Мирный атом для Марса

Откуда возьмется энергия и тепло для будущей обитаемой марсианской станции? Это достаточно далекое будущее, но интересно сделать прикидки уже сейчас.

Если речь о Марсе, то солнечные батареи не лучший вариант, так как выход с единицы площади небольшой, пыли много, и очистка панелей не самое достойное занятие для марсиан.

Энергетика Марса, несомненно, будет ядерной! Попробуйте возразить! Да и не только Марса, но и вообще далекого космоса, хоть в открытом пространстве, хоть на поверхности самых захудалых небесных тел.

Для начала обсудим энергоснабжение постоянно обитаемой марсианской станции. Сколько ей потребуется энергии? Для прикидки возьмем МКС, ее солнечные батареи выдают в максимуме около 240 кВт и около 100 кВт в среднем. На Марсе хотелось бы иметь побольше — там еще будут такие дополнительные статьи расхода энергии, как транспорт, строительная техника и производство ракетного топлива, которые и не снились конструкторам МКС. Остановимся в своих желаниях на мегаваттном реакторе, скажем, в пару-тройку мегаватт тепловой мощности и до мегаватта электрической. Этого хватит для тепло- и энергоснабжения небольшого поселка на Земле и довольно крупной базы на Марсе. Насколько реально забросить такой реактор на Марс? Сколько он будет весить? Его стоимость никого не волнует, поскольку она окажется заведомо ниже цены доставки.

Для начала посмотрим, что уже сделано по части ядерной энергетики в космосе. Давным-давно успешно используются радиоизотопные термоэлектрические преобразователи (­РИТЭГи). Они стоят на «Вояджерах» и выдают энергию больше 40 лет; на двух последних марсоходах; на автоматических станциях, запущенных к Юпитеру и Сатурну. Это очень простое устройство: радиоактивный изотоп, который выделяет тепло за счет распада, и термоэлектрический преобразователь, чаще всего — термопара. Самый популярный изотоп — плутоний-238, у него удобный период полураспада (87 лет) и максимальный энергетический выход с единицы веса.

Но РИТЭГ хорош лишь тогда, когда нужно получить немного энергии с минимумом головной боли. Рекордные генераторы, использованные в космосе («Кассини», «Галилео», «Улисс»), выдавали 300 Вт электричества (4400 Вт по теплу) и весили больше 50 кг. Возможно, первые люди на Марсе будут греться первыми холодными марсианскими ночами именно такими генераторами, но в стратегической перспективе это безнадежно. Нужны ядерные реакторы.

Энергетический выход при делении урана-235 в тридцать с лишним раз выше, чем при распаде плутония-238. А если использовать турбину с генератором вместо термопары, то выигрыш на единицу веса топлива превысит два порядка величины. Какой именно реактор нужен для космоса вообще и для Марса в частности?

Есть два главных типа реакторов — на тепловых и на быстрых нейтронах. Реактор на тепловых нейтронах дешевле и практичней: сечение захвата тепловых нейтронов существенно больше, чем быстрых, — там можно обойтись умеренными потоками нейтронов для создания критического режима. В реакторе на быстрых нейтронах требуются существенно бо́льшие потоки, более высокая степень обогащения урана, соответственно, возникает более высокая радиационная и тепловая нагрузка на конструкцию реактора. В результате реакторы на быстрых нейтронах оказываются дороже на единицу мощности.

Тем не менее, их строят. Главное преимущество для Земли: они превращают неделящийся уран-238 в плутоний, который можно сжигать дальше. Таким образом, эти реакторы увеличивают потенциальный земной запас ядерного горючего в сотни раз. Для космоса это преимущество несущественно, зато там важно другое обстоятельство: высокий энергетический выход на единицу массы реактора и топлива. Их уже немало сделано и запущено на орбиту как в США, так и в СССР. Тепловая мощность доходила до 150 кВт, электрическая — до 6 кВт (СССР, «Топаз»). Наиболее известная авария произошла с реактором «Бук» (100 кВт тепловая и 3 кВт электрическая мощность) — спутник с ним упал на территорию Канады в 1978 году. Радиоактивное заражение было незначительным — к счастью, это далеко не Чернобыль — на пять порядков величины слабей. Но свою черную роль в торможении космической ядерной энергетики он сыграл. С радиофобией шутки плохи!

