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宇宙における原子力とは、宇宙船に搭載された原子力を電力、熱、または推進力として利用することです。最も一般的なタイプは放射性同位体熱電発電機（RTG）で、衛星、宇宙探査機、および有人アポロ月面着陸ミッションで使用されてきました。地球衛星用の小型核分裂炉も、ソ連のUS-A計画とアメリカのSNAP-10Aによって飛行しました。[ 1 ]また、コンポーネントが冷えすぎて機能しなくなるのを防ぐために、放射性同位体ヒーターユニット（RHU）も使用されます。[ 2 ]
宇宙に打ち上げられた原子力発電システムの中で、プルトニウム238は最も一般的な放射性同位体燃料です。その半減期は87.7年であるため、RTGは数十年にわたり数百ワットの電力で宇宙船に安定して電力を供給できます。原子力発電システムは太陽光に依存しないため、火星や太陽系外縁部の探査に有利です。火星探査ミッションで使用されたRTGには、キュリオシティとパーサビアランスの探査車、バイキング着陸船などがあります。太陽系を離れるすべての宇宙船、すなわちパイオニア10号と11号、ボイジャー1号と2号、ニューホライズンズはNASAのRTGを使用しており、ガリレオ、カッシーニ、ユリシーズの外惑星探査ミッションも同様でした。しかし、コスト、プルトニウム238の世界的な不足[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 、太陽電池効率の向上[ 7 ]のため、最近の木星探査ミッションでは太陽電池アレイが採用されている。NASAは先進スターリング放射性同位体発電機も開発した。
宇宙船の核分裂炉は冷戦中に実験的に限定的に使用された。キロワット級の電力出力を達成でき、これはRTGよりも約1桁大きいが、より複雑なエンジニアリング、コスト、および危険を伴う。米国は1965年にSNAP-10Aに搭載された最初で唯一の宇宙用原子炉を43日間試験した。 [ 8 ]ソ連のUS -A計画では、BES-5とTOPAZ-I原子炉を宇宙で試験し、 RomashkaとTOPAZ-II原子炉も開発した。5キロワットの電力出力を持つTOPAZ-Iは、宇宙で知られている中で最も強力な核システムであった。両国の衛星は電気駆動のイオン推進器も使用しており、これらは核電気推進の唯一の実験的使用例となった。ソ連の計画は、カナダ上空でのコスモス954の分解による汚染、ナトリウムカリウム冷却材からの持続的な宇宙ゴミ、ガンマ線望遠鏡に干渉する放射線などの問題を引き起こした。 NASAはキロパワー原子炉も開発した。
原子力電気推進とは別に、より強力な原子力宇宙推進システムが開発され、地上試験が行われてきた。原子力熱ロケットは通常、冷却剤と推進剤の両方として液体水素を使用する大型原子炉を使用し、化学ロケットエンジンの2倍の比推力を達成した。米国は1960年代にプロジェクト・ローバーとNERVAの下で地上試験発射を行い、ソ連のRD-0410は1985年に地上試験された。[ 9 ]投機的なシステムには、核パルス推進、パルス核熱ロケット、核融合推進があり、プロジェクト・オリオン、プロジェクト・ダイダロス、プロジェクト・ロングショットで研究された。
1967年の宇宙条約による宇宙空間での核兵器禁止以降、原子力発電は少なくとも1972年以降、各国でデリケートな問題として議論されてきた。[ 10 ]宇宙原子力電源は、打ち上げ、運用、および使用終了の段階で事故を起こす可能性があり、その結果、原子力電源が極限的な物理的条件にさらされ、放射性物質が地球の大気および地表環境に放出される可能性がある。[ 11 ]例えば、宇宙ミッションで使用されるすべての放射性同位体電源システム（RPS）は、プルトニウム238を使用している。プルトニウム238はアルファ粒子を放出する放射性元素である。NASAは、宇宙船内には容易に吸収されない形態で存在し、人体に入っても化学的または毒性学的リスクはほとんどない（例えば、アメリカの宇宙船の設計では、二酸化プルトニウムはセラミックの形で存在し、人による吸入や摂取を防ぎ、厳格な安全保護システム内に配置されている）と述べているが、環境中に放出されて拡散し、環境と人間の健康の両方に危険をもたらす可能性があることは否定できない。[ 12 ] Pu -238は主に粉末状で吸入することにより肺、肝臓、骨に蓄積し、それによって人間の健康にリスクをもたらす。[ 13 ]
