Фотографии Урана из космоса
Солнечная система > Система Уран > Фотографии Урана
Планета Уран | Спутники | Кольца | Исследование
Думаете, что космос вас уже не сможет шокировать? Тогда внимательнее рассмотрите качественные фото Урана в высоком разрешении. Эта планета удивительна тем, что единственная расположена под экстремальным осевым наклоном. Фактически она лежит на боку и катится вокруг звезды. Это представитель интересного подвида – ледяные гиганты. Снимки Урана покажут мягкую голубую поверхность, где сезон растягивается на целых 42 года! Есть также кольцевая система и лунное семейство. Не проходите мимо фотографий планеты Уран из космоса и узнаете много нового о Солнечной системе.
Кольца Урана и два спутника
21 января 1986 года Вояджер-2 расположился на удаленности в 4.1 млн. км от Урана и зафиксировал на фото из космоса два спутника-пастуха, связанных с кольцами. Речь идет об 1986U7 и 1986U8, расположенных по обе стороны от кольца эпсилон.
Полумесяц планеты
25 января 1986 года Вояджер-2 зафиксировал это фото Урана, когда двигался к Нептуну. Но даже на освещенном краю планета сумела сберечь свой бледно-зеленый окрас. Цвет формируется из-за наличия метана в атмосферном слое, впитывающем красные длины волн.
Уран в истинном и ложном цвете
7 января 1986 года аппарат Вояджер-2 зафиксировал фотографию планеты Уран в истинном (слева) и ложном (справа) цветах. Он расположился на удаленности в 9.1 млн. км за несколько дней до ближайшего подхода.
Кадр слева обработали специально, чтобы подстроить его под человеческое видение. Это составное изображение, добытое при помощи синих, зеленых и оранжевых фильтров. Справа вверху заметны более темные оттенки, которые демонстрируют дневную черту. За ней скрывается скрытое северное полушарие. Сине-зеленая дымка формируется из-за поглощения красного цвета метановыми парами. Справа ложный цвет подчеркивает контраст, чтобы указать на детали в полярной области. Для изображения использовали УФ, фиолетовый и оранжевый фильтры. В глаза бросается темная полярная шапка, вокруг которой сконцентрированы более светлые полосы. Возможно, там находится коричневый смог. Яркая оранжевая линия – артефакт улучшения кадра.
Уран в обзоре Вояджера-2
В январе 1986 года Вояджер-2 подошел на сближение и запечатлел 7-ю планету от Солнца – Уран.
Уран в обзоре телескопа Кек
11-12 июля 2004 года телескоп Кек сумел добыть инфракрасное составное изображение обоих полушарий Урана. Синий, зеленый и красный цвета получены при помощи ближних ИК-волн 1.
Хаббл фиксирует разнообразие цветов на Уране
8 августа 1998 года космический телескоп Хаббл запечатлел это фото Урана, где зафиксировал 4 главных кольца и 10 спутников. Для этого использовали инфракрасную камеру и многоцелевой спектрометр. Не так давно телескоп заметил примерно 20 облаков. Широкая планетарная камера 2 создана учеными из Лаборатории реактивного движения. За ее функционирование отвечает Центр космических полетов Годдард.
Хаббл фиксирует сияния на Уране
Это составное фото поверхности планеты Урана, зафиксированное Вояджером-2 и телескопом Хаббл – для кольца и сияния. В 1980-х гг.
мы получили удивительные приближенные снимки внешних планет от миссии Вояджер-2. С тех пор удалось впервые посмотреть на сияния в чужих мирах. Это явление формируется потоками заряженных частиц (электроны), поступающих от солнечного ветра, планетарной ионосферы и лунных вулканов. Они оказываются в мощных магнитных полях и движутся в верхний атмосферный слой. Там контактируют с кислородом или азотом, что и приводит к световым всплескам. У нас уже есть много информации о сияниях на Юпитере и Сатурне, но события на Уране все еще остаются загадочными. В 2011 году телескоп Хаббл стал первым, кому удалось получить кадры с такого расстояния. Следующие попытки осуществили в 2012 и 2014 гг. Ученые исследовали межпланетные встряски, созданные двумя сильными всплесками солнечного ветра. Оказалось, что Хаббл следил за самым мощным сиянием. Более того, впервые заметили, что сияние выполняет обороты вместе с планетой. Отметили и давно утраченные магнитные полюса, которые не видели с 1986 года.
Смотрите также:
Состав системы Урана |
Планета Уран — фото, видео, новости
Дарья Елецкая
Нептун — холодный гигант, расположившийся на самом краю Солнечной системы. В 1989 году “Вояджер-2” впервые смог передать данные об этой ярко-синей планете и ее 6 новых лунах, а также смог сделать первые снимки колец планеты и сильного шторма, бушующего в атмосфере ледяной планеты. Несмотря на то, что Нептун расположен дальше Урана, последний имеет абсолютно такую же температуру, несмотря на более близкое расположение к Солнцу. Столь любопытный факт указывает на то, что у Нептуна может иметься дополнительный источник тепла, который в настоящее время остается загадкой для исследователей. Так чем же может быть этот таинственный “обогреватель” планеты, названной в честь бога морей и океанов?
Читать далееДарья Елецкая
Уран — самая таинственная и малоизученная планета Солнечной системы. Когда в 1986 году космическая станция “Вояджер-2” передал снимки этого ледяного гиганта на Землю, ученые назвали голубую планету “невыразительной” из-за того, что на Уране нет ярких полос, как на Юпитере, нет выдающихся колец, как на Сатурне, а по своим температурным показателям Уран даже холоднее более удаленного от Солнца Нептуна.
Вместе с тем, несмотря на всю свою “непримечательность”, у Урана имеется целых 27 спутников, некоторые из которых действительно заслуживают нашего внимания.
Николай Хижняк
Несмотря на то, что Сатурн обладает самой впечатляющей системой колец в Солнечной системе, это планета не единственная, которая может похвастаться такой отличительной особенностью. У Нептуна, Юпитера и Урана кольца тоже имеются, но они менее выражены, а поэтому за ними очень сложно вести наблюдение без наличия очень мощного телескопа. В ходе последнего исследования ученым из США и Великобритании удалось выяснить некоторые подробности о кольцах Урана. В частности, астрономы смогли впервые произвести замеры их температуры, о чем сообщает статья в журнале Astronomical Journal.
Читать далееЭрнест Василевский
Седьмая планета от Солнца полна секретов и тайн, раскрыв которые можно узнать многое о происхождении нашей Солнечной системы.
Международная команда исследователей приблизилась к разгадке этих тайн, но для этого им пришлось выяснить, что Уран обладает одним из самых неприятных запахов, известных человеку.
Николай Хижняк
Если бы Дэвиду Линчу поручили разработать планету, то этой планетой определенно бы стал Уран. Потому что с таким градусом странностей, которые его окружают и порой даже не имеют пока логического объяснения, смог бы справиться только режиссер, снявший «Твин Пикс». И одна из таких странностей заключается в том, что угол оси вращения Урана составляет 98 градусов, что говорит о том, что планета фактически вращается на боку. Конечно, есть несколько идей, почему это именно так, но точную причину не в состоянии назвать ни один из ученых.
Читать далееНиколай Хижняк
Несмотря на то, что эта планета была открыта еще 1781 году, посетителей у нее не было с 1986 года, то есть с момента, когда космический зонд «Вояджер-2» совершил пока единственный в истории облет Урана.
С тех пор его никто никогда не посещал, и это очень печалит современных ученых, потому что Уран – удивительное место.
Илья Хель
26.10.2016,
Космический аппарат NASA «Вояджер-2» пролетел мимо Урана 30 лет назад, но ученые до сих пор извлекают открытия из собранных тогда данных. Новое исследование ученых Университета Айдахо говорит о том, что на орбите вблизи двух колец планеты может быть два крошечных и пока не обнаруженных спутника.
Читать далееИлья Хель
На холодных задворках Солнечной системы два загадочных часовых прогуливаются вокруг Солнца. Одна прогулка по их гигантским орбитам занимает порядка столетия. Времена года измеряются десятилетиями. На таких больших расстояниях от Земли эти миры крайне неохотно раскрывают свои секреты. В то время как любую другую планету в нашей системе неоднократно посетили и избороздили орбитальные и спускаемые аппараты, Нептун и Уран, если не считать короткого тура в 1980-м году, остаются в значительной степени неизученными.
Илья Хель
Обыкновенно гладколицый Уран становится все более бурным, его невероятная система облаков становится ярче, поэтому, впервые в истории, астрономы-любители могут видеть сине-зеленую атмосферу планеты в деталях.
Читать далееНиколай Хижняк
Фотография Нептуна, заснятого космическим исследовательским аппаратом «Вояджер-2»
В настоящий момент большинство космических исследовательских миссий так или иначе связаны с Марсом. А вы никогда не задумывались, почему другие планеты нашей Солнечной системы не привлекают такое же пристальное внимание как Красная планета? Ведь помимо Марса и Земли есть другие 6 планет, но лишь некоторые из них только частично изучены. Думаете, ученых они не интересуют? Очень даже напротив.
Читать далееУран. Почему нам пора отправляться к этой планете
- Ричард Холлингэм
- для BBC Future
Автор фото, SPL
До сих пор маршруты межпланетных экспедиций пролегали в стороне от Урана.
Ситуация может измениться, пишет корреспондент BBC Future, если проект полета к далекому ледяному гиганту с токсичной атмосферой получит официальное одобрение.
За десятилетия изучения космоса Уран никогда не пользовался особо пристальным вниманием космических агентств – при планировании межпланетных полетов его неизменно обходили стороной. Земля отправляла экспедиции на Меркурий, Марс, Венеру, Сатурн и Юпитер. Даже к Плутону, который лишился статуса планеты восемь лет назад, прямо сейчас летит автоматический зонд. Уран же лишь раз удостоился мимолетного визита – в 1986 г. мимо него прошел аппарат Voyager 2 на пути к границам Солнечной системы.
Необычная планета
Такое невнимание к Урану несправедливо. В действительности это одна из наиболее интересных и удивительных среди известных нам планет.
«Уран отличается от других планет Солнечной системы, — говорит Ли Флетчер, научный сотрудник Оксфордского университета.
– Он относится к одному из самых необычных типов небесных тел».
Уран в 60 раз превосходит Землю по размерам. Он представляет собой массу токсичных газов, таких как метан, аммиак и сероводород, сконцентрированных вокруг небольшого каменного ядра.
«На поверхности газовых планет, подобных Урану, не найти ни твердой почвы, ни жидкости, — объясняет Флетчер. – Там не существует четких границ между состояниями материи – по мере продвижения вглубь планеты вещество постепенно переходит от газообразного состояния к жидкому, а затем — к некоему подобию твердого тела».
Зима длиной в 42 года
Вокруг Урана обращаются 26 небольших спутников. У него имеется система из нескольких колец (менее эффектных, чем у Сатурна), а также слабая магнитосфера. Еще одной особенностью Урана является то, что он «лежит на боку». Всем планетам Солнечной системы свойственно некоторое отклонение оси вращения от плоскости орбиты – на Земле, например, эффект от такого отклонения наблюдается в виде смены времен года.
Автор фото, Thinkstock
Подпись к фото,Уран (второй слева, на фоне Юпитера) в 60 раз больше нашей планеты
«Вообразите мир, в котором зима длится 42 земных года, в течение которых Солнце ни разу не восходит над горизонтом, — говорит он. – При этом часть атмосферы не нагревается десятилетиями, что может привести к очень любопытным изменениям в ее свойствах».
Флетчер входит в состав международной научной группы, которая полагает, что Уран слишком долго был обделен вниманием. Команда включает ученых и инженеров из Европы, США и ряда других стран, в том числе — Японии. Они работают над проектом стоимостью 600 млн долларов, который собираются представить на рассмотрение Европейского космического агентства (ЕКА).
Суть предложения заключается в том, чтобы в ближайшие 10 лет отправить к Урану автоматическую станцию. Аппарат должен будет провести исследования атмосферы и магнитосферы планеты, а также сделать детальные снимки ее поверхности.
Кроме того, ученые собираются сравнить атмосферу Урана, представляющую собой «законсервированную» смесь газов, с атмосферами Земли и Юпитера в надежде получить более полное представление о том, в каких условиях произошло формирование Солнечной системы.
Автор фото, Getty
Подпись к фото,Уран лишь раз удостоился мимолетного визита – в 1986 г. мимо него прошел аппарат Voyager 2
«Информация об Уране – один из недостающих элементов в нашем знании об образовании Вселенной, — говорит Флетчер. – Изучение структуры Урана, анализ состава его атмосферы и протекающих в ней процессов помогли бы нам составить более полную картину того, как возникают планеты».
Он добавляет: «Если мы не до конца понимаем принципы формирования планет в Солнечной системе, вряд ли нам удастся понять, как это происходит в других зведных системах».
Трудная задача
Почему же за всю историю космических исследований только одна экспедиция наведалась к Урану, да и то мимоходом? Причина проста — до него чрезвычайно трудно добраться.
Начать с того, что планета находится почти в 3 млрд км от Солнца, то есть в 20 раз дальше, чем Земля. При нынешнем уровне развития земных технологий любому космическому аппарату понадобится до 15 лет, чтобы долететь до Урана.
Учитывая, что на таком расстоянии энергия Солнца очень слаба, вместо солнечных батарей придется использовать источник ядерной энергии, который сложнее спроектировать и эксплуатировать.
На таком удалении аппарата от Земли возникнет и проблема с передачей и получением данных. Что выбрать – огромную антенну-тарелку на внешней поверхности станции или гигантский приемопередатчик на Земле? Или и то, и другое?
Автор фото, SPL
Подпись к фото,Уран (на рис. третий справа) находится почти в 3 млрд км от Солнца, то есть в 20 раз дальше, чем Земля.
Еще одно серьезное препятствие – необходимость обеспечить постоянную работу центра управления экспедицией (включая группы специалистов, отвечающих за стадию полета и собственно за изучение Урана) в течение 10 или более лет от старта до прибытия на место.
И ведь мы еще даже не начали обсуждать бортовое оборудование экспедиции.
