Pembangkit listrik tenaga nuklir untuk roket. Sejarah instalasi nuklir luar angkasa domestik Pembangkit listrik tenaga nuklir untuk roket

Pada tahun 2009, Komisi di bawah Presiden Federasi Rusia untuk modernisasi dan pengembangan teknologi ekonomi Rusia memutuskan untuk melaksanakan proyek “Pembuatan modul transportasi dan energi berdasarkan pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt.”
JSC NIKIET ditunjuk sebagai Kepala Perancang pabrik reaktor.
Badan Antariksa Federal mengeluarkan lisensi NIKIET No. 981K tanggal 29 Agustus 2008 untuk melakukan kegiatan luar angkasa.

Dari wawancara dengan Yu.G. Dragunov RIA "". Diterbitkan 28/08/2012

Rusia secara aktif mengembangkan energi nuklir, mengandalkan pengalaman dan pengetahuan luas yang dikumpulkan selama beberapa dekade dalam program nuklir dalam negeri.
Salah satu pionir dalam menciptakan teknologi terobosan di negara kita dan di dunia adalah Institut Penelitian dan Desain Teknik Energi yang dinamai N.A. Dollezhal (NIKIET), merayakan hari jadinya yang ke-60 tahun ini. Para ahli di institut tersebut memberikan kontribusi yang sangat berharga terhadap kemampuan pertahanan negara kita, mengembangkan desain reaktor pertama yang memproduksi isotop tingkat senjata, instalasi reaktor pertama untuk kapal selam nuklir, dan reaktor daya pertama untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Berdasarkan proyek dan dengan partisipasi NIKIET, 27 reaktor riset telah dibuat di Rusia dan luar negeri.
Dan saat ini Institut sedang membangun reaktor yang benar-benar baru, berupaya menciptakan instalasi reaktor untuk pembangkit listrik tenaga nuklir kelas megawatt yang unik untuk pesawat ruang angkasa, yang tidak memiliki analog di dunia.
Direktur - Perancang Umum NIKIET, Anggota Koresponden Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Yuri Grigorievich Dragunov mengatakan kepada RIA Novosti tentang kemajuan pekerjaan di bidang terobosan ilmu pengetahuan dan teknologi nuklir Rusia.
- Institut sedang menciptakan mesin nuklir unik untuk pesawat ruang angkasa baru Rusia. Pada tahap apa proyek ini sekarang?
- Selama 60 tahun keberadaannya, Institut ini telah mengikuti motto pendiri dan direktur pertama NIKIET, akademisi N.A. Dollezhal: “Jika bisa, majulah abad ini.” Dan proyek ini adalah buktinya. Pembuatan instalasi ini merupakan pekerjaan kompleks dari Pusat Penelitian Negara FSUE "Keldysh Center", OJSC RSC Energia, KBKhM im. SAYA. Isaev dan perusahaan Perusahaan Negara "Rosatom". Institut kami ditunjuk sebagai kontraktor tunggal untuk instalasi reaktor dan ditunjuk sebagai koordinator pekerjaan dari organisasi Rosatom. Karyanya sungguh unik, tidak ada analognya saat ini, sehingga cukup sulit. Karena kami adalah organisasi desain, kami memiliki langkah, tahapan tertentu, dan kami melaluinya langkah demi langkah. Tahun lalu kami menyelesaikan pengembangan desain awal pabrik reaktor, dan tahun ini kami sedang menyelesaikan desain teknis pabrik reaktor. Diperlukan sejumlah besar pengujian, terutama pada bahan bakar, termasuk studi tentang perilaku bahan bakar dan material struktur dalam kondisi reaktor. Pengerjaan proyek teknisnya akan memakan waktu cukup lama, kurang lebih 3 tahun, namun proyek teknis tahap pertama, dokumentasi utamanya, akan kami persiapkan pada tahun ini. Hari ini kami telah mengidentifikasi dan membuat keputusan teknis mengenai pilihan opsi desain elemen bahan bakar dan keputusan teknis akhir mengenai pilihan opsi desain reaktor. Dan beberapa minggu yang lalu kami membuat keputusan teknis mengenai pilihan opsi desain untuk inti dan tata letaknya.
- Masalah apa saja yang ada? Apakah semuanya berjalan lancar?
- Saat ini kami memiliki kerjasama yang cukup luas, lebih dari tiga lusin organisasi berpartisipasi dalam pengembangan proyek pembangkit reaktor. Semua kesepakatan mengenai topik ini telah disepakati, dan terdapat keyakinan penuh bahwa kami akan menyelesaikan pekerjaan ini tepat waktu. Pekerjaan ini dikoordinasikan oleh dewan manajer proyek, yang diketuai oleh saya, dan kami meninjau status pekerjaan tersebut setiap triwulan. Ada satu masalah, saya tidak bisa tidak menyebutkannya. Sayangnya, seperti halnya di bidang lain, kontrak kami dibuat untuk jangka waktu satu tahun. Proses kesimpulannya sudah selesai, dan, dengan mempertimbangkan waktu untuk prosedur kompetitif, kami sebenarnya menghabiskan waktu kami. Di NIKIET saya mengambil keputusan; kami membuka pesanan khusus dan mulai bekerja pada 11 Januari. Namun menarik peserta jauh lebih sulit. Ada masalah, jadi hari ini kami meminta peserta kami untuk memberikan rencana setidaknya untuk jangka waktu tiga tahun sebelum pembangunan selesai. Kami sedang menyusun proposal ini, dan kami akan mengajukan permohonan kepada pemerintah untuk beralih ke kontrak tiga tahun untuk proyek ini. Kemudian kita akan melihat jadwal dengan jelas dan mengatur serta mengoordinasikan pekerjaan proyek dengan lebih baik. Pemecahan masalah ini sangat penting untuk keberhasilan pelaksanaan proyek.
- Ini akan menjadi proyek murni Rusia, Anda tidak akan menarik mitra asing untuk penelitian dan pengembangan?
- Saya pikir proyek ini murni Rusia. Masih banyak pengetahuan di sini, banyak solusi baru dan, menurut saya, proyek tersebut harus murni buatan Rusia.
- Jenis bahan bakar apa yang akan ada di instalasi reaktor luar angkasa?
- Pada dasarnya, pada tahap proyek teknis ini, opsi bahan bakar dioksida diadopsi. Bahan bakar yang berpengalaman dalam pengoperasian di instalasi dengan emisi termal. Kami membuat bagian elemen bahan bakar untuk memastikan kondisi yang telah diuji dalam reaktor yang beroperasi. Ya, ini hal baru, ya, ini proyek inovatif, tetapi elemen kuncinya harus diselesaikan dan diselesaikan dalam tenggat waktu yang ditentukan oleh proyek kepresidenan.
- Apakah Anda mempertimbangkan opsi untuk mengisi ulang bahan bakar di instalasi?
- Tidak, kami tidak mempertimbangkan opsi kelebihan muatan hari ini. Ini mungkin dapat digunakan kembali, tetapi kami mengharapkan 10 tahun beroperasi, dan saya yakin, berdasarkan hasil diskusi dalam komunitas ilmiah, dengan Roscosmos, bahwa saat ini tugas untuk membuat instalasi lebih lama tidak ditetapkan. Roscosmos sedang mendiskusikan peningkatan kekuatan instalasi, tetapi hal ini, secara umum, tidak akan menjadi masalah jika kita menyelesaikan proyek ini, mengimplementasikannya dan, yang paling penting, menguji prototipe berbasis darat di stand. Setelah itu, kita dapat dengan mudah mengolahnya menjadi kekuatan yang lebih besar.

Penciptaan tenaga nuklir dan sistem propulsi tenaga untuk keperluan luar angkasa

Dari tahun 1960 hingga 1989, pekerjaan dilakukan di lokasi uji coba Semipalatinsk untuk membuat mesin roket nuklir.

Dibuat:

Kompleks reaktor IGR;
kompleks bangku "Baikal-1" dengan reaktor IVG-1 dan dua stasiun kerja untuk menguji produk 11B91;
Reaktor RA (IRGIT).

reaktor IGR

Reaktor IGR merupakan reaktor neutron termal berdenyut dengan inti homogen, yaitu tumpukan blok grafit mengandung uranium yang dirangkai dalam bentuk kolom. Reflektor reaktor terbentuk dari blok serupa yang tidak mengandung uranium.

Reaktor tidak memiliki pendinginan paksa pada inti. Panas yang dilepaskan selama pengoperasian reaktor diakumulasikan oleh pasangan bata dan kemudian ditransfer melalui dinding bejana reaktor ke air sirkuit pendingin.

reaktor IGR

Reaktor IVG-1 dan sistem pasokan komponen

Reaktor RA (IRGIT)

Hasil yang dicapai

1962-1966

Pengujian pertama model batang bahan bakar NRE dilakukan di reaktor IGR. Hasil pengujian mengkonfirmasi kemungkinan pembuatan elemen bahan bakar dengan permukaan pertukaran panas padat yang beroperasi pada suhu di atas 3000K, fluks panas spesifik hingga 10 MW/m2 dalam kondisi radiasi neutron dan gamma yang kuat (41 peluncuran dilakukan, 26 model rakitan bahan bakar berbagai modifikasi diuji).

1971-1973

Uji dinamis bahan bakar EBT suhu tinggi untuk kekuatan termal dilakukan di reaktor IGR, yang menghasilkan parameter berikut:

Pelepasan energi spesifik dalam bahan bakar – 30 kW/cm3
fluks panas spesifik dari permukaan elemen bahan bakar – 10 MW/m2
suhu cairan pendingin – 3000K
laju perubahan suhu cairan pendingin dengan kenaikan dan penurunan daya – 1000 K/s
durasi mode nominal – 5 detik

1974-1989

Di reaktor IGR, rakitan bahan bakar dari berbagai jenis reaktor nuklir, unit propulsi nuklir, dan pembangkit dinamis gas dengan hidrogen, nitrogen, helium, dan pendingin udara diuji.

1971-1993

Penelitian dilakukan tentang pelepasan bahan bakar ke dalam gas pendingin (hidrogen, nitrogen, helium, udara) pada kisaran suhu 400...2600K dan pengendapan produk fisi di sirkuit gas, yang sumbernya adalah kumpulan bahan bakar eksperimental yang berlokasi dalam reaktor IGR dan RA.

