محطة للطاقة النووية للصواريخ. تاريخ المنشآت النووية الفضائية المحلية محطة الطاقة النووية للصواريخ

في عام 2009، قررت اللجنة التابعة لرئيس الاتحاد الروسي للتحديث والتطوير التكنولوجي للاقتصاد الروسي تنفيذ مشروع "إنشاء وحدة نقل وطاقة تعتمد على محطة طاقة نووية من فئة ميجاوات".
تم تعيين JSC NIKIET كمصمم رئيسي لمصنع المفاعل.
أصدرت وكالة الفضاء الاتحادية ترخيص NIKIET رقم 981K بتاريخ 29 أغسطس 2008 للقيام بالأنشطة الفضائية.

من مقابلة مع يو.جي. دراغونوف ريا "". تم النشر في 28/08/2012

تعمل روسيا بنشاط على تطوير الطاقة النووية، بالاعتماد على الخبرة والمعرفة الهائلة المتراكمة على مدى عقود من البرنامج النووي المحلي.
أحد رواد ابتكار التقنيات المتقدمة في بلدنا وفي العالم هو معهد البحث والتصميم لهندسة الطاقة الذي سمي على اسم N.A. Dollezhal (NIKIET)، تحتفل بالذكرى الستين لتأسيسها هذا العام. قدم المتخصصون في المعهد مساهمة لا تقدر بثمن في القدرة الدفاعية لبلدنا، وطوروا تصميمات لأول مفاعل لإنتاج النظائر المستخدمة في صنع الأسلحة، وأول تركيب مفاعل لغواصة نووية، وأول مفاعل طاقة لمحطة للطاقة النووية. بناءً على المشاريع وبمشاركة NIKIET، تم إنشاء 27 مفاعلًا بحثيًا في روسيا والخارج.
واليوم يقوم المعهد ببناء مفاعلات جديدة تمامًا، ويعمل على إنشاء مفاعل لمحطة طاقة نووية فريدة من نوعها من فئة ميجاوات لمركبة فضائية، والتي لا يوجد لها نظائرها في العالم.
تحدث المدير - المصمم العام لشركة NIKIET، والعضو المراسل في الأكاديمية الروسية للعلوم، يوري غريغوريفيتش دراغونوف، لوكالة ريا نوفوستي عن كيفية تقدم العمل في مجالات الاختراق في العلوم والتكنولوجيا النووية الروسية.
- يقوم المعهد بإنشاء محرك نووي فريد لمركبة فضائية روسية جديدة. وفي أي مرحلة وصل هذا المشروع الآن؟
- طوال 60 عامًا من وجوده، اتبع المعهد شعار المؤسس والمدير الأول لـ NIKIET، الأكاديمي ن.أ. دوليزال: "إذا كنت تستطيع، فامضي قدماً إلى الأمام". وهذا المشروع دليل على ذلك. يعد إنشاء هذا التثبيت عملاً معقدًا لمركز أبحاث الدولة FSUE "Keldysh Center"، OJSC RSC Energia، KBKhM im. أكون. Isaev وشركات مؤسسة روساتوم الحكومية. تم تعيين معهدنا باعتباره المقاول الوحيد لتركيب المفاعل وتم تعيينه كمنسق للعمل من جانب مؤسسات روساتوم. العمل فريد من نوعه حقًا، ولا يوجد نظائره اليوم، لذلك فهو صعب للغاية. وبما أننا مؤسسة تصميمية، فلدينا خطوات ومراحل معينة ونمر بها خطوة بخطوة. في العام الماضي انتهينا من تطوير التصميم الأولي لمحطة المفاعل، وفي هذا العام نستكمل التصميم الفني لمحطة المفاعل. ويلزم إجراء قدر كبير من الاختبارات، خاصة فيما يتعلق بالوقود، بما في ذلك دراسات سلوك الوقود والمواد الهيكلية في ظل ظروف المفاعل. سيكون العمل في المشروع الفني طويلاً جدًا، حوالي 3 سنوات، لكننا سنقوم بإعداد المرحلة الأولى من المشروع الفني، الوثائق الرئيسية، هذا العام. لقد حددنا اليوم واتخذنا قرارًا فنيًا بشأن اختيار خيار تصميم عنصر الوقود والقرار الفني النهائي بشأن اختيار خيار تصميم المفاعل. وقبل بضعة أسابيع فقط اتخذنا قرارًا فنيًا بشأن اختيار خيار التصميم للنواة وتخطيطها.
- ما هي المشاكل هناك؟ هل كل شيء يسير بهذه السلاسة حقًا؟
- لدينا اليوم تعاون واسع النطاق، حيث تشارك أكثر من ثلاثين منظمة في تطوير مشروع محطة المفاعل. لقد تم إبرام كافة الاتفاقيات حول هذا الموضوع، وهناك ثقة كاملة بأننا سننجز هذا العمل في الوقت المحدد. يتم تنسيق العمل من قبل مجلس مدير المشروع برئاستي، ونقوم بمراجعة حالة العمل مرة كل ثلاثة أشهر. هناك مشكلة واحدة، لا يسعني إلا أن أذكرها. لسوء الحظ، كما هو الحال في أي مكان آخر في جميع المواضيع، يتم إبرام عقودنا لمدة عام واحد. لقد تم الانتهاء من عملية الاستنتاج، ومع الأخذ في الاعتبار الوقت المخصص للإجراءات التنافسية، فإننا في الواقع نستهلك وقتنا. في NIKIET اتخذت قرارًا؛ سنفتح طلبًا خاصًا ونبدأ العمل في 11 يناير. لكن جذب المشاركين أصعب بكثير. هناك مشكلة، لذلك طلبنا اليوم من المشاركين تقديم خطط لمدة ثلاث سنوات على الأقل قبل اكتمال التطوير. نحن نعمل على صياغة هذه المقترحات، وسنتقدم إلى الحكومة بطلب التحول إلى عقد مدته ثلاث سنوات لهذا المشروع. بعد ذلك سنرى الجدول الزمني بوضوح وننظم وننسق العمل في المشروع بشكل أفضل. حل هذه المشكلة مهم جدًا لنجاح تنفيذ المشروع.
- سيكون هذا مشروعًا روسيًا خالصًا، ولن تجتذبوا أي شركاء أجانب للبحث والتطوير؟
- أعتقد أن المشروع سيكون روسيًا بحتًا. لا يزال هناك الكثير من المعرفة، والعديد من الحلول الجديدة، وفي رأيي، يجب أن يكون المشروع روسيًا بحتًا.
- ما نوع الوقود الذي سيكون في تركيب المفاعل الفضائي؟
- بشكل أساسي، في هذه المرحلة من المشروع الفني، تم اعتماد خيار وقود ثاني أكسيد الكربون. الوقود الذي لديه خبرة في التشغيل في المنشآت ذات الانبعاثات الحرارية. لقد قمنا بتصنيع عنصر الوقود بشكل مقطعي لضمان الظروف التي تم اختبارها بالفعل في تشغيل المفاعلات. نعم هذا جديد، نعم هذا مشروع مبتكر، لكن العناصر الأساسية يجب أن يتم العمل عليها ويجب إنجازها في المواعيد التي حددها المشروع الرئاسي.
- هل تفكر في خيار إعادة تعبئة الوقود في المنشأة؟
- لا، نحن لا نفكر في خيار التحميل الزائد اليوم. قد يكون قابلاً لإعادة الاستخدام، لكننا نتوقع 10 سنوات من التشغيل، وأعتقد، استنادًا إلى نتائج المناقشات التي دارت في المجتمع العلمي مع روسكوزموس، أن مهمة جعل التثبيت يعمل لفترة أطول لم يتم تحديدها اليوم. تناقش وكالة روسكوزموس زيادة قوة التثبيت، لكن هذا، بشكل عام، لن يكون مشكلة إذا أكملنا هذا المشروع، وقمنا بتنفيذه، والأهم من ذلك، اختبار نموذج أولي أرضي في المنصة. بعد ذلك، يمكننا معالجتها بسهولة إلى قوة أكبر.

إنشاء الطاقة النووية وأنظمة دفع الطاقة للأغراض الفضائية

من عام 1960 إلى عام 1989، تم تنفيذ العمل في موقع اختبار سيميبالاتينسك لإنشاء محرك صاروخي نووي.

خلقوا:

مجمع مفاعل IGR؛
مجمع المقاعد "Baikal-1" مع مفاعل IVG-1 ومحطتي عمل لاختبار منتجات 11B91 ؛
مفاعل RA (IRGIT).

مفاعل IGR

مفاعل IGR هو مفاعل نيوتروني حراري نابض ذو قلب متجانس، وهو عبارة عن كومة من كتل الجرافيت المحتوية على اليورانيوم مجمعة على شكل أعمدة. ويتكون عاكس المفاعل من كتل مماثلة لا تحتوي على اليورانيوم.

لا يحتوي المفاعل على تبريد قسري للقلب. يتم تجميع الحرارة المنبعثة أثناء تشغيل المفاعل بواسطة البناء، ثم يتم نقلها عبر جدران وعاء المفاعل إلى مياه دائرة التبريد.

مفاعل IGR

مفاعل IVG-1 وأنظمة إمداد المكونات

مفاعل RA (IRGIT)

النتائج المحققة

1962-1966

تم إجراء الاختبارات الأولى لقضبان الوقود النموذجية NRE في مفاعل IGR. أكدت نتائج الاختبار إمكانية إنشاء عناصر وقود ذات أسطح تبادل حراري صلبة تعمل عند درجات حرارة أعلى من 3000 كلفن، وتدفقات حرارية محددة تصل إلى 10 ميجاوات/م2 في ظل ظروف إشعاع نيوتروني وغاما قوي (تم تنفيذ 41 عملية إطلاق، و26 نموذجًا لتجميع الوقود تم اختبار التعديلات المختلفة).

1971-1973

تم إجراء الاختبارات الديناميكية لوقود NRE عالي الحرارة من أجل القوة الحرارية في مفاعل IGR، والتي تم خلالها تحقيق المعلمات التالية:

إطلاق طاقة محددة في الوقود – 30 كيلو واط/سم3
تدفق حرارة محدد من سطح عناصر الوقود – 10 ميجاوات/م2
درجة حرارة سائل التبريد – 3000 ك
معدل التغير في درجة حرارة سائل التبريد مع زيادة وتناقص الطاقة – 1000 ك/ث
مدة الوضع الاسمي – 5 ثانية

1974-1989

وفي مفاعل IGR، تم اختبار مجموعات الوقود لأنواع مختلفة من المفاعلات التي تعمل بالطاقة النووية ووحدات الدفع النووي ومحطات الغاز الديناميكي التي تحتوي على الهيدروجين والنيتروجين والهيليوم ومبردات الهواء.

1971-1993

تم إجراء بحث حول إطلاق الوقود في سائل تبريد غازي (الهيدروجين، النيتروجين، الهيليوم، الهواء) في نطاق درجة حرارة 400...2600 كلفن وترسيب منتجات الانشطار في دوائر الغاز، والتي كانت مصادرها عبارة عن مجمعات وقود تجريبية موجودة في مفاعلات IGR وRA.

