Атомная энергетика и освоение Марса

Муниципальное казенное образовательное учреждение
Светлодольская средняя общеобразовательная школа
Тема работы:
Атомная энергетика и освоение
Марса
Выполнил: Корюкин Александр
ученик 8 класса МКОУ «Светлодольская СОШ»
с. Светлый Дол
2015
1
Содержание
Введение
3
Раздел 1 Развитие ядерных технологий
4
Раздел 2 Ядерный реактор в освоении космоса
7
Раздел 3 «И на Марсе будут яблони цвести»
10
Заключение
14
Список использованных источников
15
Приложение А
16
Приложение Б
18
2
Введение
Прогресс науки базируется на достижениях техники, а прогресс техники
– на достижениях науки. Это взаимный процесс. Наука и техника взаимно
обогащают друг друга. Ядерная эпоха обогатила человечество множеством
новых технологических направлений.
Оценивая предстоящие этапы развития атомной энергетики, можно
уверенно прогнозировать сочетание эволюционного улучшения отработанных
и успешно реализуемых технических подходов с разработкой и освоением
новых технологических решений.
Отсутствие четкости в реальной ядерно-энергетической стратегии
приводит к потере преемственности поколений. Так, Россия – наиболее
продвинутая страна в развитии реакторов на быстрых нейтронах и в области
высшего ядерного образования – не имеет сейчас национальной программы
сохранения ядерных знаний и опыта, так же, как не имеет и национальной
программы участия во Всемирном ядерном университете.
Почти вся космическая техника до сих пор строится по тем
концептуальным принципам, которые заложил ещё Сергей Королёв, меняются
лишь детали. Грубо говоря, мы уже приближаемся к конструкционному
потолку возможностей. Космонавтике необходим импульс развития. Таким
импульсом может стать создание новых материалов и инновационных схем
энергообеспечения космических аппаратов. И в том и в другом атомная отрасль
может дать фору всем остальным отраслям промышленности. На рубеже веков
созрело понимание, что космос может быть очень полезен, и в скором будущем
понадобится мощное энергетическое обеспечение космических аппаратов. Если
в ближайшие 10-20 лет космонавтика ещё и сможет обойтись без ядерной
энергии, то рассматривать полёты дальше Марса без её использования нельзя.
3
Раздел 1 Развитие ядерных технологий
Радиоактивность была открыта Анри Беккерлеем в 1896 году при
изучении фосфоресценции солей урана. Исследования радиоактивности
продолжили Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри с соединениями тория и
солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и
радий. Они обнаружили, что радиоактивные элементы испускают 3 вида
проникающей радиации, α-, β- и γ- лучи.
С развитием ядерной физики строение атома и суть радиоактивности
стали более понятными. Некоторые тяжелые ядра являются нестабильными и
распадаются (выделяя материю или энергию) через некоторое время. Три вида
радиации, обнаруженные Кюри, вызываются соответствующими видами
распадов:
альфа-распад (выделение альфа-частицы –ядра гелия-4);
бета-распад (испускание высокоэнергичного электрона);
гамма-распад
(испускание
сверхвысокочастотной
электромагнитной
волны).
Самоподдерживающаяся управляемая цепная реакция деления ядер
(кратко – цепная реакция) была впервые осуществлена в декабре 1942 г.
Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми,
построила первый в мире ядерный реактор, названный СР-1. Он состоял из
графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного
урана и его двуокиси (приложение А1). Быстрые нейтроны, появляющиеся
после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем
вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная
доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют
реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много
замедлителя по сравнению с ураном.
4
В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей
пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и
инженеров под руководством академика И. В. Курчатова. Первый советский
реактор Ф-1 (приложение А2) выведен в критическое состояние 25 декабря
1946 г. Реактор Ф-1 набран из графитовых блоков и имеет форму шара
диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по
отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Результаты
исследований на реактореФ-1 стали основой проектов более сложных по
конструкции промышленных реакторов. В 1949 г. введён в действие реактор по
производству плутония [10].
В послевоенные годы атомная энергетика начиналась как побочный
продукт ядерного оружейного комплекса. Конечно, в авангарде шли военные, и
первым атомным изобретением стала бомба. Но с самого начала думали и о
мирном использовании новой энергии. Однако скоро военные и мирные
проекты очень тесно переплелись. Наглядным примером может служить
история атомного флота.
Уже 1 января 1951 года в посёлке Обнинское (ныне – город Обнинск) на
базе
Лаборатории
В
(сейчас
–
Физико-энергетический
институт
им.
