Китайські вчені оцінили свої можливості щодо реалізації проєкту перспективного космічного ядерного реактора електричною потужністю півтора мегавата. Це установка з рідкометалевим теплоносієм і газовою турбіною, яка за масою і габаритами вміщається на ракеті-носії середнього класу. Кілька прототипів її критично важливих вузлів уже пройшли успішні наземні випробування. Але багато необхідних технологій вимагають або міжнародної участі, або інтенсивного фінансування для доопрацювання.
Амбітні проєкти з освоєння інших планет і далекого космосу ще на стадії попереднього опрацювання стикаються з величезною проблемою своїх великих енергетичних потреб. Сонячні панелі гарні, надійні і перевірені часом, проте їхня питома потужність мала. Міжнародна космічна станція несе на собі 2,5 тисячі квадратних метрів сонячних панелей, які виробляють у середньому лише 120 кіловатів електрики. Вистачає для роботи орбітальної лабораторії, але про жодні високоефективні електричні рухові установки мови й бути не може.
Для порівняно швидких пілотованих польотів до інших планет і тим більше на околиці Сонячної системи альтернатив атомним реакторам фактично немає. Тому китайські фізики-ядерники працюють над перспективними установками, здатними забезпечити конкурентоспроможність рідної нації в нових космічних перегонах. Це дуже складне і дороге завдання, прогрес у виконанні якого можна простежити за недавньою публікацією в рецензованому журналі Scientia Sinica Technologica. Її автори – співробітники півтора десятка провідних наукових організацій Піднебесної.
У статті розглядається проєкт ядерного реактора з рідкометалевим теплоносієм, газовою турбіною і системою охолодження на основі теплотрубок. Як теплоносій першого контуру виступає літій, другого контуру – гелій-ксенонова суміш. Теплотрубки охолоджувача заправляються сплавом калію і ртуті. Розрахункова теплова потужність – шість мегаватів, електрична – до півтора мегавата нетто, ще 50 кіловатів витрачається на внутрішні потреби реактора (насоси, підігрівачі, система управління).
У розділі публікації з попереднім аналізом наявних напрацювань у галузі аналогічних установок автори пояснили, чому обрали саме таку схему. Якщо коротко, вона оптимальна за співвідношенням питомої потужності, надійності та маси для обраних завдань і діапазону потужностей. Газофазні реактори влаштовані простіше (теплоносій першого контуру можна одразу спрямовувати в газову турбіну), але вимагають важчого екранування, а їхні робочі температури вищі. Рідкометалеві реактори з тепловими трубками в першому контурі теплообміну обіцяють вищу стійкість до потенційних відмов завдяки простоті конструкції, проте питома потужність такої установки буде істотно меншою.
За маси трохи менше ніж вісім тонн перспективна китайська космічна ядерна енергетична установка в складеному вигляді вміщається під обтічником заввишки 12 метрів і діаметром 4,4 метра – це чимало, але по плечу навіть ракетам-носіям середнього класу. Зліва показано реактор з розкладеним радіатором / © YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica
За всіма іншими основними вузлами перспективної енергетичної установки китайські вчені проводять схожий розбір. Найцікавішим є вибір теплоносія першого контуру – це не калій або натрій, звичайні для рідкометалевих реакторів, а літій. Його питома теплоємність у кілька разів вища, до того ж він залишається рідким аж до температури в 1615 градусів. А що вища температура гарячої частини теплової машини, то вища її ефективність за інших рівних умов.
Проблема тільки одна: таких реакторів ще ніхто не робив, є деякі напрацювання у США і Японії, але за межі лабораторій вони не виходили. Отже, фахівці з КНР мають вирішити безліч надскладних завдань у галузі матеріалознавства.
Потенційним труднощам у розробці присвячена більша частина статті китайських учених. Серед них:
- розробка вольфрамових, ренієвих і молібденових сплавів, технології виготовлення металевих композитів із них для трубопроводів першого контуру (а також методів обробки і зварювання таких матеріалів);
- випробування і доведення сепаратора для відокремлення гелію від літію (він виробляється під час опромінення) у першому контурі, що має працювати в невагомості (раніше їх випробовували тільки на Землі);
- створення матеріалів для лопаток газової турбіни, якій належить протягом десятиліть безперервно працювати за температури 1500 градусів;
- відпрацювання технологій виготовлення вуглець-вуглецевих композитів для основного радіатора системи охолодження (в листах якого будуть укладені теплотрубки);
- розробка уран-нітридного керамічного керамічного ядерного палива.
Особливий акцент китайські вчені зробили на тому, що ці, а також багато інших знань і технологій, яких бракує, тією чи іншою мірою набули розвитку за кордоном. Автори статті виокремили 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 буде ним володіти. В іншому разі країна ризикує відстати від інших учасників космічних перегонів XXI століття.
Фото прототипу частини агрегатів перспективної космічної атомної енергетичної установки / © YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica
Чимала частина необхідних технологій уже 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 удосконалення, необхідні для повноцінної роботи установки тривалий час.