過去には、宇宙原子力発電に関連した環境事故が複数発生している。
1964年、トランジット5BN-3衛星を搭載したソー・エイブルスターロケットが軌道に到達できず、衛星は南半球上空で大気圏再突入時に破壊された。SNAP -9A放射性同位体熱電発電機（RTG）内の1キログラムのプルトニウム238燃料が成層圏に放出された。1972年のエネルギー省の土壌サンプル報告書では、1キログラムの総量17キロキュリーのうち、13.4キロキュリーが事故によるものとされた。これは、すべての核兵器実験によって沈着した11,600キロキュリーのストロンチウム90とは対照的である。 [ 14 ]
1968年5月、ニンバスB衛星を搭載したソー・アジェナロケットが誘導エラーにより破壊された。搭載されていたプルトニウムSNAP-19 RTGは太平洋の海底から漏洩なく無傷で回収され、修理されてニンバス3に搭載された。[ 15 ]
1970年4月、アポロ13号の月探査ミッションは、宇宙船のサービスモジュール内の酸素タンクの爆発により中止された。大気圏再突入時に、SNAP-27 RTGを搭載した月着陸船が爆発し、南太平洋に墜落したが、核燃料の漏洩はなかった。[ 11 ]これは、回収されずに地球上に残っている唯一の無傷の飛行済み核システムである。
1978年初頭、45キログラムの高濃縮ウラン原子炉を搭載したソ連の宇宙船コスモス954号が制御不能な降下状態に陥った。着地点が予測不可能であったため、居住地域が汚染される可能性に備えて準備が行われた。この出来事は、放射性物質を含む宇宙物体の潜在的な危険性を浮き彫りにし、宇宙核事故発生時の厳格な国際緊急計画と情報共有の必要性を強調した。また、カナダと米国が共同でカナダ北西準州の半径600キロメートル以内の範囲で80個の放射性破片を回収した「オペレーション・モーニングライト」などの政府間緊急プロトコルの策定にもつながった。コスモス954号は、原子力電源を搭載した衛星に対する世界的な緊急準備と対応体制の最初の事例となった。[ 16 ]
宇宙に打ち上げられた原子力発電システムの大部分は、地球の墓場軌道に残っている。1980年から1989年にかけて、ソ連のRORSAT計画のBES-5とTOPAZ-I核分裂炉は、液体ナトリウム-カリウム合金冷却材の漏洩に見舞われた。各原子炉は、総冷却材13キログラムのうち平均5.3キログラムを失い、16基の原子炉全体で合計85キログラムとなった。2017年のESAの論文では、小さな液滴はすぐに崩壊するものの、高度800km付近の軌道にはセンチメートルサイズの液滴として65キログラムの冷却材が残っており、これはそのサイズの宇宙ゴミの10%を占めると計算されている。[ 17 ]
軌道上の核分裂炉は、軌道上のガンマ線観測所にとって大きな干渉源です。アルファ崩壊からのエネルギーに大きく依存するRTGとは異なり、核分裂炉は大きなガンマ線を生成し、ウラン235連鎖は全エネルギーの6.3%を即発（下図参照）および遅延（娘核崩壊）ガンマ線として放出します。[ 18 ]
これらのガンマ線が原子炉または隣接する物質と相互作用する際に、電子と陽電子が宇宙空間に放出され、電子対生成が起こる。
これらの電子と陽電子は磁気圏の磁束管に捕捉され、様々な軌道高度を移動します。そこで陽電子は他の衛星の構造物と対消滅を起こし、再びガンマ線を生成します。