«Растущий энтузиазм»
Несмотря на то, что космические агентства рассматривают экспедицию на Уран в числе приоритетных, предыдущие подобные проекты, предложенные на рассмотрение ЕКА и американского НАСА, так и не были воплощены в жизнь – включая проект Uranus Pathfinder («Исследователь Урана»), разработанный европейскими учеными в 2010 г. Где гарантия того, что нынешнее предложение ожидает успех?
«В 2010-м мы представили слегка сырой план экспедиции», — признается Крис Эрридж из Университетского колледжа Лондона, один из руководителей нынешнего проекта. Он отвечает на мои вопросы из Вашингтона, где находится на совещании по планированию будущей экспедиции.
«На этот раз у нас есть четкое понимание того, какие эксперименты мы собираемся проводить и какое оборудование для этого необходимо», — говорит он.
Детально проработанное предложение по экспедиции к Урану необходимо отправить в ЕКА до января 2015 г.
«Нам предстоит гигантский объем работ: необходимо продумать все аспекты, от того, какую ракету-носитель использовать, до выбора орбиты вокруг Урана и приборов, которые нужно установить на аппарат, — говорит Эрридж. — Но мы отмечаем растущий энтузиазм по поводу нашего проекта».
Даже если ЕКА одобрит проект, станция будет запущена не раньше 2020 г. и достигнет Урана в середине 2030-х. И все же для Флетчера это все равно будет означать реализацию заветной мечты. «Сейчас мне 30 с небольшим лет, — говорит он. – Надеюсь, когда станция долетит до Урана, я по-прежнему буду заниматься космическими исследованиями – просто мне к тому времени стукнет уже 60 с чем-то».
Он подчеркивает: «Эпоха планетарных исследований не окончена. Люди продолжают работать над интересными идеями, подобными нашей».
| Главная » Статьи и полезные материалы » Телескопы » Статьи » Планеты Солнечной системы: Уран Среди планет Солнечной системы Уран – одна из самых удаленных. Планеты Солнечной системы (Уран): фотоК Урану летали всего один раз, причем незапланированно. Изначально космическая миссия «Вояджер-2», подготовленная американским космическим агентством NASA, должна была затронуть только Юпитер и Сатурн. Траектория полета теоретически позволяла пройти и мимо Урана, но было непонятно, получится ли реализовать такой план на практике. И как хорошо, что это все-таки удалось. В 1986 году аппарат приблизился к Урану на невероятно близкое расстояние – 81,5 тыс. км. «Вояджер-2» передал на Землю тысячи снимков, помог обнаружить 11 новых спутников и подтвердить наличие у планеты колец. На сегодняшний день именно эта миссия – самая результативная в исследовании Урана. Кратко о планете УранУран – планета, которая была открыта Уильямом Гершелем в 1781 году. Для изучения ночного неба он разработал телескоп собственной конструкции – его размер достигал целых 6 метров. Этот громадный оптический прибор обслуживало четыре рабочих, так как в одиночку его было не сдвинуть с места и не повернуть в нужную сторону. Этот телескоп позволил Гершелю обнаружить не только Уран, но и множество других небесных тел: звезд, туманностей, спутников планет. Кстати говоря, наблюдая Уран, Гершель вначале посчитал, что видит перед собой комету. Только дальнейшие совместные исследования с другими учеными показали, что неизвестное ранее космическое тело – это еще одна планета Солнечной системы. Уран удален от Солнца на 2,88 млрд км и совершает один оборот вокруг звезды за 84 земных года. Вокруг своей оси Уран вращается не как остальные планеты Солнечной системы – он как бы лежит на боку. Из-за этого смена времен года на планете идет по непривычному циклу. За один урановый год на экваторе проходят две зимы и два лета, на полюсах – лишь одна зима и одно лето. В некоторых регионах день равен лету, а ночь длится столько же, сколько и зима. Уран – это ледяной гигант. Он практически весь состоит из водорода и гелия, а средняя температура на планете составляет -220 °С. У планеты есть 13 колец, о существовании которых догадывались давно, но подтвердить их наличие смогли лишь в конце 20 века. У Урана 27 спутников. Мы писали о них отдельную статью, который вы можете прочитать по ссылке. А если вам интересно, почему Уран бледно-голубого цвета, ответ вы найдете в этой статье. Об Уране можно говорить долго и обстоятельно. Но одной статьи недостаточно, чтобы осветить все вопросы. 4glaza.ru Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru. Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления. Рекомендуемые товары
Другие обзоры и статьи о телескопах и астрономии: Обзоры оптической техники и аксессуаров:
Статьи о телескопах. Как выбрать, настроить и провести первые наблюдения: Все об основах астрономии и «космических» объектах:
|
Из-за этого ее достаточно сложно наблюдать в наземные телескопы. Даже полуметровый объектив не способен показать диск планеты детально. С Земли Уран чаще всего наблюдается как яркая звезда или небольшое голубоватое пятно. Поэтому все, что мы знаем об Уране – это заслуга космических миссий и орбитальных телескопов.
Если вы захотите увидеть седьмую планету Солнечной системы (Уран) на фото, вы легко найдете снимки, сделанные «Вояджером-2», в интернете. Фотографирует Уран и космический телескоп «Хаббл». Результаты его работы размещены на официальном сайте NASA. Раздел про Уран доступен по ссылке.
Поэтому мы рекомендуем вам переключиться с чтения на изучение звездного неба. Если у вас еще нет телескопа, загляните в этот раздел – там представлено множество оптических приборов для исследования планет Солнечной системы. Звоните или пишите нашим консультантам – они подскажут, как выбрать идеальный телескоп.
Репортаж «Вести.Ru».
ru)
ru)
ru)
) (канал «Вселенная с Алексом Фордом», Youtube.ru)Самые удачные фото Урана за 33 года космических исследований (Снимки) | Космос и Наука
Уран – седьмая планета от Солнца.
Это единственная планета, которая вращается на своем боку. Эксперты предполагают, что данная природная особенность газового гиганта связана с тем, что в прошлом Уран мог столкнуться с астероидом, что повлекло к изменению положения газового гиганта.Уран – седьмая планета от Солнца. Это единственная планета, которая вращается на своем боку. Эксперты предполагают, что данная природная особенность газового гиганта связана с тем, что в прошлом Уран мог столкнуться с астероидом, что повлекло к изменению положения газового гиганта.
В 1986 году аппарат Вояджер-2 впервые сделал качественные фото Урана. В момент фотосъемки расстояние от облаков газового гиганта до космической станции составляло чуть больше 80 тыс. км.
Снимок Урана от Вояджера-2. Источник spacegid.comСнимок Урана от Вояджера-2. Источник spacegid.com
Стоит отметить, что Вояджер-2 стал первым и единственным рукотворным зондом человечества, который сумел долететь и изучить Уран. Давайте посмотрим, какие качественные снимки были сделаны аппаратами и орбитальными телескопами за 33 года исследований газового гиганта.
Несмотря на то, что все снимки Урана были сделаны в конце 80-х годов, они являются самыми лучшими, даже фотографии газового гиганта от современных телескопов существенно уступают по своему качеству.
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Фото Урана от Хаббла. На снимках можно увидеть газовый гигант и его спутники, а так же маленькую кольцевую систему планеты.
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Фотография от телескопа Кек. Она демонстрирует облака на Уране и образовавшийся шторм на газовом гиганте.
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Снимок Урана от Вояджера-2, сделанный в 1986 году. Известно, что данный кадр был получен путем комбинирования трех отдельных снимков газового гиганта.
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Телескоп Хаббл продемонстрировал положение колец Урана.
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Источник spacegid.comИсточник spacegid.com
Источник spacegid.comИсточник spacegid.
com
Инфракрасное фото Урана и его луны.
Читайте интересную статью на нашем канале НАСА: Испытание первого двигателя для лунных миссий прошло успешно
Ставьте лайки, делитесь статьями в социальных сетях, подписывайтесь на канал и читайте интересные факты про космос. Подписаться можно кликнув по названию канала Космос и Наука.
Астрономы впервые обнаружили рентгеновские лучи с Урана
Уран — седьмая планета от Солнца с двумя наборами колец вокруг экватора. Планета, диаметр которой в четыре раза больше Земли, вращается на боку. Это отличает ее от всех других планет Солнечной системы. Поскольку «Вояджер-2» был единственным космическим кораблем, который когда-либо пролетал мимо Урана, сегодня астрономы полагаются на телескопы, расположенные гораздо ближе к Земле. Например, они используют данные рентгеновской обсерватории «Чандра» и космический телескоп Хаббла, чтобы узнать об этой далекой и холодной планете, которая почти полностью состоит из водорода и гелия.
В новом исследовании ученые использовали наблюдения «Чандры», сделанные в 2002 году, а затем еще раз в 2017 году. Данные удалось проанализировать лишь недавно. В данных 2002 года астрономы нашли рентгеновские лучи и их возможную вспышку — уже 15 лет спустя.
На изображении ниже показано рентгеновское изображение Урана от обсерватории «Чандра» 2002 года (розовым цветом), наложенное на оптическое изображение, полученное телескопом Кека в ходе отдельного исследования в 2004 году. Планета примерно в той же ориентации, что и во время наблюдений «Чандра» 2002 года.
Предоставлено: Рентгеновский снимок: НАСА / CXO / Университетский колледж Лондона / W. Dunn et al; Оптика: обсерватория КекаЧто могло заставить Уран испускать рентгеновские лучи? В основном Солнце. Астрономы заметили, что и Юпитер, и Сатурн рассеивают рентгеновский свет, излучаемый Солнцем, подобно атмосфере Земли. Хотя авторы нового исследования изначально ожидали, что большая часть обнаруженных рентгеновских лучей будет вызвана рассеянием, есть надежда на то, что присутствует по крайней мере еще один источник рентгеновских лучей.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят это, представление об Уране изменится.
Одна из возможностей заключается в том, что кольца Урана сами производят рентгеновские лучи, как в случае с кольцами Сатурна. Уран окружен заряженными частицами — электронами и протонами — в ближайшем космическом пространстве. Если эти энергичные частицы столкнутся с кольцами, они могут заставить их светиться в рентгеновских лучах. Другая возможность заключается в том, что, по крайней мере, часть рентгеновских лучей исходит от полярных сияний на Уране. Ранее это явление наблюдалось на других длинах волн.
Читать далее
Самое штормовое место на Земле: почему пролив Дрейка — опаснейший путь в Антарктику
Новое урановое соединение побило рекорд аномальной проводимости
Ошибка эволюции: какие органы в организме человека работают нелогично
США будут разрабатывать урановое топливо для полетов на Луну — Космос
ВАШИНГТОН, 16 декабря.
/ТАСС/. Соединенные Штаты намерены перерабатывать уран для использования данного топлива на поверхности Луны и планет, а также для космической энергетики. Об этом говорится в утвержденной в среду президентом США Дональдом Трампом стратегии в области космической ядерной энергетики.
«Возможность безопасно использовать космические ядерные энергетические и двигательные системы крайне важна для поддержания и укрепления доминирования и стратегического лидерства США в космосе, — отмечается в тексте. — Это включает радиоизотопные энергетические системы, реакторы деления, используемые для движения космических аппаратов и других элементов. Данные системы могут позволить работать в тех средах, где солнечной и химической энергии недостаточно, они могут вырабатывать больше энергии при меньшей массе, <…> сократить время полета пилотируемых и роботизированных космических аппаратов».
Стратегия, говорится в документе, необходима для достижения США научных, разведочных, коммерческих задач, а также целей в области национальной безопасности.
США будут «разрабатывать возможности по переработке урана, что позволит производить топливо, пригодное для использования на поверхности Луны и планет, в космической энергетике, ядерных электрических двигательных установках, тепловых ядерных двигательных установках».
«Это должно поддерживать возможность производства различных форм уранового топлива в соответствии с потребностями миссии, — говорится в стратегии. — <…> Необходимо создать технические возможности, в том числе путем выявления и решения основных технических проблем, что поможет тепловым ядерным двигательным установкам удовлетворить будущие требования министерства обороны и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) к миссии».
Программа исследований Луны
Весной 2019 года NASA анонсировало проект лунной программы Artemis, которая будет состоять из трех этапов. Первый из них (Artemis 1) предусматривает беспилотный полет установленного на ракету Space Launch System (SLS) корабля Orion вокруг Луны и его возвращение на Землю.
Второй этап (Artemis 2) — облет естественного спутника Земли с экипажем на борту. На третьем этапе миссии (Artemis 3) NASA рассчитывает осуществить высадку астронавтов на Луну в 2024 году, а затем отправить людей к Марсу ориентировочно в середине 2030-х годов.
NASA планирует назвать членов экипажа для облета Луны в 2021 году, а экипаж экспедиции, которой предстоит посадка на Луну, будет назван позднее.
В мае 2020 года NASA представило основные принципы, на которых будет строиться предлагаемое международное соглашение об освоении Луны. «Соглашения Артемиды», получившие название в честь лунной программы, представляют собой ряд двусторонних договоров между США и странами-партнерами. За основу в значительной степени взяты принципы Договора по космосу 1967 года. Среди перечисленных принципов NASA называло, в частности, положения о добыче ресурсов на Луне и идею создания так называемых зон безопасности, которые должны предотвратить «вредоносное вмешательство».
фактов об уране | Живая наука
6 августа 1945 года бомба длиной 3 метра упала с неба над японским городом Хиросима.
Менее чем через минуту все в пределах мили от взрыва бомбы было уничтожено. Сильный огненный шторм быстро уничтожил еще несколько миль, убив десятки тысяч человек.
Это было первое использование атомной бомбы в войне, и он использовал один известный элемент, чтобы нанести ущерб: уран. Этот радиоактивный металл уникален тем, что один из его изотопов, уран-235, является единственным изотопом природного происхождения, способным поддерживать реакцию ядерного деления.(Изотоп — это разновидность элемента с различным числом нейтронов в ядре.)
Чтобы понять уран, важно понять радиоактивность. Уран по своей природе радиоактивен: его ядро нестабильно, поэтому элемент находится в постоянном состоянии распада, ища более стабильную структуру. Фактически, уран был элементом, который сделал возможным открытие радиоактивности. В 1897 году французский физик Анри Беккерель оставил несколько солей урана на фотопластинке в рамках исследования влияния света на эти соли.К его удивлению, пластина запотела, что указывало на какие-то выбросы солей урана.