Лейпунского) началось строительство первой в мире атомной электростанции.
Запустили её 27 июня 1954 года, то есть через пять лет после испытаний под
Семипалатинском первой советской атомной бомбы. В это же время создавался
подводный
атомный
флот.
9
сентября
1952
года
Сталин
подписал
постановление правительства СССР «О проектировании и строительстве
объекта 627». Это была первая советская АПЛ «Кит» (приложение А3, А4).
Именно мирная Обнинская АЭС стала важнейшей экспериментальной и
учебной базой как для технического совершенствования корабельных ядерных
энергетических установок, так и для подготовки экипажей атомных подлодок.
На территории Лаборатории В построили действующий прототип ЯЭУ.
Научным
руководителем
проекта
был
назначен
академик
Анатолий
Александров, в то время заместитель Игоря Курчатова в Институте атомной
5
энергии. Главным конструктором судна стал Владимир Перегудов, главным
конструктором ЯЭУ – прославленный создатель первых советских реакторов,
будущий академик Николай Доллежаль.
Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая
цепная
ядерная
реакция,
сопровождающаяся
выделением
энергии
[8].
Рассматривались три основных типа реакторов: уран-графитовый, водоводяной и реактор с жидкометаллическим теплоносителем. В конце концов
остановились на более простом и экономичном варианте – водо-водяном
корпусном реакторе с водой под давлением в качестве одновременно
теплоносителя и замедлителя нейтронов. Испытания стартовали 8 марта 1956
года, но почти сразу же из первого контура начались утечки радиоактивной
воды. Ещё одной проблемой оказались парогенераторы – на стендах они
работали 18–20 тыс. часов, а в судовых условиях выходили из строя через 0,81,2 тыс. часов [5].
На сегодня перспективными направлениями инновационного развития
атомной энергетики являются разработка быстрых реакторов с замкнутым
топливным циклом и высокотемпературных реакторов, которые могут служить
эффективным источником энергии для производства водорода из воды,
создавая тем самым основу экологически чистой энергетики.
Можно выделить следующие перспективные направления работ:
медицина (радиоизотопы, протонно-лучевая терапия опухолей);
энергетика
(низкотемпературные
сверхпроводящие
материалы,
и
магнитные
высокотемпературные
материалы
для
электродвигателей);
промышленность (высокочистые и функциональные материалы и
сплавы);
электроника (производство кремния для полупроводников);
экология (наноструктурированные фильтрующие материалы для воздуха
и воды);
6
ликвидация чрезвычайных ситуаций (детекторы веществ (для борьбы с
терроризмом), использование лазеров при тушении пожаров в местах
газодобычи);
освоение космоса [3]
Таким образом,
разработки
и
сегодня мы стоим перед острой необходимостью
внедрения
технологических
инноваций,
обеспечивающих
долговременное и масштабное развитие ядерной энергетики страны, ядерных
технологий, обеспечивающих реализацию их исторической роли в будущем
России.
Раздел 2 Ядерный реактор в освоении космоса
Сегодня, в условиях модернизации и перехода на инновационный путь
развития, космическая атомная энергетика снова становится актуальной.
«Роскосмос» совместно с «Росатомом» предлагают разработать проект
космического корабля, оснащенного ядерным ракетным двигателем мощностью
более мегаватта для полетов к Луне и Марсу.
Разработка проекта ядерной энергодвигательной установки началась
через несколько лет после исторического полёта Юрия Гагарина. Первым
шагом
стал
запуск
наземного
прототипа
космического
аппарата
с
миниатюрными реакторами.
Ещё в 1960-х Сергей Королёв организовал исследования, которые
должны были объединить два самых амбициозных и, как показало время,
самых удачных проекта человечества – космонавтику и ядерные технологии.
Идея открывала горизонты, до которых на тот момент добрались только авторы
научно-фантастических романов.
Первым ядерным реактором, установленным на космическом аппарате,
был американский SNAP-10A (приложение Б1) (System of Nuclear Auxiliary
Power) на борту аппарата Snapshot массой 440 кг, запущенного 3 апреля 1965
года ракетой-носителем «Атлас». Реактор на тепловых нейтронах использовал
уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий7
калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора
составляла
около
40
кВт.
Электрическая
мощность,
обеспечиваемая
термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор
успешно проработал 43 дня – до 16 мая 1965 года. В этот день был впервые
включён экспериментальный ионный двигатель, также установленный на борту
Snapshot.
