Введение

Программа НАСА 1960-х годов, которая разработала и тестировала ядерные реакторы для спутников Программа Systems Nuclear Auxiliary POWER (SNAP) была программой экспериментальных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (RTG) и космических ядерных реакторов, запущенных в 1960-х годах НАСА. Программа SNAP была разработана в результате проекта "Отзыв", исследования корпорации Рэнд спутников разведки, завершенного в 1954 году. Поскольку некоторые из предлагаемых спутников имели высокие потребности в энергии, некоторые из которых достигали нескольких киловатт, Комиссия по атомной энергии США (AEC) запросила от промышленности в 1951 году серию исследований ядерных электростанций. Завершенные в 1952 году, эти исследования определили, что атомные электростанции технически осуществимы для использования на спутниках. В 1955 году АЭС начала два параллельных проекта по созданию атомной энергии SNAP. Один, заключенный с компанией The Martin Company, использовал радиоизотопный распад в качестве источника энергии для своих генераторов. Эти заводы получили нечетные SNAP-обозначения, начинающиеся с SNAP 1. Другой проект использовал ядерные реакторы для производства энергии, и был разработан Международным отделением атомной авиации Северной Америки. Их системам были присвоены четные SNAP-обозначения, первым из которых был SNAP 2.

СНАП с нечетными номерами: радиоизотопные термоэлектрические генераторы

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют тепло радиоактивного распада для производства электричества.

СНАП-1

SNAP 1 была тестовой платформой, которая никогда не развертывалась, используя церий 144 в цикле Ранкина с ртутью в качестве теплоносителя. Успешно работал 2500 часов.

СНАП-3

SNAP 3 был первым RTG, использованным в космической миссии (1961). Запущен на борту навигационных спутников US Navy Transit 4A и 4B. Электрическая мощность этого RTG составляла 2,5 ватт. В середине 1960-х годов было развернуто по меньшей мере шесть единиц, с названиями SNAP 7A до SNAP 7F. SNAP 7D производит тридцать ватт электроэнергии с использованием

СНАП-11

SNAP 11 был экспериментальным РТГ, предназначенным для питания зондов Surveyor в лунную ночь. Curium 242 RTGs мог бы производить 25 ватт электроэнергии, используя 900 ватт тепловой энергии в течение 130 дней. Они имели жидкую систему управления теплом NaK и подвижный затвор для сброса избыточного тепла. Они не использовались в миссиях Сурвейера. В общем, топливный блок SNAP 11 представляет собой цилиндрический многоматериальный блок, который занимает внутренний объем генератора. ТЗМ (молибденовый сплав) топливная капсула, подпитываемая curium 242 (Cm2O3 в матрице иридия) расположена в центре топливного блока. Капсула окружена платиновой сферой диаметром примерно 2 1/4 дюйма, которая обеспечивает экранирование и действует как поглотитель энергии при ударе. Этот агрегат заключен в графитовые и бериллиевые подсоединения для обеспечения надлежащего теплового распределения и абляционной защиты. (ныне Teledyne Energy Systems). Два параллельных свинцово-теллуридных термопаровых генератора, работающих на плутонии 238, производили первоначально максимум около 30 Вт электроэнергии. Nimbus 3 использовал SNAP 19B с восстановленным топливом от попытки Nimbus B1. СНАП-19 были в составе пионеров 10 и 11. Они использовали термоэлектрические элементы типа 2N PbTe и типа p TAGS 85. Модифицированные SNAP 19B использовались для посадочных аппаратов Viking 1 и Viking 2. СНАП 19С использовался для питания телеметрического массива в Нанда Деви в Уттаракханде для операции ЦРУ по отслеживанию запуска китайских ракет.

SNAP-21 и 23

SNAP 21 и SNAP 23 были разработаны для подводного использования и использовали стронций 90 в качестве радиоактивного источника, инкапсулированного в виде оксида стронция или титаната стронция. Они производили около десяти ватт электричества.