Беккерель разделил Нобелевскую премию с Мари и Пьером Кюри в 1903 году за это открытие.
Только факты
По данным Национальной лаборатории линейных ускорителей Джефферсона, свойства урана следующие:
Уран (Изображение предоставлено Андреем Маринкасом Shutterstock)- Атомный номер (количество протонов в ядре): 92
- Атомный символ (в Периодической таблице элементов): U
- Атомный вес (средняя масса атома): 238.02891
- Плотность: 18,95 грамма на кубический сантиметр
- Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
- Точка плавления: 2075 градусов по Фаренгейту (1135 градусов Цельсия)
- Точка кипения: 7468 F (4131 C)
- Количество изотопов (атомов один и тот же элемент с другим числом нейтронов): 16, 3 встречающиеся в природе
- Наиболее распространенные изотопы: U-234 (естественное содержание 0,0054 процента), U-235 (естественное содержание 0,7204 процента), U-238 (естественное содержание 99,2742 процента) )
История урана
Мартин Генрих Клапрот, немецкий химик, открыл уран в 1789 году, хотя об этом было известно по крайней мере с А.
D. 79, когда оксид урана использовался в качестве красителя для керамической глазури и стекла, согласно Chemicool. Клапрот обнаружил этот элемент в минеральной урановой обманке, которая в то время считалась цинком и железной рудой. Минерал растворяли в азотной кислоте, а затем к оставшемуся желтому осадку добавляли поташ (соли калия). Клапрот пришел к выводу, что он открыл новый элемент, когда реакция между калием и осадком не следовала никаким реакциям известных элементов.Его открытие оказалось оксидом урана, а не чистым ураном, как он первоначально полагал.
По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, Клапрот назвал новый элемент в честь недавно открытой планеты Уран, названной в честь греческого бога неба. Эжен-Мельхиор Пелиго, французский химик, выделил чистый уран в 1841 году путем нагревания тетрахлорида урана с калием.
Уран был обнаружен радиоактивным в 1896 году французским физиком Антуаном Беккерелем.Беккерель оставил образец урана на неэкспонированной фотографической пластинке, которая стала мутной.
По данным Королевского химического общества, он пришел к выводу, что он испускает невидимые лучи. Это был первый случай изучения радиоактивности, открывший новую область науки. Мария Кюри, польский ученый, ввела термин «радиоактивность» вскоре после открытия Беккереля, и вместе с французским ученым Пьером Кюри продолжила исследования по открытию других радиоактивных элементов, таких как полоний и радий, и их свойств.
Власть и война
По данным Всемирной ядерной ассоциации, уран Вселенной образовался 6,6 миллиарда лет назад в результате сверхновых. Он разбросан по всей планете и составляет от 2 до 4 частей на миллион большинства горных пород. По данным Министерства энергетики США, он занимает 48-е место среди самых распространенных элементов, содержащихся в природных земных породах, и в 40 раз больше, чем серебро.
Хотя уран тесно связан с радиоактивностью, скорость его распада настолько мала, что этот элемент на самом деле не является одним из самых радиоактивных.
Период полураспада урана-238 составляет невероятные 4,5 миллиарда лет. Период полураспада урана-235 составляет чуть более 700 миллионов лет. Уран-234 имеет самый короткий период полураспада из всех — 245 500 лет, но он возникает только косвенно в результате распада U-238.
Для сравнения, наиболее радиоактивным элементом является полоний. Его период полураспада составляет всего 138 дней.
Тем не менее, уран обладает взрывоопасным потенциалом благодаря своей способности поддерживать ядерную цепную реакцию. U-235 является «делящимся», что означает, что его ядро может быть расщеплено тепловыми нейтронами — нейтронами с той же энергией, что и их окружение.Вот как это работает, по данным Всемирной ядерной ассоциации: ядро атома U-235 имеет 143 нейтрона. Когда свободный нейтрон сталкивается с атомом, он расщепляет ядро, отбрасывая дополнительные нейроны, которые затем могут проникать в ядра соседних атомов U-235, создавая самоподдерживающийся каскад ядерного деления. Каждое событие деления генерирует тепло.
В ядерном реакторе это тепло используется для кипячения воды, создавая пар, который вращает турбину для выработки энергии, а реакция контролируется такими материалами, как кадмий или бор, которые могут поглощать дополнительные нейтроны, чтобы вывести их из цепочки реакции.
В бомбе деления, подобной той, что разрушила Хиросиму, реакция становится сверхкритической. Это означает, что деление происходит с постоянно возрастающей скоростью. Эти сверхкритические реакции высвобождают огромное количество энергии: взрыв, разрушивший Хиросиму, имел мощность около 15 килотонн в тротиловом эквиваленте, и все они были созданы с использованием менее килограмма (2,2 фунта) расщепляющегося урана.
Чтобы сделать деление урана более эффективным, инженеры-ядерщики обогащают его. Природного урана всего около 0.7 процентов U-235, делящегося изотопа. Остальное — U-238. Чтобы увеличить долю U-235, инженеры либо газифицируют уран для отделения изотопов, либо используют центрифуги. По данным Всемирной ядерной ассоциации, наиболее обогащенный уран для атомных электростанций содержит от 3 до 5 процентов U-235.
На другом конце шкалы находится обедненный уран, который используется для брони танков и для изготовления пуль. Обедненный уран — это то, что остается после того, как обогащенный уран израсходован на электростанции.По данным Министерства по делам ветеранов США, он примерно на 40 процентов менее радиоактивен, чем природный уран. Этот обедненный уран опасен только при его вдыхании, проглатывании или попадании в организм при стрельбе или взрыве.
Кто знал?
- По данным Фонда атомного наследия, только 1,38 процента урана в бомбе «Маленький мальчик», разрушившей Хиросиму, подверглись делению. Бомба содержала около 140 фунтов (64 кг) общего урана.
- Бомба «Маленький мальчик» взорвалась на высоте 1670 футов (509 метров) над Хиросимой и оставила только рамы нескольких железобетонных зданий, стоящих в радиусе мили вокруг Граунд Зиро, согласно отчету Министерства обороны США за 1980 год.Огненные бури уничтожили все в радиусе 7 км от взрыва.
- Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет.
Он распадается на радий-226, который, в свою очередь, распадается на радон-222. Радон-222 превращается в полоний-210, который в конце концов распадается на стабильный нуклид, свинец. - Мария Кюри, которая работала с ураном, чтобы открыть еще несколько радиоактивных элементов (полоний и радий), вероятно, поддалась радиационному облучению, которое использовалось в ее работе. Она умерла в 1934 году от апластической анемии, дефицита эритроцитов, вероятно, вызванного радиационным повреждением ее костного мозга.
- Чистый уран — это серебристый металл, который быстро окисляется на воздухе.
- Уран иногда используют для окраски стекла, которое светится зеленовато-желтым под черным светом — но не из-за радиоактивности (стекло является радиоактивным лишь в малейшей степени). Согласно Collectors Weekly, флуоресценция возникает из-за ультрафиолетового света, возбуждающего ураниловое соединение в стекле, заставляя его испускать фотоны, когда оно снова оседает.
- Желтый кек — твердый оксид урана. Это форма, в которой уран обычно продается до его обогащения.
- Уран добывается в 20 странах, более половины из которых поступает из Канады, Казахстана, Австралии, Нигера, России и Намибии, по данным Всемирной ядерной ассоциации.
- Согласно Lenntech, все люди и животные подвергаются естественному воздействию незначительных количеств урана из пищи, воды, почвы и воздуха. По большей части, население в целом может спокойно игнорировать количества, которые попадают в организм, за исключением случаев, когда они живут рядом с местами хранения опасных отходов, шахтами или если сельскохозяйственные культуры выращиваются на загрязненной почве или поливаются загрязненной водой.
Он распадается на радий-226, который, в свою очередь, распадается на радон-222. Радон-222 превращается в полоний-210, который в конце концов распадается на стабильный нуклид, свинец.Текущие исследования
Учитывая его важность для ядерного топлива, исследователи очень заинтересованы в том, как функционирует уран, особенно во время расплавления. Расплавление происходит, когда системы охлаждения вокруг реактора выходят из строя и тепло, генерируемое реакциями деления в активной зоне реактора, расплавляет топливо. Это произошло во время ядерной катастрофы на Чернобыльской АЭС, в результате чего образовалась радиоактивная капля, получившая название «Слоновья нога».
Понимание того, как ядерное топливо действует при его плавлении, имеет решающее значение для инженеров-ядерщиков, строящих контейнеры, — сказал Джон Пэрис, химик и минералог из Университета Стони Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории.
В ноябре 2014 года Париз и его коллеги из Аргоннской национальной лаборатории и других организаций опубликовали в журнале Science статью, в которой впервые были описаны внутренние механизмы расплавленного диоксида урана, основного компонента ядерного топлива. Диоксид урана не плавится до тех пор, пока температура не превысит 5432 F (3000 C), поэтому трудно измерить, что происходит, когда материал становится жидким, сказал Париз Live Science — просто нет достаточно прочного контейнера.
«Решение проблемы в том, что мы нагреваем шар из диоксида урана сверху лазером на диоксиде углерода, и этот шар поднимается в воздух в потоке газа», — сказал Париз.«У вас есть этот шар материала, который парит в потоке газа, поэтому вам не нужен контейнер».
Затем исследователи пропускают рентгеновские лучи через пузырек из диоксида урана и измеряют рассеяние этих рентгеновских лучей с помощью детектора. Угол рассеяния показывает структуру атомов внутри диоксида урана.
Исследователи обнаружили, что в твердом диоксиде урана атомы расположены в виде ряда кубов, чередующихся с пустым пространством в виде сетки, с восемью атомами кислорода, окружающими каждый атом урана.По мере того как материал приближается к своей температуре плавления, кислород «сходит с ума», — сказала Лори Скиннер, исследователь Аргоннской национальной лаборатории, в видео о результатах. Атомы кислорода начинают двигаться, заполняя пустое пространство и перескакивая с одного атома урана на другой.
Наконец, когда материал плавится, структура напоминает картину Сальвадора Дали, поскольку кубы превращаются в неупорядоченные многогранники. На этом этапе, как сказал Париз, количество атомов кислорода вокруг каждого атома урана, известное как координационное число, падает с восьми до примерно семи (некоторые атомы урана имеют шесть атомов кислорода, а некоторые — семь, что в среднем составляет 6 атомов кислорода. .7 атомов кислорода на уран).
Знание этого числа позволяет смоделировать, как диоксид урана будет действовать при таких высоких температурах, сказал Париз. Следующий шаг — добавить больше сложности. По его словам, ядерные ядра — это не просто диоксид урана. Они также включают материалы, такие как цирконий, и все, что используется для защиты внутренней части реактора. Теперь исследовательская группа планирует добавить эти материалы, чтобы увидеть, как меняется реакция материала.
«Вам нужно знать, как ведет себя чистый жидкий диоксид урана, чтобы, когда вы начали смотреть на эффекты небольших добавок, вы могли видеть, в чем разница?» — сказал Париз.
Подавляющее большинство урана используется в энергетике, обычно в контролируемых ядерных реакциях. Оставшиеся отходы, обедненный уран, можно переработать, чтобы использовать другие виды энергии, например, энергию солнца. В патенте 2017 года, выданном учеными Лос-Аламосской национальной лаборатории Игорем Усовым и Миланом Сикорой, обсуждается использование обедненного урана, полученного в результате ядерных реакций, для создания солнечных элементов. Авторы писали, что обедненный оксид урана является обильным и дешевым в качестве остатков процесса обогащения ядерного топлива и может быть оптимизирован для использования в качестве солнечных элементов, контролируя толщину, соотношение уран / кислород, кристалличность и легирование.
Диоксид урана — превосходный полупроводник, согласно статье 2000 года Томаса Мика из Окриджской национальной лаборатории, и потенциально может быть усовершенствован для некоторых применений по сравнению с традиционными применениями кремния, германия или арсенида галлия. При комнатной температуре оксид урана даст максимально возможную эффективность солнечного элемента по сравнению с традиционными элементами и соединениями для того же использования.
Дополнительный отчет Рэйчел Росс, участника Live Science
Дополнительные ресурсы
Свежеприготовленный плутоний из космического пространства, обнаруженный на дне океана: NPR
Ученые полагают, что некоторые тяжелые элементы образуются, когда массивная звезда проходит через агонию и взрывается как сверхновая.Здесь остаток сверхновой Кеплера был запечатлен на снимке НАСА.
НАСА / ЕКА / Университет Джона Хопкинса / НАСАСледы редких форм железа и плутония были обнаружены на дне Тихого океана после того, как какой-то катаклизм в космическом пространстве создал это радиоактивное вещество и отправил его дождем на нашу планету.
Согласно отчету журнала Science , внеземной мусор прибыл на Землю за последние 10 миллионов лет.Как только он упал в Тихий океан и осел на дно, почти на милю ниже, материал включился в слои породы, которая позже была поднята японской нефтедобывающей компанией и передана исследователям.
«Просто знать, что там есть плутоний, — это потрясающе», — говорит Брайан Филдс, астроном из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, не входивший в исследовательскую группу. «Сейчас у нас есть только крошечные количества материала — в конце концов, мы говорим здесь о сотнях атомов.Но мы должны быть благодарны за это, потому что они только что сделаны из взрывающихся звезд ».
Свежеприготовленные образцы, подобные этим, могут помочь ученым понять, как Вселенная выковывала элементы тяжелее железа, такие как золото, платина, уран и плутоний». — элементы, в которых мы до сих пор находимся в загадке », — говорит Антон Валлнер, физик из Австралийского национального университета в Канберре, возглавлявший международную команду, которая выполнила новую работу.« Мы не знаем точно, где они производятся и сколько стоит производится на разных сайтах.«
Выяснение источника этих элементов — большое дело для астрономов, которые уже в значительной степени знают, откуда взялась остальная часть таблицы Менделеева. Например, водород и гелий родились в результате Большого взрыва, а такие элементы, как углерод и кислород, образуются в ядрах звезд — вот почему любимый астроном Карл Саган любил говорить: «Мы сделаны из звездного вещества».