Indikator perbandingan hasil yang diperoleh pada reaktor IVG-1
dan menurut program pengembangan roket bertenaga nuklir di AS

Uni Soviet
1961-1989
Dana yang dikeluarkan, $ miliar ~ 0,3
5
berdasarkan elemen
Komposisi bahan bakar
UC-ZrC,
UC-ZrC-NbC

rata-rata/maksimum, MW/l 15 / 33
3100
Impuls dorong spesifik, s ~ 940
4000

Amerika Serikat
Periode tindakan aktif pada topik tersebut 1959-1972
Dana yang dikeluarkan, $ miliar ~2,0
Jumlah unit reaktor yang diproduksi 20
Prinsip pengembangan dan penciptaan integral
Komposisi bahan bakar Larutan padat
UC2 dalam grafit
matriks
Intensitas termal zona aktif,
rata-rata/maksimum, MW/l 2,3 / 5,1
Temperatur maksimum yang dicapai dari fluida kerja, K 2550 2200
Impuls dorong spesifik, s ~ 850
Masa pengoperasian pada suhu fluida kerja maksimum, s 50 2400

Kemarin, tanpa berlebihan, kita menyaksikan peristiwa penting yang membuka prospek baru yang sangat fantastis bagi peralatan militer dan (di masa depan) energi dan transportasi secara umum.

Namun pertama-tama, saya ingin memahami cara kerja pembangkit listrik tenaga nuklir untuk rudal dan kendaraan bawah air yang dibicarakan Putin. Apa sebenarnya kekuatan pendorong di dalamnya? Dari mana datangnya daya tarik tersebut? Bukan karena neutron yang keluar dari nosel...

Ketika saya mengetahui dari perkataan seorang rekan bahwa kami telah menciptakan rudal dengan jangkauan terbang yang hampir tidak terbatas, saya tercengang. Sepertinya dia melewatkan sesuatu, dan kata “tidak terbatas” disebutkan dalam arti sempit.

Namun informasi yang diperoleh dari sumber utama tidak menimbulkan keraguan. Izinkan saya mengingatkan Anda, bunyinya seperti ini:

Salah satunya adalah penciptaan pembangkit listrik tenaga nuklir berukuran kecil dan sangat kuat, yang ditempatkan di badan rudal jelajah seperti rudal X-101 terbaru yang diluncurkan dari udara atau American Tomahawk, tetapi pada saat yang sama. menyediakan puluhan kali - puluhan kali! – jangkauan penerbangan jauh, yang praktis tidak terbatas.

Mustahil untuk mempercayai apa yang dia dengar, tetapi tidak mungkin untuk tidak percaya - DIA mengatakannya. Saya menyalakan otak saya dan segera menerima jawaban. Ya apa!

Ya ampun! Ya, para jenius! Ini bahkan tidak akan pernah terjadi pada orang normal!

Jadi, selama ini kita hanya mengetahui sistem penggerak nuklir untuk roket luar angkasa. Roket luar angkasa harus mengandung zat yang, ketika dipanaskan atau dipercepat oleh akselerator yang ditenagai oleh pembangkit listrik tenaga nuklir, akan dikeluarkan secara paksa dari nosel roket dan memberikan daya dorong.

Dalam hal ini, zat tersebut dikonsumsi dan waktu pengoperasian mesin dibatasi.

Rudal-rudal semacam itu sudah ada dan akan terus ada. Tapi bagaimana rudal jenis baru bisa bergerak jika jangkauannya “hampir tidak terbatas”?

Pembangkit listrik tenaga nuklir untuk roket

Secara teoritis murni, selain adanya daya dorong dari zat yang ada pada roket, pergerakan roket dimungkinkan karena adanya daya dorong motor listrik dengan “baling-baling” (mesin ulir). Listrik dihasilkan oleh generator yang ditenagai oleh pembangkit listrik tenaga nuklir.

Tetapi massa seperti itu tidak dapat dipertahankan di udara tanpa sayap penggerak baling-baling yang besar, dan bahkan dengan baling-baling berdiameter kecil - daya dorong seperti itu terlalu kecil. Tapi ini roket, bukan drone.

Jadi, yang tersisa adalah cara yang paling tak terduga dan, ternyata, cara paling efektif untuk menyediakan bahan dorong bagi roket - dengan mengambilnya dari luar angkasa.

Artinya, betapapun mengejutkannya kedengarannya, roket baru ini bekerja “di udara”!

Dalam artian justru udara panas yang keluar dari noselnya dan tidak lebih! Dan udara tidak akan habis selama roket berada di atmosfer. Itulah sebabnya rudal ini merupakan rudal jelajah, yaitu. penerbangannya terjadi seluruhnya di atmosfer.

Teknologi rudal jarak jauh klasik mencoba membuat rudal terbang lebih tinggi untuk mengurangi gesekan dengan udara dan dengan demikian meningkatkan jangkauannya. Seperti biasa, kami memecahkan cetakannya dan membuat roket yang tidak hanya besar, tetapi juga memiliki jangkauan tak terbatas di udara.

Jangkauan penerbangan yang tidak terbatas memungkinkan rudal tersebut beroperasi dalam mode siaga. Rudal yang diluncurkan tiba di area patroli dan berputar-putar di sana, menunggu data pengintaian tambahan tentang target atau kedatangan target di area tersebut. Setelah itu, secara tidak terduga mengenai sasarannya, ia langsung menyerangnya.

Pembangkit listrik tenaga nuklir untuk kendaraan bawah air

Saya pikir pembangkit listrik tenaga nuklir untuk kendaraan bawah air yang dibicarakan Putin serupa. Kecuali air yang digunakan sebagai pengganti udara.

Selain itu, hal ini dibuktikan dengan kendaraan bawah air yang memiliki tingkat kebisingan yang rendah. Torpedo Shkval yang terkenal, yang dikembangkan pada masa Soviet, memiliki kecepatan sekitar 300 km/jam, namun sangat berisik. Pada dasarnya itu adalah roket yang terbang dalam gelembung udara.

Di balik kebisingan rendah terdapat prinsip pergerakan baru. Dan sama seperti pada roket, karena bersifat universal. Yang ada hanya lingkungan dengan kepadatan minimum yang disyaratkan.

Nama “Squid” cocok untuk perangkat ini, karena pada dasarnya ini adalah mesin jet air dalam “versi nuklir” :)

Adapun kecepatannya berkali-kali lipat lebih besar dari kecepatan kapal permukaan tercepat. Kapal tercepat (yaitu kapal laut, bukan perahu) memiliki kecepatan hingga 100-120 km/jam. Oleh karena itu, dengan koefisien minimal 2 kita mendapatkan kecepatan 200-250 km/jam. Di bawah air. Dan tidak terlalu berisik. Dan dengan jangkauan ribuan kilometer... Sebuah mimpi buruk bagi musuh kita.

Jangkauan yang relatif terbatas dibandingkan dengan rudal adalah fenomena sementara dan dijelaskan oleh fakta bahwa air laut bersuhu tinggi adalah lingkungan yang sangat agresif dan bahan-bahan ruang bakar, secara relatif, memiliki sumber daya yang terbatas. Seiring waktu, jangkauan perangkat ini dapat ditingkatkan secara signifikan hanya melalui penciptaan material baru yang lebih stabil.

Pembangkit listrik tenaga nuklir

Beberapa kata tentang pembangkit listrik tenaga nuklir itu sendiri.

1. Ungkapan Putin memukau imajinasi:

Dengan volume yang seratus kali lebih kecil dibandingkan instalasi kapal selam nuklir modern, ia memiliki kekuatan lebih besar dan waktu 200 kali lebih sedikit untuk mencapai mode tempur, yaitu kekuatan maksimum.

Sekali lagi beberapa pertanyaan.
Bagaimana mereka mencapai hal ini? Solusi desain dan teknologi apa yang digunakan?

Ini adalah pemikirannya.

1. Peningkatan keluaran daya per satuan massa secara radikal, dua kali lipat, hanya mungkin terjadi jika mode operasi reaktor nuklir mendekati mode eksplosif. Pada saat yang sama, reaktor dikendalikan dengan andal.

2. Karena operasi hampir meledak dapat dipastikan, kemungkinan besar ini adalah reaktor neutron cepat. Menurut pendapat saya, hanya mereka yang dapat menggunakan mode operasi kritis tersebut dengan aman. Ngomong-ngomong, bagi mereka bahan bakar di Bumi bisa bertahan selama berabad-abad.

3. Jika lama kelamaan kita mengetahui bahwa ini adalah reaktor neutron lambat, saya angkat topi kepada para ilmuwan nuklir kita, karena tanpa pernyataan resmi sangatlah mustahil untuk mempercayainya.

Bagaimanapun, keberanian dan kecerdikan para ilmuwan nuklir kita sungguh luar biasa dan layak untuk dikagumi! Sangat menyenangkan bahwa orang-orang kami tahu cara bekerja dalam diam. Dan kemudian mereka memukul kepala Anda dengan berita - berdiri atau jatuh! :)

Bagaimana itu bekerja
Perkiraan diagram semantik pengoperasian mesin roket berbasis pembangkit listrik tenaga nuklir terlihat seperti ini.

1. Katup masuk terbuka, secara relatif. Aliran udara yang masuk melewatinya ke dalam ruang pemanas, yang terus-menerus dipanaskan oleh pengoperasian reaktor.

2. Katup masuk menutup.

3. Udara di dalam ruangan memanas.

4. Katup buang terbuka dan udara keluar dari nosel roket dengan kecepatan tinggi.

5. Katup keluar menutup.

Siklus tersebut berulang dengan frekuensi tinggi. Oleh karena itu efek dari operasi berkelanjutan.

P.S. Mekanisme yang dijelaskan di atas, saya ulangi, bersifat semantik. Hal ini diberikan atas permintaan pembaca untuk pemahaman yang lebih baik tentang cara kerja mesin ini secara umum. Pada kenyataannya, ada kemungkinan bahwa mesin ramjet telah diimplementasikan. Hal utama dalam artikel ini bukanlah menentukan jenis mesinnya, tetapi mengidentifikasi zat (udara yang masuk) yang digunakan sebagai satu-satunya fluida kerja yang memberikan daya dorong pada roket.