المؤشرات المقارنة للنتائج التي تم الحصول عليها في مفاعل IVG-1
ووفقًا لبرامج تطوير الصواريخ التي تعمل بالطاقة النووية في الولايات المتحدة الأمريكية

اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية
1961-1989
الأموال التي أنفقت، مليار دولار ~ 0,3
5
عنصر الحكمة
تكوين الوقود
جامعة كاليفورنيا-زرك،
جامعة كاليفورنيا-زرك-إن بي سي

المتوسط/الحد الأقصى، ميغاواط/لتر 15 / 33
3100
دفعة التوجه محددة، ق ~ 940
4000

الولايات المتحدة الأمريكية
فترة الإجراءات النشطة حول هذا الموضوع 1959-1972
الأموال التي أنفقت، مليار دولار ~2,0
عدد وحدات المفاعل المصنعة 20
مبادئ التطور والإبداع أساسي
تكوين الوقود محلول صلب
UC2 في الجرافيت
مصفوفة
الكثافة الحرارية للمنطقة النشطة،
المتوسط/الحد الأقصى، ميغاواط/لتر 2,3 / 5,1
الحد الأقصى لدرجة الحرارة المحققة لسائل العمل، K 2550 2200
دفعة التوجه محددة، ق ~ 850
عمر التشغيل عند أقصى درجة حرارة لسائل العمل، s 50 2400

لقد شهدنا بالأمس، ودون أي مبالغة، حدثًا تاريخيًا يفتح آفاقًا جديدة ورائعة تمامًا للمعدات العسكرية و(في المستقبل) الطاقة والنقل بشكل عام.

لكن أولاً، أود أن أفهم كيف تعمل محطة الطاقة النووية للصواريخ والمركبات تحت الماء التي تحدث عنها بوتين. ما هي القوة الدافعة فيه بالضبط؟ من أين يأتي الجر؟ ليس بسبب هروب النيوترونات من الفوهة...

عندما علمت من كلمات أحد الزملاء أننا صنعنا صواريخ ذات مدى طيران غير محدود تقريبًا، أذهلتني. ويبدو أنه ينقصه شيء ما، وقد وردت كلمة "غير محدود" بمعنى ضيق.

لكن المعلومات التي تم الحصول عليها بعد ذلك من المصدر الأساسي لم تثير أي شك. دعني أذكرك، بدا الأمر كالتالي:

أحدها هو إنشاء محطة طاقة نووية صغيرة الحجم وفائقة القوة، يتم وضعها في جسم صاروخ كروز مثل أحدث صاروخ لدينا X-101 الذي يطلق من الجو أو صاروخ توماهوك الأمريكي، ولكن في نفس الوقت يوفر عشرات المرات - عشرات المرات! - مدى طيران طويل، وهو غير محدود عمليا.

حسنا، اللعنة! حسنًا أيها العباقرة! هذا لن يخطر ببال أي شخص عادي!

لذلك، حتى الآن لم نعرف سوى أنظمة الدفع النووي للصواريخ الفضائية. تحتوي الصواريخ الفضائية بالضرورة على مادة، عند تسخينها أو تسريعها بواسطة مسرع مدعوم من محطة للطاقة النووية، يتم إخراجها بقوة من فوهة الصاروخ وتزوده بالدفع.

وفي هذه الحالة يتم استهلاك المادة وتكون مدة تشغيل المحرك محدودة.

مثل هذه الصواريخ كانت موجودة بالفعل وستظل موجودة. ولكن كيف يتحرك نوع جديد من الصواريخ إذا كان مداه "غير محدود فعليا"؟

محطة للطاقة النووية للصواريخ

ومن الناحية النظرية البحتة، بالإضافة إلى الدفع من المادة المتوفرة في الصاروخ، فإن حركة الصاروخ ممكنة بسبب دفع المحركات الكهربائية ذات “المراوح” (المحرك اللولبي). يتم إنتاج الكهرباء بواسطة مولد يعمل بواسطة محطة للطاقة النووية.

لكن مثل هذه الكتلة لا يمكن الاحتفاظ بها في الهواء بدون جناح كبير يحركه المروحة، وحتى مع مراوح ذات قطر صغير - فإن هذا الدفع صغير جدًا. لكن هذا صاروخ وليس طائرة بدون طيار.

لذلك، ما تبقى هو الطريقة غير المتوقعة، وكما تبين، الطريقة الأكثر فعالية لتزويد الصاروخ بمادة للدفع - أخذه من الفضاء المحيط.

وهذا يعني أنه مهما بدا الأمر مفاجئًا، فإن الصاروخ الجديد يعمل "في الهواء"!

بمعنى أنه هواء ساخن بالضبط هو الذي يتسرب من فوهته وليس أكثر! ولن ينفد الهواء أثناء وجود الصاروخ في الغلاف الجوي. ولهذا السبب يعتبر هذا الصاروخ صاروخ كروز، أي. رحلتها تتم بالكامل في الغلاف الجوي.

حاولت تقنيات الصواريخ بعيدة المدى الكلاسيكية جعل الصاروخ يطير أعلى لتقليل الاحتكاك بالهواء وبالتالي زيادة مداه. وكما هو الحال دائمًا، كسرنا القالب وصنعنا صاروخًا لم يكن كبيرًا فحسب، بل كان له مدى غير محدود في الهواء.

يتيح نطاق الطيران غير المحدود لهذه الصواريخ أن تعمل في وضع الاستعداد. ويصل الصاروخ المطلق إلى منطقة الدورية ويدور هناك في انتظار معلومات استطلاع إضافية عن الهدف أو وصول الهدف إلى المنطقة. وبعد ذلك، بشكل غير متوقع بالنسبة للهدف، فإنه يهاجمه على الفور.

محطة للطاقة النووية للمركبات تحت الماء

أعتقد أن محطة الطاقة النووية المخصصة للمركبات تحت الماء التي تحدث عنها بوتين مشابهة. باستثناء أنه يتم استخدام الماء بدلاً من الهواء.

بالإضافة إلى ذلك، يتضح هذا من خلال حقيقة أن هذه المركبات تحت الماء لديها ضوضاء منخفضة. طوربيد شكفال الشهير، الذي تم تطويره في العصر السوفييتي، كانت سرعته حوالي 300 كم/ساعة، لكنه كان صاخبًا للغاية. لقد كان في الأساس صاروخًا يطير في فقاعة هواء.

وراء الضوضاء المنخفضة يوجد مبدأ جديد للحركة. وهو نفسه كما في الصاروخ، لأنه عالمي. لن يكون هناك سوى بيئة ذات الحد الأدنى من الكثافة المطلوبة.

سيكون اسم "Squid" مناسبًا تمامًا لهذا الجهاز، لأنه في جوهره محرك نفاث مائي في "نسخة نووية" :)

أما السرعة فهي أكبر بعدة مرات من سرعة أسرع السفن السطحية. أسرع السفن (أي السفن، وليس القوارب) تصل سرعتها إلى 100-120 كم/ساعة. لذلك، مع الحد الأدنى من المعامل 2 نحصل على سرعة 200-250 كم/ساعة. تحت الماء. وليس صاخبة جدا. وبمدى يصل إلى آلاف الكيلومترات... كابوس لأعدائنا.

يعد المدى المحدود نسبيًا مقارنة بالصاروخ ظاهرة مؤقتة ويتم تفسيره بحقيقة أن مياه البحر ذات درجة الحرارة المرتفعة تمثل بيئة عدوانية للغاية وأن مواد غرفة الاحتراق محدودة نسبيًا. بمرور الوقت، لا يمكن زيادة نطاق هذه الأجهزة بشكل كبير إلا من خلال إنشاء مواد جديدة أكثر استقرارًا.

محطة للطاقة النووية

بضع كلمات عن محطة الطاقة النووية نفسها.

1. عبارة بوتين تذهل الخيال:

مع حجم أصغر مائة مرة من حجم منشآت الغواصات النووية الحديثة، فهي تتمتع بقوة أكبر ووقت أقل 200 مرة للوصول إلى وضع القتال، أي إلى أقصى قوة.

هذه هي الأفكار.

1. لا يمكن تحقيق زيادة جذرية بمقدار أمرين في إنتاج الطاقة لكل وحدة كتلة إلا إذا كان وضع تشغيل المفاعل النووي يقترب من الوضع المتفجر. وفي الوقت نفسه، يتم التحكم في المفاعل بشكل موثوق.

2. بما أن العملية شبه المتفجرة مضمونة بشكل موثوق، فمن المرجح أن يكون هذا مفاعل نيوتروني سريع. في رأيي، هم فقط من يمكنهم استخدام وضع التشغيل الحرج هذا بأمان. بالمناسبة، بالنسبة لهم الوقود على الأرض يستمر لعدة قرون.

3. إذا اكتشفنا بمرور الوقت أن هذا مفاعل نيوتروني بطيء، فإنني أخلع قبعتي إجلالاً لعلمائنا النوويين، لأنه من المستحيل تصديق ذلك بدون بيان رسمي.

على أية حال، فإن شجاعة وبراعة علمائنا النوويين مذهلة وتستحق أعلى كلمات الإعجاب! من الجميل بشكل خاص أن يعرف رجالنا كيفية العمل بصمت. وبعد ذلك يضربونك بالخبر على رأسك - فإما أن تقف أو تسقط! :)

كيف تعمل
يبدو هذا مخططًا دلاليًا تقريبيًا لتشغيل محرك صاروخي يعتمد على محطة للطاقة النووية.

1. يتم فتح صمام المدخل نسبيًا. يمر تدفق الهواء الوارد من خلاله إلى غرفة التسخين، والتي يتم تسخينها باستمرار عن طريق تشغيل المفاعل.

2. يتم إغلاق صمام الدخول.

3. يسخن الهواء الموجود في الغرفة.

4. ينفتح صمام العادم ويخرج الهواء من فوهة الصاروخ بسرعة عالية.

5. يتم إغلاق صمام المخرج.

تتكرر الدورة بتردد عالٍ. ومن هنا تأثير التشغيل المستمر.

ملاحظة. أكرر أن الآلية الموضحة أعلاه هي آلية دلالية. يتم تقديمه بناءً على طلب القراء من أجل فهم أفضل لكيفية عمل هذا المحرك بشكل عام. في الواقع، من الممكن أن يكون قد تم تنفيذ محرك نفاث. الشيء الرئيسي في هذه المقالة ليس تحديد نوع المحرك، ولكن تحديد المادة (الهواء الداخل) المستخدمة باعتبارها سائل العمل الوحيد الذي يوفر قوة الدفع للصاروخ.

أمان

يرتبط استخدام اكتشاف العلماء الروس في القطاع المدني ارتباطًا وثيقًا بسلامة محطة الطاقة النووية. ليس بمعنى انفجارها المحتمل - أعتقد أن هذه المسألة قد تم حلها - ولكن بمعنى سلامة عادمها.

من الواضح أن حماية المحرك النووي صغير الحجم أقل من الحماية التي يوفرها محرك نووي كبير، لذا من المؤكد أن النيوترونات سوف تخترق "غرفة الاحتراق"، أو بالأحرى، غرفة تسخين الهواء، مما يجعل كل شيء يمكن تصنيعه مشعًا مع بعض الاحتمال. المشعة في الهواء.

يحتوي النيتروجين والأكسجين على نظائر مشعة ذات نصف عمر قصير وليست خطيرة. الكربون المشع هو شيء طويل العمر. ولكن هناك أيضًا أخبار جيدة.

