Космическая пушка, паровая ракета и орбитальное зеркало
Ядерные отходы в космосе? Джонатан Куперсмит (22 августа 2005 г.)
Когда я летаю из Техаса в Европу, я плачу 3–6 долларов за фунт, в зависимости от того, насколько хорошо я покупаю билет. Когда спутник или шаттл запускается в космос, клиент (или налогоплательщик) платит более 10 000 долларов за фунт. Это главная проблема космического полета: до тех пор, пока стоимость полета в космос резко не уменьшится, крупномасштабное исследование и эксплуатация космоса не будут проводиться.
В настоящее время мир отправляет в космос приблизительно 200 тонн полезных грузов, что эквивалентно двум 747 грузовым рейсам. При запуске в 50–500 миллионов долларов очень немногие грузы могут оправдать свою стоимость. У нас здесь классическая ситуация с курицей и яйцом. Пока космический полет остается очень дорогим, полезная нагрузка будет небольшой. Пока полезные нагрузки остаются маленькими, ракеты будут дорогими.
Если бы годовой спрос составлял 5000 тонн вместо 200, уравнение изменилось бы. Инженеры будут иметь стимул для разработки более эффективных систем запуска. Большие гарантированные полезные нагрузки могут значительно снизить стоимость выхода на орбиту, открывая новую, доступную эру в космосе для правительств, предприятий, университетов и, как мы надеемся, частных лиц.
Откуда взялся этот новый груз? К счастью, есть ответ. К сожалению, это не очень привлекательно, по крайней мере на первый взгляд, но это ядерные отходы высокого уровня, радиоактивное отработавшее топливо весом до 45 000 тонн и объемом до 380 000 кубометров, а также технологические отходы и детрит (в отличие от более распространенного, но гораздо менее опасного и недолговечные отходы низкого уровня) из шести десятилетий программ создания ядерного оружия и гражданских электростанций.
Есть три веских причины отправить ядерные отходы в космос. Во-первых, это безопасно. Во-вторых, размещение в космосе лучше, чем в альтернативном подземном захоронении. В-третьих, это может, наконец, открыть дверь к широкому использованию пространства.
Из-за очевидной и реальной обеспокоенности по поводу перемещения такого опасного материала в любое место, не говоря уже о космосе, это предложение справедливо поднимает вопрос безопасности. Можно ли безопасно вывести ядерные отходы на околоземную орбиту? Ответ — да. Поддерживая систему запуска на месте, вместо того, чтобы ставить ее на автомобиль, проектируя и изготавливая неразрушимые контейнеры, а также организовывая многоуровневые меры предосторожности, мы можем действовать разумно и безопасно.
Проблема ядерных отходов
Проблема утилизации ядерных отходов актуальна, особенно для будущих поколений. Оставление радиоактивных отходов на земле создает постоянные и заманчивые цели для терроризма, а также угрожает окружающей среде. У нас есть моральный долг решить эту проблему сейчас, чтобы мы не обременяли этим своих детей и их детей.
В течение двадцати лет федеральное правительство предпочитало решение проблемы ядерных отходов через подземное захоронение, в частности, более 11 000 30–80-тонных канистр, захороненных в 160 километрах туннелей в сотнях метров под горой Юкка в северной Неваде. Сорок девять государств поддерживают этот план. Нетрудно догадаться, какое государство этого не делает.
Чтобы быть справедливым по отношению к Неваде, любой сайт вызвал бы те же возражения со стороны любого, кто проиграл эту лотерею, но политики все еще зацикливаются на идее захоронения. Опасения Невады оправданы: исследователи не могут гарантировать полную изоляцию окружающей среды в течение тысяч лет, необходимых для безвредного разложения этих отходов. Недавний отчет Управления по подотчетности правительства поднял около 200 технических и управленческих проблем. Даже обещание строительства и обслуживания не поколебало скептическую публику.
Исторически мусор был чем-то, что можно было похоронить или переработать. Следовательно, утилизация ядерных отходов осталась в компетенции геологов, которые профессионально склонны смотреть вниз, а не вверх. Это недальновидно. Постоянная ликвидация высокоактивных радиоактивных отходов требует переосмысления проблемы. Нам нужно смотреть вверх, а не вниз. Давайте поместим радиоактивные отходы высокого уровня, где бы они ни находились, далеко в космос, где они никому не будут угрожать на земле.