Keamanan

Pemanfaatan penemuan ilmuwan Rusia pada sektor sipil erat kaitannya dengan keselamatan pembangkit listrik tenaga nuklir. Bukan dalam arti kemungkinan ledakannya - menurut saya masalah ini telah teratasi - tetapi dalam artian keamanan knalpotnya.

Perlindungan mesin nuklir berukuran kecil jelas lebih kecil dibandingkan dengan mesin nuklir berukuran besar, sehingga neutron pasti akan menembus ke dalam “ruang pembakaran”, atau lebih tepatnya, ruang pemanas udara, sehingga kemungkinan besar akan membuat segala sesuatu menjadi radioaktif. radioaktif di udara.

Nitrogen dan oksigen memiliki isotop radioaktif dengan waktu paruh yang pendek dan tidak berbahaya. Karbon radioaktif adalah benda yang berumur panjang. Namun ada juga kabar baik.

Karbon radioaktif terbentuk di lapisan atas atmosfer di bawah pengaruh sinar kosmik sehingga tidak mungkin menyalahkan mesin nuklir. Namun yang terpenting, konsentrasi karbon dioksida di udara kering hanya 0,02 0,04%.

Mengingat persentase karbon yang menjadi radioaktif masih beberapa kali lipat lebih kecil, kita dapat berasumsi bahwa gas buang dari mesin nuklir tidak lebih berbahaya daripada gas buang dari pembangkit listrik tenaga panas berbahan bakar batu bara.

Informasi yang lebih akurat akan muncul terkait penggunaan mesin ini untuk keperluan sipil.

Prospek

Sejujurnya, prospeknya sangat menakjubkan. Selain itu, saya tidak berbicara tentang teknologi militer, semuanya jelas di sini, tetapi tentang penggunaan teknologi baru di sektor sipil.

Dimana pembangkit listrik tenaga nuklir dapat digunakan? Sejauh ini, begitu saja, murni teoritis, dalam 20-30-50 tahun ke depan.

1. Armada, termasuk sipil dan angkutan. Banyak yang harus diubah menjadi hidrofoil. Namun kecepatannya dapat dengan mudah ditingkatkan dua kali lipat/tiga kali lipat, dan biaya pengoperasiannya hanya akan turun seiring berjalannya waktu.

2. Penerbangan, terutama transportasi. Meskipun demikian, jika keselamatan dalam hal risiko paparan ternyata minimal, maka dapat juga digunakan untuk angkutan sipil.

3. Penerbangan dengan lepas landas dan mendarat vertikal. Menggunakan tangki udara bertekanan yang diisi ulang selama penerbangan. Jika tidak, pada kecepatan rendah, traksi yang diperlukan tidak dapat diberikan.

4. Lokomotif kereta listrik berkecepatan tinggi. Menggunakan generator listrik perantara.

5. Truk listrik. Juga tentunya menggunakan generator listrik perantara. Menurut saya, hal ini akan terjadi di masa depan yang jauh, ketika pembangkit listrik bisa dikurangi beberapa kali lipat. Tapi saya tidak mengesampingkan kemungkinan ini.

Belum lagi penggunaan lahan/bergerak untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Salah satu masalahnya adalah pengoperasian reaktor nuklir berukuran kecil tidak memerlukan uranium/plutonium, melainkan unsur radioaktif yang jauh lebih mahal, yang produksinya dalam reaktor nuklir masih sangat-sangat mahal dan memerlukan waktu. Namun masalah ini juga bisa teratasi seiring berjalannya waktu.

Teman-teman, era baru telah ditandai di bidang energi dan transportasi. Rupanya, Rusia akan menjadi pemimpin dalam bidang ini dalam beberapa dekade mendatang.

Terimalah ucapan selamat saya.
Itu tidak akan membosankan!

Penggunaan baterai atom pertama kali secara luas ditemukan di luar angkasa, karena di sanalah dibutuhkan sumber energi yang mampu menghasilkan panas dan listrik dalam waktu lama, dalam kondisi perubahan suhu yang tajam dan sangat kuat, di bawah beban variabel yang signifikan, dan karena, dalam kondisi penerbangan tak berawak, emisi radio dari sumber listrik tidak menimbulkan ancaman besar (ada cukup radiasi di ruang angkasa meski tanpa sumber listrik). Sumber energi kimia belum terbukti manfaatnya. Jadi, ketika satelit Bumi buatan pertama diluncurkan ke orbit pada tanggal 4 Oktober 1957 di Uni Soviet, baterai kimianya dapat menyediakan energi selama 23 hari. Setelah itu tenaga mereka habis. Sel surya silikon hanya efektif untuk penerbangan dekat Matahari; mereka tidak cocok untuk penerbangan ke planet yang jauh di tata surya.

Ada dua jenis metode konversi energi pada pesawat ruang angkasa: langsung dan mekanis. Jenis pengubah energi panas menjadi energi listrik dibedakan menjadi statis (yaitu tanpa bagian yang bergerak) dan dinamis (yaitu dengan bagian yang bergerak, berputar atau bergerak). Masalah pemilihan jenis konversi energi masih relevan bagi pengembang berbagai konverter dan pembangkit listrik tenaga nuklir luar angkasa (SNPP) yang berbasis padanya.

Jadi, dalam kerangka inisiatif NASA yang terkenal tentang pembangkit listrik tenaga nuklir luar angkasa, konverter dinamis (instalasi turbin gas berdasarkan siklus Brayton) dipilih untuk implementasi program Prometheus untuk proyek Jimo (ekspedisi orbital ke luar angkasa). bulan es Jupiter). Masa pakai PLTN adalah 10 tahun dengan daya keluaran listrik 250 kW(el).

Sejak awal tahun enam puluhan, upaya konversi langsung energi panas menjadi energi listrik berdasarkan konverter termoelektrik dan termionik telah memperoleh cakupan yang cukup luas di Uni Soviet, Amerika Serikat, dan sejumlah negara lainnya. Metode konversi energi seperti itu pada dasarnya menyederhanakan desain instalasi, menghilangkan tahap peralihan konversi energi dan memungkinkan terciptanya instalasi energi yang kompak dan ringan.

Uni Soviet menggunakan baterai nuklir di satelit tipe Cosmos. Pada bulan September 1965, generator termoelektrik radioisotop (RTGs) Orion-1 dengan daya listrik 20 W diluncurkan sebagai bagian dari perangkat Cosmos-84 dan Cosmos-90. Berat RTG adalah 14,8 kg, umur desain 4 bulan. Ampul RTG yang mengandung polonium-210 dirancang sesuai dengan prinsip jaminan keutuhan dan kekencangan pada semua kecelakaan. Prinsip ini dibenarkan selama kecelakaan kendaraan peluncuran pada tahun 1969, ketika, meskipun benda-benda tersebut hancur total, blok bahan bakar yang berisi 25.000 curie polonium-210 tetap tersegel.

Kendaraan penelitian Lunokhod 1, diluncurkan ke permukaan bulan oleh Uni Soviet pada November 1970, dilengkapi dengan isotop radioaktif (polonium-210) untuk mengatur suhu. Lunokhod 1 beroperasi selama 322 hari. Selama 11 hari lunar, ia menempuh jarak 10,5 km, menjelajahi wilayah Laut Hujan, dan melakukan survei topografi terperinci seluas 80.000 meter persegi. permukaan bulan. Selama waktu ini, 171 sesi komunikasi dilakukan menggunakan sistem radio dan televisi Lunokhod-1, dan lebih dari 200 ribu gambar permukaan bulan dikirimkan ke Bumi.” Generator arus termoelektrik radioisotop juga berhasil dioperasikan di pesawat ruang angkasa Lunokhod-2.

Sumber energi yang dipasok dengan isotop berumur panjang sangat diperlukan untuk wahana antariksa yang melakukan “perjalanan jauh” ke planet yang jauh. Oleh karena itu, pesawat penjelajah Viking Amerika, yang mendarat di Mars pada bulan Juli dan September 1976 dengan tujuan mencari kehidupan cerdas di sana, memiliki dua generator radioisotop untuk menyediakan energi bagi kendaraan yang turun. Stasiun luar angkasa dekat Bumi, seperti Salyut (USSR) dan Skylab (AS), menerima energi dari panel surya yang ditenagai oleh energi matahari. Namun wahana antariksa Jupiter tidak bisa dilengkapi dengan panel surya. Radiasi matahari yang diterima oleh wahana di dekat Jupiter sama sekali tidak cukup untuk menyediakan energi bagi perangkat tersebut. Selain itu, selama penerbangan luar angkasa dari Bumi ke Jupiter, perlu menempuh jarak antarplanet yang sangat jauh dengan durasi penerbangan 600 hingga 700 hari. Untuk misi luar angkasa seperti itu, dasar keberhasilannya adalah keandalan pembangkit listrik. Oleh karena itu, pesawat penjelajah Amerika di planet Jupiter - Pioneer 10, yang diluncurkan pada bulan Februari 1972, dan pada bulan Desember 1973 mencapai jarak terdekat ke Jupiter, serta penerusnya Pioneer 2 - dilengkapi dengan empat baterai plutonium-238 kuat yang ditempatkan di ujung tanda kurung sepanjang 27 m Pada tahun 1987, Pioneer 10 terbang melewati planet terjauh dari Bumi - Pluto, dan kemudian benda kosmik yang dihasilkan di bumi ini meninggalkan tata surya kita.

Tabel 1 Karakteristik utama pembangkit listrik tenaga nuklir yang telah mendapat pengalaman nyata digunakan sebagai bagian dari pesawat ruang angkasa di AS dan Uni Soviet/Rusia

1 – reaktor; 2 – pipa sirkuit logam cair; 3 – proteksi radiasi; 4 – tangki kompensasi ZhMK; 5 – emitor kulkas; 6 – TEG; 7 – struktur rangka penahan beban.