يتشكل الكربون المشع في الطبقات العليا من الغلاف الجوي تحت تأثير الأشعة الكونية، وبالتالي لن يكون من الممكن إلقاء اللوم في كل شيء على المحركات النووية. لكن الأهم من ذلك هو أن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الهواء الجاف يبلغ 0.02÷0.04% فقط.

وإذا أخذنا في الاعتبار أن نسبة الكربون الذي يصبح مشعاً لا تزال أقل بعدة مراتب، فيمكننا أن نفترض مبدئياً أن العادم الناتج عن المحركات النووية ليس أكثر خطورة من العادم الصادر عن محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم.

ستظهر معلومات أكثر دقة عندما يتعلق الأمر بالاستخدام المدني لهذه المحركات.

الآفاق

بصراحة، الآفاق مبهرة. علاوة على ذلك، أنا لا أتحدث عن التقنيات العسكرية، كل شيء واضح هنا، ولكن عن استخدام التقنيات الجديدة في القطاع المدني.

أين يمكن استخدام محطات الطاقة النووية؟ حتى الآن، مرتجلا، من الناحية النظرية بحتة، في المستقبل 20-30-50 سنة.

1. الأسطول بما في ذلك المدني والنقل. سيتعين تحويل الكثير إلى القارب المحلق. ولكن يمكن مضاعفة السرعة بسهولة/ثلاث مرات، ولن تنخفض تكلفة التشغيل إلا على مر السنين.

2. الطيران، والنقل في المقام الأول. على الرغم من أنه إذا تبين أن السلامة من حيث مخاطر التعرض ضئيلة، فيمكن استخدامها أيضًا في النقل المدني.

3. الطيران بالإقلاع والهبوط العمودي. استخدام خزانات الهواء المضغوط التي يتم تجديدها أثناء الرحلة. خلاف ذلك، عند السرعات المنخفضة، لا يمكن توفير الجر اللازم.

4. قاطرات القطارات الكهربائية فائقة السرعة. استخدام مولد كهربائي متوسط.

5. الشاحنات الكهربائية. وأيضا بالطبع باستخدام مولد كهربائي وسيط. أعتقد أن هذا سيحدث في المستقبل البعيد، عندما يمكن تقليل محطات الطاقة عدة مرات. لكنني لا أستبعد هذا الاحتمال.

ناهيك عن الاستخدام الأرضي/المتنقل لمحطات الطاقة النووية. إحدى المشاكل هي أن تشغيل مثل هذه المفاعلات النووية الصغيرة الحجم لا يتطلب اليورانيوم/البلوتونيوم، بل عناصر مشعة أكثر تكلفة بكثير، والتي لا يزال إنتاجها في المفاعلات النووية مكلفًا للغاية ويستغرق وقتًا. ولكن يمكن أيضًا حل هذه المشكلة بمرور الوقت.

أيها الأصدقاء، لقد بدأ عصر جديد في مجال الطاقة والنقل. ومن الواضح أن روسيا ستصبح الرائدة في هذه المجالات خلال العقود القادمة.

أرجو أن تتقبلوا تهنئتي.
لن يكون مملا!

تم العثور على أول استخدام واسع النطاق للبطاريات الذرية في الفضاء، حيث كانت هناك حاجة إلى مصادر طاقة قادرة على توليد الحرارة والكهرباء لفترة طويلة، في ظل ظروف تغيرات حادة وقوية جدًا في درجات الحرارة، وتحت أحمال متغيرة كبيرة، و لأنه في ظروف الرحلات الجوية غير المأهولة، لم يشكل الانبعاث الراديوي من مصدر الطاقة تهديدًا كبيرًا (هناك ما يكفي من الإشعاع في الفضاء حتى بدونه). مصادر الطاقة الكيميائية لم تثبت قيمتها. وهكذا، عندما تم إطلاق أول قمر صناعي للأرض في مداره في 4 أكتوبر 1957 في الاتحاد السوفييتي، كانت بطارياته الكيميائية قادرة على توفير الطاقة لمدة 23 يومًا. وبعد ذلك، استنفدت قوتهم. تعتبر الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون فعالة فقط للرحلات الجوية القريبة من الشمس، فهي غير مناسبة للرحلات الجوية إلى الكواكب البعيدة في النظام الشمسي.

هناك نوعان من طرق تحويل الطاقة في المركبات الفضائية: المباشرة والميكانيكية. تنقسم أنواع محولات الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية إلى ثابتة (أي بدون أجزاء متحركة) وديناميكية (أي مع أجزاء متحركة أو دوارة أو متحركة). لا تزال مشكلة اختيار نوع تحويل الطاقة ذات صلة بمطوري المحولات المختلفة ومحطات الطاقة النووية الفضائية (SNPPs) القائمة عليها.

وهكذا، وفي إطار مبادرة ناسا المعروفة بشأن محطات الطاقة النووية الفضائية، تم اختيار محول ديناميكي (تركيب توربينات الغاز على أساس دورة برايتون) لتنفيذ برنامج بروميثيوس لمشروع جيمو (البعثة المدارية إلى الفضاء). أقمار المشتري الجليدية). عمر الخدمة لمحطة الطاقة النووية هو 10 سنوات بقدرة إنتاجية كهربائية تبلغ 250 كيلووات (كهرباء).

منذ أوائل الستينيات، اكتسب العمل على التحويل المباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية على أساس المحولات الحرارية والحرارية نطاقًا واسعًا في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية وعدد من البلدان الأخرى. تعمل طرق تحويل الطاقة هذه على تبسيط تصميم المنشآت بشكل أساسي، والقضاء على المراحل المتوسطة لتحويل الطاقة وتجعل من الممكن إنشاء منشآت طاقة مدمجة وخفيفة الوزن.

استخدم اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية البطاريات النووية في الأقمار الصناعية من نوع كوزموس. في سبتمبر 1965، تم إطلاق المولدات الكهروحرارية للنظائر المشعة (RTGs) Orion-1 بقوة كهربائية تبلغ 20 واط كجزء من أجهزة Cosmos-84 وCosmos-90. كان وزن RTG 14.8 كجم، وكان عمر التصميم 4 أشهر. تم تصميم أمبولات RTG التي تحتوي على البولونيوم 210 وفقًا لمبدأ ضمان السلامة والضيق في جميع الحوادث. وقد تم تبرير هذا المبدأ خلال حوادث إطلاق المركبات في عام 1969، عندما ظلت كتلة الوقود التي تحتوي على 25000 كوري من البولونيوم 210 مغلقة، على الرغم من التدمير الكامل للأجسام.

تم تجهيز مركبة الأبحاث لونوخود 1، التي أطلقها الاتحاد السوفييتي على سطح القمر في نوفمبر 1970، بالنظائر المشعة (بولونيوم-210) لتنظيم درجة الحرارة. تم تشغيل لونوخود 1 لمدة 322 يومًا. وعلى مدار 11 يومًا قمريًا، قطع مسافة 10.5 كيلومترًا، واستكشف منطقة بحر الأمطار، وأجرى مسحًا طبوغرافيًا تفصيليًا لمساحة 80 ألف متر مربع. سطح القمر. وخلال هذه الفترة، تم إجراء 171 جلسة اتصال باستخدام أنظمة الراديو والتلفزيون لونوخود-1، وتم نقل أكثر من 200 ألف صورة لسطح القمر إلى الأرض. كما تم تشغيل مولد التيار الكهروحراري بالنظائر المشعة بنجاح على المركبة الفضائية لونوخود -2.

تعد مصادر الطاقة المزودة بالنظائر طويلة العمر ضرورية بشكل خاص للمسابير الفضائية في "الرحلات الطويلة" إلى الكواكب البعيدة. لذلك، كان على متن مسباري فايكنغ الأميركيين، اللذين هبطا على المريخ في يوليو وسبتمبر 1976 بهدف البحث عن حياة ذكية هناك، مولدان للنظائر المشعة لتوفير الطاقة لمركبة الهبوط. وتتلقى المحطات الفضائية القريبة من الأرض، مثل ساليوت (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) وسكاي لاب (الولايات المتحدة الأمريكية)، الطاقة من الألواح الشمسية التي تعمل بالطاقة الشمسية. ومع ذلك، لا يمكن تجهيز مجسات كوكب المشتري بألواح شمسية. إن الإشعاع الشمسي الذي يستقبله المسبار بالقرب من كوكب المشتري البعيد غير كافٍ على الإطلاق لتوفير الطاقة للجهاز. بالإضافة إلى ذلك، خلال رحلة فضائية من الأرض إلى كوكب المشتري، من الضروري التغلب على مسافات هائلة بين الكواكب بمدة رحلة تتراوح من 600 إلى 700 يوم. بالنسبة لمثل هذه المهام الفضائية، فإن أساس النجاح هو موثوقية محطات الطاقة. ولذلك فإن المسبارين الأمريكيين لكوكب المشتري - بايونير 10، اللذين انطلقا في فبراير 1972، ووصلا في ديسمبر 1973 إلى أقرب نقطة لكوكب المشتري، وكذلك خليفته بايونير 2 - تم تجهيزهما بأربع بطاريات قوية من البلوتونيوم 238 موضوعة في مكان قريب من كوكب المشتري. نهايات الأقواس بطول 27 مترًا، وفي عام 1987، طار بايونير 10 بالقرب من أبعد كوكب عن الأرض - بلوتو، ثم غادر هذا الجسم الكوني الناتج على الأرض نظامنا الشمسي.

الجدول 1 الخصائص الرئيسية لمحطات الطاقة النووية التي حصلت على تجربة حقيقية للاستخدام كجزء من المركبات الفضائية في الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفييتي/روسيا

1 – مفاعل 2 - خط أنابيب الدائرة المعدنية السائلة؛ 3 – الحماية من الإشعاع. 4 - خزان التعويض ZhMK؛ 5 - باعث الثلاجة. 6 - تي إي جي؛ 7- هيكل الإطار الحامل.

يمكننا القول أن استخدام مصادر الحرارة بالنظائر المشعة بدلاً من المصادر الكيميائية جعل من الممكن زيادة مدة بقاء الأقمار الصناعية في المدار بعشرات وحتى مئات المرات. ومع ذلك، عند استخدام الأقمار الصناعية ذات الاستهلاك العالي للطاقة، فإن قوة مولدات النظائر المشعة ليست كافية. عندما يكون استهلاك الطاقة أكثر من 500 واط، يكون استخدام تفاعل الانشطار النووي أكثر فعالية من حيث التكلفة، أي. محطات الطاقة النووية الصغيرة.

1 - كتلة من نظام إمداد بخار السيزيوم ومحركات التحكم؛ 2 - الحزب الراديكالي الراديكالي؛ 3 – خط أنابيب ZhMK؛ 4 - ر.ز. 5 - خزان التعويض ZhMK؛ 6 - سي. 7- هيكل الإطار.

