Los reactores nucleares en naves espaciales se utilizan si la cantidad de energía requerida no se puede obtener de otras formas, por ejemplo, utilizando paneles solares o fuentes de energía isotópica .
El primer reactor nuclear utilizado en una nave espacial fue el estadounidense SNAP-10A , creado como parte del programa SNAP (abreviado del inglés. Systems for Nuclear Auxiliary Power ). Fue instalado a bordo del Snapshot de 440 kg lanzado el 3 de abril de 1965 por un vehículo de lanzamiento Atlas . Se suponía que debía realizar pruebas de vuelo del reactor dentro de los 90 días . El reactor fue desarrollado por Boeing para la Fuerza Aérea y la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos . El reactor térmico utilizaba uranio-235 como combustible, hidruro de circonio como moderador y sodio - potasio fundido como refrigerante . La potencia térmica del reactor era de unos 40 kW . La potencia eléctrica proporcionada por el convertidor termoeléctrico osciló entre 500 y 650 W.
El reactor funcionó con éxito durante 43 días , hasta el 16 de mayo de 1965. Ese día se encendió por primera vez el propulsor de iones experimental, también instalado a bordo. Su trabajo estuvo acompañado de numerosas averías de alto voltaje, cuyo impulso electromagnético interrumpió el equipo de a bordo. Además, en un comando falso, se dejaron caer detalles del diseño del reflector del reactor, lo que provocó su bloqueo irreversible.
El reactor convertidor termoeléctrico soviético "Romashka" se lanzó por primera vez en el Instituto de Energía Atómica (" Instituto Kurchatov ") el 14 de agosto de 1964. El reactor de neutrones rápidos tenía una potencia térmica de 40 kW y utilizaba carburo de uranio como combustible . El convertidor termoeléctrico para elementos semiconductores de silicio - germanio fue desarrollado y fabricado en el Instituto de Física y Tecnología de Sukhumi y produjo una potencia de hasta 800 W.
Sergei Pavlovich Korolev tenía la intención de usar Romashka en una nave espacial en combinación con propulsores de plasma pulsado . Las pruebas de Romashka terminaron a mediados de 1966, después de la muerte de Korolev, pero el reactor nunca se usó en el espacio.
La siguiente planta de energía nuclear, BES-5 Buk , se utilizó en el satélite de reconocimiento de radar US-A . El primer aparato de esta serie fue lanzado el 3 de octubre de 1970 desde Baikonur (" Kosmos-367 "). El Buk en sí se ha desarrollado desde 1960 en Krasnaya Zvezda NPO.
La potencia eléctrica de la instalación era de 3 kW con una potencia térmica de 100 kW , la vida útil máxima del BES-5 era de 124 (según otras fuentes - 135) días. La planta de doble circuito contaba con un reactor de neutrones rápidos BR-5A y un generador termoeléctrico , el refrigerante de ambos circuitos era una aleación eutéctica de sodio-potasio (punto de fusión −11 °C [1] ), la temperatura en el primer circuito era de 700 °C, en el segundo 350 °C. La masa de toda la instalación es de unos 900 kg [2] [3] [4] [5] .
El núcleo del reactor consta de 37 barras de combustible con el mínimo espacio posible entre ellas. Cada elemento combustible contiene tres bloques de uranio - molibdeno de 55 mm de largo y dos bloques de berilio de 100 mm de largo , formando reflectores extremos . La masa total de uranio es de 30 kg , el enriquecimiento en el isótopo 235 es de hasta el 90%. La vasija del reactor en forma de prisma hexagonal con un tamaño llave en mano de 140 mm está rodeada por un reflector lateral de berilio de 100 mm de espesor . En el reflector, seis varillas de berilio pueden moverse paralelas entre sí: los controles del reactor [2] .
El reflector lateral constaba de secciones separadas, unidas con una cinta de acero. Se asumió que cuando el satélite abandonó la órbita y lo golpeó en las capas densas de la atmósfera, la cinta se quemaría rápidamente, el reflector se desmoronaría y la zona activa se quemaría. Después de la caída fallida el 24 de enero de 1978 del aparato Kosmos-954 , se cambió el diseño: todas las barras de combustible comenzaron a ser expulsadas a la fuerza por un actuador de gas [2] [3]
La siguiente central nuclear espacial soviética fue la TEU-5 Topol (Topaz-1), puesta en órbita por primera vez el 2 de febrero de 1987 como parte de la nave espacial experimental Plasma-A ( Cosmos-1818 ). El trabajo en Topaz ha estado ocurriendo desde la década de 1960. Las pruebas en tierra comenzaron en 1970. El diseñador jefe fue " Estrella Roja ". [6]
El combustible del reactor era dióxido de uranio enriquecido al 90% y el refrigerante era una mezcla de potasio y sodio. [6] El reactor tenía una potencia térmica de 150 kW , y la cantidad de 235 U en el reactor se redujo a 11,5 kg en comparación con los 30 kg en el BES-5 Buk.
Topaz usó un convertidor termoiónico de energía térmica en energía eléctrica. [6] Dicho convertidor es similar a un tubo de vacío: un cátodo de molibdeno revestido de tungsteno, calentado a alta temperatura, emite electrones que superan un espacio lleno de iones de cesio de baja presión y entran en el ánodo. El circuito eléctrico se cierra a través de la carga. La potencia eléctrica de salida del convertidor osciló entre 5 y 6,6 kW .
Con un recurso estimado de un año, ya en la segunda nave espacial Plasma-A ( Cosmos-1867 ), Topaz trabajó durante más de 11 meses .
El reactor-convertidor "Yenisei" estaba destinado a funcionar como parte del satélite de transmisión de televisión directa "Ekran-AM", pero este proyecto se cerró. El producto fue un reactor, en cuyo núcleo no había elementos combustibles tradicionales, sino canales integrales de generación de energía. Eran "pastillas" de dióxido de uranio enriquecido hasta el 96%, un cátodo, un ánodo, un canal de cesio y el resto de las "tuberías". La potencia térmica del "Yenisei" era de aproximadamente 115-135 kW, eléctrica, de aproximadamente 4,5-5,5 kW. El portador de calor era una fusión de sodio y potasio.
En 1992, Estados Unidos compró dos centrales nucleares de Yenisei (Topaz-2) a Rusia por 13 millones de dólares. Se suponía que uno de los reactores se usaría después de pruebas exhaustivas en tierra en 1995 en el Programa de prueba de vuelo espacial de propulsión nuclear eléctrica [7 ] . Sin embargo, en 1993, debido a los recortes presupuestarios, se decidió limitarse a las pruebas en tierra y en 1996 se cerró el proyecto.
En noviembre de 2017, en Estados Unidos, el Centro de Investigación Glenn comenzó a probar un prototipo de demostración de la planta de energía del reactor Kilopower diseñado para generar electricidad con una potencia de salida de hasta 10 kW y con un recurso de 10 años en la superficie. de Marte [8] [9] [10] .