Астрономы считают, что самые тяжелые элементы должны происходить из окружающей среды более интенсивной, чем обычные звезды.Одна из возможностей — когда массивная звезда переживает агонию и взрывается как сверхновая.
Мощный взрыв заставит элементы извергаться во всех направлениях, и если сверхновая звезда находится поблизости, говорит Филдс, «все эти элементы, которые образуются в сверхновой, доставляются к нам и буквально проливаются дождем на наши головы, буквально проливаются дождем на нас. Земля.»
Около 25 лет назад он и пара его коллег предложили способ найти подобные обломки. Они указали, что сверхновая звезда создает стабильные элементы, но она также создает некоторые нестабильные, радиоактивные формы элементов, которые существуют только миллионы лет, прежде чем распасться.
Эти конкретные атомы проживут достаточно долго, чтобы добраться до Земли от взрывающейся звезды и быть обнаружены учеными, но их нельзя будет принять за стабильные элементы, которые существовали с тех пор, как Земля сформировалась миллиарды лет назад.
Исследователи отправились на охоту за этими сокровищами из космоса и вскоре начали находить характерную форму железа под названием «железо-60» в глубоководных скалах, антарктическом снегу и даже в образцах с Луны.
Все эти результаты свидетельствуют о том, что в космическом районе Земли около 3 миллионов лет назад произошел какой-то звездный взрыв, вероятно, сверхновая, и засыпал эту область радиоактивным железом.
Это последнее исследование железа, включенного в медленно растущие слои глубоководной породы, подтверждает это предположение, но также предполагает, что около 6 миллионов лет назад прибыла еще одна доза межзвездного железа. «Так что взрывающаяся звезда не одна, а две», — говорит Филдс.
Более того, в этом исследовании исследователи смогли обнаружить атомы отличительного плутония-244, которого в природе не существует на Земле. Глядя на количество плутония и железа в слоях горной породы, они могли сравнить то, что они видели, с тем, что модели предсказывают производство этих элементов космическими событиями, такими как сверхновые.
По словам Валлнера, их анализ предполагает, что помимо сверхновых должно было произойти что-то еще. Астрономы давно подозревали, что столкновение двух нейтронных звезд может быть еще одним потенциальным источником тяжелых элементов.
«Наши данные фактически говорят о том, что, возможно, необходимы оба сценария», — говорит Валлнер. «И то и другое. Это взрывы сверхновых, которые производят часть этих тяжелых элементов, а также слияние нейтронных звезд или любые другие редкие события».
Хендрик Шац, физик из Университета штата Мичиган, не входивший в исследовательскую группу, говорит, что эти новые результаты поразительны.Хотя в прошлом были обнаружены дразнящие намеки на эту форму плутония, он говорит, что «мы всегда надеялись, что кто-то, наконец, получит достаточно большой образец и найдет его в глубоководных отложениях океана. Мы как бы ждали что в течение долгого времени «.
По его мнению, новые открытия дополняют другие доказательства того, что самые тяжелые элементы, такие как плутоний, не могут быть произведены только обычными старыми сверхновыми звездами. «Это должно быть какое-то редкое событие, что-то еще», — говорит Шац. «Есть много свидетельств, указывающих на несколько источников.Слияние нейтронных звезд, вероятно, является одним из наиболее важных источников, но на данный момент не похоже, что они могут объяснить все наблюдения ».
Измерения других видов короткоживущих элементов могут в конечном итоге помочь во всем этом разобраться, говорит Поля. И он отмечает, что, хотя взрывающиеся звезды могут иногда посыпать наш мир звездной пылью, в настоящее время поблизости нет ничего массивного, что могло бы взорваться сверхновой и послать взрыв уничтожающего жизнь излучения в нашу сторону.
«Эти звезды не тонкие.Мы точно знаем, где они находятся, — говорит Филдс, — и сегодня нам никто не угрожает ».
ядерных реакторов для космоса — Всемирная ядерная ассоциация
(обновлено в мае 2021 г.)
- Радиоизотопные источники энергии были важным источником энергии в космосе с 1961 года.
- Реакторы ядерного деления в космосе используются в основном в России, но новые и более мощные конструкции находятся в стадии разработки как в США, так и в России.
- Плутоний-238 — жизненно важный источник энергии для полетов в дальний космос.
Ядерные энергетические реакторы используют управляемое ядерное деление в цепной реакции. С помощью поглотителей нейтронов скорость реакции контролируется, поэтому мощность зависит от потребности.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) — альтернативный источник энергии, в котором не происходит цепной реакции. Мощность зависит от начального количества радиоизотопа, используемого в качестве топлива, а мощность обеспечивается путем преобразования тепла, выделяемого при радиоактивном распаде радиоактивного изотопа, в электричество с помощью термопар.В большинстве РИТЭГов используется плутоний-238. При использовании РИТЭГов генерируемая мощность не может быть изменена или отключена, поэтому необходимо учитывать дополнительные батареи в пиковые периоды. РИТЭГи используются, когда космическим кораблям требуется менее 100 кВт. Кроме того, системы деления намного более рентабельны, чем РИТЭГи.
В Организации Объединенных Наций есть Управление по вопросам космического пространства (UNOOSA) *, которое выполняет решения Комитета по использованию космического пространства в мирных целях (COPUOS), созданного в 1959 году и в настоящее время объединяющего 71 государство-член.UNOOSA признает, что «для некоторых миссий в космическом пространстве ядерные источники энергии особенно подходят или даже необходимы из-за их компактности, длительного срока службы и других характеристик» и «что использование ядерных источников энергии в космическом пространстве должно быть сосредоточено на тех приложениях, которые используют преимущества об особых свойствах ядерных источников энергии ». В нем принят набор принципов, применимых «к ядерным источникам энергии в космическом пространстве, предназначенным для выработки электроэнергии на борту космических объектов для неходных целей», включая как радиоизотопные системы, так и реакторы деления.
* UNOOSA преследует двойную цель — поддерживать межправительственные обсуждения в Комитете и его Научно-техническом подкомитете (S&T) и Юридическом подкомитете, а также помогать развивающимся странам в использовании космических технологий в целях развития. Кроме того, он отслеживает правовые, научные и технические разработки, касающиеся космической деятельности, технологий и приложений, с целью предоставления технической информации и рекомендаций государствам-членам, международным организациям и другим отделениям Организации Объединенных Наций.
Радиоизотопные системы — РИТЭГи
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) были основным источником энергии для космических работ в США с 1961 года. Высокая теплота распада плутония-238 (0,56 Вт / г) позволяет использовать его в качестве источника электроэнергии в РИТЭГах космических кораблей, спутников и навигационные маяки. Его интенсивный процесс альфа-распада с незначительным гамма-излучением требует минимальной защиты. Америций-241, с 0,15 Вт / г, является еще одним источником энергии, одобренным Европейским космическим агентством, хотя он имеет высокие уровни относительно низкоэнергетического гамма-излучения.Тепло от оксидного топлива преобразуется в электричество через статические термоэлектрические элементы (твердотельные термопары) без движущихся частей. РИТЭГи безопасны, надежны и не требуют обслуживания и могут обеспечивать тепло или электричество в течение десятилетий в очень суровых условиях, особенно там, где солнечная энергия нецелесообразна.
Важность таких источников энергии была продемонстрирована миссией Европейского космического агентства Rosetta , которая успешно приземлила зонд Philae на комету 67P / Чурымов – Герасименко в 2014 году.Оснащенный батареями и солнечными панелями, место, в котором Philae остановился на поверхности кометы — защищенный от солнечных лучей скалами — означало, что посадочный модуль не мог использовать солнечную энергию и мог отправлять только 64 часа. данных до того, как разрядится аккумулятор.
На данный момент более 45 РИТЭГов работают с более чем 25 космическими аппаратами США, включая космические аппараты Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Ulysses, Cassini и New Horizons, а также многие гражданские и военные спутники.Космический корабль Cassini нес три РИТЭГа мощностью 870 Вт из 33 кг оксида плутония-238, когда он исследовал Сатурн. Он был запущен в 1997 году, вышел на орбиту Сатурна в 2004 году и функционировал очень хорошо до тех пор, пока не был остановлен в сентябре 2017 года. Вояджер 1 & 2 Космический аппарат, который отправлял фотографии далеких планет, уже работал более 35 лет с момента запуска 1977 года и Ожидается, что до 2025 года они будут отправлять обратно сигналы с питанием от своих РИТЭГов. Galileo , спущенный на воду в 1989 году, нес 570-ваттный РИТЭГ. В 1975 году высадившиеся на Марс модели Viking и Rover зависели от источников питания с РИТЭГами, как и марсоход Curiosity, запущенный в 2011 году. В качестве источников тепла использовались три РИТЭГа (каждый с 2,7 граммами диоксида плутония-238). спускаемый аппарат-робот Pathfinder Mars, выпущенный в 1996 году, производил 35 Вт. Каждый производил около одного ватта тепла. (Марсоходы Pathfinder массой 10,5 кг в 1997 году и два марсохода, работавшие в 2004-2009 годах, использовали солнечные панели и батареи с ограниченной мощностью и сроком службы.)
Последний РИТЭГ с плутонием представляет собой систему мощностью 290 Вт, известную как GPHS RTG . Тепловая энергия для этой системы поступает от 18 источников тепла общего назначения (GPHS). Каждый GPHS содержит четыре керамических топливных таблетки Pu-238, покрытых иридием, имеет высоту 5 см, квадрат 10 см и вес 1,44 кг. Многоцелевой РИТЭГ (MMRTG) (см. Изображение ниже) использует восемь блоков GPHS с общим объемом оксида плутония 4,8 кг, производящим 2 кВт тепловой энергии, которые можно использовать для выработки около 110 Вт электроэнергии 2.7 кВтч / сутки.
Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRT). Источник: NASA
ТехнологияMMRTG используется в марсоходе Curiosity миссии NASA Mars Science Laboratory (см. Изображение ниже) , который при 890 кг примерно в пять раз превышает массу марсоходов предыдущих поколений. К февралю 2021 года Curiosity прошел около 24 км с момента приземления в августе 2012 года. Другой проект марсохода — марсоход NASA Mars Perseverance , запущенный в июле 2020 года с тем же источником питания MMRTG.Это 1025 кг, и MMRTG заряжает две литий-ионные батареи. Perserverance перевозит беспилотный вертолет массой 1,8 кг. Приземлился в феврале 2021 года.
Марсоход НАСА Curiosity. Источник: NASA / JPL-Caltech / MSSS
Российский институт космических исследований (ИКИ) Российской академии наук и Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана разрабатывают три типа луноходов, один из которых — тяжелый луноход с «ядерным двигателем».Он будет весить 550-750 кг и предназначен для изучения полярных областей Луны. В дополнение к солнечным панелям и батареям на марсоходе будет установлен ядерный источник энергии, чтобы он мог работать на расстоянии до 400 километров, в том числе в тени. Он будет нести до 70 кг научного оборудования, в том числе специальные буры для извлечения проб почвы с глубины 1,5 метра. Марсоход также будет оснащен 16 небольшими станциями для изучения реголита и сейсмической активности Луны.
ExoMars — это совместный проект Российского космического агентства Роскосмоса и Европейского космического агентства (ЕКА) по исследованию доказательств существования жизни на Марсе с использованием РИТЭГов.В конечном итоге миссия доставит на Марс европейский марсоход и российскую наземную платформу. Первая часть миссии была запущена в 2016 году, основная цель которой — проверить наличие метана и других следов атмосферных газов. Вторую часть миссии планируется запустить в 2020 году.
Космический корабль New Horizons, пролетевший мимо Плутона в июле 2015 года, имеет 250-ваттный 30-вольтовый RTG GPHS, который к моменту пролета Плутона (он был запущен в 2006 году) должен был распасться примерно до 200 Вт.В нем используется 10,9 кг оксида Pu-238, и он менее мощный, чем изначально спроектированный, из-за задержек с производством. Есть 16 двигателей Aerojet, управляющих траекторией и ориентацией 478-килограммового корабля. Четыре подруливающих устройства развивают 4,4 Н, а 12 — тягу 0,9 Н. Топливо для них — 65 кг гидразина
.Радиоизотопный генератор Стирлинга (SRG) основан на 55-ваттном электрическом преобразователе, питаемом от одного блока GPHS. Горячий конец преобразователя Стирлинга достигает 650 ° C, и нагретый гелий приводит в движение свободный поршень линейного генератора переменного тока, при этом тепло отводится на холодном конце двигателя.Затем переменный ток преобразуется в постоянный ток мощностью 55 Вт. Этот двигатель Стирлинга производит примерно в четыре раза больше электроэнергии из плутониевого топлива, чем РИТЭГ. Таким образом, каждый SRG будет использовать два блока преобразователя Стирлинга с тепловой мощностью около 500 Вт, обеспечиваемой двумя блоками GPHS, и будет вырабатывать 130-140 Вт электроэнергии из примерно 1 кг Pu-238. SRG и Advanced SRG (ASRG) прошли всесторонние испытания, но еще не летали. НАСА планировало использовать два ASRG для зондирования спутника Сатурна Титана (Titan Mare Explorer, TiME) или для кометы Виртанен, хотя эти миссии были отложены в пользу миссии Mars InSight, первоначально запланированной на март 2016 года, теперь, вероятно, в середине 2018.В ноябре 2013 года, потратив на это 270 миллионов долларов, НАСА остановило разработку ASRG из-за бюджетных ограничений, заявив, что в нем достаточно Pu-238 для MMRTG.
В январе 2021 года Индийская организация космических исследований (ISRO) представила предложения по трехфазной разработке 100-ваттного РИТЭГа.
НАСА также сообщило, что производство Pu-238 было увеличено до 1,5 кг / год к середине 2020-х годов, и к концу 2015 года на это было потрачено более 200 миллионов долларов (см. Информационный документ по плутонию).С 1990-х годов США рассчитывали на российские поставки Pu-238, производимого на «Маяк», и закупили его 16,5 кг. Однако Россия его больше не производит и не продает.