Kita dapat mengatakan bahwa penggunaan sumber panas radioisotop daripada sumber kimia memungkinkan peningkatan durasi satelit di orbit hingga puluhan bahkan ratusan kali lipat. Namun bila menggunakan satelit dengan konsumsi energi tinggi, daya generator radioisotop saja tidak cukup. Ketika konsumsi daya lebih dari 500 W, akan lebih hemat biaya jika menggunakan reaksi fisi nuklir, yaitu. pembangkit listrik tenaga nuklir kecil.

1 – blok sistem pasokan uap cesium dan penggerak kontrol; 2 – TRP; 3 – pipa ZhMK; 4 – RZ; 5 – tangki kompensasi ZhMK; 6 – CI; 7 – struktur rangka.

INSTALASI TENAGA NUKLIR DENGAN GENERATOR TERMOELEKTRIK

Perlombaan antariksa, khususnya di bidang militer, memerlukan pasokan listrik dari satelit, puluhan kali lebih besar daripada yang dapat disediakan oleh panel surya atau sumber listrik isotop. Memang sulit untuk membangun pengubah panas-ke-listrik langsung berkekuatan tinggi (menggunakan termoelemen) berdasarkan isotop radioaktif. Dalam hal ini, penggunaan reaksi berantai nuklir jauh lebih menjanjikan. Ada 55 reaktor nuklir di luar angkasa pada tahun 2000. Penggunaan energi atom-panas dapat dibagi menjadi berbasis mesin dan tanpa mesin. Tenaga yang dibutuhkan disediakan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir kompak (PLTN), yang karena terbatasnya ukuran satelit, harus beroperasi tanpa generator uap atau turbin yang besar. Konversi langsung energi panas nuklir menjadi energi listrik memiliki keunggulan yang menentukan dibandingkan konversi mekanis untuk pembangkit listrik reaktor otonom dengan daya yang relatif rendah (dari 3 kW hingga 3-5 MW) dan kapasitas sumber daya yang panjang (dari 3 tahun operasi terus menerus hingga 10 tahun dalam kondisi masa depan).

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) dirancang untuk memasok energi listrik ke peralatan pesawat ruang angkasa, menggunakan prinsip konversi langsung energi panas reaktor nuklir menjadi listrik dalam generator termoelektrik semikonduktor. Pembuangan pembangkit listrik tenaga nuklir setelah berakhirnya operasinya dilakukan dengan cara dipindahkan ke orbit, dimana umur reaktor cukup untuk peluruhan produk fisi ke tingkat yang aman (minimal 300 tahun). Jika terjadi kecelakaan dengan pesawat ruang angkasa, pembangkit listrik tenaga nuklir dilengkapi sistem keselamatan radiasi tambahan yang sangat efektif yang menggunakan dispersi aerodinamis reaktor ke tingkat yang aman.

Penggunaan konverter energi termoelektrik dan termionik dalam kombinasi dengan reaktor nuklir memungkinkan terciptanya jenis instalasi baru yang fundamental di mana sumber energi panas - reaktor nuklir dan pengubah energi panas menjadi energi listrik - digabungkan menjadi satu unit - konverter reaktor.

Pembangkit listrik tenaga nuklir pada umumnya berisi: reaktor neutron cepat dengan reflektor berilium samping termasuk 6 batang kendali silinder, pemancar pendingin; 2 sirkuit pendingin (natrium - kalium eutektik), pompa elektromagnetik, generator termoelektrik, dan penggerak batang kendali; proteksi radiasi bayangan litium hidrida, yang memastikan redaman radiasi pengion dari reaktor ke tingkat yang dapat diterima untuk instrumen dan peralatan pesawat ruang angkasa; - emitor untuk melepaskan panas ke luar angkasa dari sirkuit pendingin kedua; lampiran dengan unit sistem untuk mengeluarkan rakitan elemen bahan bakar reaktor dari bejana reaktor. Tenaga listrik - 3 kW, tenaga panas - 100 kW, massa pembangkit listrik tenaga nuklir - 930 kg, muatan uranium 235 - 30 kg.

Pada tahun 50-an, pekerjaan dimulai di Uni Soviet untuk membuat reaktor pembangkit listrik termoelektrik “BUK” dengan reaktor neutron cepat berukuran kecil dan generator termoelektrik berdasarkan elemen semikonduktor yang terletak di luar reaktor. Lebih dari 30 instalasi BUK dioperasikan pada pesawat ruang angkasa seri Cosmos selama beberapa tahun.

Pada tahun 1964 di Institut Energi Nuklir dinamai. IV Kurchatov meluncurkan reaktor pertama untuk konversi langsung panas menjadi listrik, “Romashka”. Dasarnya adalah reaktor neutron cepat suhu tinggi, inti yang terdiri dari uranium dikarbida dan grafit. Inti reaktor (silinder) dikelilingi oleh reflektor berilium. Suhu di tengah zona aktif adalah 1770°C, di permukaan luar reaktor – 1000°C. Pada permukaan luar reflektor terdapat konverter termoelektrik yang terdiri dari sejumlah besar wafer semikonduktor silikon-germanium, sisi dalam dipanaskan oleh panas yang dihasilkan oleh reaktor, dan sisi luar didinginkan. Panas yang tidak terpakai dari konverter dipancarkan ke ruang sekitarnya oleh lemari es radiator bersirip. Daya termal reaktor adalah 40 kW. Daya listrik yang dikeluarkan dari konverter termoelektrik adalah 500 W.

Konverter reaktor nuklir suhu tinggi memungkinkan Anda menghasilkan listrik secara langsung tanpa partisipasi fluida atau mekanisme kerja yang bergerak. “Romashka” sepenuhnya mewujudkan gagasan reaktor konversi langsung: tidak ada yang bergerak di sana. Berbeda dengan reaktor SNAP-10A Amerika, tidak ada pendingin atau pompa. Amerika terpaksa meninggalkan reaktor versi mereka karena posisi rapuh mereka di bidang ilmu material suhu tinggi.

Reaktor konverter Romashka berhasil beroperasi selama 15.000 jam (bukan 1.000 jam yang diharapkan), dan menghasilkan listrik 6.100 kWh. Rangkaian pekerjaan yang telah selesai dengan instalasi Romashka menunjukkan keandalan mutlak dan
keamanan.

Efisiensi pengoperasian generator tersebut dapat ditingkatkan dengan menggunakan, sebagai pengganti konverter energi termoelektrik, elemen termionik modular datar yang terletak di perbatasan inti dan reflektor radial.

Berdasarkan instalasi "Romashka", pabrik percontohan "Gamma" dibuat - prototipe pembangkit listrik tenaga nuklir yang dapat diangkut secara otonom "Elena" dengan daya listrik hingga 500 kW, yang dimaksudkan untuk memasok listrik ke daerah terpencil.

Pembangkit listrik tenaga nuklir luar angkasa (KNPP) pertama di negara kita "BES-5" dengan reaktor neutron cepat homogen dan generator termoelektrik (TEG) dikembangkan untuk memberi daya pada peralatan pesawat ruang angkasa pengintai radar di lokasi peluncuran dan selama seluruh periode peluncuran. keberadaan aktif satelit pada ketinggian orbit melingkar sekitar 260 km. Daya keluaran pembangkit "BES-5" adalah 2800 W, dengan sumber daya 1080 jam. Pada tanggal 3 Oktober 1970, pembangkit listrik tenaga nuklir BES-5 diluncurkan sebagai bagian dari pesawat ruang angkasa pengintai radar (Cosmos-367). Setelah 9 peluncuran pembangkit listrik tenaga nuklir BES-5, pembangkit listrik tenaga nuklir tersebut diadopsi oleh Angkatan Laut Uni Soviet pada tahun 1975. Secara total, pada saat PLTN BES-5 dinonaktifkan (1989), 31 instalasi telah diluncurkan ke luar angkasa.

Selama pengoperasian instalasi, dilakukan pekerjaan penyempurnaan dan modernisasi BES, terkait dengan peningkatan keselamatan radiasi, peningkatan daya listrik di akhir masa pakai menjadi 3 kW dan peningkatan masa pakai menjadi 6-12 bulan. Peluncuran pertama pembangkit listrik tenaga nuklir versi modern dilakukan pada 14 Maret 1988 sebagai bagian dari pesawat ruang angkasa Cosmos-1932.

Tabel.2 Generator termoelektrik radionuklida (RTG) dan unit pemanas (HU) berbahan dasar polonium-210 dan plutonium-238, sumber radiasi gamma (IR) berbahan dasar thulium-170

Perwakilan khas KNPP, yang digunakan sebagai sumber listrik untuk satelit radio yang kuat (stasiun radar luar angkasa dan stasiun televisi), dengan konversi langsung panas menjadi listrik, adalah instalasi Buk, yang sebenarnya adalah TEG - konverter semikonduktor Ioffe, hanya saja sebagai pengganti lampu minyak tanah digunakan reaktor nuklir. Seperti biasa, satu sambungan semikonduktor ditempatkan di tempat dingin, dan sambungan lainnya di panas: arus listrik mengalir di antara keduanya. Tidak ada yang salah dengan hawa dingin di luar angkasa - hawa dingin ada di mana-mana. Untuk panas, pendingin logam yang mencuci reaktor nuklir portabel cocok. Itu adalah reaktor cepat dengan kekuatan hingga 100 kW. Jumlah penuh uranium yang diperkaya tinggi adalah sekitar 30 kg. Panas dari inti dipindahkan oleh logam cair - paduan natrium dan kalium eutektik - ke baterai semikonduktor. Tenaga listriknya mencapai 5 kW. Waktu pengoperasian buk 1-3 bulan. sekarang secara kualitas, berlanjut hingga dimulainya perestroika. Dari tahun 1970 hingga 1988, sekitar 30 satelit radar dengan pembangkit listrik tenaga nuklir Buk dengan reaktor konverter semikonduktor diluncurkan ke luar angkasa. Jika pemasangannya gagal, satelit dipindahkan ke orbit jangka panjang di ketinggian 1000 km.

Capaian utama ilmu pengetahuan dan teknologi dalam negeri di bidang teknologi termoelektrik untuk misi luar angkasa terkait dengan R&D pembuatan PLTN Romashka, PLTN BUK dan pengalaman nyata pengoperasiannya di luar angkasa pada periode 1970-an. 1988. selama 32 peluncuran.