منشآت الطاقة النووية مع المولدات الحرارية

يتطلب سباق الفضاء، وخاصة في المجال العسكري، إمدادات من الطاقة من الأقمار الصناعية، أكبر بعشرات المرات مما يمكن أن توفره الألواح الشمسية أو مصادر الطاقة النظائرية. في الواقع، من الصعب بناء محول مباشر عالي الطاقة من الحرارة إلى الكهرباء (باستخدام العناصر الحرارية) استنادًا إلى النظائر المشعة. وفي هذا الصدد، يعد استخدام التفاعل النووي المتسلسل أكثر واعدة. كان هناك 55 مفاعلا نوويا في الفضاء الخارجي في عام 2000. يمكن تقسيم استخدام الطاقة الذرية الحرارية إلى استخدام آلي وأقل آليًا. ويتم توفير الطاقة المطلوبة عن طريق محطات الطاقة النووية المدمجة، والتي، بسبب الحجم المحدود للأقمار الصناعية، يجب أن تعمل بدون مولدات بخار كبيرة أو توربينات. يتمتع التحويل المباشر للطاقة الحرارية النووية إلى طاقة كهربائية بمزايا حاسمة مقارنة بالتحويل الميكانيكي لمحطات توليد الطاقة بالمفاعلات المستقلة ذات الطاقة المنخفضة نسبيًا (من 3 كيلووات إلى 3-5 ميجاوات) وقدرة الموارد الطويلة (من 3 سنوات من التشغيل المستمر إلى 10 سنوات في مستقبل).

تم تصميم محطة الطاقة النووية (NPP) لتزويد الطاقة الكهربائية لمعدات المركبات الفضائية، وذلك باستخدام مبدأ التحويل المباشر للطاقة الحرارية للمفاعل النووي إلى كهرباء في مولد كهربائي حراري من أشباه الموصلات. يتم التخلص من محطات الطاقة النووية بعد انتهاء التشغيل عن طريق النقل إلى المدار، حيث يكون عمر المفاعل كافياً لتحلل المنتجات الانشطارية إلى مستوى آمن (300 عام على الأقل). في حالة وقوع أي حوادث مع مركبة فضائية، تشتمل محطة الطاقة النووية على نظام إضافي عالي الفعالية للسلامة الإشعاعية يستخدم التشتيت الديناميكي الهوائي للمفاعل إلى مستوى آمن.

إن استخدام محولات الطاقة الكهروحرارية والحرارية مع المفاعلات النووية جعل من الممكن إنشاء نوع جديد بشكل أساسي من التركيبات، حيث تم دمج مصدر الطاقة الحرارية - مفاعل نووي ومحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية - في نظام واحد الوحدة - محول المفاعل.

تحتوي محطة الطاقة النووية النموذجية على: مفاعل نيوتروني سريع مع عاكس جانبي من البريليوم يتضمن 6 قضبان تحكم أسطوانية، وباعث ثلاجة؛ دائرتان لسائل التبريد (صوديوم - بوتاسيوم سهل الانصهار)، ومضخة كهرومغناطيسية، ومولد كهربائي حراري، ومحركات قضبان التحكم؛ حماية الظل من الإشعاع لهيدريد الليثيوم، مما يضمن تخفيف الإشعاع المؤين من المفاعل إلى مستوى مقبول للأجهزة والمعدات الخاصة بالمركبة الفضائية؛ - باعث لإطلاق الحرارة إلى الفضاء من دائرة التبريد الثانية؛ ملحق بوحدات النظام لإخراج مجموعة عناصر وقود المفاعل من وعاء المفاعل. الطاقة الكهربائية - 3 كيلوواط، الطاقة الحرارية - 100 كيلوواط، كتلة محطة الطاقة النووية - 930 كجم، تحميل اليورانيوم 235-30 كجم.

في الخمسينيات، بدأ العمل في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية لإنشاء محطة توليد الطاقة الكهروحرارية للمفاعل "BUK" بمفاعل نيوتروني سريع صغير الحجم ومولد كهربائي حراري يعتمد على عناصر أشباه الموصلات الموجودة خارج المفاعل. تم تشغيل أكثر من 30 منشأة BUK على المركبات الفضائية من سلسلة Cosmos لعدد من السنوات.

في عام 1964 في معهد الطاقة النووية الذي سمي على اسمه. أطلق آي في كورشاتوف أول مفاعل للتحويل المباشر للحرارة إلى كهرباء "روماشكا". الأساس هو مفاعل نيوتروني سريع عالي الحرارة، وتتكون المنطقة النشطة منه من ثنائي كربيد اليورانيوم والجرافيت. قلب المفاعل (الأسطوانة) محاط بعاكس من البريليوم. تبلغ درجة الحرارة في وسط المنطقة النشطة 1770 درجة مئوية، وعلى السطح الخارجي للمفاعل 1000 درجة مئوية. يوجد على السطح الخارجي للعاكس محول كهروحراري يتكون من عدد كبير من رقائق أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون والجرمانيوم، يتم تسخين الجوانب الداخلية منها بواسطة الحرارة المتولدة عن المفاعل، ويتم تبريد الجوانب الخارجية. يتم تشع الحرارة غير المستخدمة من المحول إلى المساحة المحيطة بواسطة ثلاجة المبرد ذات الزعانف. الطاقة الحرارية للمفاعل هي 40 كيلو واط. الطاقة الكهربائية المستخرجة من المحول الحراري هي 500 واط.

يتيح لك محول المفاعل النووي ذو درجة الحرارة العالية توليد الكهرباء مباشرة دون مشاركة أي سوائل أو آليات عمل متحركة. يجسد فيلم "Romashka" بشكل كامل أفكار مفاعل التحويل المباشر: لا يوجد شيء يتحرك هناك. وعلى عكس مفاعل SNAP-10A الأمريكي، لا يوجد مبرد أو مضخات. واضطر الأمريكيون إلى التخلي عن نسختهم من المفاعل بسبب موقعهم الهش في مجال علم المواد ذات درجات الحرارة المرتفعة.

تم تشغيل مفاعل تحويل روماشكا بنجاح لمدة 15000 ساعة (بدلاً من 1000 ساعة المتوقعة)، وتم توليد 6100 كيلوواط ساعة من الكهرباء. أظهرت مجموعة الأعمال المكتملة مع تركيب Romashka موثوقيتها المطلقة و
أمان.

يمكن زيادة كفاءة تشغيل هذه المولدات باستخدام، بدلاً من محول الطاقة الحرارية، عناصر حرارية معيارية مسطحة تقع على حدود القلب والعاكس الشعاعي.

على أساس تركيب "روماشكا"، تم إنشاء محطة "غاما" التجريبية - نموذج أولي لمحطة الطاقة النووية المستقلة القابلة للنقل "إيلينا" بقدرة كهربائية تصل إلى 500 كيلوواط، مخصصة لتزويد المناطق النائية بالطاقة.

تم تطوير أول محطة للطاقة النووية الفضائية في بلدنا (KNPP) "BES-5" مزودة بمفاعل نيوتروني سريع متجانس ومولد كهروحراري (TEG) لتشغيل معدات المركبة الفضائية للاستطلاع الراداري في موقع الإطلاق وخلال كامل فترة الإطلاق. وجود نشط للقمر الصناعي في مدار دائري على ارتفاع حوالي 260 كم. تبلغ طاقة الخرج المولدة لـ "BES-5" 2800 واط، بمورد 1080 ساعة. في 3 أكتوبر 1970، تم إطلاق محطة الطاقة النووية BES-5 كجزء من مركبة الاستطلاع الرادارية الفضائية (Cosmos-367). بعد 9 عمليات إطلاق لمحطة الطاقة النووية BES-5، تم اعتمادها من قبل البحرية السوفيتية في عام 1975. في المجمل، بحلول الوقت الذي تم فيه إيقاف تشغيل محطة الطاقة النووية BES-5 (1989)، تم إطلاق 31 منشأة إلى الفضاء.

أثناء تشغيل التركيب، تم العمل على تحسين وتحديث BES، المرتبط بزيادة الأمان الإشعاعي، وزيادة الطاقة الكهربائية في نهاية العمر إلى 3 كيلوواط، وزيادة العمر إلى 6-12 شهرًا. تم الإطلاق الأول للنسخة الحديثة من محطة الطاقة النووية في 14 مارس 1988 كجزء من المركبة الفضائية Cosmos-1932.

الجدول 2 المولدات الكهربائية الحرارية للنويدات المشعة (RTG) ووحدات التسخين (HU) المعتمدة على البولونيوم-210 والبلوتونيوم-238، ومصدر إشعاع غاما (IR) المعتمد على الثوليوم-170

الممثل النموذجي لـ KNPP، الذي يستخدم كمصادر طاقة للأقمار الصناعية الراديوية القوية (محطات الرادار الفضائية ومحطات البث التلفزيوني)، مع التحويل المباشر للحرارة إلى كهرباء، هو تركيب Buk، والذي كان في الواقع TEG - محول Ioffe لأشباه الموصلات، فقط بدلاً من مصباح الكيروسين تم استخدام مفاعل نووي. كالعادة، تم وضع أحد تقاطع أشباه الموصلات في البرد، والآخر في الحرارة: يجري تيار كهربائي بينهما. لا حرج في البرودة في الفضاء، فهي في كل مكان. بالنسبة للحرارة، كان المبرد المعدني الذي يغسل المفاعل النووي المحمول مناسبا. لقد كان مفاعلًا سريعًا بقدرة تصل إلى 100 كيلووات. وبلغت الحمولة الكاملة لليورانيوم عالي التخصيب حوالي 30 كيلوغراما. تم نقل الحرارة من القلب عن طريق المعدن السائل - وهو سبيكة سهلة الانصهار من الصوديوم والبوتاسيوم - إلى بطاريات أشباه الموصلات. وصلت الطاقة الكهربائية إلى 5 كيلو واط. وقت تشغيل بوك هو 1-3 أشهر. الآن بالجودة، واستمر حتى بداية البيريسترويكا. من عام 1970 إلى عام 1988، تم إطلاق حوالي 30 قمرًا صناعيًا للرادار إلى الفضاء مع محطات بوك للطاقة النووية ومفاعلات تحويل أشباه الموصلات. وفي حالة فشل التثبيت، يتم نقل القمر الصناعي إلى مدار طويل المدى على ارتفاع 1000 كيلومتر.

ترتبط الإنجازات الرئيسية للعلوم والتكنولوجيا المحلية في مجال التكنولوجيا الكهروحرارية للبعثات الفضائية بالبحث والتطوير لإنشاء محطة روماشكا للطاقة النووية ومحطة BUK للطاقة النووية والتجربة الحقيقية لتشغيلها في الفضاء في الفترة 1970- 1988. خلال 32 عملية إطلاق.

منشآت الطاقة النووية مع محولات الانبعاثات الحرارية

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، بالتوازي مع العمل على إنشاء محطات الطاقة النووية مع المولدات الحرارية، تم تنفيذ العمل على محطات الطاقة النووية مع المحولات الحرارية التي لها خصائص تقنية أعلى. في الأساس، المبدأ المستخدم هنا هو نفسه كما هو الحال في محول أشباه الموصلات، ولكن بدلاً من الوصلة الباردة والساخنة، يتم استخدام كاثود كاربيدوران ساخن وأنود فولاذي بارد، ويوجد بينهما أبخرة السيزيوم المتأينة بسهولة. والتأثير هو فرق جهد كهربائي، أي محطة طاقة كونية طبيعية. يتيح التحويل الحراري، مقارنةً بالتحويل الكهروحراري، زيادة الكفاءة وزيادة عمر الخدمة وتحسين خصائص الوزن والحجم لمحطة الطاقة والمركبة الفضائية ككل. مبدأ التحويل الحراري للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية هو أن السطح المعدني، الذي يتم تسخينه بواسطة الحرارة المتولدة في المفاعل، ينبعث بشكل فعال أيونات يتم امتصاصها بواسطة جدار مبرد يقع مع فجوة صغيرة.