Россия разработала РИТЭГи с использованием По-210, два из них все еще находятся на орбите на 1965 году навигационных спутников «Космос». Но он сосредоточился на реакторах деления для космических энергетических систем. Китайский лунный аппарат Chang’e 3, по всей видимости, использует РИТЭГи с Pu-238.
Америций-241 можно использовать для РИТЭГов. Он содержит около четверти энергии Pu-238, но он дешевле и легко доступен после очистки старых запасов гражданского плутония, например, в Великобритании.Он также имеет более длительный период полураспада — 432 года по сравнению с 88 годами. Однако он имеет некоторую гамма-активность (указано 8,48 мЗв / час / МБк на одном метре) и не принимался во внимание. Однако Европейское космическое агентство намеревается использовать его и оплачивает Am-241, извлеченный из гражданского плутония Великобритании Национальной ядерной лабораторией, для использования в своих РИТЭГах. РИТЭГ требуется примерно в два раза больше чистого Am-241 по сравнению с Pu-238 (который обычно имеет некоторые примеси). В мае 2019 года Национальная ядерная лаборатория и Лестерский университет вырабатывали полезную электроэнергию из америция, добытого из запасов плутония в Великобритании.
Наряду с РИТЭГами, блоки радиоактивного обогрева ( RHUs ) используются на спутниках и космических кораблях, чтобы поддерживать инструменты в тепле, достаточном для их эффективного функционирования. Их выходная мощность составляет всего около одного ватта, и они в основном используют Pu-238 — обычно около 2,7 грамма. Размеры около 3 см в длину и 2,5 см в диаметре, вес 40 грамм. Примерно 240 из них уже использовались США, а два российских лунохода находятся в отключенном состоянии на Луне, в них используется полоний-210. Восемь были установлены на каждом из американских марсоходов Spirit и Opportunity , приземлившихся в 2004 году, для поддержания работоспособности батарей.Китайский луноход Chang’e 3 Yutu, по-видимому, использует несколько RHU.
Центр космических ядерных исследований (CSNR) Национальной лаборатории штата Айдахо (INL) в сотрудничестве с НАСА разрабатывает хоппер с РИТЭГами для исследования Марса. В неподвижном состоянии транспортное средство будет изучать территорию вокруг себя, медленно всасывая углекислый газ из атмосферы и замораживая ее после сжатия двигателем Стирлинга. Между тем бериллиевое ядро будет хранить тепловую энергию, необходимую для взрывного испарения, необходимого для следующего прыжка.Когда он будет готов к следующему прыжку, ядерное тепло быстро испарит углекислый газ, создавая мощную струю, которая поднимет корабль на 1000 метров в воздух. Небольшой бункер мог преодолевать 15 км за раз, повторяя это каждые несколько дней в течение десятилетнего периода. Хопперы могли нести полезную нагрузку до 200 кг и исследовать районы, недоступные для вездеходов. INL предполагает, что несколько десятков прыгунов смогут нанести на карту поверхность Марса за несколько лет и, возможно, доставить образцы горных пород со всей поверхности Марса на корабль, который доставит их на Землю.
И RTG, и RHU спроектированы таким образом, чтобы выдерживать крупные аварии при запуске и возвращении в атмосферу без повреждений. Так поступили Nimbus B-1 в 1968 году и лунный модуль Apollo 13 в 1970 году.
| Двигатель Стирлинга |
|---|
| Двигатель Стирлинга использует любой внешний источник тепла через газообразную рабочую жидкость для приведения в действие поршня, совершающего возвратно-поступательное движение, который вращает коленчатый вал для выполнения механической работы. Рабочая жидкость постоянно удерживается и через регенератор с теплообменником может непрерывно рециркулировать.Рабочий газ расширяется в горячей части и сжимается в холодной части двигателя, таким образом преобразуя тепло в работу. Чем больше разница температур между горячей и холодной секциями двигателя Стирлинга, тем выше его эффективность. В одноцилиндровых конструкциях поршень вытеснителя перемещает рабочий газ вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками. |
Системы деления — тепловые и двигательные
Для более высоких требований к мощности энергосистемы деления (FPS) имеют явное преимущество по стоимости по сравнению с РИТЭГами.Согласно нынешнему замыслу, FPS будет запускаться в холодном режиме, по сути, без радиоактивной опасности. Пуск реактора — после выхода аппарата на орбиту. Затем реактор автоматически реагирует на изменения тепловой нагрузки и поддерживает безопасные рабочие температуры на основе отрицательной обратной связи по температурной реактивности, что дает ему возможность отслеживания нагрузки. Низкая мощность реактора снизит термические напряжения и обеспечит устойчивость к потенциально опасным переходным процессам. Низкое выгорание топлива сводит к минимуму продукты деления, которые могут вызвать неблагоприятное радиационное воздействие на материалы реактора и компоненты космического корабля.
После перерыва в несколько лет наблюдается возрождение интереса к использованию ядерной энергии деления для космических миссий. В то время как Россия использовала в космосе более 30 реакторов деления, в США в 1965 году был запущен только один — SNAP-10A (система вспомогательной ядерной энергии).
В феврале 2021 года Национальные академии наук, инженерии и медицины США сообщили о космических ядерных двигательных технологиях, представляющих интерес для будущей миссии человека по исследованию Марса. Они оценили современное состояние, потенциальный путь развития и ключевые риски для ядерной тепловой двигательной установки (NTP), разработанной для создания удельного импульса не менее 900 с, и ядерной электрической двигательной установки (NEP) с мощность по крайней мере 1 МВт и отношение массы к мощности, которое существенно ниже, чем у современных современных технологий.Использование любой из этих систем для базовой миссии на Марс в 2039 году потребует значительных исследований и разработок.
Ранняя программа США: 1960–1980-е годы
Раньше, с 1959 по 1973 год, в США существовала ядерная ракетная программа — Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (NERVA), которая была сосредоточена на замене ядерной энергии химическими ракетами на последних этапах запуска. NERVA использовала реакторы с графитовым сердечником, нагревающие водород и выталкивающие его через сопло. Около 20 двигателей были испытаны в Неваде, и их тяга была вдвое меньше, чем у ракет-носителей космических кораблей.С тех пор «ядерные ракеты» предназначены для космических двигателей, а не для запусков. Преемник NERVA — сегодняшняя ядерная тепловая ракета (ЯТР).
Другой ранней идеей был американский проект «Орион», который должен был запустить с Земли большой космический корабль массой около 1000 тонн, используя серию небольших ядерных взрывов для его запуска. Проект был начат в 1958 году компанией General Atomics и был прерван в 1963 году Договором о запрещении атмосферных испытаний. Проект Orion дал идеи для других проектов, например ICAN-II и AIMStar, поскольку рассматриваются другие средства генерации движущих импульсов.
US SNAP-10A, запущенный в 1965 году, представлял собой тепловой ядерный реактор деления мощностью 45 кВт для выработки 650 Вт с ZrH-замедлителем (или UZrH-топливом) и эвтектическим NaK-теплоносителем, питающим панели термоэлектрического преобразователя. Он проработал 43 дня при мощности 590 Вт, но был остановлен из-за неисправности регулятора напряжения (не реактора). Остается на орбите.
Последней инициативой США по созданию космических реакторов в этот период была совместная программа НАСА, Министерства энергетики и Министерства обороны США по разработке реактора SP-100 — блока быстрого реактора мощностью 2 МВт и термоэлектрической системы, обеспечивающей мощность до 100 кВтэ — в качестве универсального источника питания. для орбитальных миссий или в качестве лунной / марсианской надводной электростанции.Это было прекращено в начале 1990-х после поглощения почти 1 миллиарда долларов. В реакторе использовалось топливо из нитрида урана и было литиевое охлаждение.
В конце 1980-х годов в сотрудничестве с Министерством энергетики в рамках программы создания многомегаваттной космической энергии (ММВ) Министерства обороны также был разработан реактор с галечным слоем Timberwind. Его мощность намного превосходила любые требования гражданской космической программы. Но см. MegaPower ниже.
В отношении двигательной установки космического корабля после запуска был накоплен некоторый опыт работы с двигательными установками ядерных тепловых ракет (NTP или NTR) , которые считаются хорошо разработанными и испытанными.Ядерное деление нагревает водородное топливо, которое хранится в виде жидкости в охлаждаемых резервуарах. Горячий газ (около 2500 ° C) выпускается через сопло для создания тяги (которая может быть увеличена за счет впрыска жидкого кислорода в сверхзвуковой выхлоп водорода). Это более эффективно, чем химические реакции. Бимодальные версии будут управлять электрическими системами на борту космического корабля, включая мощные радары, а также обеспечивать движение. По сравнению с ядерными электрическими плазменными системами они имеют гораздо большую тягу в течение более коротких периодов времени и могут использоваться для запусков и посадок.
Поздние программы в США: 1990-е годы на
В конце 1980-х внимание обратилось на ядерно-электрические двигательные установки (NEP) , в которых ядерные реакторы являются источником тепла для электроионных двигателей, выталкивающих плазму из сопла для движения космических аппаратов уже в космосе. Сверхпроводящие магнитные элементы ионизируют ксенон (или водород), нагревают его до чрезвычайно высоких температур (миллионы ° C) и используют очень высокое напряжение для его ускорения и выбрасывают его с очень высокой скоростью (, например, 30 км / с) для создания тяги.Хотя тяга мала по сравнению с ракетой, ее применение в космосе в течение длительного периода (, например, лет) может привести к высокой скорости космического корабля. Космический аппарат НАСА Dawn , курсирующий между Марсом и Юпитером с 2007 года, использует ионный двигатель малой тяги, как и более 100 спутников связи на геостационарной околоземной орбите. Они оба продлевают срок службы спутников и сокращают затраты на запуск и эксплуатацию. Ксенон используется потому, что он легко ионизируется и имеет относительно высокую атомную массу, а также инертен и имеет высокую плотность хранения.
Первая космическая миссия НАСА с ионным двигателем была с 1998 по 2001 год. Ионная силовая установка NASA Solar Technology Application Readiness ( NSTAR ) позволила миссии Deep Space 1, первому космическому кораблю, который приводится в движение в основном ионным двигателем, пролетела более 260 миллионов километров и совершить облеты астероида Брайля и кометы Борелли. Эволюционный ксеноновый двигатель NASA (NEXT) и кольцевой двигатель являются его развитием. NEXT — это мощная ионная двигательная установка, разработанная для снижения стоимости полета и времени полета, работающая на уровне мощности в три раза превышающем NSTAR.Запатентованный НАСА кольцевой двигатель потенциально может превзойти характеристики NEXT и других электрических двигательных двигателей малой тяги, с общей (кольцевой) площадью луча, которая в два раза больше.
Исследование одной версии, ракеты с переменным удельным импульсом магнитоплазмы (VASIMR), основано на этой модели для получения энергии термоядерного синтеза (токамака) с магнитным ограничением для выработки электроэнергии, но здесь плазма умышленно просачивается для создания тяги. Система работает наиболее эффективно при малой тяге (которую можно поддерживать), с небольшим потоком плазмы, но возможна более короткая работа с высокой тягой.Он очень эффективен, с преобразованием электрической энергии в кинетическую на 99%, хотя только 70% требуется для стрельбы с короткой тягой. VX200, версия мощностью 200 кВт, проходила испытания в 2015 году с целью использования в космических миссиях для ядерной электрической тяги. Его также можно было использовать для удаления космического мусора, вывода на низкую орбиту для выгорания. НАСА заключило контракт с Ad Astra Rocket Co на разработку новой версии VX-200SS («SS» означает «устойчивый режим»), отличающейся новой конструкцией сердечника и терморегуляторами, работающей при температурах 1000000 ºC, при этом почти полностью устраняя необходимость в огромное количество ракетного топлива.
Энергетическая система с тепловыми трубками Реакторы (HPS) — это компактные быстрые реакторы, вырабатывающие до 100 кВтэ в течение примерно десяти лет для питания космического корабля или планетарного надводного корабля. Они разрабатываются с 1994 года в Лос-Аламосской национальной лаборатории как надежная система с низким уровнем технического риска с упором на высокую надежность и безопасность. В них используются тепловые трубки * для передачи энергии от активной зоны реактора для производства электроэнергии с помощью преобразователей цикла Стирлинга или Брайтона.
* Тепловая трубка — это теплопередающее устройство, сочетающее теплопроводность с фазовым переходом.На горячем конце жидкость испаряется под низким давлением, а на другом конце она конденсируется, высвобождая скрытую теплоту испарения. Затем жидкость возвращается к горячему концу либо под действием силы тяжести, либо под действием капилляров, чтобы повторить цикл. (При использовании силы тяжести их иногда называют двухфазными термосифонами, но основным используемым механизмом является капиллярная «накачка» с использованием поверхностного натяжения.)
В конструкции 1990-х годов энергия деления передается от топливных стержней к тепловым трубкам, заполненным парами натрия, которые переносят ее к теплообменникам, а затем в горячем газе к системам преобразования энергии Стирлинга или Брайтона для производства электричества.Газ на 72% состоит из гелия и на 28% из ксенона. Сам реактор содержит ряд модулей тепловых трубок с топливом. У каждого модуля есть центральная тепловая трубка, вокруг которой расположены топливные муфты, покрытые рением. Они имеют одинаковый диаметр и содержат топливо из нитрида урана с обогащением 97%, причем все они находятся внутри оболочки модуля. Модули образуют компактное шестиугольное ядро. Управление осуществляется шестью бериллиевыми барабанами, плакированными нержавеющей сталью, каждый диаметром 11 или 13 см с карбидом бора, образующим дугу 120 градусов на каждом. Барабаны помещаются в шесть секций бериллиевого радиального отражателя нейтронов, окружающих активную зону, и вращаются для управления, перемещая карбид бора внутрь или наружу.
Экранирование зависит от задачи или области применения, но гидрид лития в емкостях из нержавеющей стали является основной защитой от нейтронов.
