우주에서의 원자력

Nuclear power in space
KIWI A 핵열 로켓 엔진
화성에서 RTG로 구동되는 화성 큐리오시티 탐사선.흰색 RTG(핀 포함)는 로버의 반대쪽에서 볼 수 있습니다.

우주에서의 원자력 발전은 일반적으로 작은 핵분열 시스템이나 전기나 열을 위한 방사성 붕괴인 우주에서의 원자력 사용이다.또 다른 용도는 뫼스바우어 분광계와 같이 과학적 관찰에 사용된다.가장 일반적인 유형은 방사성 동위원소 열전 발전기로, 많은 우주 탐사선과 달 탐사 임무에 사용되어 왔다.TOPAZ 원자로와 같은 지구 관측 위성용 소형 핵분열 원자로도 비행했다.[1]방사성 동위원소 히터 유닛은 방사성 붕괴에 의해 구동되며, 잠재적으로 수십 [2]년에 걸쳐 구성 요소가 너무 차가워져 기능을 하지 못하게 할 수 있습니다.

미국은 1965년 [3]43일 동안 SNAP-10A 원자로를 우주에서 시험했으며, 2012년 9월 13일 킬로파워 [4]원자로의 평면 핵분열을 이용한 시연(DUFF) 시험을 통해 우주 사용을 목적으로 한 원자로 전력 시스템의 다음 시험이 이루어졌다.

1965년 실험용 로마쉬카 원자로에 대한 지상 실험 후,[5] 소련은 주로 BES-5 원자로로 구동되는 40여 개의 핵-전기 위성을 우주로 보냈다.더 강력한 TOPAZ-II 원자로는 10킬로와트의 [3]전력을 생산했다.

우주 추진 시스템에 원자력을 사용하는 개념의 예로는 원자력 전기 로켓(원자력 이온 추진기), 방사성 동위원소 로켓 및 방사성 동위원소 전기 추진기(REP)[6]가 있다.더 탐구된 개념 중 하나는 핵 열 로켓으로, NERVA 프로그램에서 지상 시험을 거쳤다.핵펄스 추진은 [7]오리온 프로젝트의 주제였다.

규제 및 위험 방지

1967년 우주조약에 의한 우주에서의 핵무기 금지 이후,[8] 핵에너지는 적어도 1972년 이후 국가들에 의해 민감한 문제로 논의되어 왔다.특히 지구 환경 및 인간에 대한 잠재적 위험으로 인해 각국은 유엔 총회에서 우주에서의 핵 전원 사용과 관련된 원칙(1992)을 채택하고 특히 발사를 위한 안전 원칙을 도입하고 교통을 [8]관리하도록 촉구하였다.

혜택들

바이킹 1호와 바이킹 2호 착륙선 모두 화성 표면의 동력으로 RTG를 사용했다.(바이킹 발사체 사진)

태양 에너지가 훨씬 더 일반적으로 사용되는 반면, 원자력은 일부 분야에서 이점을 제공할 수 있다.태양 전지는 효율적이긴 하지만 낮은 지구 궤도와 태양에 충분히 가까운 행성간 목적지와 같이 태양 플럭스가 충분히 높은 궤도에서 우주선에 에너지를 공급할 수 있다.태양전지와 달리, 원자력 발전 시스템은 태양빛과 독립적으로 기능하며, 이것은 심우주 탐사에 필요하다.핵 기반 시스템은 동등한 힘을 가진 태양 전지보다 질량이 적을 수 있으며, 따라서 우주에서 방향을 잡고 방향을 지시하기 더 쉬운 더 작은 우주선을 가능하게 한다.승무원 우주 비행의 경우, 생명 유지 시스템과 추진 시스템 모두에 동력을 공급할 수 있는 원자력 개념은 비용과 비행 [9]시간을 줄일 수 있다.

선택한 공간용 애플리케이션 및/또는 테크놀로지는 다음과 같습니다.