في 1970-1971، تم إنشاء محطة الطاقة النووية الحرارية "توباز" (المحول التجريبي الحراري في القلب) في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، والتي استخدمت مفاعلًا حراريًا بقدرة تصل إلى 150 كيلووات. وكانت حمولة اليورانيوم الكاملة 31.1 كجم من 90% يورانيوم 235. وزن التركيب 1250 كجم. كان أساس المفاعل عناصر الوقود - "أكاليل". وهي تتألف من سلسلة من العناصر الحرارية: كان الكاثود عبارة عن "كشتبان" مصنوع من التنغستن أو الموليبدينوم، مملوء بأكسيد اليورانيوم، وكان الأنود عبارة عن أنبوب نيوبيوم رقيق الجدران يتم تبريده بواسطة سائل الصوديوم والبوتاسيوم. وصلت درجة حرارة الكاثود إلى 1650 درجة مئوية. الطاقة الكهربائية 10 كيلو واط. يتمتع "التوباز" بكفاءة تحويل كهروحرارية تبلغ 5-10% مقابل 2-4% للمفاعلات السابقة.

بالإضافة إلى اليورانيوم 235، يعتبر ثاني أكسيد البلوتونيوم 238 واعدًا كوقود للمفاعلات الفضائية، وذلك بسبب إطلاقه للطاقة النوعية العالية جدًا. في هذه الحالة، يتم تعويض الكفاءة المنخفضة نسبيًا لمفاعل التحويل الحراري المباشر من خلال إطلاق الطاقة النشطة للبلوتونيوم-238.

تم اختبار محولين مفاعلين حراريين على النيوترونات المتوسطة (بدون وسيط) - "توباز-1" و"توباز-2" بقدرة كهربائية تبلغ 5 و10 كيلوواط، على التوالي. في منشأة توباز، يتم إجراء تحويل الطاقة المباشر (بدون آلة) في قنوات توليد الطاقة المدمجة في قلب مفاعل حراري صغير الحجم. تم تجهيز تركيب Topaz-1 بمحول مفاعل حراري ومبرد معدني سائل (الصوديوم والبوتاسيوم أو الليثيوم). مبدأ التحويل المباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية يتمثل في تسخين الكاثود في الفراغ إلى درجة حرارة عالية مع الحفاظ على الأنود باردا نسبيا، في حين "تتبخر" (تنبعث) الإلكترونات من سطح الكاثود، والتي، بعد أن طارت من خلاله الفجوة البينية بين الأقطاب، "تتكثف" على الأنود، وعند إغلاقها تحمل الدائرة الخارجية تيارًا كهربائيًا من خلالها. الميزة الرئيسية لمثل هذا التثبيت مقارنة بمولدات الآلات الكهربائية هي عدم وجود أجزاء متحركة. إن تنفيذ مفهوم محول مفاعل النيوترونات السريع المبرد بالليثيوم في المستقبل قد يجعل من الممكن حل مشكلة إنشاء منشأة بقوة كهربائية تتراوح بين 500 و 1000 كيلو واط أو أكثر.

تحتوي محطة الطاقة النووية على: مفاعل محول حراري مع وسيط هيدريد الزركونيوم وعاكس جانبي من البريليوم، بما في ذلك أدوات التحكم الدوارة؛ نظام محول المفاعل: محركات التحكم لتزويد السيزيوم إلى قنوات توليد الطاقة، مرتبة في وحدة تقع أمام محول المفاعل؛ حماية من الإشعاع الظلي مصنوعة من هيدريد الليثيوم، مما يضمن تخفيف إشعاع المفاعل إلى مستويات مقبولة لأجهزة المركبات الفضائية؛ نظام لإزالة الحرارة غير المستخدمة من المفاعل مع المبرد (الصوديوم والبوتاسيوم سهل الانصهار)، بما في ذلك مضخة كهرومغناطيسية مدعومة بالكهرباء من مفاعل المحول، ومبرد لتصريف الحرارة في الفضاء الخارجي ووحدات أخرى. الطاقة الكهربائية - 5 كيلووات، الطاقة الحرارية - 150 كيلووات، عمر الخدمة، بما في ذلك التشغيل لمدة تصل إلى سنة واحدة عند وضع 100 كيلووات - 7 سنوات، تحميل اليورانيوم 235 - 11.5 كجم، الوزن - 980 كجم.

الجدول 3: خصائص موجزة لمحطة توباز 1 للطاقة النووية

الوقود النووي في توباز-1 (ثاني أكسيد اليورانيوم المخصب باليورانيوم 235) محاط بنواة من مادة حرارية تعمل ككاثود (باعث) للإلكترونات. إن الحرارة المنبعثة نتيجة انشطار اليورانيوم في المفاعل تؤدي إلى ارتفاع حرارة الباعث إلى 1500-1800 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات. عندما تصطدم الإلكترونات بالأنود (المجمع)، يكون لديها طاقة كافية لأداء عمل على حمل خارجي في دائرة خارجية مغلقة بين أقطاب المحول الحراري (الباعث والمجمع). تبلغ الفجوة بين الأقطاب عدة أعشار المليمتر. يعمل بخار السيزيوم الذي يتم إدخاله في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية (IEG) على تنشيط عملية توليد الكهرباء في المفاعل بشكل كبير. تضمن تصميم محطة توليد الكهرباء نظام سيزيوم مستهلك، حيث تم ضخ بخار السيزيوم عبر منطقة MEZ لإزالة الشوائب. تم امتصاص أبخرة السيزيوم التي مرت عبر منطقة MEZ بواسطة مصيدة تعتمد على البيروجرافيت، وتمت إزالة الشوائب الغازية إلى الفضاء الخارجي. يحتوي نظام السيزيوم على مولد ترموستات لبخار السيزيوم مع سخانات كهربائية، والتي يتم من خلالها الحفاظ على درجة الحرارة المحددة للمنطقة الأكثر برودة في منظم الحرارة. استخدم مولد بخار السيزيوم عددًا من الأجهزة التي تضمن الاحتفاظ بالطور السائل في موضع معين ومنعه من دخول مسار البخار تحت تأثير الأحمال الزائدة الصغيرة أثناء الرحلات الفضائية. في التصميم المطبق لمولد بخار السيزيوم، كان الحد الأقصى لكمية السيزيوم 2.5 كجم، والذي، عند معدل تدفق بخار معين، والذي تحدده موصلية الاختناق عند مخرج RP، يحد بشكل واضح من المورد المحتمل للمفاعل النووي. محطة توليد الكهرباء. وكان لا بد من تنفيذ متطلب تقليل الكتلة والأبعاد مع الأخذ في الاعتبار أن إزالة الحرارة في الفضاء الخارجي لا يمكن تحقيقها إلا من خلال الإشعاع من خلال استخدام تصميم خاص لباعث الثلاجة. يعد تنفيذ نظام إزالة الحرارة أمرًا صعبًا إلى حد كبير، لأنه يستخدم معدن الصوديوم والبوتاسيوم السائل العدواني. تضاف إلى ذلك المتطلبات العالية لموثوقية التشغيل المستقل وقدرة الموارد لمحطات الطاقة النووية في ظل ظروف الأحمال الزائدة أثناء الإطلاق في المدار، والتوجيه التعسفي وغياب قوى الجاذبية عند التشغيل في المدار، والحاجة إلى ضمان السلامة النووية والإشعاعية في شروط وقوع حوادث إطلاق المركبات المحتملة عند إطلاق المركبات الفضائية من محطات الطاقة النووية إلى المدار، وكذلك ضمان سلامة النيزك في الرحلات الفضائية، وما إلى ذلك. تم تصميم محطة توباز للطاقة النووية لتزويد الطاقة الكهربائية لمعدات المركبات الفضائية للاستخدام العسكري. إن استخدام المفاعلات النووية على الأقمار الصناعية يجعل من الممكن توفير مصدر طاقة مستقر بغض النظر عن موقعها في المدار.
يتم ضمان السلامة النووية والإشعاعية من خلال تصميم مفاعل نووي. وفي حالة وقوع أي حوادث، بما في ذلك الحوادث الافتراضية مع مركبة الإطلاق في موقع الإطلاق وفي موقع الإطلاق المداري، يظل المفاعل النووي دون الحرج. بسبب إدخال العوائق، فإن إطلاق المفاعل مستحيل بعد الوصول إلى المدار. تتم إزالة الحجب عن طريق أمر لاسلكي من الأرض فقط بعد تأكيد الإطلاق في المدار المحسوب عن طريق قياسات المسار المباشرة. تم اختيار الارتفاع المداري بشرط أن يكون وجود المركبة الفضائية بعد انتهاء التثبيت الوظيفي، مع مراعاة أي حالات طارئة مع التثبيت، كافياً لتحلل المنتجات الانشطارية إلى مستوى آمن. هذه المرة تتجاوز 350 سنة. وهذا يضمن سلامة سكان العالم عند استخدام منشآت من هذا النوع.

تم تطوير محطة الطاقة النووية "توباز-1" لأقمار الاستطلاع الرادارية، "توباز-2" - للمركبات الفضائية للبث التلفزيوني المباشر من الفضاء. دخل نموذج الطيران الأول - القمر الصناعي Cosmos-1818 مع تركيب توباز - إلى مدار دائري ثابت آمن من الإشعاع على ارتفاع 800 كيلومتر في 2 فبراير 1987 وعمل بشكل لا تشوبه شائبة لمدة ستة أشهر، حتى استنفاد احتياطيات السيزيوم. وتم إطلاق القمر الصناعي الثاني Cosmos-1876 بعد عام. لقد عمل في المدار مرتين تقريبًا. حفز نجاح التوباز على تطوير عدد من مشاريع المفاعلات ذات المحولات الحرارية، ولا سيما محطة للطاقة النووية بقدرة كهربائية تصل إلى 500 كيلوواط تعتمد على مفاعل مبرد بالليثيوم.

واستنادا إلى محطتي الطاقة النووية BES وتوباز، تم إعداد عدد من تصاميم المحطات ذات الخصائص المحسنة. تم إعداد المقترحات الفنية لمحطة الطاقة النووية الحرارية Zarya-1 لمركبة الاستطلاع الضوئية الإلكترونية الفضائية. تختلف محطة الطاقة النووية Zarya-1 عن BES في مستوى الطاقة الكهربائية (5.8 كيلو واط مقابل 2.9 كيلو واط) وزيادة عمر الخدمة (4320 ساعة مقابل 1100 ساعة). وفي عام 1978، تم إنشاء محطة الطاقة النووية زاريا-2 بقوة كهربائية 24 كيلوواط وعمر خدمة 10000 ساعة، ومن ثم محطة الطاقة النووية الفضائية زاريا-3 بقدرة كهربائية 24.4 كيلوواط وعمر خدمة 1.15 سنوات تم إنشاؤها. كان الهدف منه إنشاء نبضات دفع لتصحيح مدار القمر الصناعي وإمدادات الطاقة للمعدات الخاصة.