СНАП-27

Пять блоков SNAP 27 обеспечивали электрическую энергию для пакетов экспериментов на поверхности Луны (ALSEP), оставленных на Луне Аполлонами 12, 14, 15, 16 и 17. Силовой блок SNAP 27 весил около 20 килограммов, был длиной 46 см и диаметром 40,6 см. Он состоял из центральной топливной капсулы, окруженной концентрическими кольцами термопаров. Снаружи термопары был набор плавников для обеспечения отторжения тепла от холодной стороны термопары. Каждое из устройств SNAP производило около 75 Вт электрической мощности при 30 Вт постоянной. Источником энергии для каждого устройства был стержень из плутония 238, обеспечивающий тепловую мощность приблизительно 1250 Вт. Эта топливная капсула, содержащая плутоний 238 в форме оксида (44 500 Ci или 1,65 PBq), была доставлена на Луну в отдельном топливном бочке, прикрепленном к стороне лунного модуля. Топливный бочок обеспечивал теплоизоляцию и добавил структурную поддержку топливной капсуле. На Луне пилот лунного модуля вытащил топливную капсулу из бочки и вставил ее в РТГ. Эти станции передавали информацию о лунных землетрясениях и метеоритных ударах, лунных магнитных и гравитационных полях, внутренней температуре Луны и атмосфере Луны в течение нескольких лет после миссий. Спустя десять лет SNAP 27 все еще производил более 90% от его первоначальной мощности в 75 Вт. Барель с топливом от блока SNAP 27, который был перевезён миссией "Аполлон-13", в настоящее время находится на глубине 20000 футов (6096 м) на дне траншеи Тонга в Тихом океане. Эта миссия не смогла приземлиться на Луне, и лунный модуль, несущий генератор, сгорел во время повторного входа в атмосферу Земли, с траекторией, организованной так, чтобы бочка приземлилась в траншею. Фреска выжила после ввода, как и планировалось, и никакого выброса плутония не было обнаружено. Ожидается, что коррозионностойкие материалы капсулы будут содержать его в течение 10 периодов полураспада (870 лет).

СНАП с четным числом: компактные ядерные реакторы

Серия компактных ядерных реакторов, предназначенных для использования в космосе, с четным номером SNAP, была разработана для правительства США подразделением Atomics International North American Aviation.

Экспериментальный реактор SNAP (SER)

Экспериментальный реактор SNAP (SER) был первым реактором, построенным в соответствии со спецификациями, установленными для космических спутниковых приложений. В качестве топлива в SER использовался гидрид циркония урана и в качестве охлаждающей жидкости - эутектический сплав натрия и калия (NaK), работавший при тепловой мощности около 50 кВт. Система не имела преобразования мощности, но использовала вторичную систему теплового воздушного всплеска для рассеивания тепла в атмосферу. SER использовал аналогичное устройство для модерации реакторного отражателя, как SNAP 10A, но только с одним отражателем. Критическая ситуация была достигнута в сентябре 1959 года, а окончательное закрытие было завершено в декабре 1961 года. Проект был признан успешным. Это дало уверенность в развитии программы SNAP, а также привело к углубленным исследованиям и разработке компонентов.