Космический реактор деления SAFE-400 (безопасный доступный двигатель деления) представляет собой ТНС мощностью 400 кВт и 100 кВтэ для приведения в действие космического корабля, использующего две энергосистемы Брайтона — газовые турбины, приводимые в действие непосредственно горячим газом из реактора. Температура на выходе из теплообменника 880 ° C. В реакторе имеется 127 идентичных модулей тепловых трубок, изготовленных из молибдена или ниобия с 1% циркония.Каждый из них имеет три топливных стержня диаметром 1 см, соединенных вместе в компактный шестиугольный сердечник диаметром 25 см. Топливные стержни имеют длину 70 см (длина топлива 56 см), общая длина тепловых трубок составляет 145 см, они выступают на 75 см над активной зоной, где они соединяются с теплообменниками. Сердечник с отражателем имеет диаметр 51 см. Масса сердечника составляет около 512 кг, а каждый теплообменник — 72 кг. БЕЗОПАСНОСТЬ также была протестирована с электроионным приводом.
Меньшей версией этого типа реактора является HOMER-15 — исследовательский реактор Марса с тепловыми трубками.Это тепловой блок мощностью 15 кВт, аналогичный более крупной модели SAFE, и его высота составляет 2,4 метра, включая теплообменник и двигатель Стирлинга мощностью 3 кВт (см. Выше). Он работает при температуре всего 600 ° C и поэтому может использовать нержавеющую сталь для топливных стержней и тепловых трубок диаметром 1,6 см. Он имеет 19 модулей с натриевыми тепловыми трубками, к которым прикреплены 102 топливных стержня, по 4 или 6 на трубу, и вмещает в общей сложности 72 кг топлива. Тепловые трубки имеют длину 106 см и высоту топлива 36 см. Сердечник шестиугольный (18 см в диаметре) с шестью выводами из BeO по углам.Общая масса реакторной системы 214 кг, диаметр 41 см.
Еще одна небольшая поверхностная энергетическая система деления для Луны и Марса была анонсирована НАСА в 2008 году. Система 40 кВт может использовать одну из двух концепций конструкции для преобразования энергии. Первый, разработанный Sunpower из Афин, штат Огайо, использует два двигателя с оппозитными поршнями, соединенные с генераторами переменного тока, каждый из которых производит 6 киловатт, или в общей сложности 12 киловатт мощности. Второй, разработанный Барбером Николсом из Арвады, штат Колорадо, предназначен для разработки двигателя с замкнутым циклом Брайтона, в котором используются высокоскоростная турбина и компрессор, соединенные с роторным генератором переменного тока, который также вырабатывает мощность 12 киловатт.НАСА само разработает систему отвода тепла и предоставит оборудование для космического моделирования. В середине 2012 года НАСА сообщило об успешных испытаниях компонентов преобразователя энергии и радиатора этой системы мощностью 40 кВтэ, которая основана на нагреве небольшого реактора деления и циркуляции жидкометаллической охлаждающей смеси из натрия и калия. Разница в тепле между этой температурой и внешней температурой заставит два дополнительных двигателя Стирлинга вращать генератор мощностью 40 кВтэ. Около 100 квадратных метров радиаторов отводят технологическое тепло в пространство.
США Проект Прометей: 2003-2007 гг.
В 2002 году НАСА объявило о своей Инициативе по ядерным системам для космических проектов, а в 2003 году она была переименована в Проект Прометей и получила увеличенное финансирование. Его цель заключалась в том, чтобы существенно изменить возможности космических полетов. Космические путешествия с использованием ядерных двигателей будут намного быстрее, чем это возможно сейчас, и позволят пилотируемые миссии на Марс. (См. Раздел ниже.)
Одна из частей Prometheus, являвшаяся проектом НАСА с существенным участием Министерства энергетики в ядерной области, заключалась в разработке многоцелевого термоэлектрического генератора и радиоизотопного генератора Стирлинга, описанных в разделе о РИТЭГах выше.
Более радикальной целью Прометея было создание космической энергетической системы деления (FPS), подобной описанной выше, как для мощности, так и для тяги, которая была бы безопасной для запуска и которая в течение многих лет работала бы с гораздо большей мощностью, чем РИТЭГи. Предусмотрена мощность 100 кВт для ядерной электродвигательной установки с плазменным приводом.
Бюджетное предложение на 2004 финансовый год составляло 279 миллионов долларов, из которых 3 миллиарда должны были быть потрачены в течение пяти лет. Он состоял из 186 миллионов долларов (1 миллиард долларов за пять лет) на основе ассигнований в 2003 финансовом году плюс 93 миллиона долларов (2 миллиарда долларов за пять лет) на первую полетную миссию к Юпитеру — орбитальный аппарат Jupiter Icy Moon (JIMO), запуск которого ожидался в 2017 году. и исследуй в течение десяти лет.Однако проект «Прометей» получил только 430 миллионов долларов в бюджете 2005 года, а в 2006 году он сократился до 100 миллионов долларов, большая часть которых предназначалась для компенсации расторгнутых контрактов, поэтому он фактически застопорился. Аналогичный проект был инициирован и запланирован к запуску в 2022 году под названием JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) как межпланетный космический корабль, разрабатываемый Европейским космическим агентством (ESA) с Airbus Defense and Space в качестве основного подрядчика.
В 2003 году в рамках проекта «Прометей» успешно прошел испытания ионного двигателя с электродвигателем большой мощности (HiPEP).Это работает за счет ионизации ксенона микроволнами. В задней части двигателя находится пара прямоугольных металлических решеток, на которые подается электрический потенциал 6000 вольт. Сила этого электрического поля оказывает сильное электростатическое воздействие на ионы ксенона, ускоряя их и создавая тягу, которая приводит в движение космический корабль. Тест проходил на мощности до 12 кВт, хотя предусматривается вдвое больше. Двигатель малой тяги рассчитан на срок службы от 7 до 10 лет с высокой топливной эффективностью и может работать от небольшого ядерного реактора.
Текущая программа США
Космические реакторы киловаттного класса обозначаются НАСА KiloPower и могут включать различные конструкции, сопоставимые по мощности и массе с РИТЭГами. Они используют жидкометаллические тепловые трубки для передачи тепла деления либо на термоэлектрическую энергию, либо на преобразователь энергии Стирлинга. Национальная лаборатория Лос-Аламоса и исследовательский центр Гленна НАСА завершили испытание концепции на объекте национальной безопасности штата Невада в 2012 году с использованием реактора Flattop и двух небольших преобразователей Стирлинга для выработки 24 Вт.
В декабре 2014 года Центр Гленна НАСА объявил о прогрессе в реализации своего проекта KiloPower мощностью 4 кВт / 1 кВтэ, в котором используется высокообогащенный уран для питания системы тепловых трубок и двигателя Стирлинга для выработки электроэнергии — Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY). Этот реактор на быстрых нейтронах полностью полагается на отрицательную тепловую обратную связь для управления, цель которой состоит в том, чтобы спроектировать саморегулирование как главную особенность и продемонстрировать его надежность. Проект масштабируется до 10 кВтэ. Ядерная лаборатория Лос-Аламоса (LANL) совместно с НАСА в апреле 2018 года объявила о завершении полномасштабных испытаний прототипа KRUSTY.Испытания проводились с ноября 2017 года по март 2018 года, в течение которых блок успешно справился с несколькими смоделированными отказами, включая снижение мощности, отказ двигателей и отказ тепловых труб. Это было первое наземное испытание ядерного реактора в космосе в США за несколько десятилетий.
Перед началом испытаний НАСА обратилось в Национальное управление ядерной безопасности США (NNSA) с просьбой разрешить его проведение. Испытания проводятся в рамках Программы безопасности критичности Министерства энергетики совместно с НАСА.Оптимальным топливом для быстрого реактора был предложен сплав ВОУ (с обогащением на 93%) с 7% молибдена в виде твердой отливки диаметром 129 мм и длиной 300 мм *. Его окружал бы отражатель из оксида бериллия диаметром 250 мм с 18 натриевыми тепловыми трубками между топливом и отражателем. Критичность достигается за счет поднятия отражателя BeO для генерации деления в активной зоне реактора. Как только начнется деление, отражатель BeO будет медленно подниматься, чтобы повысить температуру в системе до 800 ° C. Имеется единственный центральный стержень управления из карбида бора.Тепловые трубки будут отдавать 13 кВт тепла от сердечника к восьми двигателям Стирлинга со свободным поршнем и позволяют каждому производить около 125 Вт электроэнергии. Двигатель Стирлинга будет иметь цилиндрический радиатор длиной почти 10 м 2 . Масса системы около 750 кг, длина около 5 м. Предполагается, что полезная нагрузка для научных исследований находится на расстоянии около 10 м от активной зоны и защищена 45 кг обедненного урана и 40 кг гидрида лития.
* Сообщается, что в испытательном реакторе мощностью 1 кВтэ в ноябре 2017 года будет использован сплав из 92% урана, 8% молибдена с обогащением до 95% и диаметром 11 см с центральным отверстием 4 см и восемью утопленными тепловыми трубками.Имеются два аксиальных отражателя нейтронов и один радиальный, всего 70,5 кг бериллия.
По оценкам НАСА, для получения энергии на Марсе потребуется около 40 кВтэ, используя десять блоков киловаттной мощности по 4 кВт.
Опыт проекта KiloPower будет использован для проекта MegaPower с блоками 2 МВт. Возможности включают саморегулирование реактора, низкую удельную мощность активной зоны реактора и использование тепловых трубок для отвода тепла из активной зоны реактора. Реактор будет присоединен к открытой системе преобразования энергии по циклу Брайтона с использованием воздуха в качестве рабочего тела и средства отвода тепла.Реактор будет весить около 40 тонн, включая 3 тонны топлива с НОУ (обогащение на 16-19%), и иметь длину 4 м, диаметр 2 м. Его можно было бы масштабировать до 10 МВт, а также можно было бы использовать на военных базах при 72-часовой установке.
В апреле 2021 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) заключило контракты на первую фазу своей программы «Демонстрационная ракета для маневренных полнолунных операций» (DRACO), чтобы продемонстрировать ядерную тепловую двигательную установку (NTP) на низкой околоземной орбите в 2025 году.General Atomics будет заниматься разработкой реактора, а Blue Origin и Lockheed Martin будут разрабатывать концептуальные проекты космических кораблей.
Российские системы деления
В период с 1967 по 1988 год бывший Советский Союз запустил 34 маломощных реактора деления на спутниках радиолокационной разведки океана (РОРСАТ) в рамках космических миссий. Они использовали термоэлектрические преобразователи для производства электроэнергии, как и в случае с РИТЭГами. Реакторы Ромашка были их первоначальным ядерным источником энергии, графитовым реактором быстрого спектра с топливом из карбида урана с обогащением 90%, работающим при высоких температурах.Тогда быстрый реактор Бук или Бук вырабатывал 3 кВт в течение до четырех месяцев. Эту программу вело московское конструкторское бюро «Красная звезда». Более поздние реакторы, такие как «Космос-954», который вернулся в Канаду в 1978 году, имели U-Mo топливные стержни и компоновку, аналогичную описанным выше реакторам с тепловыми трубками в США. На большинстве российских военных разведывательных спутников использовались реакторы Бук.
За ними последовали многоэлементные реакторы Тополь или Топаз-1 с системами термоэлектронного преобразования , использующими пары цезия, вырабатывающие около 5 кВт электроэнергии в течение 3-5 лет для использования на борту из 12 кг топлива.Масса реактора составляла около 320 кг. Это была идея США, разработанная в 1960-х годах в Курчатовском институте в России и впервые испытанная в 1971 году. Топаз-1 был запущен в 1987 году на «Космос 1818 и 1867» для наблюдения за океаном. Один реактор проработал шесть месяцев, другой — год, после чего программа «Топаз-1» была остановлена.
Одноэлементный реактор ЕНИСИ или Топаз-2 разработан ЦКБ машиностроения в Ленинграде на топливе КБ «Луч». В этом случае каждый топливный стержень (UO 2 с обогащением 96%), заключенный в оболочку в эмиттере, окружен коллектором, и они образуют 37 тепловыделяющих элементов, которые проходят через цилиндрический замедлитель из ZrH.Он, в свою очередь, окружен бериллиевым отражателем нейтронов с девятью вращающимися барабанами управления и тремя вращающимися предохранительными барабанами в нем. Охлаждающая жидкость NaK окружает каждый топливный элемент, приводимый в действие электромагнитным насосом. Он работал при мощности около 10 кВт (минимум 6 кВт нетто при 27 вольт в течение трех лет), а масса реактора составляла около 1060 кг. Позднее энергоблоки Топаз-2 нацелились на 40 кВтэ в рамках Международной программы Топаз (TIP), осуществлявшейся в основном в США с 1990 года, в ходе которой было испытано шесть реакторов. Два реактора Топаз-2 (без топлива) были проданы США в 1992 году.Бюджетные ограничения в 1993 году вынудили отменить связанную с этим Программу испытаний ядерных электрических двигателей в космосе. Еще четыре реактора Топаз-2 были отправлены в США для испытаний в 1994 году.
В 2010 году Комиссия при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России выделила федеральные средства на разработку ядерной энергетической двигательной установки (ЯЭУ) мегаваттного диапазона мощности, способной приводить в действие корабли в межпланетных дальних полетах. В частности, ГК «Росатом» должен был получить 430 млн руб., А Роскосмос — 70 млн руб. На разработку Транспортно-энергетического модуля на базе НППУ, хотя сообщалось, что Роскосмос не включил этот проект в бюджет космической программы. на 2016-2025 гг.Н.А.Доллежаль НИКИЭТ в Москве был назначен единственным подрядчиком для НППУ на основе предыдущих разработок, в том числе ядерных ракетных двигателей. В ноябре 2015 года НИКИЭТ сообщил, что инженерное проектирование реактора выполнено, испытания «подтвердили целостность корпуса реактора» и проверили его на герметичность и деформацию. Испытания также подтвердили «надежность проектных расчетов» для определения способности судна выдерживать нагрузки.Испытания прототипа пропульсивного реактора для космического применения запланированы на 2018 год. Общая стоимость проекта двигательно-силового модуля на базе пропульсивного реактора оценивается в 20 миллиардов рублей (274 миллиона долларов США) с реакторной частью. 7 млрд руб.