INSTALASI TENAGA NUKLIR DENGAN KONVERTER EMISI TERMAL

Di Uni Soviet, bersamaan dengan pekerjaan pembuatan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan generator termoelektrik, pekerjaan dilakukan pada pembangkit listrik tenaga nuklir dengan konverter termionik yang memiliki karakteristik teknis lebih tinggi. Pada dasarnya, prinsip yang digunakan di sini sama dengan konverter semikonduktor, tetapi alih-alih sambungan dingin dan panas, digunakan katoda karbiduran panas dan anoda baja dingin, dan di antara keduanya terdapat uap cesium yang mudah terionisasi. Efeknya adalah perbedaan potensial listrik, yaitu pembangkit listrik kosmik alami. Konversi termionik, dibandingkan dengan konversi termoelektrik, memungkinkan peningkatan efisiensi, peningkatan masa pakai, dan peningkatan karakteristik berat dan ukuran pembangkit listrik dan pesawat ruang angkasa secara keseluruhan. Prinsip konversi termionik energi panas menjadi energi listrik adalah bahwa permukaan logam, yang dipanaskan oleh panas yang dihasilkan dalam reaktor, secara efektif mengeluarkan ion-ion yang diserap oleh dinding dingin yang terletak dengan celah kecil.

Pada tahun 1970-71, pembangkit listrik tenaga nuklir termionik “Topaz” (Konverter Eksperimental Termionik di Inti) dibuat di Uni Soviet, yang menggunakan reaktor termal dengan daya hingga 150 kW. Muatan uranium penuh adalah 31,1 kg 90% uranium-235. Berat pemasangan 1250 kg. Basis reaktor adalah elemen bahan bakar - "karangan bunga". Mereka terdiri dari rantai termoelemen: katoda adalah "bidal" yang terbuat dari tungsten atau molibdenum, diisi dengan uranium oksida, anoda adalah tabung niobium berdinding tipis yang didinginkan dengan natrium-kalium cair. Suhu katoda mencapai 1650oC. Tenaga listrik 10 kW. "Topazes" memiliki efisiensi konversi termoelektrik 5-10% dibandingkan 2-4% untuk reaktor sebelumnya.

Selain uranium-235, plutonium dioksida-238 juga menjanjikan sebagai bahan bakar reaktor luar angkasa karena pelepasan energi spesifiknya yang sangat tinggi. Dalam hal ini, efisiensi reaktor termionik konversi langsung yang relatif rendah dikompensasi oleh pelepasan energi aktif plutonium-238.

Dua konverter reaktor termionik pada neutron perantara (tanpa moderator) diuji - "Topaz-1" dan "Topaz-2" dengan daya listrik masing-masing 5 dan 10 kW. Di instalasi Topaz, konversi energi langsung (tanpa mesin) dilakukan di saluran pembangkit listrik yang dibangun di inti reaktor termal berukuran kecil. Instalasi Topaz-1 dilengkapi dengan konverter reaktor termal dan pendingin logam cair (natrium-kalium atau litium). Prinsip konversi langsung energi panas menjadi energi listrik terdiri dari memanaskan katoda dalam ruang hampa hingga suhu tinggi sambil mempertahankan anoda relatif dingin, sementara elektron “menguap” (memancar) dari permukaan katoda, yang kemudian terbang melalui celah antarelektroda, “mengembun” pada anoda, dan ketika ditutup, rangkaian eksternal membawa arus listrik melaluinya. Keuntungan utama instalasi semacam itu dibandingkan generator mesin listrik adalah tidak adanya bagian yang bergerak. Penerapan konsep konverter reaktor neutron cepat berpendingin litium di masa depan dapat memecahkan masalah pembuatan instalasi dengan daya listrik 500-1000 kW atau lebih.

Pembangkit listrik tenaga nuklir berisi: reaktor konverter termionik dengan moderator zirkonium hidrida dan reflektor berilium samping, termasuk kontrol putar; sistem konverter reaktor: penggerak kontrol suplai cesium ke saluran pembangkit tenaga listrik, disusun dalam unit yang terletak di depan konverter reaktor; proteksi radiasi bayangan yang terbuat dari litium hidrida, yang memastikan redaman radiasi reaktor ke tingkat yang dapat diterima untuk instrumen pesawat ruang angkasa; sistem pembuangan panas yang tidak terpakai dari reaktor dengan cairan pendingin (natrium-kalium eutektik), termasuk pompa elektromagnetik yang ditenagai listrik dari reaktor konverter, radiator untuk pembuangan panas ke luar angkasa dan unit lainnya. Daya listrik - 5 kW, daya termal - 150 kW, masa pakai, termasuk pengoperasian hingga 1 tahun pada mode 100 kW - 7 tahun, pemuatan uranium 235 - 11,5 kg, berat - 980 kg.

Tabel 3 Karakteristik singkat PLTN Topaz 1

Bahan bakar nuklir dalam Topaz-1 (uranium dioksida yang diperkaya dengan uranium-235) dibungkus dalam inti bahan tahan api yang berfungsi sebagai katoda (emitor) elektron. Panas yang dilepaskan akibat fisi uranium di dalam reaktor memanaskan emitor hingga 1500-1800 derajat Celcius, sehingga terjadi emisi elektron. Ketika elektron mengenai anoda (kolektor), mereka memiliki energi yang cukup untuk melakukan kerja pada beban eksternal dalam sirkuit tertutup eksternal antara elektroda konverter termionik (emitor dan kolektor). Kesenjangan antarelektroda adalah beberapa persepuluh milimeter. Uap cesium yang dimasukkan ke dalam celah antarelektroda (IEG) secara signifikan mengaktifkan proses pembangkitan listrik di dalam reaktor. Desain pembangkit listrik mencakup sistem cesium yang dapat dikonsumsi, di mana uap cesium dipompa melalui MEZ untuk menghilangkan kotoran. Uap cesium yang melewati MEZ diserap oleh perangkap berbahan dasar pirografit, dan pengotor gas dibuang ke luar angkasa. Sistem cesium memiliki generator termostat uap cesium dengan pemanas listrik, yang dengannya suhu yang disetel dari zona terdingin termostat dipertahankan. Generator uap cesium menggunakan sejumlah perangkat yang memastikan retensi fase cair pada posisi tertentu dan mencegahnya memasuki jalur uap di bawah pengaruh beban berlebih kecil dalam penerbangan luar angkasa. Dalam desain pembangkit uap cesium yang diterapkan, jumlah maksimum cesium adalah 2,5 kg, yang, pada laju aliran uap tertentu, ditentukan oleh konduktivitas tersedak di outlet RP, jelas membatasi kemungkinan sumber daya nuklir. pembangkit listrik. Persyaratan untuk meminimalkan massa dan dimensi harus dilaksanakan dengan mempertimbangkan fakta bahwa pembuangan panas di luar angkasa hanya mungkin dilakukan melalui radiasi melalui penggunaan desain khusus dari pemancar-pendingin. Penerapan sistem penghilangan panas sangat sulit, karena menggunakan logam cair natrium-kalium eutektik yang agresif. Selain itu, persyaratan tinggi untuk keandalan operasi otonom dan kapasitas sumber daya pembangkit listrik tenaga nuklir dalam kondisi kelebihan beban selama peluncuran ke orbit, orientasi sewenang-wenang dan tidak adanya gaya gravitasi saat beroperasi di orbit, kebutuhan untuk memastikan keselamatan nuklir dan radiasi di kondisi kemungkinan kecelakaan kendaraan peluncuran saat meluncurkan pesawat ruang angkasa dari pembangkit listrik tenaga nuklir ke orbit, serta memastikan keselamatan meteor dalam penerbangan luar angkasa, dll. Pembangkit listrik tenaga nuklir Topaz dirancang untuk memasok energi listrik ke peralatan pesawat ruang angkasa untuk keperluan militer. Penggunaan reaktor nuklir pada satelit memungkinkan penyediaan pasokan listrik yang stabil terlepas dari lokasinya di orbit.
Keamanan nuklir dan radiasi dijamin melalui desain reaktor nuklir. Jika terjadi kecelakaan, termasuk kecelakaan hipotetis dengan kendaraan peluncuran di lokasi peluncuran dan di lokasi peluncuran orbital, reaktor nuklir tetap berada dalam kondisi subkritis. Karena adanya penyumbatan, peluncuran reaktor tidak mungkin dilakukan setelah mencapai orbit. Pemblokiran dihilangkan melalui perintah radio dari Bumi hanya setelah konfirmasi peluncuran ke orbit yang dihitung dengan pengukuran lintasan langsung. Ketinggian orbit dipilih dari kondisi bahwa keberadaan pesawat ruang angkasa setelah penghentian instalasi fungsional, dengan mempertimbangkan situasi darurat apa pun dengan instalasi tersebut, akan cukup untuk peluruhan produk fisi ke tingkat yang aman. Kali ini melebihi 350 tahun. Hal ini menjamin terjaminnya keamanan penduduk dunia saat menggunakan instalasi jenis ini.

Pembangkit listrik tenaga nuklir "Topaz-1" dikembangkan untuk satelit pengintai radar, "Topaz-2" - untuk pesawat ruang angkasa untuk siaran televisi langsung dari luar angkasa. Model penerbangan pertama - satelit Cosmos-1818 dengan instalasi Topaz - memasuki orbit melingkar stasioner aman radiasi di ketinggian 800 km pada tanggal 2 Februari 1987 dan bekerja dengan sempurna selama enam bulan, hingga cadangan cesium habis. Satelit kedua, Cosmos-1876, diluncurkan setahun kemudian. Dia bekerja di orbit hampir dua kali lebih lama. Keberhasilan Topazes mendorong berkembangnya sejumlah proyek reaktor dengan konverter termionik, khususnya pembangkit listrik tenaga nuklir dengan daya listrik hingga 500 kW yang berbasis reaktor berpendingin litium.