종류들

이 표는 방사성 동위원소 열전 발전기 【우주 원자력 발전 시스템】에서 발췌한 것이다.[편집]
이름 및 모델 사용일(사용자당 RTG 수) 최대 출력 무전기
동위원소		 최대 연료
사용중(kg)		 질량(kg) 출력/질량(전기 W/kg)
전기(W) 열(W)
MMRTG MSL/Curiosity 로버 및 Persistance/Mars 2020 로버 c. 110 c.2000 238푸 c.4 45 미만 2.4
GPHS-RTG 카시니(3), 뉴호라이즌스(1), 갈릴레오(2), 율리시스(1) 300 4400 238푸 7.8 55.9~57[10].8 5.2–5.4
MHW-RTG LES-8/9, Voyager 1(3), Voyager 2(3) 160[10] 2400[11] 238푸 c. 4.5 37.7[10] 4.2
SNAP-3B 트랜짓-4A (1) 2.7[10] 52.5 238푸 ? 2.1[10] 1.3
스냅-9A 트랜짓 5BN 1/2 (1) 스물다[10] 525[11] 238푸 c.1 12.3[10] 2.0
SNAP-19 님버스-3(2), 파이오니아10(4), 파이오니아11(4) 40.3[10] 525 238푸 c.1 13.6[10] 2.9
SNAP-19의 변경 바이킹 1(2), 바이킹 2(2) 42.7[10] 525 238푸 c.1 15.2[10] 2.8
SNAP-27 아폴로 12-17 ALSEP (1) 73 1,480 238푸[12] 3.8 20 3.65
(분열로) 북(BES-5)** US-As (1) 3000 100,000 고농축 U 30 1000 3.0
(분열로) SNAP-10A*** SNAP-10A (1) 600[13] 30,000 고농축 U 431 1.4
ASRG***** 프로토타입 설계(출시되지 않음), 디스커버리 프로그램 c. 140 (2x70) c. 500 238푸 1 34 4.1

방사성 동위원소계

SNAP-27 온 더 문

50년 이상 동안, 방사성 동위원소 열전 발전기는 미국의 우주 원자력 발전원이었다.RTG는 많은 이점을 제공합니다. RTG는 비교적 안전하고 유지보수가 필요 없으며 가혹한 환경에서도 복원력이 뛰어나며 수십 년 동안 작동할 수 있습니다.RTG는 태양 에너지가 실행 가능한 동력원이 아닌 공간의 일부에서 사용하는 데 특히 바람직하다.수십 대의 RTG가 25대의 미국 우주선에 동력을 공급하기 위해 구현되었으며, 그 중 일부는 20년 이상 운영되어 왔다.40개 이상의 방사성 동위원소 열전 발전기가 전 세계적으로 우주 [14]임무에 사용되었다.

스털링 방사성 동위원소 발생기(ASRG, 스털링 방사성 동위원소 발생기)는 핵연료 단위당 RTG의 약 4배의 전력을 생산하지만 스털링 기술에 기반한 비행 준비 장치는 2028년에나 가능할 것으로 예상된다.[15]나사는 먼 [citation needed]미래에 타이탄을 탐사하기 위해 두 개의 ASRG를 사용할 계획이다.

첨단 스털링 방사성 동위원소 발생기의 절단 다이어그램.

방사성 동위원소 발전기는 다음과 같습니다.

방사성 동위원소 히터 유닛(RHU)은 또한 과학 기기를 적절한 온도로 데워 효율적으로 작동시키기 위해 우주선에서도 사용된다.General Purpose Heat Source(GPHS; 범용 열원)라고 불리는 대형 RHU 모델이 RTG 및 ASRG에 전력을 [citation needed]공급하기 위해 사용됩니다.

매우 느리게 감소하는 방사성 동위원소들이 다단계 [16]수명의 성간 탐사에 사용되도록 제안되어 왔다.

2011년 현재 개발의 또 다른 방향은 아임계 핵반응의 [17]도움을 받는 RTG였다.

핵분열계

핵분열 전력 시스템은 우주선의 난방 또는 추진 시스템에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.가열 요건의 관점에서 우주선이 100kW 이상의 전력을 필요로 할 경우 핵분열 시스템은 [citation needed]RTG보다 훨씬 비용 효율적이다.

1965년, 미국은 당시 북미 [18]항공의 사업부였던 아토믹스 인터내셔널이 개발한 SNAP-10A라는 우주 원자로를 발사했다.

지난 수십 년 동안, 몇 개의 핵분열 원자로가 제안되었고, 소련은 1967년에서 [citation needed]1988년 사이에 열전 변환기를 이용하여 31개의 BES-5 저전력 핵분열 원자로를 그들의 RORSAT 위성에 쏘아 올렸다.

1960년대와 1970년대에 소련은 열전자 변환기를 대신 사용하는 TOPAZ 원자로를 개발했지만,[citation needed] 첫 시험 비행은 1987년이 되어서야 이루어졌다.