СНАП-2

Развивающийся реактор SNAP 2 был вторым реактором SNAP, построенным. Это устройство использовало топливо из гидрида циркония урана и имело проектную мощность реактора 55 кВт. Это была первая модель, использующая сборку управления полетом, и была протестирована с апреля 1961 года по декабрь 1962 года. Основная идея заключалась в том, что ядерная энергия будет долгосрочным источником энергии для космических капсул с экипажем. Однако капсулу экипажа нужно было защитить от смертельной радиации, исходящей из ядерного реактора. Окружить реактор радиационным щитом было невозможно. Он был бы слишком тяжелым для запуска с ракет, доступных в то время. Для защиты "экипажа" и "полезной нагрузки" система SNAP 2 использовала "теневой щит". Щит был укороченным конусом, содержащим гидрид лития. Реактор находился на маленьком конце, а капсула экипажа/полезная нагрузка находилась в тени большого конца. Были проведены исследования реактора, отдельных компонентов и вспомогательной системы. Atomics International, подразделение North American Aviation, занималось разработкой и испытаниями. Ответственность за разработку радиационного щита несет подразделение SNAP 2 Shield Development. Для создания щита нужно было расплавить гидрид лития и отлить его в нужную форму. Форма была большим отрезанным конусом. Растворенный гидрид лития должен был быть залит в литую форму понемногу, иначе он треснул бы, когда охлаждался и затвердевал. Трещины в материале щита могут быть фатальными для любого космического экипажа или полезной нагрузки, зависящей от него, потому что это позволит радиации проникать в отделение экипажа/полезная нагрузка. Когда материал остывал, он образовывал в центре своего рода полый вихрь. Инженеры должны были найти способ заполнить вихрь, сохраняя целостность щита. И, делая все это, они должны были иметь в виду, что они работают с материалом, который может быть взрывоопасно нестабильным в влажной среде, богатой кислородом. Анализ также показал, что при тепловых и радиационных градиентах гидрид лития может диссоциации и ионы водорода могут мигрировать через щит. Это приведет к изменениям эффективности экранирования и может подвергнуть полезные нагрузки интенсивному излучению. Были предприняты усилия по смягчению этих последствий. В SNAP 2DR использовался аналогичный модератор отражателя реактора, как и в SNAP 10A, но с двумя подвижными и внутренними фиксированными отражателями. Система была спроектирована таким образом, чтобы реактор мог быть интегрирован с ртутным циклом Рэнкина для выработки 3,5 кВт электроэнергии.

СНАП-8

Реакторы SNAP 8 были спроектированы, построены и эксплуатируются компанией Atomics International по контракту с Национальным управлением по аэронавтике и космосу. Были произведены два реактора SNAP 8: экспериментальный реактор SNAP 8 и реактор SNAP 8 Developmental. Оба реактора SNAP 8 использовали то же высокообогащенное уран-цирконий гидрид топлива, как реакторы SNAP 2 и SNAP 10A. Конструкция SNAP 8 включала первичные и вторичные циклы NaK для передачи тепла в ртутную систему преобразования энергии. Электрогенерационная система для реакторов SNAP 8 была поставлена компанией Aerojet General. Экспериментальный реактор SNAP 8 был реактором мощностью 600 кВт, который испытывался с 1963 по 1965 год. Развивающийся реактор SNAP 8 имел ядро реактора, содержащее в общей сложности топливо, имел мощность 1 МВт. Реактор был испытан в 1969 году в полевой лаборатории Санта-Сусаны.

SNAP-10A

SNAP 10A была космической квалифицированной ядерной реакторной энергетической системой, запущенной в космос в 1965 году в рамках программы SNAPSHOT. Он был построен как исследовательский проект для ВВС, чтобы продемонстрировать способность генерировать большую мощность, чем RTGs. Реактор использовал два подвижных бериллиевых отражателя для управления и генерировал 35 кВт в начале жизни. Система генерировала электричество путем циркуляции NaK вокруг свинцово-теллуровых термопаров. Чтобы уменьшить опасность запуска, реактор не запускался до тех пор, пока не достиг безопасной орбиты. SNAP 10A был запущен на орбиту Земли в апреле 1965 года и использовался для питания исследовательского спутника Agena D, построенного Lockheed/Martin. Система произвела 500 Вт электрической мощности во время укороченного 43-дневного летного испытания. Реактор был преждевременно отключен из-за неисправности командного приемника. Предполагается, что он будет находиться на орбите в течение 4000 лет.

Общие источники

"Ядерная энергия в космосе". Министерство энергетики США, Управление ядерной энергетики, науки и технологий