Введение

Экспериментальный спутник ВВС США с ядерной энергетической установкой SNAP 10A (Systems for Nuclear Auxiliary Power, также известный как Snapshot for Space Nuclear Auxiliary Power Shot и OPS 4682 в рамках программы SNAPSHOT). Этот тест стал первым в мире случаем запуска и эксплуатации ядерного реактора на орбите, а также первым использованием ионной двигательной установки в космосе. Это единственная система энергоснабжения на основе ядерного реактора, запущенная в космос Соединенными Штатами. Реактор перестал функционировать всего через 43 дня из-за отказа неядерного электрического компонента. Реактор программы Systems Nuclear Auxiliary Power был разработан специально для использования на спутниках в 1950-х и начале 1960-х годов под контролем Комиссии по атомной энергии США.

История

Программа "Системы ядерной вспомогательной энергии" (SNAP) возникла в результате проекта "Обратная связь" – исследования корпорации Рэнд, посвященного разведывательным спутникам и завершенного в 1954 году. Поскольку некоторые из предложенных спутников требовали значительной мощности, вплоть до нескольких киловатт, Комиссия по атомной энергии США (AEC) в 1951 году запросила у промышленности серию исследований по созданию ядерных энергетических установок. Эти исследования, завершенные в 1952 году, показали, что использование ядерных энергетических установок на спутниках технически возможно. В 1955 году AEC начала два параллельных проекта SNAP по разработке ядерных источников энергии. Один из них, реализованный компанией The Martin Company, использовал радиоизотопный распад в качестве источника энергии для генераторов. Эти установки получили нечетные обозначения SNAP, начиная с SNAP 1. Другой проект, разработанный подразделением Atomics International компании North American Aviation, использовал ядерные реакторы для выработки энергии. Их системам были присвоены четные обозначения SNAP, первым из которых был SNAP 2.

Строительство

SNAP 10A состоит из трех основных компонентов: 1) компактного ядерного реактора, вырабатывающего тепло, 2) преобразователя энергии, преобразующего часть тепла в электричество, и 3) радиатора, рассеивающего неиспользуемое тепло. Вокруг реактора были установлены отражатели для управления его работой. Отражатели представляли собой слой бериллия, отражающий нейтроны и обеспечивающий запуск и поддержание цепной реакции деления. Отражатели удерживались на месте удерживающим кольцом, закрепленным взрывчатым болтом. Выброс отражателя из устройства приводил к прекращению цепной реакции деления и окончательной остановке реактора. В качестве теплоносителя в SNAP 10A использовался эвтектический сплав натрия и калия (NaK). NaK циркулировал через активную зону и термоэлектрические преобразователи посредством жидкометаллического насоса постоянного тока. Термоэлектрические преобразователи (опознаваемые как длинный белый "фартук") изготовлены из легированных кремниево-германиевых материалов, теплосвязанных, но электрически изолированных от теплоносителя NaK. Разность температур между NaK с одной стороны термоэлектрического преобразователя и холодным космическим пространством с другой создавала электрический потенциал и полезную электроэнергию.

Запуск и орбитальная операция

SNAP 10A был запущен с авиабазы Ванденберг ракетой ATLAS Agena D 3 апреля 1965 года на низкую околоземную орбиту высотой приблизительно 1300 км. Он находится на слегка ретроградной полярной орбите – это обеспечивало падение отработанных ступеней ракеты в океан. Его ядерный электрический источник, состоящий из термоэлектрических элементов, должен был производить более 500 ватт электрической энергии в течение одного года. Через 43 дня бортовой регулятор напряжения в космическом аппарате, не связанный с реактором SNAP, вышел из строя, что привело к отключению реакторного ядра после достижения максимальной мощности 590 Вт. После сбоя системы в 1965 году реактор оставался на околоземной орбите в течение ожидаемых 4000 лет. В ноябре 1979 года аппарат начал разрушаться, в конечном итоге потеряв 50 отслеживаемых фрагментов обломков. Причины были неизвестны, но причиной могло быть столкновение. Хотя основной корпус остаётся на месте, возможно высвобождение радиоактивных материалов. Последующее исследование, опубликованное в 2008 году и основанное на данных Haystack, предполагает наличие ещё 60 и более фрагментов обломков размером менее 10 см.

Ионная тяга

Испытание SNAPSHOT включало в себя ионный двигатель на цезии в качестве вторичной полезной нагрузки, став первым орбитальным испытанием электрической двигательной установки космического аппарата (после суборбитального испытания SERT 1 в 1964 году). Источник питания ионного пучка работал на напряжении 4500 В и токе 80 мА, создавая тягу около 8,5 мН. Национальная лаборатория Айдахо провела три деструктивных испытания ядерных реакторов SNAP на испытательном полигоне "Север" до запуска SNAP 10A. Деструктивный эксперимент SNAPTRAN 3, проведенный 1 апреля 1964 года, имитировал падение ракеты в океан, намеренно распространяя радиоактивные материалы по пустыне Айдахо. Испытания и разработки, связанные с радиоактивными материалами, привели к загрязнению окружающей среды на территории бывшей полевой лаборатории Atomics International Санта-Сусана (SSFL). Министерство энергетики США отвечает за выявление и ликвидацию радиоактивного загрязнения. (SSFL также использовался для не связанных с этим испытаний и разработки ракетных двигателей компанией Rocketdyne, главным образом для NASA.) На веб-сайте Министерства энергетики, посвященном очистке территории, подробно описано историческое развитие ядерной энергетики на SSFL, включая дополнительную информацию об испытаниях и разработках в рамках программы SNAP.

Связанная работа и последующие программы

Atomics International также разработала и испытала другие компактные ядерные реакторы, включая экспериментальный реактор SNAP (SER), SNAP 2, SNAP 8 Developmental Reactor (SNAP8 DR) и экспериментальный реактор SNAP 8 (SNAP 8ER) на полигоне Санта-Сусана (см. статью «Системы ядерной вспомогательной энергии»). Atomics International также построила и эксплуатировала эксперимент с натриевым реактором – первую атомную электростанцию в США, поставлявшую электроэнергию в общественную энергосеть. Кроме того, более 30 небольших ядерных реакторов на основе деления были отправлены в космос на советских спутниках РОРСАТ, а также более 40 радиоизотопных термоэлектрических генераторов использовались по всему миру (преимущественно в США и СССР) в космических миссиях.