Прототип китайского космического реактора мегаваттного класса прошел первые наземные испытания

Амбициозные проекты по освоению других планет и дальнего космоса еще на стадии предварительной проработки сталкиваются с огромной проблемой своих больших энергетических потребностей. Солнечные панели хороши, надежны и проверены временем, однако их удельная мощность мала. Международная космическая станция несет на себе 2,5 тысячи квадратных метров солнечных панелей, которые вырабатывают в среднем всего 120 киловатт электричества. Хватает для работы орбитальной лаборатории, но ни о каких высокоэффективных электрических двигательных установках речи и быть не может.

Для сравнительно быстрых пилотируемых полетов к другим планетам и тем более на окраины Солнечной системы альтернатив атомным реакторам фактически нет. Поэтому китайские физики-ядерщики работают над перспективными установками, способными обеспечить конкурентоспособность родной нации в новой космической гонке. Это очень сложная и дорогостоящая задача, прогресс в выполнении которой можно проследить по недавней публикации в рецензируемом журнале Scientia Sinica Technologica. Ее авторы — сотрудники полутора десятков ведущих научных организаций Поднебесной.

В статье рассматривается проект ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, газовой турбиной и системой охлаждения на основе теплотрубок. В качестве теплоносителя первого контура выступает литий, второго контура — гелий-ксеноновая смесь. Теплотрубки охладителя заправляются сплавом калия и ртути. Расчетная тепловая мощность — шесть мегаватт, электрическая — до полутора мегаватт нетто, еще 50 киловатт тратится на внутренние нужды реактора (насосы, подогреватели, система управления).

В разделе публикации с предварительными анализом существующих наработок в области аналогичных установок авторы объяснили, почему выбрали именно такую схему. Если вкратце, она оптимальна по соотношению удельной мощности, надежности и массы для выбранных задач и диапазона мощностей. Газофазные реакторы устроены проще (теплоноситель первого контура можно сразу направлять в газовую турбину), но требуют более тяжелого экранирования, а их рабочие температуры выше. Жидкометаллические реакторы с тепловыми трубками в первом контуре теплообмена обещают более высокую устойчивость к потенциальным отказам за счет простоты конструкции, однако удельная мощность такой установки будет существенно меньше.

При массе чуть менее восьми тонн перспективная китайская космическая ядерная энергетическая установка в сложенном виде умещается под обтекателем высотой 12 метров и диаметром 4,4 метра — это немало, но по плечу даже ракетам-носителям среднего класса. Слева показан реактор с разложенным радиатором / © YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica

По всем остальным основным узлам перспективной энергетической установки китайские ученые проводят похожий разбор. Наиболее интересен выбор теплоносителя первого контура — это не калий или натрий, обычные для жидкометаллических реакторов, а литий. Его удельная теплоемкость в несколько раз выше, вдобавок он остается жидким вплоть до температуры в 1615 градусов. А чем выше температура горячей части тепловой машины, тем выше ее эффективность при прочих равных.

Проблема только одна: таких реакторов еще никто не делал, есть некоторые наработки у США и Японии, но за пределы лабораторий они не выходили. Следовательно, специалистам из КНР предстоит решить множество сложнейших задач в области материаловедения.

Потенциальным трудностям в разработке посвящена большая часть статьи китайских ученых. Среди них:

• разработка вольфрамовых, рениевых и молибденовых сплавов, технологии изготовления металлических композитов из них для трубопроводов первого контура (а также методов обработки и сварки таких материалов);
• испытания и доводка сепаратора для отделения гелия от лития (он вырабатывается при облучении) в первом контуре, который должен работать в невесомости (ранее их испытывали только на Земле);
• создание материалов для лопаток газовой турбины, которой предстоит на протяжении десятилетий непрерывно работать при температуре 1500 градусов;
• отработка технологий изготовления углерод-углеродных композитов для основного радиатора системы охлаждения (в листах которого будут заключены теплотрубки);
• разработка уран-нитридного керамического ядерного топлива.

Особый акцент китайские ученые сделали на том, что эти, а также многие другие недостающие знания и технологии в той или иной степени получили развитие за рубежом. Авторы статьи выделили несколько направлений работы для национальных научно-исследовательских учреждений, требующих повышенного внимания и финансирования. Лишь тогда, по мнению исследователей, к 2035-2050 годам, когда и понадобится такой космический реактор, Китай будет им обладать. В противном случае страна рискует отстать от других участников космической гонки XXI века.

Фото прототипа части агрегатов перспективной космической атомной энергетической установки / © YiCan Wu et al., Scientia Sinica Technologica

Немалая часть требующихся технологий уже отрабатывается. Например, недавно (когда именно — не сообщается) наземные испытания прошел прототип теплообменника между первым и вторым контурами будущего реактора. В тесте удалось проверить коррозиестойкий трубопровод для литиевого теплоносителя, электромагнитный насос и гелий-ксеноновую турбину. Доказательство работоспособности концепции получено, далее требуются усовершенствования, необходимые для полноценной работы установки длительное время.