Berdasarkan PLTN BES dan Topaz, sejumlah desain pembangkit dengan karakteristik yang ditingkatkan telah disiapkan. Proposal teknis telah disiapkan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir termoelektrik Zarya-1 untuk pesawat ruang angkasa pengintai optik-elektronik. Pembangkit listrik tenaga nuklir Zarya-1 berbeda dari BES dalam hal tingkat daya listrik (5,8 kW versus 2,9 kW) dan peningkatan masa pakai (4320 jam versus 1100 jam). Pada tahun 1978, telah dibuat pembangkit listrik tenaga nuklir Zarya-2 dengan daya listrik 24 kW dan masa pakai 10.000 jam, kemudian pembangkit listrik tenaga nuklir luar angkasa Zarya-3 dengan daya listrik 24,4 kW dan masa pakai 1,15 tahun telah dibuat. Hal ini dimaksudkan untuk menciptakan impuls dorong untuk koreksi orbit satelit dan catu daya untuk peralatan khusus.

Instalasi nuklir ruang angkasa termionik "TOPAZ 100/40" adalah pembangkit listrik tenaga nuklir mode ganda (PLTN). Ini dirancang untuk memasok tenaga listrik ke mesin penggerak listrik (EP) ketika satelit sistem komunikasi satelit Space Star diluncurkan ke orbit tinggi (hingga geostasioner) dan untuk memasok tenaga listrik ke peralatan di dalamnya. Reaktor pembangkit listrik mencapai daya hanya ketika pesawat ruang angkasa mencapai orbit yang aman terhadap radiasi (800 km ke atas). Desain pembangkit listrik tenaga nuklir memenuhi dokumen “Prinsip-Prinsip Terkait Penggunaan Sumber Nuklir di Luar Angkasa” yang diadopsi pada sesi ke-47 Majelis Umum Perserikatan Bangsa-Bangsa. Pada posisi peluncuran, pembangkit listrik tenaga nuklir terletak di kompartemen pesawat ruang angkasa dengan diameter 3,9 meter dan panjang 4,0 meter di bawah fairing. Pada posisi orbitnya, pembangkit listrik tenaga nuklir diperpanjang (jarak reaktor sejauh mungkin dari peralatan) dan memiliki panjang 16,0 meter dan diameter 4 meter.

Pembangkit listrik tenaga nuklir berisi: reaktor konverter termionik dengan sistem pelayanan: penggerak elemen kendali, suplai fluida kerja (cesium) ke saluran pembangkit listrik; pelindung radiasi bayangan yang terbuat dari litium hidrida, yang memastikan redaman radiasi reaktor ke tingkat yang dapat diterima untuk instrumen pesawat ruang angkasa; sistem pembuangan panas yang tidak terpakai dari reaktor dengan cairan pendingin logam (paduan eutektik natrium dan kalium), termasuk pompa elektromagnetik, lemari es radiator yang terdiri dari 9 panel pada pipa panas untuk membuang panas ke luar angkasa dan unit lainnya. Tenaga listrik - 40 kW, tenaga listrik dalam mode tenaga penggerak listrik - 100 kW, masa pakai, termasuk pengoperasian hingga 1 tahun dalam mode 100 kW - 7 tahun, massa pembangkit listrik tenaga nuklir - 4400 kg, pemuatan uranium 235 - 45 kg Untuk menghindari jatuhnya pembangkit listrik tenaga nuklir dengan cepat ke satelit Bumi setelah selesainya kehidupan aktif, mereka dipindahkan ke orbit pemakaman pada ketinggian sekitar 1000 km, di mana reaktor bekas akan bertahan dari 300 hingga 600 tahun. Satelit darurat juga dipindahkan ke orbit serupa. Namun, hal ini tidak selalu memungkinkan. Selama hampir 20 tahun peluncurannya, ada empat kasus satelit jatuh ke Bumi: dua di lautan dan satu di darat.

Kepemimpinan historis dalam kecelakaan nuklir luar angkasa adalah milik Amerika Serikat - pada tahun 1964, sebuah satelit navigasi Amerika dengan reaktor nuklir di dalamnya gagal memasuki orbit, dan reaktor ini hancur berkeping-keping di atmosfer bersama dengan satelitnya.

Di Uni Soviet, kecelakaan pertama dikaitkan dengan satelit seri US-A seberat 4.300 kilogram yang diluncurkan pada 18 September 1977 (alias “Cosmos-954”, parameter orbit: perigee 259 km, apogee 277 km, kemiringan 65 derajat). Satelit tersebut adalah bagian dari sistem satelit MCRC Legend untuk pengintaian ruang maritim dan penetapan target, yang dirancang untuk mendeteksi kapal musuh potensial dan menyediakan data untuk penggunaan rudal jelajah oleh armada kami. Pada akhir Oktober 1977, Kosmos-954 menghentikan koreksi orbital regulernya, tetapi tidak dapat dipindahkan ke orbit penguburan. Menurut laporan TASS berikutnya, pada tanggal 6 Januari 1978, tekanan satelit tiba-tiba berkurang, menyebabkan sistem di dalamnya rusak. Penurunan kendaraan yang tidak terkendali di bawah pengaruh lapisan atas atmosfer berakhir pada 24 Januari 1978 dengan deorbit dan jatuhnya puing-puing radioaktif di utara Kanada di sekitar Great Slave Lake. Unsur uranium satelit terbakar habis di atmosfer. Hanya sisa-sisa reflektor berilium dan baterai semikonduktor yang ditemukan di tanah. Namun, puing-puing ruang angkasa radioaktif akhirnya tersebar di barat laut Kanada di area seluas beberapa ribu kilometer persegi. Uni Soviet setuju untuk membayar Kanada $3 juta, yang merupakan 50% dari biaya Operasi Cahaya Pagi untuk membersihkan area jatuhnya Cosmos 954.

Pada tanggal 28 Desember 1982, Cosmos-1402, yang telah beroperasi sejak 30 Agustus, tidak dapat dipindahkan ke orbit penguburan dan mulai turun secara tidak terkendali. Perbaikan struktural setelah kecelakaan sebelumnya memungkinkan pemisahan inti dari bejana reaktor tahan panas dan mencegah jatuhnya puing-puing secara padat. Inti tersebut memasuki atmosfer pada tanggal 7 Februari 1983 dan produk fisi radioaktif tersebar di Atlantik Selatan.

Komunikasi dengan Cosmos-1900, yang diluncurkan ke orbit pada bulan Desember 1987, terputus pada bulan April 1988. Selama lima bulan, satelit turun tak terkendali, dan layanan darat tidak dapat memberikan perintah untuk memindahkan reaktor ke orbit tinggi atau memisahkannya. inti untuk deorbit yang lebih aman. Untungnya, lima hari sebelum perkiraan masuknya ke atmosfer, pada tanggal 30 September 1988, sistem retraksi reaktor otomatis diaktifkan, yang dihidupkan karena habisnya pasokan bahan bakar di sistem orientasi satelit.

Kelanjutan dari sumber listrik tipe Topaz adalah pembangkit listrik tenaga nuklir termionik Yenisei-Topaz. Saluran pembangkit listrik berelemen tunggal, daya listrik 5 kW, sumber daya hingga 3 tahun.

Meskipun kecelakaan itu sendiri tidak menyebabkan kerusakan material, namun kejadian yang tumpang tindih dengan bencana Challenger dan Chernobyl sebelumnya menyebabkan protes terhadap penggunaan tenaga nuklir di luar angkasa. Keadaan ini menjadi faktor tambahan yang mempengaruhi penghentian penerbangan satelit dengan pencari ruang angkasa pada tahun 1988. Namun, alasan utama ditinggalkannya pencari ruang angkasa dengan tenaga nuklir bukanlah seruan masyarakat dunia, terlebih lagi, bukan tuntutan masyarakat dunia. interferensi yang diciptakan oleh reaktor untuk astronomi sinar gamma, tetapi karakteristik operasionalnya rendah.

PROSPEK PEMBANGUNAN INSTALASI TENAGA NUKLIR

Meja 4 Ciri-ciri utama PLTN “BUK” dan “BUK-TEM”

Kandungan penuh uranium yang diperkaya tinggi di Buk adalah 30 kg, pendinginnya adalah logam cair - paduan eutektik natrium dan kalium. Sumber listriknya adalah konverter semikonduktor. Tenaga listrik 5 kW. Topaz menggunakan reaktor termal 150 kW. Beban penuh uranium 12 kg. Basis reaktor adalah elemen pelepas bahan bakar - "karangan bunga", yang merupakan rantai termoelemen: katoda adalah "bidal" yang terbuat dari tungsten atau molibdenum, diisi dengan uranium oksida, anoda adalah tabung niobium berdinding tipis, didinginkan dengan natrium-kalium cair. Suhu katoda 1650oC, daya listrik instalasi 10 kW.

Dari tahun 1970 hingga 1988, Uni Soviet (Rusia) meluncurkan sekitar 30 satelit radar ke luar angkasa dengan pembangkit listrik tenaga nuklir Buk dengan reaktor konverter semikonduktor dan dua dengan pembangkit listrik termionik Topaz.

Saat ini, persyaratan berikut diberlakukan pada pembangkit listrik tenaga nuklir luar angkasa (SNPP) generasi baru: integrasi pembangkit listrik tenaga nuklir ke dalam pesawat ruang angkasa yang diluncurkan oleh kendaraan peluncur modern (seperti Proton, Proton-M, Angara); keselamatan nuklir dan radiasi, termasuk. jika terjadi kemungkinan kecelakaan (reaktor “bersih” jatuh ke Bumi); moda transportasi energi – pada ketinggian di atas orbit aman radiasi yaitu 800 km; keadaan subkritis reaktor pada semua jenis kecelakaan; koefisien reaktivitas suhu negatif pada parameter operasi; redundansi node dapat menyebabkan degradasi sumber daya; kombinasi sistem konversi energi yang berbeda; pengujian preferensi elemen dan rakitan dalam kondisi di luar reaktor; kemungkinan tinggal lama di luar angkasa sebelum dimulainya pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir; keluaran daya listrik 50 400 kWEL (pada 115 120 V), masa pakai 7-10 (hingga 20) tahun.

Di bidang perangkat termoelektrik, sebuah proyek kini telah disiapkan di Rusia untuk transisi dari pembangkit listrik tenaga nuklir tipe Buk ke BUK-TEM yang lebih maju (Tabel 4).

