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俄原子能集团(Росатом)总经理阿列克谢・利哈乔夫的声明印证了宏大的计划:俄罗斯打算在 2030 年代中期之前在月球上部署核装置。这将是一座怎样的反应堆?基于哪些技术?将为月球开发带来哪些能力?而我们对月球究竟又有什么需求?
俄罗斯项目依托于独特的苏联空间核能技术学派,特别是 1964 年启动的 "罗马什卡" 反应堆的经验。现代月球项目被命名为 "塞莱娜"(Селена)。
月球核电站的中心将布置一组采用模块化结构原理的紧凑型快中子反应堆。与地球条件下传统的水回路不同,动力装置将使用液态金属冷却剂。它对太空具有巨大优势:不沸腾、不产生多余压力,而且其温度甚至高于普通核电站过热蒸汽的温度。
俄原子能集团的月球核电站设计中没有涡轮机和旋转发电机。能量将按热电原理产生 —— 通过将热直接转化为电。没有运动部件,就排除了定期维护、润滑和修理的需要。这种方法已在近地轨道上多次得到验证。
从 1970 年到 1988 年,苏联共发射了 34 艘携带核反应堆的航天器。其中 32 艘装备的是 "布克" 反应堆,用于为海洋航天侦察卫星上的机载雷达以及 "传奇" 系统的目标指示供电。"布克" 的燃料是高浓缩铀 - 235,冷却剂是液态钾钠合金。苏联最后两艘航天器装有改进型 "托帕兹" 反应堆,在铀用量大幅减少的情况下输出更大的功率。
目前只公布了未来 "塞莱娜" 的主要技术特性。月球核电站的研制目标是要承受发射过载、严酷的太空辐射、真空和极端温度。电站必须在月球夜间 —— 持续两个地球周、温度低至 - 150°C 的环境下保持工作能力。
"塞莱娜" 第一台动力装置的功率大约是 "托帕兹" 的两倍,而质量则计划降到最低,因为要将核电站送入绕月轨道并实现软着陆,电站重量必须不超过 1200-1300 公斤。这个目标完全现实,因为未来月球空间站的特点使它可以不建造笨重的生物防护。
月球核电站是为计划中的国际月球科研站(МНЛС)供电所必需的,该站由俄罗斯与中国及其他国际伙伴共同建设。未来任务瞄准、并计划作为国际月球科研站主场地点的月球极地,光照严重不足,因此那里的太阳能电池板效率低下。但核电站能够在如此极端的条件下提供不间断供电。
一个顺理成章的问题出现了:我们月球的极地究竟有什么宝贵的东西?
在那里,深坑内部应该储藏着大量从未受过强烈阳光照射的水冰。水冰既是未来月球载人任务的氧气来源,也是可以直接在月球上生产的氧氢火箭燃料。正是为满足耗电巨大的电解水过程,才需要核反应堆,而反应堆应尽可能靠近冰的储量,布置在太阳能电池板毫无用处的 "永恒阴影区"。
第一座核电站的发射和运抵月球将完全在无人参与的情况下进行,因为任务初期将是无人驾驶的。
"塞莱娜" 试验样机的研制计划定于 2032 年,核电站运抵月球应在 2033-2035 年间完成。为了在地球卫星上部署能源系统,计划依次发射三艘航天器:试验模块(2033 年)、基础设施模块(2034 年)和最终的能源模块(2035 年)。
月球核电站的安装和调试将由自动化机器人系统完成 —— 新一代的 "心爱的月球拖拉机"。据俄原子能集团专家估计,用这类机器人在地表建造电站的纯时间约需 54 天。电站预计无故障自主运行超过 10 年,此后核装置可被处置,防护穹顶建筑可重复使用。
未来月球基地的全方位机器人化是一项极其雄心勃勃的任务。目前,相关国家正认真着手月球机器人,与相关国家一同推进国际月球科研站项目。相关国家明显侧重于机器人技术以维护基地未来的基础设施,特别是相关国家空间技术研究院(CAST)已经设计了自主机器人侦察犬,用于巡逻月球空间站、开采水冰和帮助航天员。
月球核电站的安装,尤其是维护,完全是另一难度级别,因为机器人不得不在运行中的反应堆附近、在电离辐射和中子辐射条件下工作。
俄罗斯远非月球核竞赛的唯一参与者。主要竞争对手正在开发与之相对应的项目。
美国国家航空航天局(NASA)与美国能源部共同资助 Fission Surface Power(FSP)计划。商业巨头洛克希德・马丁、西屋电气和 IX 公司正按政府订单开发紧凑型月球反应堆方案。美国押注于可扩展架构:从为 "阿尔忒弥斯基地营" 初始营地配备的铀 - 235 紧凑裂变反应堆,到用于高温电解水和工业 3D 打印的 40-100 千瓦大功率装置 ——3D 打印计划用作建造美国未来月球基地的主要技术。
白宫希望在 2030 年前部署第一座月球核电站,但由于核心要素 —— 即 FSP 计划的那个反应堆 —— 尚未就绪,这些期限明显在 "向右滑动"。原因在于,美国不像苏联那样拥有如此丰富的建造 "太空" 核电站的经验。美国人真正送入太空的唯一一台完整的核反应堆,是 1965 年在轨运行的 SNAP-10A。
不过,苏联解体后,美国有机会不仅研究、而且从俄罗斯购得 "托帕兹" 反应堆样品用于自身研究。美国曾计划在 NEPSTP 计划框架内将它们发射到自己的试验卫星上,但 1996 年该项目因预算削减和反核运动的压力而被关闭。尽管如此,美国专家还是详细研究了苏联的热发射能量转换技术。
不过,目前 FSP 基于的是另一个项目。2010 年代,NASA 在 Kilopower 项目中对苏联 "托帕兹" 的思路进行了深度现代化改造,并于 2018 年在该项目框架内启动了热原型 KRUSTY。在 KRUSTY 中,工程师放弃了液态金属,采用被动钠热管,将铀堆芯的热量传递给斯特林发动机。该项目证明了小功率(1-10 千瓦)自动反应堆概念的可实现性。该技术用运动部件使结构复杂化,但使效率提升至 25-30%(相比之下,采用热电转换的苏联反应堆为 4-5%)。
无论如何,新的月球竞赛已经开始。而参与者不再只是想把旗子插上地球卫星。每个航天大国都对这个卫星的逐步但全面的开发有自己的计划。
人类想要认真地、长久地重返月球。
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