УДК 629.787

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ОБИТАЕМОЙ ЛУННОЙ БАЗЫ

Кинаш Петр Михайлович1, Евдокимов Роман Александрович2
1Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва, ведущий инженер-программист
2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва, ведущий научный сотрудник

Аннотация
Проведено сравнение в виде оценки технической эффективности применения энергетических установок на основе ядерного реактора и солнечной электростанции в составе системы энергоснабжения обитаемой лунной базы с энергопотреблением до 1000 кВт. Результаты (в качественном сравнении) показывают сильную зависимость выбора энергоисточника лунной базы от места ее расположения.

Ключевые слова: атомная электростанция, добывающе-перерабатывающий комплекс, Луна, лунная база, лунный грунт, солнечная электростанция, ядерно-энергетическая установка


COMPARATIVE ANALYSIS OF TECHNICAL EFFICIENCY OF THE USE OF NUCLEAR POWER PLANTS AND SOLAR POWER PLANTS TO SUPPLY POWER TO AN INHABITED LUNAR BASE

Kinash Pyotr Mihailovich1, Evdokimov Roman Aleksandrovich2
1S. P. Korolev Rocket and Space Corporation “ENERGIA”, leading engineer-programmer
2S. P. Korolev Rocket and Space Corporation “ENERGIA”, leading researcher

Abstract
The comparison in the form of assessing the technical efficiency use of power plants based on nuclear reactor and the solar plant as part of the system of power supply of inhabited lunar base with power up to 1000 kW. Results (qualitative comparison) show a strong dependence on the choice of energy source lunar base from its location.

Keywords: lunar base, mining and milling processing plant, nuclear power plant, solar power plant, the lunar soil, The moon


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Кинаш П.М., Евдокимов Р.А. Сравнительный анализ технической эффективности применения ядерно-энергетических установок и солнечной электростанции для энергообеспечения обитаемой лунной базы // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/11/59187 (дата обращения: 19.11.2016).

Основой развития обитаемой лунной базы являются ее энергетическое обеспечение, необходимое для добычи воды и ее разложения на кислород и водород, организации теплового режима и замкнутого цикла биосистем базы на протяжении лунного дня и лунной ночи, снабжение электроэнергией исследовательской аппаратуры и промышленного оборудования. Для решения этих задач потребуется создание специального энергетического комплекса.

Освоение Луны предполагается проводить в несколько этапов [1]. Должна быть создана постоянная база с ограниченной численностью персонала (от 3 до 12 человек) и проведено развертывание на ней экспериментального производства систем жизнеобеспечения и компонентов топлива. В процессе функционирования базы будет проведено постепенное освоение технологических процессов комплексной переработки лунного грунта – производство газообразных продуктов, воды и отдельных видов конструкционных материалов и изделий из них, будут разработаны технологии добычи полезных ископаемых [2] и процессы технологического обслуживания транспортных средств, курсирующих от Луны до орбиты искусственного спутника Луны (заправка, ремонт, дооснащение). Имеющиеся данные по требуемым уровням электрической и тепловой энергии лунной базы зависят от того, какие цели и задачи освоения Луны рассматриваются, детализации этапов освоения Луны, количества членов экипажа и комфортности пребывания их на лунной базе, степени замкнутости систем жизнеобеспечения, технологических процессов и их цикличности.

Для определения степени пригодности источника электрической и тепловой энергии того или иного типа для автономного энергетического модуля лунного базирования, проведена оценка технико-экономической эффективности применения двух типов энергетических установок в составе системы энергоснабжения лунной базы – ядерно-энергетических установок (ЯЭУ) и солнечных электростанций (СЭС) на основе солнечных батарей.

Рассматривались два основных варианта размещения ЛБ – в южной приполярной области Луны, где в ряде районов возможно высокое  содержания воды в реголите (в форме льда, либо в связанном состоянии), а также в произвольном районе лунной поверхности (например, в экваториальных и средних широтах). Для второго варианта характерен типичный состав лунного грунта [3, 4] и наличие суточного цикла освещенности (14 суток лунного дня и 14 суток лунной ночи).

При размещении ЛБ в полярном регионе возможны два режима освещенности. В общем случае ЛБ размещается в постоянно затененных районах, где использование ядерных источников энергии в составе системы электроснабжения ЛБ является безальтернативным. В тоже время рассмотрен вариант дислокации базы в районе «пиков вечного света» – на территории части вала кратера Шеклтон, расположенного вблизи южного полюса Луны.