المنشأة النووية الفضائية الحرارية "توباز 100/40" هي محطة طاقة نووية ثنائية الوضع (NPP). إنه مصمم لتزويد محركات الدفع الكهربائية (EP) بالطاقة الكهربائية عند إطلاق الأقمار الصناعية لنظام الاتصالات الفضائية Space Star إلى مدارات عالية (حتى مستقرة بالنسبة إلى الأرض) ولتوفير الطاقة الكهربائية للمعدات الموجودة على متن الطائرة. لا يصل مفاعل محطة الطاقة إلى الطاقة إلا عندما تصل المركبة الفضائية إلى مدار آمن من الإشعاع (800 كيلومتر وما فوق). ويتوافق تصميم محطة الطاقة النووية مع وثيقة "المبادئ المتعلقة باستخدام المصادر النووية في الفضاء الخارجي" التي اعتمدتها الدورة السابعة والأربعون للجمعية العامة للأمم المتحدة. في موقع الإطلاق، تقع محطة الطاقة النووية في مقصورة المركبة الفضائية التي يبلغ قطرها 3.9 متر وطولها 4.0 متر تحت الهدية. في الموقع المداري، تمتد محطة الطاقة النووية (المفاعل بعيدًا عن المعدات قدر الإمكان) ويبلغ طوله 16.0 مترًا وقطره 4 أمتار.

تحتوي محطة الطاقة النووية على: مفاعل محول حراري مزود بأنظمة خدمة: محرك عناصر التحكم، وإمداد سائل التشغيل (السيزيوم) إلى قنوات توليد الطاقة؛ حجب إشعاع الظل مصنوع من هيدريد الليثيوم، مما يضمن تخفيف إشعاع المفاعل إلى مستوى مقبول لأجهزة المركبات الفضائية؛ نظام لإزالة الحرارة غير المستخدمة من مفاعل باستخدام مبرد معدني سائل (سبائك سهل الانصهار من الصوديوم والبوتاسيوم)، بما في ذلك مضخة كهرومغناطيسية، وثلاجة مشعاع تتكون من 9 ألواح على أنابيب حرارية لتصريف الحرارة إلى الفضاء الخارجي ووحدات أخرى. الطاقة الكهربائية - 40 كيلووات، الطاقة الكهربائية في وضع طاقة الدفع الكهربائي - 100 كيلووات، عمر الخدمة، بما في ذلك التشغيل حتى عام واحد في وضع 100 كيلووات - 7 سنوات، كتلة محطة الطاقة النووية - 4400 كجم، تحميل اليورانيوم 235 - 45 كجم لتجنب السقوط السريع لمحطات الطاقة النووية على الأقمار الصناعية الأرضية عند اكتمال الحياة النشطة، يتم نقلها إلى مدار الدفن على ارتفاع حوالي 1000 كيلومتر، حيث يجب أن يستمر المفاعل المستهلك من 300 إلى 600 عام. يتم أيضًا نقل أقمار الطوارئ إلى مدار مماثل. ومع ذلك، لم يكن من الممكن دائما القيام بذلك. على مدى ما يقرب من 20 عامًا من عمليات الإطلاق، كانت هناك أربع حالات لسقوط قمر صناعي على الأرض: اثنتان في المحيط وواحدة على الأرض.

تنتمي القيادة التاريخية في الحوادث النووية الفضائية إلى الولايات المتحدة - في عام 1964، فشل قمر الملاحة الأمريكي الذي يحمل مفاعلًا نوويًا على متنه في الدخول إلى مداره، وانهار هذا المفاعل في الغلاف الجوي مع القمر الصناعي إلى قطع.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، ارتبط الحادث الأول بالقمر الصناعي من سلسلة US-A الذي يبلغ وزنه 4300 كيلوغرام والذي تم إطلاقه في 18 سبتمبر 1977 (الاسم المستعار "Cosmos-954"، المعلمات المدارية: الحضيض 259 كم، الأوج 277 كم، الميل 65 درجة). كان القمر الصناعي جزءًا من نظام الأقمار الصناعية MCRC Legend لاستطلاع الفضاء البحري وتحديد الأهداف، وهو مصمم لاكتشاف سفن العدو المحتمل وتوفير البيانات لاستخدام صواريخ كروز من قبل أسطولنا. وفي نهاية أكتوبر 1977، أوقف كوزموس-954 التصحيحات المدارية المنتظمة، لكن لم يكن من الممكن نقله إلى مدار دفن. وفقًا لتقارير تاس اللاحقة، في 6 يناير 1978، انخفض ضغط القمر الصناعي فجأة، مما تسبب في فشل الأنظمة الموجودة على متنه. انتهى الهبوط غير المنضبط للمركبة تحت تأثير الغلاف الجوي العلوي في 24 يناير 1978 بمدارها وسقوط الحطام المشع في شمال كندا بالقرب من بحيرة جريت سلاف. احترقت عناصر اليورانيوم الموجودة في القمر الصناعي بالكامل في الغلاف الجوي. ولم يتم العثور إلا على بقايا عاكس البريليوم وبطاريات أشباه الموصلات على الأرض. ومع ذلك، انتهى الحطام الفضائي المشع متناثرا في شمال غرب كندا على مساحة عدة آلاف من الكيلومترات المربعة. وافق الاتحاد السوفييتي على دفع 3 ملايين دولار لكندا، وهو ما يمثل 50% من تكلفة عملية ضوء الصباح لتنظيف المنطقة التي سقط فيها كوزموس 954.

في 28 ديسمبر 1982، لم يكن من الممكن نقل كوزموس 1402، الذي كان يعمل منذ 30 أغسطس، إلى مدار الدفن وبدأ في الهبوط غير المنضبط. أتاحت التحسينات الهيكلية بعد الحادث السابق فصل قلب المفاعل عن وعاء المفاعل المقاوم للحرارة ومنع سقوط الحطام المضغوط. دخلت النواة الغلاف الجوي في 7 فبراير 1983، وانتشرت منتجات الانشطار الإشعاعي فوق جنوب المحيط الأطلسي.

وفي إبريل/نيسان 1988، فُقد الاتصال مع كوزموس-1900، الذي أطلق إلى المدار في ديسمبر/كانون الأول 1987. ولمدة خمسة أشهر، كان القمر الصناعي يهبط دون حسيب ولا رقيب، ولم تتمكن الخدمات الأرضية من إعطاء الأمر بنقل المفاعل إلى مدار مرتفع أو فصله. جوهر لمزيد من deorbit آمنة. ولحسن الحظ، قبل خمسة أيام من الدخول المتوقع إلى الغلاف الجوي، في 30 سبتمبر 1988، تم تفعيل نظام التراجع التلقائي للمفاعل، والذي تم تشغيله بسبب استنفاد إمدادات الوقود في نظام توجيه القمر الصناعي.

كان استمرار مصادر الطاقة من نوع توباز هو محطة الطاقة النووية الحرارية ينيسي-توباز. قناة توليد الطاقة أحادية العنصر، الطاقة الكهربائية 5 كيلووات، المورد يصل إلى 3 سنوات.

وعلى الرغم من أن الحادث نفسه لم يتسبب في أضرار مادية، إلا أن تداخله مع كارثتي تشالنجر وتشرنوبيل السابقتين أدى إلى احتجاجات ضد استخدام الطاقة النووية في الفضاء. وأصبح هذا الظرف عاملا إضافيا أثر على وقف رحلات الأقمار الصناعية مع محددات المواقع الفضائية في عام 1988. ومع ذلك، فإن السبب الرئيسي للتخلي عن محددات المواقع الفضائية بالطاقة النووية لم يكن نداءات المجتمع الدولي، بل وأكثر من ذلك، ليس التداخل الناتج عن مفاعلات علم فلك أشعة جاما، لكن خصائصه التشغيلية منخفضة.

آفاق تطوير منشآت الطاقة النووية

طاولة 4 الخصائص الرئيسية لمحطة الطاقة النووية “BUK” و”BUK-TEM”

تبلغ الحمولة الكاملة لليورانيوم عالي التخصيب في بوك 30 كجم، والمبرد عبارة عن معدن سائل - وهو سبيكة سهلة الانصهار من الصوديوم والبوتاسيوم. مصدر الكهرباء هو محول أشباه الموصلات. الطاقة الكهربائية 5 كيلو واط. استخدم التوباز مفاعلًا حراريًا بقدرة 150 كيلو وات. حمولة كاملة من اليورانيوم 12 كجم. كان أساس المفاعل عبارة عن عناصر إطلاق الوقود - "أكاليل"، والتي كانت عبارة عن سلسلة من العناصر الحرارية: كان الكاثود عبارة عن "كشتبان" من التنغستن أو الموليبدينوم، مملوء بأكسيد اليورانيوم، وكان الأنود عبارة عن أنبوب رقيق الجدران من النيوبيوم، يتم تبريده بواسطة الصوديوم والبوتاسيوم السائل. درجة حرارة الكاثود 1650 درجة مئوية، الطاقة الكهربائية للتركيب 10 كيلو واط.

من عام 1970 إلى عام 1988، أطلق الاتحاد السوفييتي (روسيا) حوالي 30 قمرًا صناعيًا للرادار إلى الفضاء باستخدام محطات بوك للطاقة النووية المزودة بمفاعلات تحويل أشباه الموصلات واثنين من محطات الطاقة الحرارية توباز.

حاليًا، تُفرض المتطلبات التالية على محطات الطاقة النووية الفضائية من الجيل الجديد: دمج محطة للطاقة النووية في مركبة فضائية تطلقها مركبات الإطلاق الحديثة (مثل Proton، Proton-M، Angara)؛ السلامة النووية والإشعاعية، بما في ذلك. في حالة وقوع حادث محتمل (سقوط مفاعل "نظيف" على الأرض)؛ وضع نقل الطاقة – على ارتفاعات أعلى من المدار الآمن للإشعاع بمقدار 800 كيلومتر؛ الحالة دون الحرجة للمفاعل في جميع أنواع الحوادث؛ معامل درجة الحرارة السلبية للتفاعل عند معلمات التشغيل؛ تكرار العقد المعرضة لتدهور الموارد؛ مزيج من أنظمة تحويل الطاقة المختلفة. الاختبار التفضيلي للعناصر والتجمعات في ظروف خارج المفاعل؛ إمكانية البقاء لفترة طويلة في الفضاء قبل بدء تشغيل محطة الطاقة النووية؛ خرج الطاقة الكهربائية 50÷400 كيلوواط (عند 115÷120 فولت)، عمر الخدمة 7-10 (حتى 20) سنة.

في مجال الأجهزة الكهروحرارية، تم الآن إعداد مشروع في روسيا للانتقال من محطة طاقة نووية من نوع Buk إلى محطة BUK-TEM الأكثر تقدمًا (الجدول 4).

تتيح لنا تجربة العمل المنجز في مجال الطاقة الكهربائية الحرارية لمحطات الطاقة النووية استخلاص استنتاج حول الإمكانية العملية لإنشاء TEGs استنادًا إلى Si-Ge TB/TM لهندسة الحلقة الشعاعية كجزء من محطات الطاقة النووية الحرارية البحتة أو محطات الطاقة النووية مجتمعة (الانبعاث الحراري + الكهرباء الحرارية) مع طاقة كهربائية ناتجة عن الحرارة ومولد الطاقة 10 -100 كيلو واط للمهام الفضائية في القرن الحادي والعشرين.