Советский
термоэлектрический реактор-преобразователь
«Ромашка»
(приложение Б2) был впервые запущен ещё при Королёве в Институте атомной
энергии (сейчас РНЦ «Курчатовский институт») 14 августа 1964 года. Реактор
на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт и использовал в
качестве топлива карбид урана. Термоэлектрический преобразователь на
кремний-германиевых полупроводниковых элементах выдавал мощность до
800 Вт. Испытания закончились в 1966 году, уже после смерти Королёва, но
«Ромашка» так и не была использована в космосе.
Однако проработка деталей конструкции ядерных энергетических
установок и поиски наиболее выгодных технических и конструкционных
решений потребовали запусков новых аппаратов. В 1960 – 1970 годах на орбите
Земли побывало множество разных ядерных установок – «Топаз», «Бук»,
«Тополь», «Енисей» (приложение Б3, Б4). Это позволило СССР достигнуть
больших успехов и опередить США на несколько десятилетий.
Работа шла по двум направлениям. Одна ветка – электростанции, а вторая
– собственно двигатели. Так, в 1972 году появился первый отечественный
прототип ядерного ракетного двигателя – реактор ИВГ-1 (приложение Б5), на
котором были отработаны различные тепловыделяющие сборки и достигнуты
невиданные доселе температуры (водород удалось разогреть до 3 тыс. К).
До 1986 года он испытывался на полигоне в Семипалатинске, но
эксперименты пришлось прекратить из-за отсутствия системы закрытого
выхлопа – реактор сильно «пылил» радиоактивными частицами. В 1990 году
программа и вовсе была свёрнута, а годом позже страна, подарившая
человечеству космос, перестала существовать [4].
8
Представляется
необходимым
восстановление
эффективных
корпоративных связей в цепочке «наука – проект – промышленность» на
основе экономических методов при усилении роли ведущих государственных
научных центров, которые являются и будут являться «коллективными
экспертами», гарантирующими компетентность решений государственных
структур в сфере ядерных технологий.
Нужна приоритизация инновационных проектов, концентрация усилий
на технологиях и достижениях, способных обеспечить России достойное место
на международном рынке ядерных технологий и расширить экспортные
возможности
страны.
Необходимо
налаживание
международного
сотрудничества по разработке ядерных систем нового поколения.
Необходимо обеспечение аккумулирования, сохранения и передачи
знаний и опыта в ядерной области, с активным привлечением исследователей в
ядерную отрасль путем экономического и организационного стимулирования
студентов, аспирантов и привлечения ведущих инженеров, исследователей и
ученых к работе в «головных» ядерных университетах и кафедрах страны.
Практическая реализация задачи сохранения ядерных знаний и опыта может
быть достигнута путем разработки, утверждения и реализации «национальной
программы» в этой области, создания Российского Центра ядерных знаний и
технологий (интегрированного научно-образовательного центра) [9].
Международный проект по инновационным ядерным реакторам и
топливным циклам был создан по инициативе Президента Российской
Федерации В.В. Путина, выдвинутой 6 сентября 2000 года на Саммите
тысячелетия в ООН. Она призвала мировое сообщество к широкому
международному сотрудничеству по совместной разработке инновационных
технологий ядерных реакторов и топливных циклов.
Только в октябре 2009 г. на встрече с ведущими российскими учеными в
области космонавтики
президент РФ Дмитрий Медведев дал зеленый свет
строительству космического корабля с ядерной силовой установкой.
9
Участие Росатома в проекте заключается в создании реактора, блока
радиационной защиты и системы управления. И задача стоит непростая. Ведь
ЯЭДУ – многоплановый реактор. Это и принципиально новые топливные
композиции, которые обеспечивают высокую температуру газа. Это и новые
материалы с фантастическими свойствами, такие как устойчивые к высоким
температурам карбидные материалы, которые станут частью ещё одного
проекта – высокотемпературного газового реактора ГТ-МГР над которым
сейчас работают специалисты ОКБМ им. Африкантова.
Таким образом слияние усилий научных и технологических колоссов
страны – атомной энергетики и ракетной техники – может открыть нам
совершенно другой мир, в котором существует база на Марсе, работают
орбитальные фабрики и электростанции на Луне [6].
Раздел 3 «И на Марсе будут яблони цвести»
Более 50 лет назад впервые в истории человек побывал в космосе.
Первым космонавтом стал наш соотечественник Юрий Гагарин. И до 12 апреля
1961 года и после этой даты советские, а потом российские учёные и инженеры
самоотверженно, увлечённо и, самое главное, эффективно строили космическое
будущее. А вот сумеем ли мы сохранить и приумножить это научнотехническое наследие – вопрос открытый.