Российская Ракетно-космическая корпорация им. С.П. Королева Космическая корпорация «Энергия» начала в 2011 году работу над стандартизованными космическими модулями с ядерными силовыми установками, первоначально включающими системы мощностью от 150 до 500 киловатт.В результате концептуального проектирования в 2011 году была разработана базовая проектная документация и инженерный проект. В настоящее время Российский центр исследований Келдыша преследует идею использования небольшого реактора деления с газовым охлаждением на борту ракеты для вращения турбины и генераторной установки и, таким образом, выработки электроэнергии для плазменного двигателя. Реакторный блок должен быть разработан примерно в 2015 году, затем на 2018 год запланированы эксплуатационные испытания. Первые пуски намечены примерно на 2020 год.
Директор Роскосмоса говорит, что разработка ядерно-космических энергетических систем мегаваттного класса для пилотируемых космических кораблей имеет решающее значение, если Россия хочет сохранить конкурентное преимущество в космической гонке, включая исследование Луны и Марса.Кажется, что НППУ соответствует этому требованию. Ранее «Энергия» заявила, что готова спроектировать космическую атомную электростанцию со сроком службы 10-15 лет для первоначального размещения на Луне или Марсе. Он также работает над концепцией космического буксира с ядерной установкой, который можно было бы использовать для запуска спутников.
Энергетические системы космического реактора
| SNAP-10 США | СП-100 США | Ромашка Россия | Бук Россия | Топаз-1 Россия | Топаз-2 Россия-США | БЕЗОПАСНОСТЬ-400 США | ЭРАТО * Франция | |
| Пусковая дека | 1960-е | 1980-е годы | 1960-е | 1970-е годы | 1980-е годы | 1990-е годы | 2000-х? | 1980-е годы |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| кВт | 45.5 | 2000 | 40 | <100 | 150 | 135 | 400 | |
| кВт | 0,65 | 100 | 0,8 | <5 | 5-10 | 6 | 100 | 20 |
| Преобразователь | электрический | электрический | электрический | электрический | t’ionic | t’ionic | электрический | электрический |
| Топливо | U-ZrH x | ООН | UC 2 | У-Мо | УО 2 | УО 2 | ООН | UO 2 , UN |
| Масса реактора, кг | 435 | 5422 | 455 | <390 | 320 | 1061 | 512 | |
| Нейтронный спектр | термический | быстро | быстро | быстро | термический | термический / эпитермальный | быстро | быстро / эпит. |
| Контроль | Be | Be | Be | Be | Be | Be | Be | |
| Охлаждающая жидкость | NaK | Li | нет | NaK | NaK | NaK | Na | Na, газ |
| Темп., ° C не более | 585 | 1377 | 1900 | ? | 1600 | 1900? | 1020 | 840 |
* В 1980-х годах французская программа ERATO рассматривала три турбоэлектрических энергосистемы мощностью 20 кВт для космоса. Все использовали преобразователь цикла Брайтона с гелий-ксеноновой смесью в качестве рабочего тела. Первая система представляла собой реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем UO 2 , работающий при 670 ° C, вторая — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (спектр тепловых или надтепловых нейтронов), работающий при 840 ° C, третья — литиевый реактор. охлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, работающий при температуре 1150 ° C.
Радиация в космосе
В ходе космической миссии 2011–2012 годов с марсоходом «Кьюриосити» из Марсианской научной лаборатории измерялась радиация в пути. Космический корабль подвергался воздействию в среднем 1,8 мЗв / день за 36-недельное путешествие к Марсу. Это означает, что космонавты будут подвергаться воздействию около 660 мЗв в оба конца. Две формы излучения представляют потенциальную опасность для здоровья космонавтов в глубоком космосе. Один из них — галактические космические лучи (ГКЛ), частицы, вызванные взрывами сверхновых и другими высокоэнергетическими событиями за пределами Солнечной системы.Другой, менее интересный, — это солнечные энергетические частицы (SEP), связанные с солнечными вспышками и корональными выбросами массы Солнца. Одним из способов уменьшить воздействие на экипаж могло бы быть использование ядерной силовой установки, значительно сократившей время прохождения.
Доза облучения Международной космической станции, вращающейся вокруг Земли, составляет около 100 мЗв за шесть месяцев.
Примечания и ссылки
Общие источники
Постон, Д. 2002, Ядерный проект космического реактора деления SAFE-400, Nuclear News, декабрь 2001 г.
Постон, Д. 2002, Ядерный проект поверхностного реактора деления на Марсе HOMER-15, Nuclear News, декабрь 2001 г.
Vrillon et al, 1990, статья ERATO, Nuclear Europe Worldscan 11-12, 1990.
Сайт Министерства энергетики США — космические приложения.
space.com 21/5/00, 16/6/00, 22/7/00, 17/1/03, 7/2/03.
Деловой мир 12.08.95.
G. Kulcinski, Университет Висконсина, материалы в сети.
Кляйнер К. 2003, Управление делением, New Scientist, 04.12.03.
ОЭСР 1990 г., Готовность к чрезвычайным ситуациям для спутников с ядерной установкой.
Сайт НАСА
J.A. Анджело и Д. Буден, Space Nuclear Power , Orbit Book Co., 1985
Концепция космического реактора KiloPower — исследование реакторных материалов , май 2014 г., Национальная лаборатория Министерства энергетики Лос-Аламоса
Дасари В. Рао и Патрик МакКлюр, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, Nuclear Reactors to Power Space Exploration, статья о KiloPower, опубликованная в журнале R&D (14 февраля 2017 г.)
Марк А. Гибсон, и др. , «Разработка малой энергетической системы деления ядерного деления для науки и исследований человека», подготовленный для 50-й конференции по совместным двигательным установкам, спонсируемой AIAA, ASME, SAE и ASEE, Кливленд, штат Огайо, 28-30 июля 2014 г.
Итан Сигал, НАСА не хватает топлива для своих миссий в дальний космос, Forbes (13 декабря 2018 г.)
Веб-сайт
Исследовательского центра NASA Glenn Ion Propulsion
Патрик МакКлюр, «Проектирование и испытания малых ядерных реакторов для оборонного и космического применения» , приглашенная беседа в Тринити-отдел ANS, 20 сентября 2013 г., Санта-Фе, Нью-Мексико, Национальная лаборатория Лос-Аламоса, LA-UR-13-27054
Ли Мейсон и др. , Энергетические системы деления киловаттного класса для научных исследований и полетов-предшественников человека (NETS-2013-6814), Исследовательский центр Гленна НАСА, представленный на встрече «Ядерные и новые технологии в космосе» (NETS-2013), состоявшейся в Альбукерке. , Нью-Мексико, 25-28 февраля 2013 г.
Радиоизотопные энергетические системы: императив для поддержания U.S. Leadership in Space Exploration, Национальная академия наук США (2009)
KRUSTY: First of a New Breactors, Kilopower Part II, Beyond NERVA (19 ноября 2017 г.)
Космическая ядерная двигательная установка для исследования Марса человеком, Национальные академии наук , Инженерия и медицина (2021)
Проблема плутония НАСА может положить конец исследованиям глубокого космоса
Неизбежные темпы радиоактивного распада и ограниченное пространство реактора означают, что создание трех ядер может занять от пяти до семи лет.3 фунта готового к использованию батарей плутония. Даже если полное производство достигнет этого уровня, НАСА необходимо выжать каждый последний ватт из того, что неизбежно всегда будет довольно небольшим запасом.
Стандартный источник питания, называемый многоцелевым термоэлектрическим генератором — тот, которым сейчас питается марсоход Curiosity — не годится для освоения космоса. «Они заслуживают доверия, но они используют чертовски много плутония», — сказал Джонсон.
Другими словами, НАСА нужен не просто новый плутоний.Нужна новая батарея.
__ ********** __
Безопасно ли запускать ядерные батареи?
Антиядерные активисты часто заявляют, что всего одна микроскопическая частица плутония-238, попавшая в легкие, может привести к смертельному раку. В этом утверждении есть что-то, так как чистый плутоний-238 — унция за унцию — в 270 раз более радиоактивен, чем плутоний-239 внутри ядерных боеголовок. Но реальные риски для кого-либо, связанные с запуском ядерной батареи, часто неправильно представляются или неправильно понимаются.
Статистики сравнивают яблоки с яблоками, глядя на серьезность угрозы, вероятность и затронутую популяцию. Например, астероид, способный уничтожить 1,5 миллиарда человек, ударяется о Землю примерно раз в 500000 лет, поэтому риск высок, но маловероятен. Между тем, аварии на ядерных батареях существуют как события малой серьезности и маловероятности даже вблизи стартовой площадки.
«Кассини», например, покинул Землю с наибольшим количеством плутония из всех космических кораблей — 72 фунта. В конце запуска этого зонда вероятность выброса плутония составляла примерно 1 из 476.Если бы это произошло, число погибших за 50 лет после этого выброса составило бы примерно 1/25 человека в соответствии с конструкцией безопасности его ядерных батарей. Общий риск рака для человека, находящегося рядом со стартовой площадкой во время аварии, оценивался в 7 из 100000. За пределами этой зоны риск был еще ниже.
Статистики также рассмотрели второе гипотетическое и потенциально опасное событие с «Кассини». Чтобы добраться до Сатурна, космический корабль повернулся назад и пролетел в пределах 600 миль от Земли со скоростью десятков тысяч миль в час.Тогда шанс выброса плутония составлял менее 1 на миллион. По оценкам статистики, выброс плутония может стать причиной 120 смертельных случаев от рака — для всей планеты — в течение 50 лет. Напротив, естественное фоновое излучение, вероятно, уносит миллион жизней в год, а молния поражает около 10 000 жизней.
Авария при запуске марсохода НАСА Curiosity имела примерно 1 из 250 шансов выброса плутония. Но низкая вероятность смерти от рака снизила индивидуальный риск примерно до 1 из 5.8 миллионов. «Я чувствую, что они в полной безопасности», — сказал Райан Бектел, менеджер Министерства энергетики США по безопасности ядерных батарей. «Вся моя семья была на стартовой площадке Curiosity».
В захламленном подвале исследовательского центра NASA Glenn Research Center в Кливленде в металлических клетках и прозрачных пластиковых ящиках находится целый зверинец гудящих устройств. Многие выглядят как штанги из нержавеющей стали длиной около метра, пронизанные проволокой; другие напоминают белые ящики размером с картотечный шкаф с двумя ящиками.
Эти неприхотливые машины являются прототипами ядерной энергетической системы следующего поколения НАСА, которая называется усовершенствованным радиоизотопным генератором Стирлинга.Похоже, что это будет радикально другая, более эффективная ядерная батарея, чем когда-либо ранее.
Снаружи машины неподвижны. Внутри — поток тепловых движений, приводимых в движение циклом Стирлинга, разработанным в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Бензиновые двигатели сжигают топливо, чтобы быстро расширить воздух, который толкает поршни, но конвертерам Стирлинга нужен только градиент температуры. Чем больше разница между горячими и холодными частями двигателя Стирлинга, тем быстрее гудят его поршни.Когда тепло нагревает один конец герметичной камеры, содержащей гелий, газ расширяется, проталкивая нагруженный магнитом поршень через трубку из спиральной проволоки для выработки электричества. Вытесненный охлаждающий газ затем возвращается к горячей стороне, всасывая поршень назад, чтобы перезапустить цикл.
Иранские спутниковые снимки показывают строительство на ядерной площадке в Натанзе
Таинственный июльский взрыв, уничтоживший сборочный цех центрифуг на главном иранском заводе по обогащению ядерного топлива в Натанзе, был расценен иранскими властями как вражеский саботаж и вызвал дерзкий ответ: Разрушенное здание будет восстановлено в «самом сердце гор», сказал глава Организации по атомной энергии Ирана.
Ход выполнения этого обещания, которое могло защитить объект от воздушного нападения или других угроз, был неясен для внешних наблюдателей. Но новые спутниковые снимки проливают свет на планы Ирана.
Команда визуальных расследований New York Times проследила за строительством на месте с помощью новых изображений. Впервые новые входы в туннель для подземного строительства видны под горным хребтом в предгорьях к югу от объекта в Натанзе, примерно в 140 милях к югу от Тегерана.
The Times работала с Джеффри Льюисом, экспертом по контролю над вооружениями из Института международных исследований Миддлбери в Монтерее, Калифорния, над интерпретацией нового изображения.
«Новый объект, вероятно, будет гораздо более безопасным местом для сборки центрифуг — он расположен далеко от дороги, а гребень представляет собой значительную перекрывающую нагрузку, которая защитит объект от воздушного нападения», — заявил г-н Льюис в письменных комментариях.
Июльский взрыв был не единственным недавним инцидентом, который, по-видимому, выявил серьезные пробелы в безопасности Ирана его ядерной программы, которая, по утверждению страны, ограничивается мирными целями.В конце ноября в результате дерзкой атаки дневным светом был убит ведущий иранский ученый-ядерщик Мохсен Фахризаде.
Иран обвинил Израиль и Соединенные Штаты во взрыве в Натанзе и убийстве г-на Фахризаде, которые были признаны серьезным препятствием для ядерной программы Ирана.
Г-н Льюис описал признаки того, что на площадке в Натанзе ведутся подземные строительные работы.
«По обе стороны большого гребня есть что-то вроде двух входов в туннель, а неподалеку находится груда грунта из раскопок.Пространство между двумя входами достаточно велико, чтобы вместить объект примерно такого же размера, как здание для сборки центрифуг, которое было разрушено этим летом, и что Иран указал, что он восстанавливается в горах ».
Просмотр спутниковых снимков, сделанных за несколько месяцев, позволяет отслеживать изменения. Даже такая простая и незаметная вещь, как куча грязи, является ключом к разгадке.
«Главный ключ к разгадке — это груда отвалов из раскопок, которой не было в июле», — сказал г-н Льюис.«Иран также модернизировал пару дорог по обе стороны хребта, ведущих к входам в туннели».
Эллисон Пуччони, аналитик изображений из Центра международной безопасности и сотрудничества Стэнфордского университета, указала на другие характерные признаки раскопок возле кучи обломков. В комментариях, предоставленных Times, г-жа Пуччони сказала, что между грудой обломков и местом раскопок на снимках видны «следы выкопанной земли, более светлые по цвету, чем существующая дорога с твердым покрытием.”