Pengalaman kerja yang dilakukan di bidang termoelektrik untuk pembangkit listrik tenaga nuklir memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan tentang kemungkinan praktis untuk membuat TEG berdasarkan geometri cincin radial Si-Ge TB/TM sebagai bagian dari pembangkit listrik tenaga nuklir termoelektrik murni. atau gabungan pembangkit listrik tenaga nuklir (termoemisi + termoelektrik) dengan keluaran tenaga listrik panas dan pembangkit listrik sebesar 10 -100 kWEL untuk misi luar angkasa abad ke-21.

Arahan utama pekerjaan di bidang emisi termal setelah selesainya pekerjaan pada program pembuatan pembangkit listrik tenaga nuklir TOPAZ dan pembangkit listrik tenaga nuklir Yenisei dikaitkan dengan kebutuhan akan peningkatan efisiensi yang radikal. dari tingkat ~10% hingga 20-30%, masa pakai saluran pembangkit listrik (EGC) dan sistem dalam pembangkit listrik tenaga nuklir - dari 1-2 tahun hingga 10-20 tahun dengan batasan karakteristik berat dan ukuran yang signifikan. Pemilihan konsep EGC termionik dan pembangkit listrik tenaga nuklir ditentukan oleh kebutuhan permasalahan yang ingin dipecahkan, yang terpenting adalah sumber daya, intensitas energi, termasuk mode tunggal atau ganda (dengan peningkatan daya listrik), besarnya tegangan keluaran arus listrik, kebutuhan konfirmasi masa pakai di luar reaktor dan pengujian solusi teknis dasar pada dudukan dengan simulasi pemanas listrik, dll.

Tabel 5 Karakteristik utama pembangkit listrik tenaga nuklir TOPAZ dan ELBRUS-400/200

Saat ini jelas bahwa emisi termionik dan termoelektrik, baik dalam instalasi termionik dan termoelektrik, dan ketika menggabungkannya (termoelektrik + emisi termal) pada pembangkit listrik tenaga nuklir generasi baru, memiliki prospek penggunaan yang tidak diragukan lagi. Pada saat yang sama, emisi termal memiliki keunggulan yang tidak diragukan dibandingkan konverter statis lainnya dan konverter dinamis yang dikenal. Instalasi semacam itu dapat digunakan secara efektif untuk memecahkan berbagai masalah dalam misi luar angkasa abad ke-21.

Pembangkit listrik tenaga nuklir - pembangkit listrik yang beroperasi dengan energi reaksi berantai fisi nuklir. Pembangkit listrik tenaga nuklir, yang pada dasarnya merupakan modifikasi dari turbin uap, mulai digunakan di kapal pada akhir tahun 50-an. abad XX Pembangkit listrik kapal bertenaga nuklir meliputi reaktor, pembangkit uap, dan unit turbin yang menggerakkan sistem propulsi kapal. Reaktor adalah fasilitas untuk menghasilkan reaksi berantai nuklir, di mana energi dihasilkan yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanik. Dalam reaktor nuklir, kondisi diciptakan sedemikian rupa sehingga jumlah fisi nuklir per satuan waktu bernilai konstan, yaitu reaksi berantai terjadi terus-menerus.

Desain dan prinsip pengoperasian reaktor nuklir.

1 - badan baja; 2 - moderator; 3 - reflektor; 4 - perlindungan; 5 - elemen bahan bakar; 6 - saluran masuk cairan pendingin; 7 - saluran keluar cairan pendingin; 8 - batang kendali.

Bahan bakar nuklir mengandung bahan fisil, biasanya uranium atau plutonium. Ketika inti atom terpecah menjadi apa yang disebut fragmen, atau neutron bebas berenergi tinggi, banyak energi yang dilepaskan. Untuk mengurangi energi neutron yang tinggi, digunakan moderator: grafit, berilium, atau air. Untuk meminimalkan kemungkinan hilangnya neutron, dipasang reflektor. Ini terutama terdiri dari berilium atau grafit. Untuk menghindari fluks neutron yang terlalu kuat di dalam reaktor, batang kendali yang terbuat dari bahan penyerap neutron (kadmium, boron, indium) dipasang pada kedalaman yang sesuai. Pertukaran energi dalam reaktor terjadi dengan bantuan pendingin, air, cairan organik, paduan logam dengan titik leleh rendah, dll. Saat ini, reaktor yang didinginkan dengan air bertekanan biasanya digunakan di kapal.

Diagram pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor yang didinginkan dengan air bertekanan.

1 - reaktor; 2 - perlindungan biologis primer; 3 - perlindungan biologis sekunder; 4 - pembangkit uap; 5 - koil pemanas dari sirkuit primer; 6 - pompa sirkulasi sirkuit utama; 7 - turbin tekanan tinggi; 8 - turbin tekanan rendah; 9 - kotak roda gigi; 10 - kapasitor; 11 - pompa sirkuit sekunder; 12 - saluran masuk air laut; 13 - saluran keluar air laut.

Instalasi ini memiliki dua rangkaian sirkulasi. Sirkuit pertama adalah sirkulasi air bertekanan tinggi. Air sirkuit primer juga berfungsi sebagai pendingin reaktor nuklir dan memiliki tekanan kurang lebih 5,8 hingga 9,8 MPa. Mengalir melalui reaktor dan dipanaskan, misalnya di kapal Otto Hahn (Jerman) dan Mutsu (Jepang), hingga 278°C. Dalam hal ini, tekanan air melawan penguapan. Air panas dari rangkaian primer, mengalir melalui koil pemanas, melepaskan panasnya ke pembangkit uap, kemudian kembali ke reaktor. Kondensat disuplai ke pembangkit uap dari sirkuit tekanan rendah kedua. Air yang dipanaskan dalam pembangkit uap menguap. Uap dengan tekanan yang relatif rendah ini (misalnya, di kapal Amerika Savannah, tekanannya 3,14 MPa) berfungsi untuk menggerakkan turbin, yang menggerakkan baling-baling melalui gearbox.

Reaktor nuklir diisolasi dari lingkungan dengan perisai pelindung yang tidak membiarkan sinar radioaktif berbahaya melewatinya. Biasanya layar ganda digunakan. Layar (primer) pertama mengelilingi reaktor dan terbuat dari pelat timah berlapis polietilen dan beton. Layar sekunder mengelilingi pembangkit uap dan membungkus seluruh sirkuit tekanan tinggi primer. Layar ini sebagian besar terbuat dari beton dengan ketebalan 500 mm (Otto Hahn) hingga 1095 mm (Mutsu), serta pelat timah dengan ketebalan 200 mm dan polietilen dengan ketebalan 100 mm. Kedua layar tersebut membutuhkan banyak ruang dan sangat berat. Misalnya, layar utama pada kapal Savannah berbobot 665 ton, dan layar sekunder berbobot 2.400 ton.Kehadiran layar seperti itu merupakan kerugian besar bagi pembangkit listrik tenaga nuklir. Kelemahan lain yang bahkan lebih signifikan adalah, terlepas dari semua tindakan perlindungan, bahaya pencemaran lingkungan baik selama pengoperasian normal pembangkit listrik karena pemborosan bahan bakar bekas, pelepasan air lambung kapal dari kompartemen reaktor, dll., dan selama kapal yang tidak disengaja kecelakaan dan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Keunggulan yang tak terbantahkan antara lain konsumsi bahan bakar yang sangat rendah dan jangkauan jelajah yang hampir tidak terbatas. Misalnya, kapal "Otto Hahn" (Jerman) bahkan tidak mengonsumsi 20 kg uranium dalam tiga tahun, sedangkan konsumsi bahan bakar pembangkit listrik turbin uap konvensional pada kapal sebesar ini adalah 40 ribu ton. kapal Jepang "Mutsu" berjarak 145 ribu mil Terlepas dari kelebihan ini, pembangkit listrik tenaga nuklir hanya digunakan secara luas di kapal perang. Sangat menguntungkan untuk menggunakannya pada kapal selam besar, yang dapat bertahan di bawah air untuk waktu yang lama, karena reaktor tidak memerlukan udara untuk menghasilkan energi panas. Selain itu, kapal pemecah es kuat yang digunakan di garis lintang utara dunia dilengkapi dengan pembangkit listrik tenaga nuklir.

1 - ruang mesin; 2 - wadah dengan reaktor; 3 - kompartemen mekanisme tambahan; 4 - fasilitas penyimpanan batang bahan bakar bekas.

Prinsip pengoperasian dan desain reaktor daya di bawah tekanan.

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Saat ini isu meluasnya penggunaan bahan bakar nuklir di pembangkit listrik kapal menjadi semakin relevan. Minat terhadap kapal dengan pembangkit listrik tenaga nuklir terutama meningkat pada tahun 1973-1974, ketika harga bahan bakar fosil meningkat tajam akibat krisis energi global. Keuntungan utama kapal dengan pembangkit listrik tenaga nuklir adalah jangkauan jelajahnya yang hampir tidak terbatas, yang sangat penting bagi kapal pemecah es, kapal Arktik, kapal penelitian, kapal hidrografi, dll.

Konsumsi bahan bakar nuklir harian tidak melebihi beberapa puluh gram, dan elemen bahan bakar dalam reaktor dapat diganti setiap dua hingga empat tahun sekali. Pembangkit listrik tenaga nuklir di kapal pengangkut, terutama yang melakukan pelayaran jarak jauh dengan kecepatan tinggi, dapat meningkatkan daya dukung kapal secara signifikan karena hampir tidak adanya cadangan bahan bakar (hal ini memberikan keuntungan yang lebih besar daripada kerugian karena besarnya massa kapal. pembangkit listrik tenaga nuklir). Selain itu, pembangkit listrik tenaga nuklir dapat beroperasi tanpa akses udara, yang sangat penting bagi kapal bawah air. Namun bahan bakar yang dikonsumsi pembangkit listrik tenaga nuklir masih sangat mahal. Selain itu, pada kapal dengan pembangkit listrik tenaga nuklir perlu diberikan perlindungan biologis khusus terhadap radiasi radioaktif, yang membuat instalasi menjadi lebih berat. Harus diasumsikan bahwa kemajuan dalam pengembangan teknologi nuklir dan penciptaan desain dan material baru akan memungkinkan penghapusan bertahap kekurangan-kekurangan pembangkit listrik tenaga nuklir kapal ini.