1983년, NASA와 다른 미국 정부 기관들은 제너럴 일렉트릭과 다른 기관들과 계약을 맺고 차세대 우주 원자로인 SP-100의 개발을 시작했다.1994년, SP-100 프로그램은 주로 정치적인 이유로 러시아 TOPAZ-II 원자로 시스템으로의 이행을 위한 아이디어로 취소되었다.일부 TOPAZ-II 프로토타입은 지상 테스트를 거쳤지만, 이 시스템은 미국 우주 [19]임무에 배치되지 않았습니다.

2008년, NASA는 달과 화성 표면에 작은 핵분열 발전 시스템을 사용할 계획을 발표하고,[20] "핵심" 기술을 시험하기 시작했다.

제안된 핵분열 동력 시스템 우주선과 탐사 시스템은 SP-100, JIMO 핵 전기 추진, 핵분열 표면 [14]동력 등을 포함한다.

SAFE-30 소형 실험용 원자로

다수의 마이크로 원자로 유형이 개발되었거나 우주 적용을 [21]위해 개발 중이다.

핵열추진시스템(NTR)은 핵분열 원자로의 가열력에 기초해 화학반응에 의해 구동되는 것보다 더 효율적인 추진시스템을 제공한다.현재의 연구는 이미 우주에 있는 우주선을 추진하기 위한 추진력을 제공하는 동력원으로서 핵 전기 시스템에 더 초점을 맞추고 있다.

우주선에 동력을 공급하는 다른 우주 핵분열 원자로로는 SAFE-400 원자로와 HOMER-15가 있다.로스코스모스(러시아 연방우주청)는 2020년 1MWe의 [22][23]소형 가스냉각 핵분열로를 포함한 핵추진 시스템(켈디시 연구센터 개발)을 이용한 우주선을 발사할 계획이다.

2020년 9월, NASA와 에너지부(DOE)는 달 원자력 시스템에 대한 제안서를 공식 요청하였다. 달 원자력 시스템은 2021년 말까지 완성된 예비 설계에 여러 개의 상을 수여하는 한편, 2단계에서는 2022년 초까지 10킬로와트 핵분열 발전 시스템을 개발할 기업을 선정할 것이다.2027년에 [24]달에서 세드했다.

프로메테우스를 위한 '목성 얼음 달 궤도선의 개념'은 오른쪽에 있는 원자로를 통해 이온 엔진과 전자 장치에 전력을 공급합니다.

프로메테우스 프로젝트

2002년에 나사는 후에 Prometheus 프로젝트로 알려지게 된 핵 시스템 개발을 위한 계획을 발표했다.프로메테우스 프로젝트의 주요 부분은 스털링 방사성 동위원소 발생기와 다중 임무 열전 발생기, 두 가지 유형의 RTG를 개발하는 것이었다.이 프로젝트는 또한 오랫동안 사용된 RTG를 대체하여 우주선의 동력 및 추진력을 위한 안전하고 오래 지속되는 우주 핵분열 원자로 시스템을 생산하는 것을 목표로 했다.예산 제약으로 인해 프로젝트가 사실상 중단되었지만 Prometheus 프로젝트는 새로운 [25]시스템을 테스트하는 데 성공했습니다.이 엔진이 만들어진 후, 과학자들은 [26]다른 동력원에 비해 연료 효율, 추진 수명, 추진 효율에서 상당한 이점을 제공하는 고출력 전기 추진(HiPEP) 이온 엔진을 성공적으로 테스트했습니다.

비주얼

우주 원자력 시스템의 이미지 갤러리.

  • Red-hot shell containing plutonium undergoing nuclear decay, inside the Mars Science Laboratory MMRTG.[27] MSL was launched in 2011 and landed on Mars in August 2012.

    핵붕괴 중인 플루토늄을 담은 붉은색 조개껍질은 2011년 발사돼 2012년 8월 화성에 착륙했다.[27]

  • The MSL MMRTG exterior. The white Aptek 2711 coating reflects sunlight while still transmitting heat to the Martian atmosphere

    MSL MMRTG 외부흰색 Aptek 2711 코팅은 태양빛을 반사하면서 화성 대기로 열을 전달합니다.

  • SNAP-10A Space Nuclear Power Plant, shown here in tests on the Earth, launched into orbit in the 1960s.

    SNAP-10A 우주 원자력 발전소는, 지구상에서 행해진 실험에서, 1960년대에 궤도에 올랐다.

  • Jupiter Icy Moons Orbiter. A long boom holds the reactor at a distance, while a radiation shadow shield protects the radiator fins

    목성 얼음 달 궤도선.긴 붐이 원자로를 거리를 유지하며 방사선 그림자 차폐가 라디에이터 핀을 보호합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크