Решение лазерного запуска
Ни космический челнок, ни обычные ракеты не справляются с этой задачей. Они не только дороги, но им не хватает желаемой надежности и безопасности, как показывают страховые тарифы. Вместо этого нам нужно разработать системы запуска нового поколения, в которых пусковая установка остается на земле, так что космический корабль почти весь полезный груз, а не пропеллент. Наряду с более эффективными, наземные системы по своей природе более безопасны, чем ракеты, поскольку капсулы не будут нести жидкое топливо, что исключает опасность взрыва в полете. Капсулы также не будут иметь насосов и другого механического оборудования ракет, что еще больше уменьшит вероятность того, что что-то пойдет не так.
Как на самом деле будет работать удаление ядерных отходов в космосе? В самом простом подходе наземная лазерная система запускает капсулы прямо из солнечной системы. В более сложной схеме лазерная система поместит капсулы на ядерно-безопасную орбиту, по крайней мере, на 1100 километров над землей, чтобы они не могли вернуться как минимум на несколько сотен лет. Затем космический буксир прикрепит капсулы к солнечному парусу для движения к месту их конечного назначения, вращающегося вокруг Солнца, далеко от Земли.
Основная концепция проста: пусковая установка ускоряет капсулу, чтобы ускориться. Как пистолет, к цели направляется только пуля, а не весь пистолет. В отличие от челнока или ракеты, наземные системы предназначены для быстрого повторного использования. Чтобы продолжить аналогию, пистолет перезагружается и снова стреляет. Эти системы будут отправлять десятки или сотни килограммов вместо тонн на орбиту за запуск.
Из трех возможных технологий — лазерных, микроволновых и электромагнитных рельсовых пистолетов — лазерное движение является наиболее перспективным на следующее десятилетие. В лазерном двигателе лазерный луч с земли попадает на дно капсулы. Результирующее тепло сжимает и взрывает там воздух или твердое топливо, обеспечивая подъем и управление. Хотя это звучит как научная фантастика, эта концепция — больше, чем просто элегантная идея. В октябре 2000 года 10-киловаттный лазер на Ракетном полигоне «Белые пески» в Нью-Мексико поднял 50-граммовый легкий корабль на 60 метров по вертикали. Эти цифры кажутся небольшими, но доказывают основную выполнимость концепции.
Американские исследования, в настоящее время проводимые в Политехническом институте Ренсселаера в Нью-Йорке и предшествовавшие работе в Ливерморской национальной лаборатории Министерства энергетики Лаврентия в Калифорнии, финансировались на низких уровнях ВВС США, НАСА и группой FINDS, занимающейся разработкой космического пространства. У Соединенных Штатов нет монополии в этой области. Четыре международных симпозиума по энергетической силовой установке привлекли исследователей из Германии, Франции, Японии, России, Южной Кореи и других стран.
Долгосрочная выгода от наземной системы будет гораздо большей, если она в конечном итоге сможет работать с людьми так же, как с плутонием. Профессор физики Дартмута Артур Кантровиц, который впервые предложил лазерные двигатели в 1972 году, считает эту концепцию еще более перспективной на сегодняшний день из-за более эффективных лазеров и адаптивной оптики, технологии, используемой астрономами для улучшения обзора, и ВВС для воздушно-капельного противодействия. лазер для баллистических ракет.
Куда должны в конечном итоге пойти ядерные отходы? Отправка капсул из солнечной системы является самым простым вариантом, потому что лазер может напрямую запустить капсулу на своем пути. И Иван Беки, бывший директор передовых программ НАСА в Управлении космическими полетами, и д-р Джордин Т. Каре, бывший технический директор Программы лазерного движения Организации стратегической оборонной инициативы, которая осуществлялась с 1987 по 1990 годы, подчеркивали необходимость солнечного побега. это самый надежный выбор, потому что меньше может пойти не так.
Второй вариант, солнечная орбита внутри Венеры, сохранил бы возможность получения капсул. Будущие поколения могут найти наши радиоактивные отходы ценными, так же как старые шахтные отходы являются сегодня полезным источником драгоценных металлов. В конце концов, отработанное топливо все еще содержит более трех четвертей исходного топлива и может быть переработано. Террористы или государства-изгои могут быть в состоянии добраться до этих капсул, но если они обладают такими техническими возможностями, кража ядерных отходов будет одной из наших самых серьезных проблем. Этот подход является более сложным, требуя временной земной орбиты и солнечного паруса, чтобы переместить его на солнечную орбиту, таким образом увеличивая вероятность того, что что-то пойдет не так.
Решение проблемы безопасности
Вопрос безопасности состоит из двух компонентов. Одним из них является фактическое проектирование безопасных операций. Это наглядно и проверяемо. Другой, не менее важной частью является общественное восприятие безопасности. Как отметил профессор ядерной инженерии Университета Миссури Уильям Миллер, специалист по ядерному топливному циклу и управлению топливом, «очевидной проблемой является общественное восприятие. Независимо от того, как далеко вы зайдете, чтобы показать, что это безопасно, всегда найдется кто-то, кто скажет «что если». Джон В. Постон, техасский профессор ядерной инженерии A & M с 46-летней карьерой в области физики ядерного здоровья, согласен с тем, что убеждение людей в безопасности космического захоронения является сложным, если не более, чем актуальными техническими вопросами.
Безопасность должна соответствующим образом доминировать в публичном обсуждении этого предложения. Чтобы добиться успеха, утилизация помещений должна демонстрировать меньший риск и неопределенность, чем подземная утилизация. Технически этот проект должен быть полностью безопасным, но, тем не менее, он не будет успешным, если потенциальные сторонники и противники не будут полностью убеждены в его безопасности и эффективности.
Обеспечение безопасности возможно. Двумя основными проблемами являются запуск капсулы и обеспечение целостности капсулы. Лазерный запуск безопаснее и надежнее ракет. Отсутствие ракетных топлив и сопутствующих движителей исключает возможность взрыва. Основная проблема была бы, если бы лазер вышел из строя до того, как капсула достигнет скорости убегания. Поскольку капсула будет иметь форму пули, ее баллистические характеристики хорошо известны. Таким образом, если произошел сбой запуска, капсула приземлится только в известных зонах восстановления. Траектории запуска будут разработаны, чтобы избежать населенных пунктов.
Одним из преимуществ лазерной системы запуска является то, что безопасное возвращение из этих прерванных миссий может быть продемонстрировано путем тестирования с инертными капсулами. Множество запусков может проверить каждый возможный сценарий, эквивалентный стрельбе из новой винтовки, чтобы понять все ее характеристики. Это не могло быть сделано с ракетой. Если требуется еще один уровень безопасности, размещение системы запуска на острове в Тихом океане еще больше снизит вероятность прерывания посадки в населенном пункте. Такая изоляция также улучшит безопасность.
Сама капсула должна защищать свой радиоактивный груз не только от требований нормального запуска с его сильным атмосферным нагревом и аэродинамической нагрузкой, но также и от возможных аварий, начиная от повторного попадания в атмосферу до серьезно испорченного запуска, который может отправить капсулу в высокий давление глубин океана или на сушу. Подводя итог инженерным задачам, Боб Карпентер, руководитель программы космической ядерной энергетической программы Orbital Sciences, предупредил: «Я не говорю, что они непреодолимы, но это основные технические проблемы, которые необходимо решить».
Джордин Каре, в настоящее время независимый консультант по аэрокосмической отрасли, настроен более оптимистично. Лазер может медленно ускорять капсулу в нижней атмосфере, уменьшая нагрев. Кроме того, отметил инженер-ядерщик НАСА д-р Роберт С. Синглтерри, те же самые анализы и технологии аэробрейкинга, которые используют атмосферу планеты для замедления посещения космического корабля, как продемонстрировал в 1997 году Глобальный геодезист Марса, могут обеспечить контроль над капсулой, покидающей атмосферу Земли.
Целостность капсулы также может быть продемонстрирована. Аэрокосмическая отрасль накопила десятилетия исследований и опыта по хранению радиоактивных материалов в контейнерах, которые могут сохранять их целостность, несмотря на попадание в атмосферу, аварии, взрывы и другие потенциальные катастрофы. Они называются ядерными боеголовками. Проектирование контейнеров для утилизации в космосе вполне соответствует современному уровню техники. Доктор Роуланд Э. Бернс, инженер, который в середине 1970-х годов проводил исследование НАСА по этому вопросу, заявил, что возможно спроектировать и сконструировать контейнеры, которые могут безопасно противостоять требованиям даже катастрофического взрыва, заявив: «Я выиграл» Я бы сказал, что вам придется взорвать контейнер, чтобы разбить его, но для этого потребуется нечто подобное ».
Технология материалов улучшилась с 1970-х годов, что делает возможным использование еще более жестких капсул. Поскольку затраты на запуск будут относительно недороги, инженеры могут перестраивать конструкцию для обеспечения безопасности, вместо того чтобы пытаться создать максимально легкий контейнер. Надежные капсулы могут быть построены, хотя соотношение отходов и экранирования будет низким.
Обеспечение безопасности должно иметь включающий компонент. Широкая группа заинтересованных сторон, включая скептиков и противников, должна определить критерии тестов и сценарии, которые должны пройти сторонники. Однако компьютерного моделирования и контролируемых испытаний будет недостаточно. Необходимы убедительные демонстрации, такие как прерывание запусков с пробным грузом и отправка испытательных капсул для повторного входа в атмосферу, чтобы успокоить страхи и доказать достоверность расчетов безопасности. Минимальная опасность должна быть продемонстрирована, а не принята. Тех оппонентов, которые в одностороннем порядке отвергают космическую утилизацию, следует предложить альтернативу. Ядерные отходы не исчезнут по собственному желанию.
Дорого и недорого
А как насчет экономики? Давайте будем честными и откровенными в наших отчетах: утилизация космоса в конечном итоге обойдется в десятки миллиардов долларов, но федеральное правительство уже потратило 8 миллиардов долларов на исследование подземного захоронения и ожидает, что общая стоимость составит 60 миллиардов долларов. Разница в том, что будущим поколениям не нужно будет беспокоиться об отходах, и у них будет инфраструктура для выхода в космос. Хотя технологически впечатляюще, разработки в области бурения туннелей имеют гораздо меньший потенциал. Утилизация в любой форме будет дорогой. Распределение космоса, по крайней мере, предлагает основной побочный эффект, недорогой доступ к космосу. Внесение небольшой надбавки — доли цента за киловатт-час электроэнергии — на энергию, вырабатываемую ядерными реакторами, позволит покрыть эксплуатационные расходы.
Как система может быть дорогой и недорогой? Судя по стоимости других высокотехнологичных проектов, таких как Airbus 380 и Boston’s Big Dig, разработка системы лазерного запуска потребует не менее 5–10 миллиардов долларов. Это большие деньги, но исторически космические технологии стоят дорого: программа Apollo стоила более 150 миллиардов долларов в современных долларах. На создание реальной системы запуска потребуется несколько миллиардов долларов, а на операции — еще миллиарды. И даже если цена за фунт спасения составляет всего 100 долларов, 5000 тонн — 1 миллиард долларов.
Мы, как и мы, должны в будущем определить, является ли космическое захоронение лучшим способом обращения с ядерными отходами. Соответственно, в течение следующих нескольких лет НАСА и Министерство энергетики должны разработать три исследовательские программы. Первый будет определять критерии и приемлемость для демонстрационной программы. Вторая программа будет разрабатывать безопасные капсулы, а третья программа будет тестировать наземную систему. По цене нового отеля в Лас-Вегасе или одного-двух дней оборонного бюджета у нас будет достаточно информации, чтобы решить, следует ли выделять большие ресурсы для размещения в космосе.
Удаление космоса может не показаться очевидным решением проблемы ядерных отходов высокого уровня. Утилизация ядерных отходов также не является очевидным ответом на вопрос о том, как снизить стоимость достижения места. Но огромные масштабы ядерных отходов дают стимул для разработки систем запуска, которые резко сократят стоимость космической эксплуатации. Результатом будут более низкие эксплуатационные расходы, больше инфраструктуры и более квалифицированный персонал, способный осваивать другие области пространства.
Развитие компьютера может предложить хорошую аналогию. Государственное финансирование, в основном со стороны военных, разведывательного сообщества и НАСА, значительно ускорило исследования, разработки и распространение компьютеров с 1940-х годов. Федеральное правительство сделало это для проведения проектов национального значения, таких как перепись, социальное обеспечение, исследования оружия (особенно ядерных взрывов), криптоанализ и исследование космоса. Только в 1970-х годах гражданский рынок стал достаточно большим, чтобы захватить технологическую инициативу.
Распределение пространства может оказаться аналогичной возможностью. После того, как наземная пусковая установка будет разработана и построена, строительство дополнительных пусковых установок будет гораздо менее дорогостоящим и рискованным. Тогда мечта о доступном доступе к космосу может стать реальностью, открывая последний рубеж способами, о которых мы не мечтали с 1960-х годов. Не менее важно, что мы будем действовать этично, предоставляя нашим детям более безопасную землю и недорогой доступ к космосу для людей, а также плутония.