Волнение активности в Натанзе, зафиксированное спутниками в последние месяцы, включает строительство новых дорог и дополнительные раскопки, которые начались после взрыва. Исследователи из AllSource Analysis и Института науки и международной безопасности ранее определили этот район и заявили, что строятся дополнительные туннели, что позволяет предположить, что работа над еще более крупным подземным комплексом ведется.
Разрушенное здание было построено в 2012 году и использовалось для сборки центрифуг, машин для обогащения урана, необходимого для мирных целей, а при повышении уровня обогащения — для бомб.Ядерное соглашение 2015 года между Ираном и мировыми державами остановило процесс обогащения на высоком уровне, но Иран снова начал накапливать обогащенный уран после того, как президент Трамп оставил соглашение два года назад.
Возможность увидеть через спутник то, что Иран сделал после взрыва в Натанзе, частично отражает качественный скачок в таких визуальных технологиях за последние два десятилетия.
В 2002 году аналитики раскрыли строительство секретной обогатительной фабрики в Натанзе, используя коммерческие спутниковые снимки высокого разрешения.Такие четкие изображения стали доступны только в 2000 году. Тогда для анализа требовалось найти Натанз на персидских картах в Библиотеке Конгресса, отправить по факсу бланк заказа и несколько недель ждать получения спутниковых снимков на компакт-диске. Восемнадцать лет спустя даже самые незначительные изменения на таком сайте, как Натанз, могут быть быстро отслежены аналитиками и журналистами на своих ноутбуках.
Эти возможности мониторинга могут создавать свои собственные проблемы. Часто собранные изображения показывают не завершенное строительство, а незавершенное производство.Первоначальная интерпретация недавних изменений в Натанзе с октября сосредоточилась на бывшем полигоне к югу от основного объекта как возможном месте для нового подземного сборочного цеха центрифуг. Однако эти изменения оказались вспомогательным строительным сооружением, используемым для дорожных работ и рытья туннелей.
В ответ на убийство г-на Фахризаде на прошлой неделе Иран принял закон о немедленном наращивании обогащения урана и запрете международных инспекторов к февралю, если У.С. санкции не сняты. Закон также призывает к установке современных центрифуг на его ядерных объектах, в том числе в Натанзе.
Соединенные Штаты могли знать заранее о недавних атаках на ядерную инфраструктуру и персонал Ирана. То, как Иран отреагирует на новейшее нападение, может стать первым вызовом для приходящей к власти администрации Байдена, которая заявила, что хочет присоединиться к ядерному соглашению, отвергнутому г-ном Трампом.
Производство плутония-238 для исследования космоса — Национальный исторический памятник химии
Различные изотопы одного химического элемента различаются количеством нейтронов в их ядрах.Например, каждый атом изотопа Pu-238 содержит 144 нейтрона, а каждый атом изотопа Pu-239 содержит 145 таких нейтральных частиц. Радиоактивные изотопы дополнительно характеризуются периодом полураспада — временем, которое требуется для того, чтобы любое заданное количество элемента уменьшилось вдвое. Это происходит, когда элемент испускает излучение (например, альфа-частицы) и распадается на более легкий элемент.
Pu-238 имеет период полураспада 87,7 года, что делает его гораздо более долговечным источником энергии, чем полоний-210, который использовался в прототипе РИТЭГа 1959 года, и имеет период полураспада 138 дней.Pu-238 обладает высокой плотностью тепла и испускает в основном альфа-частицы, которые легко экранируются; это делает его более безопасным в обращении, чем с большинством других радиоактивных материалов. Высокая плотность тепла и низкие требования к экранированию делают устройство более легким. В отличие от Pu-239, Pu-238 не делящийся, поэтому его нельзя использовать на атомных электростанциях или ядерном оружии.
Самым большим ограничением производимого изотопа Pu-238 является сложность его производства в достаточных количествах. Эта задача была возложена на участок реки Саванна (SRS), объект AEC, предназначенный для производства, обработки и очистки ядерных материалов.
SRS была создана в 1950 году недалеко от Эйкена, Южная Каролина, в первую очередь для производства трития (изотопа водорода) и Pu-239 для национального арсенала ядерного оружия. В состав комплекса входили пять реакторов для производства этих радиоактивных материалов и два отделения для их изоляции и очистки.
SRS произвела Pu-239 из комбинации урана-235 (U-235) и U-238 в реакторах. U-235 в этом «топливе» высвободил нейтроны, которые поразили U-238, преобразовав часть его в U-239.Затем U-239 распался в двухступенчатом процессе, сначала превратившись в нептуний-239 (Np-239), а затем в Pu-239. Чтобы ограничить накопление нежелательных побочных продуктов, реакция будет остановлена после того, как будет израсходовано лишь небольшое количество урана.
Затем продукты ядерной реакции были химически разделены с помощью процесса плутоний-урановой экстракции (PUREX). Сначала их растворяли в растворе азотной кислоты в воде и интенсивно перемешивали с раствором трибутилфосфата (ТБФ), растворенным в углеводородном растворителе.Как масло и вода, два раствора разделились, когда перемешивание прекратилось. Раствор ТБФ захватил плутоний и уран, в то время как раствор азотная кислота / вода удерживал нежелательные побочные продукты реакции. Раствор ТБФ был удален и обработан дополнительными этапами очистки для очистки и отделения Pu-239 (для использования в оружии) от урана (для повторного использования).
PUREX был впервые разработан в Чикагском университете в рамках Манхэттенского проекта и усовершенствован на различных объектах AEC, включая SRS.SRS стала первым предприятием, которое запустило процесс в промышленном масштабе, когда в 1954 году было введено в эксплуатацию разделительное предприятие комплекса, известное как F Canyon. Второе, H Canyon, было введено в эксплуатацию в следующем году.
Пока F Canyon продолжал выделять и очищать Pu-239 и уран, ученые SRS модифицировали установку H Canyon в 1959 году, чтобы сосредоточиться на переработке нового типа «обогащенного» уранового топлива после того, как оно использовалось для производства трития. Разработанный ими пересмотренный метод был известен как процесс H-Area Modified, или HM.Он был похож на PUREX, но извлекал и очищал частично использованный обогащенный уран от нежелательных побочных продуктов. Процесс ТМ также использовался для разделения и очистки других ценных продуктов ядерных реакций, включая нептуний-237 (Np-237), который образовывался, когда U-235 поглощал нейтроны, а затем радиоактивно распадался. Майор К. Томпсон (р. 1937), химик SRS и эксперт по экстракции растворителей, руководил развитием процесса HM на протяжении нескольких десятилетий эксплуатации.
В 1959 году AEC поручила SRS преобразовать Np-237 в Pu-238 в качестве топлива для программы RTG.Исследователи SRS оптимизировали известные методы облучения оксида Np-237 нейтронами для получения Np-238, который распался на Pu-238 (см. Лицевую обложку). Первая поставка Pu-238 состоялась в 1960 году. Хотя первоначально объем производства был небольшим, команда отточила процесс и расширила производственные мощности, и в последующие десятилетия производство быстро росло.
Pu-238, произведенный на СГД, отправлялся на другие предприятия АЭК и расфасовывался в топливо, используемое в РИТЭГах, до 1978 года, когда на этом предприятии было открыто собственное производство топлива из РИТЭГов.
Благодаря этим операциям SRS произвела подавляющее большинство Pu-238, используемого в РИТЭГах, которые приводили в действие космическую деятельность страны — в общей сложности более 300 килограммов (приблизительно 660 фунтов) в период с 1959 по 1988 год. Только около 10 килограммов (22 фунта) были получены из источников, отличных от СГД.
Вернуться к началу
Нужен ли нам (снова) высокообогащенный уран в космосе?
Художник изображает реактор Kilopower на Луне. Кредит изображения: НАСА.
Когда Нил Армстронг и Базз Олдрин водрузили флаг США на Луне в 1969 году, это событие не только ознаменовало рождение нового поколения колонизаторов, но и стало общим символом превосходства США. Освоение космоса — это впечатляющая демонстрация технологических возможностей и, кроме того, демонстрация государственной власти.
После долгой паузы в последние несколько десятилетий сегодня снова многие страны стремятся попасть на Луну. В январе 2019 года китайская миссия на Луну без экипажа «Чанъэ-4» стала первой в истории, совершившей посадку на обратной стороне Луны, и Китай планирует построить лунную базу в течение примерно 10 лет, чтобы способствовать дальнейшему исследованию и колонизации космоса.Более того, у Израиля и Индии есть амбициозные планы достичь Луны, хотя лунные миссии обеих стран без экипажа в 2019 году провалились.
Чтобы не отставать, Соединенные Штаты усиливают свои усилия по возвращению на Луну. Хотя взгляд Барака Обамы на возрождение пилотируемых полетов на Луну состоял в том, что «мы были там», администрация Трампа выбрала другой путь. В своем выступлении в НАСА в марте 2019 года вице-президент Майк Пенс предложил пятилетний крайний срок для отправки следующего американца на Луну — временные рамки, которые идеально совпадают с окончанием возможного второго срока администрации Трампа.Администратор НАСА Джим Бриденстайн пошел еще дальше: «На этот раз, когда мы отправимся на Луну, мы собираемся остаться», и следующим шагом будет отправка людей на Марс к 2033 году.
Оружейное топливо для марсианской миссии. В этом стремлении реализовать давнюю мечту о колонизации космоса центральный вопрос состоит в том, как снабдить планетарную базу электроэнергией. В настоящее время кажется, что НАСА выступает за ядерную энергию. Совсем недавно, 20 августа 2019 года, президент Трамп издал президентский меморандум, разрешающий запуск в космос ядерных реакторов, работающих на высокообогащенном уране (ВОУ), для «орбитальной и планетарной деятельности».Но отправка реакторов с ВОУ в космос рискованна и не нужна, потому что есть жизнеспособные варианты использования низкообогащенного урана (НОУ) или полного отказа от ядерной энергетики за счет использования солнечной энергии.
С 2015 года НАСА финансирует группу в Лос-Аламосской национальной лаборатории для строительства так называемого реактора Kilopower, ядерного реактора деления для космических приложений. Реактор Kilopower представляет собой реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением и блочной активной зоной, вырабатывающий электроэнергию с помощью тепловых преобразователей двигателя Стирлинга.НАСА планирует построить четыре или пять киловаттных реакторов, каждый со сроком службы от 12 до 15 лет и непрерывной выработкой энергии в 10 киловатт, что могло бы удовлетворить энергетические потребности возможной базы на Марсе. Этот реактор на быстрых нейтронах может работать на НОУ или ВОУ. В то время как топливо НОУ для реактора Килопауэр будет содержать 19,75 процента урана-235, топливо ВОУ будет содержать 93 процента этого изотопа, степень обогащения, которую называют «оружейной». В новейшем прототипе эти две версии быстрого реактора имеют по существу одинаковую конструкцию, но различаются по размеру и весу.В августе 2017 года в Лос-Аламосе был опубликован официальный документ о реакторе Kilopower в поддержку проектов с НОУ, но через полгода лаборатория успешно провела испытания конструкции с ВОУ. В октябре 2018 года Лос-Аламос опубликовал вторую белую книгу, в которой предпочтение отдается ВОУ на том основании, что он будет иметь меньший вес.
Действительно, ВОУ-версия реактора Килопауэр легче, но сопряжена с тревожными рисками: блочный топливный элемент содержит около 43 килограммов ВОУ, материала, которого достаточно для террористической группы, чтобы создать ядерное оружие.Также существует риск распространения. Kilopower создаст прецедент, который другие государства могут использовать для оправдания собственного производства урана оружейного качества. Вот почему за последние четыре десятилетия Соединенные Штаты предприняли международные усилия по убеждению операторов исследовательских реакторов перейти от использования ВОУ к использованию НОУ. Строительство космического реактора, работающего на ВОУ, подорвало бы те попытки и политику нераспространения, на которую они опираются.
Есть и другие недостатки, помимо рисков для безопасности.Например, использование ВОУ исключит частную промышленность от участия в исследованиях и разработках космических реакторов. Такой реактор также был бы дороже, чем вариант с НОУ, из-за высоких затрат, необходимых для сохранения значительных количеств ВОУ во время разработки и запуска. Наконец, реактор с ВОУ наверняка вызовет споры по причинам, упомянутым выше, и будет отменен Конгрессом.
Помимо этого, главное преимущество реактора с ВОУ на самом деле не может быть большим преимуществом.В 2015 году ученые из Корейского научно-исследовательского института атомной энергии и в 2018 году ученые из Колорадской горной школы опубликовали проекты различных более легких моделей реакторов с НОУ с выходной мощностью, аналогичной версии Kilopower с НОУ. Более того, кажется реалистичным, что мы можем ожидать дальнейшего снижения веса и стоимости запуска задолго до начала миссии по колонизации Марса.
Риски несчастных случаев. Отправка ядерных реакторов в космос — не новая идея. Советский Союз запустил на орбиту более 30 человек во время холодной войны для работы радаров, отслеживающих ВМС США.В 1965 году в Соединенных Штатах был запущен только один реактор. Названный SNAP-10A, он был остановлен всего через 43 дня из-за отказа электрического компонента.
Большинство реакторов все еще вращаются над нами, но не все. Например, советский реактор «Космос 954» упал на Землю в 1978 году, разнеся радиоактивный материал на большой территории северной Канады. Всего на орбите находится около одной тонны ядерного материала, и весь он рискует столкнуться с другим космическим мусором и вернуться на Землю.
Крупные аварии произошли в более чем 20 процентах миссий космических реакторов. Вероятно, это одна из причин, почему ни одна страна не запускала реактор в космос со времен холодной войны. Учитывая эти проблемы, почему бы вообще не отказаться от радиоактивных материалов для космических полетов? Возможно, солнечная энергия должна быть первым выбором для электрической энергии в космосе. Большинство спутников, запускаемых в космос, получают энергию от солнечных батарей, как и международная космическая станция, которая уже более 10 лет успешно работает с солнечными батареями, вырабатывающими до 120 киловатт электроэнергии.
