою турбіною, яка за масою та габаритами вміщується на ракеті-носіях середнього класу. Декілька прототипів її критично важливих вузлів вже пройшли успішні наземні випробування. Але багато необхідних технологій вимагають або міжнародної участі, або інтенсивного фінансування для доопрацювання.

Амбітні проекти з освоєння інших планет та далекого космосу ще на стадії попереднього опрацювання стикаються з величезною проблемою своїх великих енергетичних потреб. Сонячні панелі гарні, надійні та перевірені часом, проте їхня питома потужність мала. Міжнародна космічна станція несе на собі 2,5 тисячі квадратних метрів сонячних панелей, які виробляють в середньому всього 120 кіловат електрики. Вистачає для роботи орбітальної лабораторії, але про жодні високоефективні електричні рухові установки мови не може бути.

Для порівняно швидких пілотованих польотів до інших планет і на околиці Сонячної системи альтернатив атомним реакторам фактично немає. Тому китайські фізики-ядерники працюють над перспективними установками, здатними забезпечити конкурентоспроможність рідної нації у новій космічній гонці. Це дуже складне і дороге завдання, прогрес у виконанні якого можна простежити за недавньою публікацією в журналі Scientia Sinica Technologica, що рецензується. Її автори — співробітники півтора десятка провідних наукових організацій Піднебесної.

У статті розглядається проект ядерного реактора з рідкометалевим теплоносієм, газовою турбіною та системою охолодження на основі теплотрубок. Як теплоносій першого контуру виступає літій, другого контуру — гелій-ксенонова суміш. Теплотрубки охолоджувача заправляються металом калію і ртуті. Розрахункова теплова потужність – шість мегават, електрична – до півтора мегават нетто, ще 50 кіловат витрачається на внутрішні потреби реактора (насоси, підігрівачі, система управління).

У розділі публікації із попереднім аналізом існуючих напрацювань у галузі аналогічних установок автори пояснили, чому вибрали саме таку схему. Якщо коротко, вона оптимальна за співвідношенням питомої потужності, надійності та маси для вибраних завдань та діапазону потужностей. Газофазні реактори влаштовані простіше (теплоносій першого контуру можна одразу направляти в газову турбіну), але вимагають більш важкого екранування, а їх робочі температури вищі. Рідкометалеві реактори з тепловими трубками в першому контурі теплообміну обіцяють більш високу стійкість до потенційних відмов за рахунок простоти конструкції, проте питома потужність такої установки буде значно меншою.

По решті основних вузлів перспективної енергетичної установки китайські вчені проводять схожий розбір. Найбільш цікавим є вибір теплоносія першого контуру — це не калій чи натрій, звичайні для рідкометалевих реакторів, а літій. Його питома теплоємність у кілька разів вища, до того ж він залишається рідким аж до температури 1615 градусів. А чим вища температура гарячої частини теплової машини, тим вища її ефективність за інших рівних.

Проблема лише одна: таких реакторів ще ніхто не робив, є деякі напрацювання у США та Японії, але за межі лабораторій вони не виходили. Отже, фахівці з КНР мають вирішити безліч найскладніших завдань у галузі матеріалознавства.

Потенційним труднощам у створенні присвячена більшість статті китайських учених. Серед них:

• розробка ванадій-ренієвого сплаву та технології виготовлення металевого композиту з нього для трубопроводів першого контуру (а також методів обробки та зварювання таких матеріалів);
• випробування та доведення сепаратора для відділення гелію від літію (він виробляється при опроміненні) у першому контурі, який повинен працювати в невагомості (раніше їх випробовували тільки на Землі);
• створення матеріалів для лопаток газової турбіни, яка має протягом десятиліть безперервно працювати при температурі 1500 градусів;
• відпрацювання технологій виготовлення вуглець-вуглецевих композитів для основного радіатора системи охолодження (у листах якого буде укладено теплотрубки);
• розробка уран-нітридного керамічного ядерного палива.

Особливий акцент китайські вчені зробили на тому, що ці, а також багато інших знань і технологій, що бракують, в тій чи іншій мірі отримали розвиток за кордоном. Автори статті виділили кілька напрямків роботи для національних науково-дослідних установ, які потребують підвищеної уваги та фінансування. Лише тоді, на думку дослідників, до 2035-2050 років, коли і знадобиться такий космічний реактор, Китай ним володітиме. В іншому випадку країна ризикує відстати від інших учасників космічних перегонів ХХІ століття.

Велика частина потрібних технологій вже відпрацьовується. Наприклад, нещодавно (коли саме не повідомляється) наземні випробування пройшов прототип теплообмінника між першим і другим контурами майбутнього реактора. У тесті вдалося перевірити корозійностійкий трубопровід для літієвого теплоносія, електромагнітний насос і гелій-ксенонову турбіну. Доказ працездатності концепції отримано, далі потрібні вдосконалення, необхідні повноцінної роботи установки тривалий час.