Semua pembangkit listrik tenaga nuklir kapal modern menggunakan panas yang dilepaskan selama fisi bahan bakar nuklir untuk menghasilkan uap atau gas panas, yang kemudian masuk ke turbin uap atau gas. Tautan utama pembangkit listrik tenaga uap nuklir APPU reaktor, tempat terjadinya reaksi nuklir. Berbagai zat fisil digunakan sebagai bahan bakar nuklir, dimana proses fisi nuklir disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar. Zat-zat tersebut antara lain isotop uranium, plutonium dan thorium.

Beras. 6.1. Diagram reaktor nuklir.

1- zona aktif; 2 -- batang uranium; 3 - moderator; 4 - reflektor; 5 - pendingin; 6 - perlindungan biologis; 7 - pelindung panas; 8 - sistem regulasi

Elemen terpenting dari reaktor kapal adalah (Gambar 6.2) zona aktif, di mana batang uranium dan moderator berada, diperlukan untuk menyerap energi partikel neutron yang dilepaskan selama peluruhan inti; reflektor neutron, mengembalikan sebagian neutron yang dipancarkan dari luar inti ke inti; pendingin untuk menghilangkan panas yang dilepaskan selama fisi uranium dari inti dan mentransfer panas ini ke fluida kerja lain dalam penukar panas; layar perlindungan biologis, mencegah penyebaran radiasi berbahaya dari reaktor; sistem kendali dan proteksi, mengatur jalannya reaksi dalam reaktor dan menghentikannya jika terjadi peningkatan daya darurat.

Moderator dalam reaktor nuklir adalah grafit, air berat dan air biasa, dan pendinginnya adalah logam cair dengan titik leleh rendah (natrium, kalium, bismut), gas (helium, nitrogen, karbon dioksida, udara) atau air.

Reaktor yang moderator dan pendinginnya adalah air sulingan telah tersebar luas di pembangkit listrik tenaga nuklir kapal, itulah namanya. reaktor air bertekanan. Reaktor ini lebih sederhana dalam desain, lebih kompak, lebih andal dalam pengoperasiannya dibandingkan jenis lainnya, dan lebih murah. Tergantung pada metode transfer energi panas dari reaktor ke aktuator (turbin), skema pembangkit listrik tenaga nuklir sirkuit tunggal, sirkuit ganda, dan tiga sirkuit dibedakan.

Oleh sirkuit sirkuit tunggal(Gbr. 6.2, A) zat kerja - uap - dibentuk di dalam reaktor, kemudian masuk langsung ke turbin dan darinya melalui kondensor dengan bantuan pompa sirkulasi kembali ke reaktor.

Oleh sirkuit sirkuit ganda(Gbr. 6.2, B) Pendingin yang bersirkulasi dalam reaktor melepaskan panasnya dalam penukar panas - pembangkit uap - menjadi air, yang membentuk uap, yang masuk ke turbin. Dalam hal ini, cairan pendingin dialirkan melalui reaktor dan pembangkit uap melalui pompa sirkulasi atau blower, dan kondensat yang terbentuk di kondensor turbin dipompa oleh pompa kondensat melalui sistem pemanas, filtrasi dan make-up dan kembali disuplai ke sistem. pembangkit uap dengan pompa umpan.

Sirkuit tiga sirkuit(Gbr. 6.2, V) adalah rangkaian rangkaian ganda dengan tambahan rangkaian perantara yang dihubungkan antara rangkaian pertama dan kedua.

Desain sirkuit tunggal memerlukan perlindungan biologis di seluruh sirkuit, termasuk turbin, yang mempersulit pemeliharaan dan pengendalian serta meningkatkan bahaya bagi kru. Sirkuit sirkuit ganda lebih aman, karena di sini sirkuit kedua tidak lagi berbahaya SAYA awak kapal. Oleh karena itu, rangkaian sirkuit ganda hampir selalu digunakan pada kapal nuklir. Sirkuit tiga loop digunakan jika pendingin dalam reaktor sangat aktif dan harus dipisahkan secara hati-hati dari zat yang bekerja, untuk itulah loop perantara dirancang.

Beras. 6.2. Diagram termal pembangkit listrik tenaga nuklir:

A- sirkuit tunggal; B- sirkuit ganda; V- tiga sirkuit.

1 -reaktor; 2 - turbin; 3 - kapasitor; 4 - pompa sirkulasi; 5 - generator uap; 6 - pompa kondensat; 7 - penyaringan dan pengisian ulang sistem pemanas; 8 - pompa umpan; 9 - penukar panas; 10 - perlindungan biologis

Prinsip operasi dan desain reaktor daya. Pada kapal dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, sumber energi utama adalah reaktor nuklir. Panas yang dilepaskan selama fisi bahan bakar nuklir berfungsi untuk menghasilkan uap, yang kemudian masuk ke turbin uap.

Pabrik reaktor, seperti ketel uap konvensional, berisi pompa, penukar panas, dan peralatan tambahan lainnya. Ciri khusus reaktor nuklir adalah radiasi radioaktifnya, yang memerlukan perlindungan khusus bagi personel yang mengoperasikannya.

Keamanan. Perlindungan biologis besar-besaran harus dipasang di sekitar reaktor. Bahan pelindung radiasi yang umum adalah beton, timbal, air, plastik, dan baja.

Ada masalah dalam penyimpanan limbah radioaktif cair dan gas. Limbah cair disimpan dalam wadah khusus, dan limbah berbentuk gas diserap dengan arang aktif. Sampah tersebut kemudian diangkut ke darat ke fasilitas daur ulang.

Kapal reaktor nuklir. Elemen utama reaktor nuklir adalah batang dengan bahan fisil (fuel rods), batang kendali, cairan pendingin (coolant), moderator dan reflektor. Elemen-elemen ini dibungkus dalam wadah tertutup dan disusun untuk memastikan reaksi nuklir terkendali dan pembuangan panas yang dihasilkan.

Bahan bakarnya bisa berupa uranium-235, plutonium, atau campuran keduanya; unsur-unsur ini dapat terikat secara kimia dengan unsur lain dan berada dalam fase cair atau padat. Air berat atau ringan, logam cair, senyawa organik atau gas digunakan untuk mendinginkan reaktor. Pendingin dapat digunakan untuk memindahkan panas ke fluida kerja lain dan menghasilkan uap, atau dapat digunakan langsung untuk memutar turbin. Moderator berfungsi untuk menurunkan kecepatan neutron yang dihasilkan ke nilai yang paling efektif untuk reaksi fisi. Reflektor mengembalikan neutron ke inti. Moderator dan reflektor biasanya berupa air berat dan ringan, logam cair, grafit, dan berilium.

Semua kapal angkatan laut, kapal pemecah es bertenaga nuklir pertama "Lenin", kapal penumpang kargo pertama "Savannah" memiliki pembangkit listrik yang dibuat sesuai dengan desain sirkuit ganda. Di sirkuit utama reaktor semacam itu, air berada di bawah tekanan hingga 13 MPa dan oleh karena itu tidak mendidih pada suhu 270 0 C, yang biasa terjadi pada jalur pendinginan reaktor. Air yang dipanaskan di sirkuit primer berfungsi sebagai pendingin untuk menghasilkan uap di sirkuit sekunder.

Logam cair juga dapat digunakan di sirkuit primer. Skema ini digunakan pada kapal selam Angkatan Laut AS Sea Wolf, dimana pendinginnya adalah campuran natrium cair dan kalium cair. Tekanan dalam sistem skema semacam itu relatif rendah.

Keuntungan yang sama dapat dicapai dengan menggunakan zat organik mirip parafin - bifenil dan trifenil - sebagai pendingin. Dalam kasus pertama, kerugiannya adalah masalah korosi, dan yang kedua, pembentukan endapan resin.

Ada skema sirkuit tunggal di mana fluida kerja, yang dipanaskan dalam reaktor, bersirkulasi antara reaktor dan mesin utama. Reaktor berpendingin gas beroperasi menggunakan desain sirkuit tunggal. Fluida kerjanya berupa gas, misalnya helium, yang dipanaskan dalam reaktor kemudian diputar turbin gas.

Perlindungan. Fungsi utamanya adalah untuk melindungi awak dan peralatan dari radiasi yang dipancarkan reaktor dan unsur lain yang bersentuhan dengan zat radioaktif. Radiasi ini dibagi menjadi dua kategori: neutron, yang dilepaskan selama fisi nuklir, dan radiasi gamma, yang dihasilkan di inti dan bahan teraktivasi.

Secara umum, kapal memiliki dua cangkang penahan. Yang pertama terletak tepat di sekitar bejana reaktor. Perlindungan sekunder (biologis) mencakup peralatan penghasil uap, sistem pembersihan, dan wadah limbah. Perisai utama menyerap sebagian besar neutron dan radiasi gamma reaktor. Hal ini mengurangi radioaktivitas peralatan bantu reaktor.

Perlindungan primer dapat berupa tangki tertutup bercangkang ganda dengan ruang antara cangkang berisi air dan pelindung timah luar setebal 2 hingga 10 cm.Air menyerap sebagian besar neutron, dan radiasi gamma sebagian diserap oleh dinding wadah, air dan timah.

Fungsi utama proteksi sekunder adalah untuk mengurangi radiasi isotop nitrogen radioaktif 16N, yang terbentuk pada cairan pendingin yang melewati reaktor. Untuk perlindungan sekunder, digunakan wadah air, beton, timah dan polietilen.

Efisiensi kapal dengan pembangkit listrik tenaga nuklir. Bagi kapal perang, biaya konstruksi dan biaya pengoperasian kurang penting dibandingkan keunggulan daya jelajah yang hampir tidak terbatas, tenaga dan kecepatan kapal yang lebih besar, pemasangan yang kompak, dan pengurangan personel pemeliharaan. Keunggulan pembangkit listrik tenaga nuklir ini menyebabkan penggunaannya secara luas di kapal selam. Penggunaan energi atom pada kapal pemecah es juga dibenarkan.

Soal tes mandiri:

Apa sumber energi untuk pembangkit listrik tenaga nuklir?

Apa itu tangki bersegel cangkang ganda?