Перечисленные реакторы слабоваты для марсианской базы. Как и Kilopower, разрабатываемый в NASA специально для этой цели (Луна и Марс). Это тоже реактор на быстрых нейтронах мощностью от 1 до 10 кВт по электричеству, весом от 135 до 1500 кг в разных модификациях. Для преобразования тепла в электричество используется двигатель Стирлинга — поршни с нагреваемым и охлаждаемым газом. КПД такого двигателя гораздо выше, чем у термоэлектрических преобразователей, — до 25%. Это решение, видимо, оптимально для небольшой мощности.

И всё же нескольких киловатт явно недостаточно для серьезной базы, что на Луне, что на Марсе. Это масштаб одного частного дома. А сколько можно в принципе снять с одного реактора весом в пределах нескольких тонн? Снять можно очень много. Рекорд — 500 тепловых мегаватт с активной зоны объемом 2 м³. Причем не на бумаге, а в железе. Причем эта штука уже работала в течение пяти минут. Потом, к счастью, проект закрыли, поскольку это был американский «летающий чернобыль» под названием «Плутон». Дело было в первой половине 1960-х. Хорошо, что закрыли, но демонстрация возможностей реактора на быстрых нейтронах получилась мощная. Конечно, там не было никаких преобразователей, теплоносителей (рабочее тело и теплоноситель — забортный воздух), но и 500 МВт на Марсе пока не нужны. Неужели нельзя сделать реактор на мегаватт, подъемный, скажем, для Falcon Heavy? Конечно, можно. Проблема в том, что до сих пор было не очень нужно. И опять же радиофобия!

Из проектов космических реакторов самым привлекательным на данный момент кажется российский Топливно-энергетический модуль (ТЭМ), или «Нуклон». По сути космический буксир с ионным двигателем. Его основа — реактор на быстрых нейтронах, теплоноситель — ксенон, преобразователь — турбина с генератором. Планируемая мощность — мегаватт. Проект финансируется с 2009 года. Существуют некие наработке в железе, пока далекие от конечной цели, и концепция. До настоящего проекта, видимо, еще далеко. Называемые в недавнем прошлом сроки летных испытаний аппарата — 2030-е годы. Причем по дороге происходят явные трения между заказчиками и исполнителями. В 2020 году даже промелькнуло сообщение, что работы по проекту приостановлены¹. Вскоре Рогозин заявил, что работы продолжаются, но не афишируются².

Вообще, проект сам по себе — ключ к исследованию дальних областей Солнечной системы. Я бы послал разработчикам лучи поддержки, но им нужны не лучи, а финансы и, судя по всему, полная замена менеджмента. Предполагаемый вес всего буксира — около 20 тонн; сам реактор, по-видимому, будет весить в несколько раз меньше. Установка для марсианской базы, на самом деле, проще, поскольку там не стоит проблема отвода тепла.

А не проектируют ли подобные небольшие мобильные реакторы мегаваттной мощности для земных нужд? Конечно, проектируют, а именно для военных, которые не считают денег. Есть довольно много проектов и реализованных установок на колесах. Передвижные атомные электростанции создавали с конца 1950-х, но пока они не приобрели широкого распространения. Типичный вес для 10 МВт — десятки тонн, из которых бо́льшую часть составляет биологическая защита. Типичная стоимость — 100 млн долл. Самым привлекательным выглядит Лос-Аламосский проект — от 2,2 до 17 МВт, вес от 10 тонн, цена (в проекте) от 11 до 39 млн долл. Теплоноситель — СО₂ (марсианский воздух), турбина, замкнутый цикл. (Может быть, они под видом реактора для военных проектируют марсианскую электростанцию?)

Сказанного достаточно, чтобы сделать вывод: мегаваттный реактор для Марса, который может быть доставлен в собранном виде на планету одним запуском тяжелой ракеты, не проблема. Это будет реактор на быстрых нейтронах, скорее всего, с газовым теплоносителем, с турбогенератором. Он же будет обогревать станцию. Короче, проблем с энергией не будет, проблема — добраться туда!

Борис Штерн

¹ ria.ru/20200429/1570715552.html

² agnc.ru/news/13132

Кто же полетит на Марс?