ترتبط الاتجاهات الرئيسية للعمل في الانبعاثات الحرارية بعد الانتهاء من العمل على برامج إنشاء محطة توباز للطاقة النووية ومحطة ينيسي للطاقة النووية بالحاجة إلى زيادة جذرية في الكفاءة. من مستوى ~10% إلى 20-30%، وعمر الخدمة لقنوات وأنظمة توليد الكهرباء داخل محطات الطاقة النووية - من 1-2 سنة إلى 10-20 سنة مع قيود كبيرة على خصائص الوزن والحجم. يتم تحديد اختيار مفهوم EGC ومحطة الطاقة النووية الحرارية من خلال متطلبات المشكلة التي يتم حلها، وأهمها الموارد، وكثافة الطاقة، بما في ذلك الوضع الفردي أو المزدوج (مع تعزيز الطاقة الكهربائية)، وحجم الطاقة الكهربائية. جهد الخرج للتيار الكهربائي، والحاجة إلى تأكيد عمر الخدمة خارج المفاعل واختبار الحلول التقنية الأساسية على المدرجات مع محاكاة التدفئة الكهربائية، وما إلى ذلك.

الجدول 5: الخصائص الرئيسية لمحطات الطاقة النووية TOPAZ و ELBRUS-400/200

من الواضح اليوم أن الانبعاث الحراري والكهرباء الحرارية، سواء في المنشآت الحرارية أو الحرارية، وعند الجمع بينهما (الكهرباء الحرارية + الانبعاث الحراري) في جيل جديد من محطات الطاقة النووية، لديهم احتمالية استخدام لا شك فيها. وفي الوقت نفسه، يتمتع الانبعاث الحراري بمزايا لا شك فيها مقارنة بالمحولات الثابتة الأخرى والمحولات الديناميكية المعروفة. يمكن استخدام هذه المنشآت بشكل فعال لحل المشكلات المختلفة في المهام الفضائية في القرن الحادي والعشرين.

محطة للطاقة النووية - محطة كهرباء تعمل بطاقة التفاعل المتسلسل للانشطار النووي. بدأ استخدام محطة الطاقة النووية، وهي في الأساس عبارة عن تعديل للتوربينات البخارية، على السفن في أواخر الخمسينيات. القرن العشرين تشتمل محطة توليد الطاقة لسفينة تعمل بالطاقة النووية على مفاعل ومولد بخار ووحدة توربينية تعمل على تشغيل نظام الدفع الخاص بالسفينة. المفاعل هو منشأة لإنتاج التفاعلات النووية المتسلسلة، حيث يتم توليد الطاقة التي يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية. في المفاعل النووي، يتم تهيئة الظروف بحيث يكون عدد الانشطار النووي لكل وحدة زمنية قيمة ثابتة، أي أن التفاعل المتسلسل يحدث باستمرار.

تصميم ومبدأ تشغيل المفاعل النووي.

1 - الجسم الصلب. 2 - وسيط؛ 3 - عاكس. 4 - الحماية. 5 - عناصر الوقود. 6 - مدخل سائل التبريد. 7 - مخرج سائل التبريد. 8- قضبان التحكم .

يحتوي الوقود النووي على مواد انشطارية، عادة اليورانيوم أو البلوتونيوم. عندما تنقسم النوى الذرية إلى ما يسمى بالشظايا، أو النيوترونات الحرة عالية الطاقة، يتم إطلاق الكثير من الطاقة. لتقليل الطاقة العالية للنيوترونات، يتم استخدام وسيط: الجرافيت أو البريليوم أو الماء. ومن أجل تقليل احتمالية فقدان النيوترونات، تم تركيب عاكس. ويتكون بشكل رئيسي من البريليوم أو الجرافيت. لتجنب تدفق النيوترونات القوي جدًا في المفاعل، يتم تثبيت قضبان التحكم المصنوعة من مواد ماصة للنيوترونات (الكادميوم والبورون والإنديوم) على عمق مناسب. يتم تبادل الطاقة في المفاعل بمساعدة المبردات والماء والسوائل العضوية وسبائك المعادن منخفضة الذوبان، وما إلى ذلك. وفي الوقت الحالي، يتم استخدام المفاعلات المبردة بالماء تحت الضغط عادة على متن السفن.

رسم تخطيطي لمحطة للطاقة النووية مع مفاعل يتم تبريده بالماء المضغوط.

1 - مفاعل. 2 - الحماية البيولوجية الأولية. 3 - الحماية البيولوجية الثانوية. 4 - مولد البخار. 5 - ملف تسخين الدائرة الأولية؛ 6 - مضخة تداول الدائرة الأولية. 7 - توربينات الضغط العالي. 8 - توربينات الضغط المنخفض. 9 - علبة التروس. 10 - مكثف. 11 - مضخة الدائرة الثانوية. 12 - مدخل مياه البحر. 13- مخرج مياه البحر .

يحتوي هذا التثبيت على دائرتين للدوران. الدائرة الأولى هي تداول الماء تحت ضغط عالٍ. تعمل مياه الدائرة الأولية أيضًا كمبرد للمفاعل النووي ويبلغ ضغطها حوالي 5.8 إلى 9.8 ميجا باسكال. يتدفق عبر المفاعل ويتم تسخينه، على سبيل المثال على متن السفن أوتو هان (ألمانيا) وموتسو (اليابان)، إلى 278 درجة مئوية. في هذه الحالة، ضغط الماء يقاوم التبخر. يتدفق الماء الساخن من الدائرة الأولية عبر ملف التسخين، ويطلق حرارته إلى مولد البخار، ثم يعود إلى المفاعل مرة أخرى. يتم توفير المكثفات لمولد البخار من دائرة الضغط المنخفض الثانية. يتبخر الماء المسخن في مولد البخار. يعمل هذا البخار ذو الضغط المنخفض نسبيًا (على سبيل المثال، على متن السفينة الأمريكية سافانا، 3.14 ميجا باسكال) على تشغيل التوربينات التي تدفع المروحة عبر علبة التروس.

ويتم عزل المفاعل النووي عن البيئة بواسطة درع واقي لا يسمح بمرور الأشعة المشعة الضارة من خلاله. عادة ما يتم استخدام الشاشات المزدوجة. تحيط الشاشة الأولى (الأساسية) بالمفاعل وهي مصنوعة من صفائح الرصاص والخرسانة المغطاة بالبولي إيثيلين. تحيط الشاشة الثانوية بمولد البخار وتحيط بدائرة الضغط العالي الأولية بأكملها. تصنع هذه الشاشة بشكل أساسي من الخرسانة بسماكة 500 ملم (أوتو هان) إلى 1095 ملم (موتسو)، بالإضافة إلى ألواح الرصاص بسماكة 200 ملم والبولي إيثيلين بسماكة 100 ملم. تتطلب كلتا الشاشتين مساحة كبيرة وثقيلة جدًا. على سبيل المثال، تزن الشاشة الرئيسية في سفينة السافانا 665 طناً، وتزن الشاشة الثانوية 2400 طن، ويعتبر وجود مثل هذه الشاشات عيباً كبيراً في محطات الطاقة النووية. عيب آخر أكثر أهمية هو، على الرغم من جميع التدابير الوقائية، خطر التلوث البيئي أثناء التشغيل العادي لمحطة الطاقة بسبب إهدار الوقود المستخدم، وإطلاق مياه الآسن من حجرة المفاعل، وما إلى ذلك، وأثناء السفينة العرضية الحوادث ومحطات الطاقة النووية.

تشمل المزايا التي لا يمكن إنكارها استهلاكًا منخفضًا جدًا للوقود ونطاق إبحار غير محدود تقريبًا. على سبيل المثال، لم تستهلك السفينة "أوتو هان" (ألمانيا) حتى 20 كيلوغراما من اليورانيوم خلال ثلاث سنوات، في حين بلغ استهلاك الوقود لمحطة توليد الطاقة البخارية التقليدية على متن سفينة بهذا الحجم 40 ألف طن. السفينة اليابانية "موتسو" تقطع مسافة 145 ألف ميل وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن محطات الطاقة النووية تستخدم على نطاق واسع فقط على السفن الحربية. ومن المفيد بشكل خاص استخدامها في الغواصات الكبيرة، والتي يمكن أن تبقى تحت الماء لفترة طويلة، حيث أن الهواء غير مطلوب في المفاعل لتوليد الطاقة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن كاسحات الجليد القوية المستخدمة في خطوط العرض الشمالية من الكرة الأرضية مجهزة بمحطات الطاقة النووية.

1 - غرفة المحرك. 2 - حاوية مع مفاعل. 3 - مقصورة الآليات المساعدة. 4- منشأة لتخزين قضبان الوقود المستهلك.

مبدأ تشغيل وتصميم مفاعلات الطاقة تحت الضغط.

محطات الطاقة النووية (NPP).في الوقت الحالي، أصبحت مسألة الاستخدام الواسع النطاق للوقود النووي في محطات توليد الطاقة على متن السفن ذات أهمية متزايدة. زاد الاهتمام بالسفن المزودة بمحطات الطاقة النووية بشكل خاص في الفترة 1973-1974، عندما ارتفعت أسعار الوقود الأحفوري بشكل حاد نتيجة لأزمة الطاقة العالمية. الميزة الرئيسية للسفن المزودة بمحطات الطاقة النووية هي نطاق إبحارها غير المحدود تقريبًا، وهو أمر مهم جدًا لكاسحات الجليد وسفن القطب الشمالي وسفن الأبحاث والسفن الهيدروغرافية وما إلى ذلك.

ولا يتجاوز الاستهلاك اليومي للوقود النووي عدة عشرات من الجرام، ويمكن تغيير عناصر الوقود في المفاعل مرة كل سنتين إلى أربع سنوات. يمكن لمحطات الطاقة النووية الموجودة على سفن النقل، وخاصة تلك التي تقوم برحلات طويلة المدى بسرعة عالية، أن تزيد بشكل كبير من القدرة الاستيعابية للسفينة بسبب الغياب شبه الكامل لاحتياطيات الوقود (وهذا يعطي مكاسب أكبر من الخسائر بسبب الكتلة الكبيرة من الوقود) محطة الطاقة النووية). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمحطة الطاقة النووية أن تعمل دون الوصول إلى الهواء، وهو أمر مهم للغاية بالنسبة للسفن تحت الماء. ومع ذلك، فإن الوقود الذي تستهلكه محطات الطاقة النووية لا يزال باهظ الثمن. بالإضافة إلى ذلك، على السفن التي بها محطات للطاقة النووية، من الضروري توفير حماية بيولوجية خاصة من الإشعاع الإشعاعي، مما يجعل التركيب أثقل. يجب أن نفترض أن التقدم في تطوير التكنولوجيا النووية وفي إنشاء تصميمات ومواد جديدة سيجعل من الممكن القضاء تدريجياً على أوجه القصور هذه في محطات الطاقة النووية للسفن.