Для каждого из рассмотренных выше возможных расположений на лунной поверхности могут быть следующие варианты ЛБ:

- ЛБ с добывающе-перерабатывающим комплексом (ДПК) [5] для производства кислорода и воды из лунных ресурсов;

- ЛБ с ДПК для производства криогенных компонентов топлива (и с оборудованием для их хранения) для обеспечения топливом лунной транспортной системы (в части доставки грузов с орбиты искусственного спутника Луны на поверхность Луны и обратно);

- ЛБ с ДПК работающий по технологии полной переработки лунного грунта (для получения кислорода, воды, криогенных компонентов топлива и металлов).

Возможные типы ДПК для переработки лунного грунта, используемое в их составе оборудование и физико-химические процессы рассмотрены в [1, 6]. В соответствии с полученными в указанных работах результатами, рассматривались следующие типы ДПК, различные сочетания которых обеспечивают решение стоящих перед исследуемыми вариантами ЛБ задач:

1) ДПКВ (энергопотребление до 100 кВт): комплекс, обеспечивающий добычу воды (содержащейся в форме льда) из лунного реголита его термической обработкой, очистку воды и получение из нее кислорода и водорода посредством электролиза (применяется только для переработки грунта, обогащенного водяным льдом).

2) ДПКР (энергопотребление до 500 кВт): комплекс, обеспечивающий получение кислорода и металлов (при необходимости) путем восстановления окислов металлов в ходе полной переработки лунного грунта, включающей процессы карбохлорирования.

3) ДПК-Н2 (энергопотребление до 1000 кВт), осуществляющий получение воды из адсорбированных газов (Н2, СО2, СО), с ее последующим электролизом для производства кислорода. Попутно с адсорбированными газами добывается также и некоторое количество адсорбированной воды – продукта восстановления водородом солнечного ветра окислов лунного грунта.

В Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королёва имеется большой опыт проектно-конструкторских и экспериментальных работ по созданию высокотемпературных космических ЯЭУ большой мощности [7]. В результате проведения большого объема научно-исследовательских работ был предложен целый ряд возможных космических применений ЯЭУ на базе указанной технологии, включая лунную атомную электростанцию (ЛАЭС) [8]. Лунная атомная электростанция представляет из себя комплекс специальных агрегатов и сооружений основным из которых является ЯЭУ – термоэмиссионный реактор-преобразователь с отводом тепла излучением с поверхности высокотемпературного холодильника-излучателя на тепловых трубах. Защита персонала и оборудования лунной базы от излучения реактора осуществляется собственной радиационной защитой ЯЭУ, валом радиационной защиты из лунного грунта и (или) помещением ЯЭУ в заранее подготовленную шахту на поверхности Луны.

Облик солнечной электростанции на основе солнечных батарей (СБ) [9, 10] будет определяться, в первую очередь, местом размещения ЛБ на лунной поверхности.

В районе, где имеет место 14-суточная лунная ночь, для постоянной работы СЭС требуется использование накопителя энергии большой емкости. В качестве накопителей энергии могут использоваться либо химические аккумуляторные батареи (например, никель-водородные, литий-ионные или литий-полимерные), либо регенерационные электрохимические генераторы (РЭХГ). Рассматривалось использование в составе РЭХГ газобаллонной системы хранения и предполагалось, что их запас изначально доставляется с Земли.

При размещении ЛБ в районе «пиков вечного света» нет необходимости включать в состав СЭС накопители энергии. СЭС может быть построена на базе однотипных энергомодулей на основе солнечных батарей.

Вне зависимости от выбора типа и параметров основной энергоустановкой для ЛБ с ДПК на начальном этапе развертывания лунной базы, а в дальнейшем в качестве аварийной системы электропитания должна использоваться резервная система на основе солнечных батарей и накопителей энергии (предпочтительно РЭХГ) проектной мощностью до 10 кВт.

Применение ЛАЭС обязательно в полярных районах с постоянным затенением. Проведенный сравнительный анализ показал также, что использование ЛАЭС практически безальтернативно, начиная с этапа производства топлива из лунных ресурсов, если ЛБ размещается в произвольном районе Луны, без значительных запасов воды в грунте и при наличии суточного цикла освещенности.