Гениальный конструктор Сергей Королёв писал в 1960 году: «Скоро…
появятся
многоместные
корабли-спутники
экскурсионного
назначения.
Любознательные космические туристы в воскресный день смогут обстоятельно
осмотреть с них весь Земной шар. Пусть это сегодня ещё фантазия, но в нашей
жизни действительность иногда обгоняет самую смелую мечту» [1].
Похоже, Королёв ясно видел то, о чём писал. И уже совсем скоро можно
будет стоять перед дилеммой: слетать ли в субботу позагорать на Марс или же
посетить модный кратер на Луне? Для этих целей в Росатоме трудятся над
созданием ядерного космического двигателя мегаваттного класса [2].
10
У тех, кто первым доберётся на Марс, будут очень сложные задания.
Атмосферное давление на Марсе слишком мало, чтобы люди могли
передвигаться по Красной планете без пневмокостюма. Жилые помещения
придётся оборудовать шлюзами, которые смогут поддерживать земное
атмосферное давление. Но есть и очень хорошие новости. Исследования НАСА
подтвердили: на Марсе есть вода. А параметры марсианского грунта близки к
земным. Оказывается, на Марсе можно выращивать растения. Вспомним
шлягер 1963 года «И на Марсе будут яблони цвести» [7].
Сегодня в мире развернулась борьба за лидерство в освоении как Марса,
так и Луны. Россия со своими ядерными разработками имеет все шансы стать
технологическим лидером. Этот путь обещает создание новых технологий
двойного назначения, а значит, выживание в постиндустриальном мире.
Космический реактор должен работать в таких экстремальных условиях,
которые трудно себе даже представить: крайне высокая температура
охладителя,
жестокая
космическая
радиация,
перегрузки.
А
значит,
необходимы новые материалы, новое топливо, новые схемы размещения
тепловыделяющих сборок. Поэтому к созданию установки должны быть
привлечены различные институты, научные центры и предприятия атомной
отрасли и космической промышленности. Исследователям и конструкторам
предстоит решить множество проблем, но это стоит того, ведь все наработки,
которые появятся в процессе создании ядерного двигателя, найдут своё
применение и в других сферах.
Во многом база для космического реактора была наработана ещё в
советское время, но целый ряд вопросов по-прежнему требует решений. Одной
из сложнейших проблем стал вопрос снятия тепла. Его удалось решить
благодаря
оригинальной
конструкции
капельного
холодильника,
разработанного специально для космического реактора. Механизм заключается
в следующем: форсунка разбрызгивает жидкость с высокой степенью
энергоотдачи в специальную прозрачную камеру, где она охлаждается
благодаря способности светиться (идея в том, что при достаточно большой
11
площади поверхности жидкости в мелкодисперсном состоянии происходит
максимальное «высвечивание» тепла), а затем возвращается в контур. Избытки
тепла предполагается излучать в космос.
Работа над созданием ЯЭДУ идёт полным ходом, но до запуска
космического аппарата с готовой установкой на борту ещё довольно много
времени. Эксперты сходятся во мнении, что только на создание и наземные
испытания системы потребуется ещё несколько лет.
Первые миссии кораблей, которые с помощью ядерных установок
устремятся в дальний космос, конечно же, будут автоматическими. Так что
сначала в разведку пойдут роботы. Корабль будет стартовать с высокой
радиационно безопасной орбиты (800 км) – аппарат выйдет на эту орбиту,а
оттуда уже отправится к Марсу. Чтобы долететь до Марса и вернуться обратно,
двигатель должен включаться всего четыре раза и работать в общей сложности
6-10 часов. Первый раз двигатель включается на радиационно безопасной
орбите Земли, ускоряется и двигается дальше уже по инерции. Затем последует
торможение у Марса, разгон к Земле и снова торможение на её орбите. Месяц
туда, столько же обратно.
Двигатели, которые могут быть поставлены на космические аппараты с
ЯЭДУ, также будоражат воображение. Удельная тяга первой немецкой ракеты
«Фау-2» была равна 220 секундам. Сегодня самая лучшая двигательноэнергетическая система, использующая водород с кислородом, даёт удельную
тягу до 450 секунд. То есть за 60-70 лет развития ракетной техники величина
удельной тяги традиционных ракетных двигателей увеличилась всего в два
раза.
А вот ионный двигатель с ЯЭДУ сможет дать удельную тягу 9-10 тыс.
секунд. Это в 20 раз больше, чем у двигателей, использующихся в настоящее
время. Максимальная скорость, которую сможет развить космический аппарат,
будет настолько велика, что космонавты смогут заметить релятивистские
эффекты: то есть для них время будет идти медленнее, чем для тех, кто остался
на Земле.
12
Но создавать такие чудеса техники только для того, чтобы с ветерком
прокатиться на Марс, – затея, мягко говоря, сомнительная. У проекта ЯЭДУ
другие задачи. Так, если брать пилотируемые полёты к Луне или Марсу, то это
должны быть миссии присутствия, а не посещения, то есть экспедиции
длительного пребывания. А для этого нужны надёжные и независящие от
внешних факторов источники энергии. Выбор здесь невелик – из всего
инструментария, доступного человечеству на данный момент, идеально
подходит лишь атомная энергетика. А значит, такими источниками энергии
станут ЯЭДУ или их будущие модификации.
Посмотрите вокруг – почти всё, чем мы пользуемся сейчас, –
микроэлектроника, мобильная связь, множество бытовых устройств от липучки
до подгузников, – изначально были частью космических технологий или стали
их «побочным» продуктом [6].
13
Заключение
Во всем мире интерес к изучению космоса поистине огромен. Но
космические исследования одни из самых дорогих в науке, и потому
большинство проектов в этой области – международные.
Перспективы российской программы освоения дальнего космоса –
развитие совокупности проектов России по исследованию и освоению дальнего
космоса в ближайшем будущем. Важна роль разработки и внедрения нового
поколения реакторов-размножителей ядерного топлива на быстрых нейтронах и
новых методов переработки ядерного топлива для замыкания ядерного
топливного цикла и решения проблемы практически неограниченного
топливообеспечения ядерной энергетики. Признанный передовой уровень
технологии
быстрых
реакторов
в
России
–
единственной
стране,
эксплуатирующей коммерческий реактор этого типа, в сочетании с опытом
переработки ядерного топлива позволит России в долговременной перспективе
претендовать на роль одного из лидеров мировой ЯЭ, снабжающего услугами
по производству и переработке ядерного топлива многие страны мира при
одновременном снижении опасности распространения ядерного оружия, в том
числе путем энергетической утилизации «оружейного» плутония.
Несмотря на все свои проблемы, «ядерная» Россия остается великой
державой как с точки зрения военной мощи, так и в рамках экономического
развития.
14
Список использованных источников
1 Асташенков П.Т. - Академик С.П. Королёв КулЛиб. Электронный ресурс
– Режим доступа. http://coollib.net
2 В дальний космос на атомном ядре. Электронный ресурс – Режим
доступа. http://www.atomic-energy.ru
3 Как атом осваивал космос. Электронный ресурс – Режим доступа.
http://www.atomic-energy.ru
4 Инновационное развитие атомной энергетики Электронный ресурс. Режим доступа. http://www.atomic-energy.r
5 Превращения атома http://www.atomic-energy.ru/
6 Щукин А., «Страна РОСАТОМ» Электронный ресурс – Режим доступа.
http://www.atomic-energy.ru
7 Учёные Росатома создают ядерный двигатель для космических перелётов
Электронный ресурс – Режим доступа. http://www.atomic-energy.ru/
8 Физическая энциклопедия
9 Ядерный контроль, №2(176), 2005. Российская академия ядерного
образования (РАЯОНО)
10 Ядерный
реактор.
Электронный
https://ru.wikipedia.org/wiki
15
ресурс
–
Режим
доступа.
Приложение А
Рисунок 1 – Ядерный реактор СР-1
Рисунок 2 – Советский реактор Ф-1
16
Р
исун
ок 3
–
Сове
тска
я
атом
ная
подв
одна
я лодка «Кит»
Р
исуно
к4–
Подво
дная
лодка
«Кит»
(внеш
ний вид)
Приложение Б
17
Рисунок 1 – Американский ядерный реактор SNAP-10A
Рисунок 2 – Советский
термоэлектрический реактор-преобразователь
«Ромашка»
Продолжение приложения Б
18
Рисунок 3 – Ядерные реакторы «Тополь» и «Бук»
Ри
су
но
к4
–
Яд
ер
ны
й
ре
ак
то
р-преобразователь «Топаз» (уменьшенный макет)
Продолжение приложения Б
19
Рисунок 5 – Ядерный ракетный двигатель-реактор ИВГ-1
20