これらのガンマ線は衛星機器に干渉する可能性がある。これは特に1987年に発生した。双子のRORSAT試験機コスモス1818号とコスモス1867号に搭載されたTOPAZ-I原子炉（6～10kWe）が、 NASAの太陽極大ミッションと東京大学/ ISASの銀河に搭載されたガンマ線望遠鏡に影響を与えた。TOPAZ-Iは宇宙で運用されている最も強力な核分裂炉であり、以前のソ連のミッションでは、ガンマ線観測所よりはるかに低い高度でBES-5原子炉（2～3kWe）が使用されていた。[ 19 ]
宇宙における核源の存在と、核事故が人間や環境に及ぼす潜在的な影響は無視できない。そのため、各国政府は宇宙空間における原子力発電の利用に伴うリスクを軽減するために、厳格な規制を設けている。[ 20 ]
例えば、米国では、宇宙原子力システムの設計、試験、製造、運用のあらゆる段階に安全上の考慮事項が組み込まれています。原子力規制委員会 (NRC) は、核物質および施設の所有、使用、生産を監督しています。エネルギー省は、国家環境政策法(NEPA)により、核物質の取り扱い、輸送、保管による環境への影響を考慮する義務を負っています。[ 11 ] [ 21 ] NASA、エネルギー省、その他の連邦および地方当局は、タイムリーな広報活動を含め、各打ち上げについて包括的な緊急計画を策定しています。事故が発生した場合、高度に専門化された支援機器と自動化されたステーションを備えた監視チームが打ち上げ現場周辺に配置され、放射性物質の放出の可能性を特定し、放出範囲を定量化して説明し、拡散した物質の量と分布を予測し、保護措置を策定して推奨します。[ 22 ]
地球規模では、1978年のコスモス954号事故を受けて、国際社会は宇宙空間における原子力電源の安全な使用を確保するための原則とガイドラインを確立する必要性を認識しました。その結果、1992年に総会は「宇宙空間における原子力電源の使用に関する原則」と題する決議47/68を採択しました。[ 23 ]これらの原則は主に、安全評価、国際的な情報交換と対話、責任、および補償を扱っています。この原則は、採択後2年以内に宇宙空間の平和利用委員会によって再検討されるべきであると規定されています。 [ 23 ]長年の協議と審議を経て、2009年に、原子力電源を使用する宇宙ミッションの安全性を高めるために、宇宙空間における原子力電源使用に関する国際安全枠組みが採択されました。これは技術者とミッション設計者への指針を提供しますが、その効果的な実施には既存のプロセスへの統合が必要です。[ 24 ] [ 25 ]
「安全枠組み」は、各国が自国の宇宙原子力発電の安全性に責任を負うと主張している。各国政府および国際機関は、潜在的な代替手段と比較して宇宙原子力発電の必要性を正当化し、確率的リスク分析を含む包括的な安全評価に基づいてその使用を実証しなければならない。特に、有害な放射線または放射性物質への公衆の被ばくリスクに注意を払う必要がある。各国はまた、潜在的な事故の可能性を最小限に抑え、その影響を軽減するために、強固な安全監視機関、システム、および緊急時対応体制を確立し、維持する必要がある。[ 25 ] 1992年の「原則」とは異なり、「安全枠組み」は、当時存在していた技術だけでなく、あらゆる種類の宇宙原子力電源の開発と応用に適用される。[ 24 ]
2023年に公表された宇宙空間における原子力電源利用のための安全枠組みの実施に関する報告書草案において、作業部会は、安全枠組みが広く受け入れられ、加盟国が宇宙空間における原子力電源の安全な利用を確保するための国家システムおよび政策を開発および／または実施する上で役立つことが実証されていると考えている。現在宇宙原子力電源の利用に関与していない他の加盟国および政府間組織も、このような利用に関連する安全上の問題を考慮し、この枠組みの価値を認め、受け入れている。[ 26 ]
原子力発電システムは太陽光に依存しない機能を持つため、太陽系外縁部、すなわち木星以遠の探査には非常に有利である。太陽系を離れるすべての宇宙船、すなわちパイオニア10号と11号、ボイジャー1号と2号、ニューホライズンズはNASAのRTGを使用しており、ガリレオ、カッシーニ、ユリシーズといった外惑星探査ミッションも同様であった。しかし、プルトニウム238の世界的な不足[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]と太陽光発電効率の向上[7]もあって、ジュノー、ジュピター氷衛星探査機、エウロパ・クリッパーといった最近の木星探査ミッション、およびルーシーの木星トロヤ群小惑星探査ミッションはすべて、木星の軌道5.2 AUにおける相対的な太陽光束が4%であるにもかかわらず、大型太陽電池アレイを採用した。
太陽光発電は、その低コストと効率性の高さから、主に地球や月の軌道上、そして太陽系内惑星間探査ミッション（水星、金星、火星、小惑星帯への探査ミッションなど）において広く利用されている。しかし、アポロ計画の月面探査用SNAP-27 RTGや、火星探査車キュリオシティとパーサビアランスに搭載されたMMRTGなど、これらのミッションの一部では原子力発電も利用されている。
原子力システムは、同等の出力を持つ太陽電池よりも質量が小さく、より小型の宇宙船を実現でき、宇宙空間での姿勢制御や方向付けが容易になります。そのため、ソ連が展開したRORSATプログラムのようなレーダー衛星に有用です。有人宇宙飛行の場合、生命維持システムと推進システムの両方に電力を供給できる原子力発電の概念は、コストと飛行時間の両方を削減できる可能性があります。[ 27 ]アポロ 12 号は、有人飛行で初めて原子力発電システムを使用したもので、アポロ月面実験パッケージに電力を供給するためにSNAP-27 RTGを搭載しました。[ 28 ]
レーダーを含む能動電磁探知機は、電力距離の低下を観測する。比較的低い地球軌道が望ましい。
ソ連は火星以遠の惑星間探査ミッションを実施せず、一般的にRTGの開発もほとんど行わなかった。[ 29 ] 1970年代のアメリカのRTGは100W程度の電力を供給した。[ 30 ] RORSAT軍事レーダー衛星（1967～1988年）では、レーダーに平均2kWの電力を供給するために、特にBES-5などの核分裂炉が開発された 。平均高度255.3kmでは 、代わりに大型太陽電池アレイを使用していたら急速に劣化していたであろう。[ 19 ]
後に打ち上げが開始された米国のラクロス/オニキスレーダー衛星計画は、420～718 kmの高度で運用された。この範囲でレーダーに電力を供給するために、長さ45 mの太陽電池アレイが運用され、10～20 kWの電力を供給したと推測されている。[ 31 ]
原子力エネルギーによる推進力については、以下の技術が提案され、場合によっては地上または宇宙で試験されている。[ 32 ]
50年以上にわたり、放射性同位体熱電発電機（RTG）は、宇宙における米国の主要な原子力電源となっています。RTGには多くの利点があります。比較的安全でメンテナンスフリーであり、過酷な条件下でも耐久性があり、数十年にわたって稼働することができます。RTGは、太陽光発電が有効な電源ではない宇宙空間での使用に特に適しています。数十基のRTGが25種類の米国の宇宙船に電力を供給するために導入されており、その中には20年以上稼働しているものもあります。40基以上の放射性同位体熱電発電機が、宇宙ミッションで世界的に（主に米国とソ連で）使用されています。[ 37 ]
先進スターリング放射性同位体発電機（ASRG、スターリング放射性同位体発電機（SRG）のモデル）は、核燃料1単位あたりRTGの約4倍の電力を生成するが、スターリング技術に基づく飛行準備完了ユニットは2028年まで登場しない見込みである。 [ 38 ] NASAは遠い将来、 2基のASRGを使用してタイタンを探査する計画である。
放射性同位元素発電機には以下が含まれます。
宇宙船では、科学機器を適切な温度まで温めて効率的に動作させるために、放射性同位体加熱装置（RHU）も使用されています。汎用熱源（GPHS）と呼ばれる大型のRHUは、放射性同位体熱電発電機（RTG）や宇宙放射性同位体熱電発電機（ASRG）の動力源として用いられています。
極めてゆっくりと崩壊する放射性同位体は、数十年の寿命を持つ星間探査機での使用が提案されている。[ 39 ]
2011年時点では、別の開発方向として、亜臨界核反応を利用したRTGが挙げられていた。[ 40 ]
核分裂発電システムは、宇宙船の暖房システムや推進システムの動力源として利用できる。暖房に必要な 電力が100kWを超える場合、核分裂システムはRTG（放射性同位体熱電発電機）よりもはるかに費用対効果が高い。
1965年、米国は宇宙用原子炉SNAP-10Aを打ち上げた。これは当時ノースアメリカン・アビエーションの子会社であったアトミックス・インターナショナルによって開発されたものであった。[ 41 ]
過去数十年の間に、いくつかの核分裂炉が提案され、ソビエト連邦は1967年から1988年の間に、熱電変換器を利用した低出力のBES-5核分裂炉を31基、 RORSAT衛星に搭載して打ち上げた。
1960年代から1970年代にかけて、ソビエト連邦は熱電子変換器を利用するTOPAZ原子炉を開発したが、最初の試験飛行は1987年まで行われなかった。
1983年、NASAと他の米国政府機関は、ゼネラル・エレクトリック社などと契約を結び、次世代宇宙原子炉SP-100の開発を開始した。1994年、SP-100計画は主に政治的な理由から中止され、ロシアのTOPAZ-II原子炉システムへの移行が検討された。TOPAZ-IIのプロトタイプはいくつか地上試験されたが、このシステムは米国の宇宙ミッションには配備されなかった。[ 42 ]
2008年、NASAは月面と火星の地表で小型の核分裂発電システムを利用する計画を発表し、その実現に向けた「重要な」技術の試験を開始した。[ 43 ]
提案されている核分裂発電システム搭載宇宙船や探査システムには、 SP-100、JIMO原子力電気推進、および核分裂表面発電などがある。[ 37 ]
宇宙用途向けに、いくつかの種類の小型原子炉が開発されているか、開発中です。[ 44 ]
原子力熱推進システム（NTR）は、核分裂炉の発熱力を利用した推進システムであり、化学反応を利用したシステムよりも効率的な推進システムである。現在の研究は、既に宇宙空間にある宇宙船を推進するための動力源として、原子力電気システムに重点を置いている。
宇宙船の動力源となる他の宇宙用核分裂炉には、SAFE-400原子炉や HOMER-15 などがあります。2020 年に、ロスコスモス (ロシア連邦宇宙局) は、1 MWe の小型ガス冷却核分裂炉を含む原子力推進システム (ケルディシュ研究センターで開発) を利用した宇宙船の打ち上げを計画しています。[ 45 ] [ 46 ]
2002年、NASAは原子力システムの開発に向けたイニシアチブを発表し、後にプロジェクト・プロメテウスとして知られるようになった。プロメテウス・プロジェクトの主要な部分は、RTGの一種であるスターリング放射性同位体発電機とマルチミッション熱電発電機を開発することであった。このプロジェクトはまた、長年使用されてきたRTGに代わる、宇宙船の電力と推進のための安全で長寿命の宇宙核分裂炉システムを製造することも目的としていた。予算の制約により、このプロジェクトは事実上中止されたが、プロジェクト・プロメテウスは新しいシステムのテストに成功している。[ 47 ]作成後、科学者たちは高出力電気推進（HiPEP）イオンエンジンのテストに成功し、これは他の動力源に比べて燃料効率、スラスタ寿命、スラスタ効率において大きな利点を示した。[ 48 ]
プロジェクト・プロメテウスは2006年に段階的に廃止された。
2006年、NASAは核分裂表面電力（FSP）プロジェクトを発表した。このプロジェクトの目標は、月面で使用するための核分裂ベースの電力システムの開発を可能にすることであった。NASAは2010年代を通じて、このようなシステムの概念研究を発表した。[ 49 ]