تستخدم جميع محطات الطاقة النووية الحديثة الموجودة على متن السفن الحرارة المنبعثة أثناء انشطار الوقود النووي لتوليد البخار أو الغازات الحرارية، والتي تدخل بعد ذلك إلى توربينات البخار أو الغاز. الرابط الرئيسي لمحطة توليد البخار النووية APPU مفاعل،حيث يحدث التفاعل النووي. يتم استخدام مواد انشطارية مختلفة كوقود نووي، حيث تكون عملية الانشطار النووي مصحوبة بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة. وتشمل هذه المواد نظائر اليورانيوم والبلوتونيوم والثوريوم.

أرز. 6.1. مخطط المفاعل النووي.

1- المنطقة النشطة. 2- قضبان اليورانيوم . 3 - مشرف؛ 4 - عاكس. 5 - المبرد. 6 - الحماية البيولوجية. 7 - الدرع الحراري. 8- نظام التنظيم

أهم عناصر مفاعلات السفن هي (الشكل 6.2) المنطقة النشطة,حيث توجد قضبان اليورانيوم والمهدئ، وهي ضرورية لامتصاص طاقة جزيئات النيوترونات المنبعثة أثناء تحلل النوى؛ عاكس النيوترون,إعادة جزء من النيوترونات المنبعثة خارج النواة إلى القلب؛ المبردلإزالة الحرارة المنبعثة أثناء انشطار اليورانيوم من القلب ونقل هذه الحرارة إلى سائل عامل آخر في مبادل حراري؛ شاشة الحماية البيولوجية,منع انتشار الإشعاع الضار من المفاعل؛ نظام التحكم والحماية,تنظيم سير التفاعل في المفاعل وإيقافه في حالة زيادة الطاقة بشكل طارئ.

الوسيط في المفاعلات النووية هو الجرافيت والماء الثقيل والعادي، والمبرد عبارة عن معادن سائلة ذات نقطة انصهار منخفضة (الصوديوم والبوتاسيوم والبزموت) والغازات (الهيليوم والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون والهواء) أو الماء.

أصبحت المفاعلات التي يكون فيها كل من الوسيط والمبرد عبارة عن ماء مقطر منتشرة على نطاق واسع في محطات الطاقة النووية على متن السفن، ومن هنا جاءت تسميتها. مفاعلات الماء المضغوط.هذه المفاعلات أبسط في التصميم، وأكثر إحكاما، وأكثر موثوقية في التشغيل من الأنواع الأخرى، وأرخص. اعتمادًا على طريقة نقل الطاقة الحرارية من المفاعل إلى المحرك (التوربينات)، يتم تمييز مخططات محطات الطاقة النووية ذات الدائرة الواحدة والدائرة المزدوجة والثلاثية.

بواسطة دائرة دائرة واحدة(الشكل 6.2، أ)تتشكل مادة العمل - البخار - في المفاعل، حيث يدخل مباشرة إلى التوربين ومنه عبر المكثف بمساعدة مضخة دورانية يعود إلى المفاعل.

بواسطة دائرة مزدوجة الدائرة(الشكل 6.2، ب)يتخلى سائل التبريد المنتشر في المفاعل عن حرارته في المبادل الحراري - مولد البخار - إلى الماء الذي يشكل البخار الذي يدخل التوربين. في هذه الحالة، يتم تمرير سائل التبريد عبر المفاعل ومولد البخار بواسطة مضخة دورانية أو منفاخ، ويتم ضخ المكثفات المتكونة في مكثف التوربين بواسطة مضخة مكثفات من خلال نظام التسخين والترشيح والمكياج ويتم إمدادها مرة أخرى إلى مولد البخار بواسطة مضخة التغذية.

مخطط ثلاث دوائر(الشكل 6.2، الخامس)عبارة عن دائرة مزدوجة مع دائرة وسيطة إضافية متصلة بين الدائرتين الأولى والثانية.

يتطلب تصميم الدائرة الواحدة حماية بيولوجية حول الدائرة بأكملها، بما في ذلك التوربين، مما يعقد عملية الصيانة والتحكم ويزيد من الخطر على الطاقم. تعتبر الدائرة المزدوجة أكثر أمانًا، حيث أن الدائرة الثانية لم تعد خطرة هنا أناطاقم. لذلك، تُستخدم الدوائر ذات الدائرة المزدوجة دائمًا تقريبًا في السفن النووية. يتم استخدام الدوائر ثلاثية الحلقات إذا كان سائل التبريد في المفاعل نشطًا للغاية ويجب فصله بعناية عن المادة العاملة، وهو ما تم تصميم الحلقة الوسيطة من أجله.

أرز. 6.2. المخططات الحرارية لمحطات الطاقة النووية:

أ- دائرة واحدة ب- دائرة مزدوجة الخامس- ثلاث دوائر.

1 -مفاعل؛ 2 - عنفة؛ 3 - مكثف 4 - مضخة الدورة الدموية؛ 5 - مولد البخار؛ 6 - مضخة المكثفات؛ 7 - نظام التدفئة والترشيح. 8 - مضخة تغذية؛ 9 - مبادل حراري؛ 10 - الحماية البيولوجية

مبدأ التشغيل وتصميم مفاعلات الطاقة.على السفن التي بها محطات للطاقة النووية، المصدر الرئيسي للطاقة هو مفاعل نووي. تعمل الحرارة المنبعثة أثناء انشطار الوقود النووي على توليد البخار، الذي يدخل بعد ذلك إلى التوربينات البخارية.

يحتوي مصنع المفاعل، مثل الغلايات البخارية التقليدية، على مضخات ومبادلات حرارية ومعدات مساعدة أخرى. ومن السمات الخاصة للمفاعل النووي إشعاعه الإشعاعي، الذي يتطلب حماية خاصة للعاملين في التشغيل.

أمان. يجب تركيب حماية بيولوجية واسعة النطاق حول المفاعل. مواد الحماية من الإشعاع الشائعة هي الخرسانة والرصاص والماء والبلاستيك والصلب.

هناك مشكلة تخزين النفايات المشعة السائلة والغازية. يتم تخزين النفايات السائلة في حاويات خاصة، ويتم امتصاص النفايات الغازية بواسطة الفحم المنشط. ثم يتم نقل النفايات إلى الشاطئ إلى مرافق إعادة التدوير.

المفاعلات النووية على متن السفن. العناصر الرئيسية للمفاعل النووي هي قضبان تحتوي على مواد انشطارية (قضبان الوقود)، وقضبان التحكم، والمبرد (المبرد)، والوسيط والعاكس. يتم وضع هذه العناصر في غلاف مغلق وترتيبها لضمان تفاعل نووي متحكم فيه وإزالة الحرارة المتولدة.

يمكن أن يكون الوقود عبارة عن اليورانيوم 235، أو البلوتونيوم، أو خليط من الاثنين معًا؛ يمكن ربط هذه العناصر كيميائيًا مع عناصر أخرى وتكون في الحالة السائلة أو الصلبة. يتم استخدام الماء الثقيل أو الخفيف أو المعادن السائلة أو المركبات العضوية أو الغازات لتبريد المفاعل. يمكن استخدام المبرد لنقل الحرارة إلى مائع عمل آخر وإنتاج البخار، أو يمكن استخدامه مباشرة لتدوير التوربين. يعمل الوسيط على تقليل سرعة النيوترونات المنتجة إلى القيمة الأكثر فعالية لتفاعل الانشطار. يقوم العاكس بإرجاع النيوترونات إلى القلب. عادة ما يكون الوسيط والعاكس من الماء الثقيل والخفيف والمعادن السائلة والجرافيت والبريليوم.

جميع السفن البحرية، أول كاسحة جليد تعمل بالطاقة النووية "لينين"، وأول سفينة لنقل البضائع والركاب "سافانا"، لديها محطات طاقة مصنوعة وفقًا لتصميم الدائرة المزدوجة. في الدائرة الأولية لمثل هذا المفاعل، يكون الماء تحت ضغط يصل إلى 13 ميجا باسكال، وبالتالي لا يغلي عند درجة حرارة 270 درجة مئوية، المعتادة لمسار تبريد المفاعل. يعمل الماء المسخن في الدائرة الأولية كمبرد لإنتاج البخار في الدائرة الثانوية.

يمكن أيضًا استخدام المعادن السائلة في الدائرة الأولية. تم استخدام هذا المخطط في الغواصة البحرية الأمريكية Sea Wolf، حيث يكون المبرد عبارة عن خليط من الصوديوم السائل والبوتاسيوم السائل. الضغط في نظام مثل هذا المخطط منخفض نسبيًا.

ويمكن تحقيق نفس الميزة باستخدام المواد العضوية الشبيهة بالبرافين - ثنائي الفينيل وثلاثي الفينيل - كمبرد. في الحالة الأولى، العيب هو مشكلة التآكل، وفي الثانية، تشكيل الرواسب الراتنجية.

هناك مخططات أحادية الدائرة يتم فيها تدوير سائل العمل الذي يتم تسخينه في المفاعل بينه وبين المحرك الرئيسي. تعمل المفاعلات المبردة بالغاز باستخدام تصميم الدائرة الواحدة. مائع التشغيل هو غاز، على سبيل المثال الهيليوم، والذي يتم تسخينه في مفاعل ثم يقوم بتدوير توربين الغاز.

حماية.وتتمثل مهمتها الرئيسية في حماية الطاقم والمعدات من الإشعاع المنبعث من المفاعل والعناصر الأخرى التي تتلامس مع المواد المشعة. وينقسم هذا الإشعاع إلى فئتين: النيوترونات، التي يتم إطلاقها أثناء الانشطار النووي، وإشعاع جاما، الذي يتم إنتاجه في النواة وفي المواد النشطة.

بشكل عام، تحتوي السفن على قذيفتين للاحتواء. الأول يقع مباشرة حول وعاء المفاعل. تشمل الحماية الثانوية (البيولوجية) معدات توليد البخار وأنظمة التنظيف وحاويات النفايات. يمتص الدرع الأساسي معظم نيوترونات المفاعل وأشعة جاما. وهذا يقلل من النشاط الإشعاعي للمعدات المساعدة للمفاعل.

يمكن أن تكون الحماية الأولية عبارة عن خزان محكم الغلق مزدوج الغلاف مع وجود مسافة بين الأصداف مملوءة بالماء ودرع خارجي من الرصاص يتراوح سمكه من 2 إلى 10 سم، ويمتص الماء معظم النيوترونات، ويتم امتصاص إشعاع جاما جزئيًا بواسطة جدران الغلاف، الماء والرصاص.

وتتمثل المهمة الرئيسية للحماية الثانوية في تقليل إشعاع نظير النيتروجين المشع 16N، الذي يتشكل في المبرد الذي يمر عبر المفاعل. للحماية الثانوية، يتم استخدام حاويات المياه والخرسانة والرصاص والبولي ايثيلين.

كفاءة السفن مع محطات الطاقة النووية. بالنسبة للسفن الحربية، تعد تكلفة البناء وتكاليف التشغيل أقل أهمية من مزايا نطاق الإبحار غير المحدود تقريبًا، وزيادة قوة السفن وسرعتها، والتركيب المدمج وتقليل عدد موظفي الصيانة. وقد أدت هذه المزايا التي تتمتع بها محطات الطاقة النووية إلى انتشار استخدامها في الغواصات. إن استخدام الطاقة الذرية في كاسحات الجليد له ما يبرره أيضًا.

أسئلة الاختبار الذاتي:

ما هو مصدر الطاقة لمحطات الطاقة النووية؟

ما هو الخزان المزدوج الغلق؟