Учитывая высокую степень технологической готовности СБ, их высокий ресурс, надежность и безопасность эксплуатации, а также выполненные оценки массы и габаритов, можно сделать предварительный вывод о предпочтительности СЭС при размещении ЛБ в районе «пиков вечного света», по крайней мере для требуемых уровней мощности до  50 – 200  кВт.

Аналогично сравнение массогабаритных характеристик позволяет заключить, что для случаев размещения ЛБ в произвольном районе Луны (когда в состав СЭС должен входить РЭХГ) даже при среднесуточном уровне энергопотребления до 50 – 100 кВт (когда имеет место производство кислорода, но отсутствует производство криогенных компонентов топлива) явным преимуществом должны обладать ЛАЭС.

В таблице 1 представлены результаты качественного сравнения лунных атомной и солнечной электростанций.

Таблица 1. Результаты качественного сравнения лунных атомной и солнечной электростанций

Характеристика

СЭС

ЛАЭС

Возможность размещения ЛБ в любом районе лунной поверхности

Ограниченная  (невозможно использовать в постоянно затененных полярных районах, в произвольном районе Луны нужен накопитель большой емкости)

Да

Возможность обеспечения любой циклограммы энергопотребления ЛБ и ДПК

 

Ограниченная  (в общем случае требуется накопитель энергии большой емкости, при больших энергопотреблениях массогабаритные характеристики становятся неприемлемыми)

Да

Транспортабельность (возможность доставки на поверхность Луны проектируемыми средствами)

Да

Да

Возможность непосредственного производства тепловой энергии на высоком температурном уровне

Нет

Да

Надежность

Высокая: модульное построение, возможность многократного внутреннего резервирования.

Высокая: отсутствие движущихся частей, модульность построения – возможность многократного внутреннего резервирования

Ресурс

10 – 15 лет

5 – 10 лет

Необходимость специальных мероприятий обеспечения безопасности

Нет (за исключением мер обеспечения безопасности при работе с системами высокого давления для РЭХГ)

Да (обеспечение радиационной и ядерной безопасности)

Ремонтопригодность

Да

Ограниченная

Уровень технологической готовности

Сравнительно высокий: наличие элементной базы и большого опыта эксплуатации СБ в космосе при уровне мощности от единиц кВт до десятков кВт.

Сравнительно низкий: наличие опыта эксплуатации космических ЯЭУ мощностью несколько кВт-эл; отработка технологии и отдельных узлов и агрегатов ЯЭУ мощностью 150 – 500 кВт


Библиографический список
  1. Луна – шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под научной ред.                     В.П. Легостаева и В.А. Лопоты. М., 2011.
  2. Брюханов Н.А., Легостаев В.П., Лобыкин А.А., Лопота В.А., Сизенцев Г.А.,                   Синявский В.В., Сотников Б.И., Филиппов И.М., Шевченко В.В. Использование ресурсов Луны для исследования и освоения Солнечной системы в XXI веке // Космическая техника и технологии. 2014. №1. С. 3–14.
  3. Викторов С.В., Чесноков В.И. Химия лунного грунта. М., 1978.
  4. Мохов А.В., Карташов П.М., Богатиков О.А. Луна под микроскопом: новые данные по минералогии Луны: атлас. М., 2007.
  5. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Синявский В.В. Лунный добывающе-перерабаты­вающий комплекс // Энергия: Экономика, техника, экология. 2011. № 10. С. 68–74.
  6. Грибков А.С. Технология и энергозатраты для космического производства металлических рабочих тел ракетных двигателей // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. C. 112–117.
  7. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. №1. С. 6–17.
  8. Бранец В.Н., Грибков А.С., Джафаров Г.А., Евдокимов Р.А., Железняков А.Г., Масленников А.А., Романов С.Ю., Севастьянов Н.Н., Синявский В.В., Тугаенко В.Ю. Атомная электростанция обитаемой лунной базы // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 15-21.
  9. Перминов А.Н., Моисеев Н.Ф., Севастьянов Н.Н., Брюханов Н.А., Сизенцев Г.А., Синявский В.В., Сотников Б.И., Стойко С.Ф. Перспективы освоения Луны // Известия РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 3-14.
  10. Евдокимов Р.А., Железняков А.Г. Солнечные космические газотурбинные установки и перспективные солнечные батареи с многопереходными фотоэлектрическими преобразователями на основе GaAs: сравнительный анализ характеристик // Сб. тезисов докладов XII всероссийской межвузовской научно-технической конф. «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели». М., 2004. С.174-176.


Все статьи автора «PetrKinash»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация