Энергетика

Ядерная энергия

С развитием технологий и ростом Империи, одной из важнейших составляющих социального и экономического процветания стала энергетика. Но классические схемы использования ядерной энергии на Плутонии или Уране, были небезопасны, малоэффективны и требовали колоссальных ресурсов. Уже во времена Бесконечной войны человечество искало решения способные улучшить показатели эффективности и обеспечить должную безопасность при получении энергии из атома.

В холе технического прогресса человечество перепробовало многие решения с применением различных элементов и технологий. Но с 2647 года Имперские законы в области обеспечения безопасности жизни человека, стали ограничивать использование различных реакторов ввиду их потенциальной опасности для человека. Среди таковых например, запрет на использование ядерных реакторов на тепловых (медленных) нейтронах из-за высоких рисков аварийности и последующих последствий облучения и загрязнения.

На смену им пришли термоядерные реакторы на быстрых нейтронах, которые намного безопаснее ядерных в радиационном отношении.

Прежде всего, количество находящихся в них радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реакторов есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата делаются максимально герметичными (иначе реактор просто не сможет работать, даже не запустится).

У подобных реакторов есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения:

• радиоактивный изотоп водорода — тритий;
• наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами;
• радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку;
• радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.

Для того чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, используется специальная система вентиляции, которая должна поддерживать в помещении реактора пониженное давление. Поэтому из такого помещения не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.

При строительстве реактора, где только возможно, применяются материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому наведённая радиоактивность сравнительно небольшая. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции.

Оценки показали, что даже в случае аварии радиоактивные выбросы не представляют опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.

Энергии такие реакторы выдают минимум в пять раз больше (и еще больше с Галактием). Благодаря теплоносителю в виде жидкого металла (Литий, Натрий или Натрий-Калий) такие реакторы выгоднее потому что жидкие металлы имеют малую упругость паров. Давление в системе определяется только потерей напора в контуре, которое обычно меньше 7 атм. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию как реактора, так и вспомогательного оборудования станции. Высокая температура кипения жидких металлов обеспечивает большую гибкость в работе. Например, если температура теплоносителя на выходе из реактора значительно повысится, то расплавления тепловыделяющих элементов, обусловленного ухудшением теплоотдачи из-за образования паровой плёнки, как это происходит при охлаждении водой, не произойдёт. Допустимые тепловые потоки практически не ограничены критическими тепловыми нагрузками. Высокая электропроводность жидких щелочных металлов позволяет полностью использовать герметизированные электромагнитные насосы (постоянного и переменного тока). По расходу энергии на прокачивание жидкие металлы лишь немногим уступают воде. Из жидких металлов лучшие характеристики по расходу энергии на прокачивание имеют щелочные металлы. Na и Na—K оказывают малое коррозионное и эрозионное воздействие на конструкционные материалы.

Так же эти металлы сравнительно дешевые.

Жидкие металлы являются одноатомными веществами, поэтому проблема радиационных нарушений в теплоносителях не возникает. Хотя некоторая часть атомов жидкого металла и превращается в другой металл (например, 24Na переходит в 24Mg), но количество таких трансмутаций при существующих нейтронных потоках в реакторах ничтожно мало.

Галактий (Gl)

Источники:

• Редкоземельный ископаемый металл

Галактий(Gl) — металл с кристаллической решеткой и аномальной плотностью, чьи ядра при облучении высокоэнергетическими нейтронами переходят в метастабильное состояние с аномально высокой плотностью кварков. Кристаллическая решётка Галактия содержит нейтронно-деформированные ячейки — вероятно являющихся следствием образования в экстремальных гравитационных условиях. Наука пока что не понимает до конца этот механизм и продолжает его исследовать - основной теорией является что Галактий это осколки нейтронных звёзд.

Реакторы на основе Галактии работают в импульсном режиме: порции облучённого изотопа подаются в ускоритель, где разлагаются на субъядерные компоненты. Из-за риска цепной кварковой детонации каждый модуль ускоритель не превышает размеров бочки, а его корпус армирован слоями дефектной алмазной плёнки и слоем гиперуглерода с нейтронными ловушками из борида вольфрама.

• Температура плавления: 900°C
• Плотность: 22.60 г/см³
• Активация: облучение протонами/ионам
• Gl-240 гиперэффективный экзотический ядерный изомер
• Энерговыделение/энергоэффективность Gl-240 (ЯР: 4 МВт/г)
• Период полураспада Gl-240: 100 суток
• Радиоактивность Gl-240: слабое нейтронное излучение уходит в низкоэнергетические нейтрино (безопасно для живых организмов)
• Gl-240 поглощает нейтроны и трансмутирует в стабильный изотоп, выделяя энергию.
• В ТЯР галактий служит катализатором для реакций с D/³He. Поглощая нейтроны он снижает порог синтеза и повышает энергоэффективность до 16МВт/г
• Отработанный Gl-240 теряет энергоэффективность через 100 суток, но остаётся радиоактивным ещё 2 года

В ускорителях Gl-240 приводят к гиперядерному распаду путем столкновения, что выделяет до 30 ТВт/г в среднем за счет деконфайнмента кварков и их аннигиляции (с учетом потерь на ускорении).

Даже в обычном ядерном реакторе Галактий стал революцией: 1 слиток Галактия (1 кг) сравнимы с 5 годами работы реакторов на Уране по эффективности. В термоядерном реакторе 1кг Галактия хватит на 18 дней работы, но эффективность в 4 раза выше чем у обычного реактора. Применение Gl в ТЯРД делает их в три раза эффективней, и существенно снижает массу корабля и уменьшает износ двигателей за счет поглощения нейтронов.

Экологичность и безопасность Галактия сделала его лидером в качестве топлива для межзвездных путешествий.

Поскольку Галактий является весьма дорогим ископаемым, его применения на космических станциях, требующих колоссального кол-ва энергии для поддержания множества систем жизнеобеспечения, является экономически не выгодным. Станции чаще все обеспечиваются топливом добываемым из звезд: межзвездного водорода и гелия-3.

Водород (H, H₂, H⁺)

Источники:

• Звёздный ветер – поток заряженных частиц (в основном протонов и электронов), выбрасываемых звездой.
• Корональный газ – горячая плазма в верхних слоях атмосферы звезды.
• Аккреционные диски – если звезда поглощает вещество из окружающего пространства (например, в двойных системах).

Применение:

• Термоядерный синтез (дейтерий + тритий или протон-протонная реакция).
• Ионные двигатели (разгон плазмы).

Впрочем добыча данного топлива рентабельна только для экстремально удалённых колоний без доступа к планетарным ресурсам или станций.

Гелий-3 (³He)

Источники:

• В звездном ветре содержится небольшое количество гелия-3 (около 0,001%).
• Накапливается в верхних слоях атмосфер планет-гигантов (например, в атмосфере Юпитера).

Применение:

• Термоядерные реакции D + ³He → ⁴He + p + энергия (меньше нейтронного излучения, чем в D-T-реакции).
• Термоядерный синтез ³He + ³He → ⁴He + 2p (экологически чистый, но очень дорогой способ использования в ТОКМАКах)

Гелий-3 является вторым по качеству топливом после Галактия, но он чрезвычайно редок и требует больших расходов на добычу, как и Галактий.

Ядерные и термоядерные батареи

Для многих устройств и механизмов используются портативные модульные термоядерные реакторы. Но в некоторых устройствах и механизмах использование подобных невозможно, поэтому в ходе научной эволюции были созданы ядерные батареи и термоядерные батареи.

Устройство всех ядерных батареек примерно одинаковое, в основе — ​бета-вольтаический эффект.

Ядерные батарейки способны бесперебойно питать элементы годами, пока не достигнут периода полураспада радиоактивного изотопа. Для трития это 12 лет, для углерода-14 это более 5000 лет, а для никеля-63 — около 100. И даже после этого батарейка не перестанет работать совсем, просто её мощность упадёт вдвое. На протяжении всего срока службы её не надо подзаряжать или заменять источники питания, она полностью автономна.

Чем больше пар «изотоп — полупроводник» в батарейке, тем крупнее она в итоге оказывается. Маленькие батарейки, работающие со слабыми токами, могут помещаться, например, в кардиостимулятор

Обычно ядерные батарейки применяют как дополнительный источник питания вместе с химическими и солнечными батареями. Дело в том, что в производстве ядерная батарейка очень дорогая — использовать её как основной источник электричества невыгодно, хотя характеристики это позволяют.

Корпус разрабатывают так, чтобы он мог выдерживать сверх большие нагрузки: перепады давления вплоть до полного вакуума, повышенные и пониженные температуры, удары и катаклизмы. Даже если с источником питания что-то случится — контур закрытый, и радиация не выйдет наружу.

Так же иногда применяются батареи с термофотоэлектрическим принципом (запрещен в эксплуатации вблизи населенных пунктов или мест работы человека).

В военной промышленности разрешено использовать термоядерные батареи, например для питания скафандров ЗКД. Термоядерные батареи военного класса основаны на инерционном синтезе: наносекундные лазерные импульсы сжимают дейтериевые мишени, создавая микровзрывы. Но из-за их потенциального применения в качестве оружия (путем бустирования например), в гражданских отраслях применение строго запрещено.

Энергия из возобновляемых источников

Помимо ядерных реакторов, прогресс в области энергетики так же рассматривал использование солнечной, ветровой и другой энергии из возобновляемых источников. Поэтому использование солнечной, ветровой, геотермальной и гидроэнергии так же развивается и повсеместно применяется, особенно в малообеспеченных мирах, не имеющих возможности позволить себе термоядерную установку.

Современные технологические достижения в этой области позволяют эффективно преобразовывать энергию для потребительских нужд, но не покрывают все промышленные запросы. А так же ввиду громоздкости решения и загрязнения окружающей среды (в сравнении с ядерной промышленностью) не могут являться единственными источниками энергии для крупных населенных пунктов или агломераций, требуя больших территорий и огромного кол-ва батарей.

Применение солнечных панелей хорошо оправдывает себя на больших космических станциях за счет высокой солнечной инсоляции.

Для среднеразвитых планет с атмосферой решение размещения в космосе мало подходит из-за стоимости доставки и потерь в КПД при передаче.

Но для некоторых планет, хорошей альтернативой могут стать геотермальные энергетические станции.

Экуменополисы и термо-рекуперация

Отдельно стоит упомянуть экуменополисы, потребление которых составляет ~5-15 ЭВт/год. Помимо звездной энергии и термоядерной энергии, на них так же используются системы рекуперации выделяемого тепла. За последние столетия наука и инженерия в области термоэлектрики смогли добиться показателей КПД в 75% путем туннелирования электронов через наноструктуры, используя топологические изоляторы + графеновые гетероструктуры. Но поддержании такой технологии, требует существенных финансов, что в целом отражается на налоговой политике подобных миров.

Химические и биологически источники энергии

Т-Топливо

Т-Топливо получают из триффидного масла, как концентрат из горючего компонента. Оно стало отличной заменой почти всем видам химического топлива. И благодаря обширному массовому производству из быстро возобновляемого источника, оно стало самым экономически выгодным.

• Энергоёмкость ≈ 7,8 ГДж/кг
• Низкая энергоплотность по объёму: 100 кг/м³ (легче воды), что требует огромных хранилищ.

Т-топливо превосходит все традиционные жидкие топлива по:

• Удельной энергии (в 65–180 раз).
• Компактности (в 12–23 раза меньше объём баков для той же дальности).

Источники:

• Триффиды

Применения:

• Различные ДВС
• Энергетическая инфраструктура (в малых и развивающихся мирах)
  1 литр Т-топлива = 780 МДж. 1 м³ Т-топлива (100 кг) = 780 ГДж → питает город на 10 000 человек неделю.

Прочие источники энергии

Применение ТОКОМАКов в Империи себя не оправдало по экономическим соображениям, поэтому встретить эти реакторы можно в кол-ве нескольких десятков, созданных как опытные образцы, для изучения управляемого (горячего) термоядерного синтеза. Несмотря на столетия опытов с этими типами реакторов, ученые продолжают исследования в надежде совершения открытий, которые могут сделать энергетику еще более эффективной и безопасной.

Некоторые так же считают, что исследование ТОКОМАКов может подсказать путь к открытию холодного синтеза, но эту теорию разделяет очень мало ученых. Данная теория остаётся маргинальной, несмотря на периодические сенсационные заявления.

В Империи так же собрано несколько мюонных реакторов, но тоже исключительно как экспериментальные установки для исследований. Поскольку затраты энергии на получение мюонов все еще сопоставимы с получаемым кол-вом энергии от их применения.