2020年9月、NASAとエネルギー省（DOE）は、月面核動力システム、別名「核分裂表面動力プロジェクト」に関する正式な提案依頼書を発行しました。[ 50 ]このプロジェクトは、オハイオ州クリーブランドにあるNASAのグレン研究センターが管理しており、宇宙技術ミッション局の技術実証ミッションプログラムを通じて資金提供を受けています。NASAは、このミッションを推進するためにDOEアイダホ国立研究所と協力しています。これらのシステムを開発する目的は、アルテミス計画による月面への有人探査を支援し、数週間続く月の夜サイクルがある地域で信頼性の高いエネルギー源を提供することです。さらに、これらのシステムは将来の火星ミッションにも拡張できますが、火星ミッションでは、砂嵐などの大気現象により設計上の考慮事項がさらに複雑になります。
プロジェクトのフェーズ 1 は、さまざまな概念の実現可能性を判断するために、さまざまな予備的な低濃縮ウラン材料設計の開発に焦点を当てています。このシステムは、 120 Vdc で40 kW (54 hp)の出力を 10 年間維持し、着陸モジュールに収まる重量が6,000 kg (13,000 lb)未満で、最小距離1 km (0.62 mi)で年間 5 rem 未満の放射能を生成することが期待されています。[ 51 ] 2022 年に、電力変換、熱除去、電力管理、および配電システムのための業界開発の原子炉設計に取り組むために、ロッキード マーティン、ウェスティングハウス エレクトリック コーポレーション、および IX ( Intuitive MachinesとX-energyの合弁会社) に 500 万ドルの契約が 3 件授与されました。[ 52 ]
現状では、最初の基地は月の南極に設置され、居住モジュールに電力を供給する太陽電池にほぼ絶え間なく太陽光が当たるようにし、電力の上限は20 kW (27 hp)に達すると推定されています。 核分裂表面発電システムは電力フローシステムの中核となり、環境要因の影響を受けない唯一の安定した発電方法を提供します。 デモ用原子炉はグリッドに10 kWを供給すると予想され、フルシステムでは40 kWを供給する予定です。 これにより、現地資源利用 (ISRU) が可能になります。[ 53 ]
2025年、トランプ大統領は「アメリカの宇宙優位性の確保」と題する大統領令に署名した。この大統領令は、月面および軌道上に原子炉を設置することをNASAとアメリカの宇宙政策の優先事項とした。[ 54 ] 2026年3月、NASAは、月面基地用の核分裂表面発電炉である月面原子炉1号（LR-1）の開発は、 2028年12月に火星に打ち上げられる宇宙原子炉1号フリーダム（SR-1）の開発と打ち上げを参考にすると発表した。 [ 55 ]
2024年、ロスコスモスとCNSAは、有人月面基地に電力を供給するため、2035年までに月面に原子炉を建設する計画を発表した。[ 56 ]
ベータボルタ発電システムは、放射性同位体熱電発電機のように崩壊熱からではなく、放射性崩壊時に放出されるベータ粒子から発電します。2026年7月、シティラボは、トリチウムベースのナノトリチウムベータボルタマイクロ電源を搭載したキューブサット実証ミッションBOHRを、スペースXのトランスポーター17相乗りミッションに搭載して打ち上げました。この宇宙船は、一般的な衛星バス運用には従来の太陽光発電を使用し、ナノトリチウムシステムはペイロードの実証に電力を供給し、その有効性を検証します。[ 57 ]
宇宙原子力発電システムの画像ギャラリー。
宇宙原子力発電: 1961 年以来、米国は 40 基以上の放射性同位体熱電発電機 (RTG) を飛行させており、その運用記録はほぼ完璧です。これらの RTG の詳細と、それらが動力源となったミッションについては、公開文献で徹底的に検討されています。米国は原子炉を 1 基しか飛行させておらず、それについては以下で説明します。ソ連はRTGを2基しか宇宙に打ち上げておらず、RTGよりも小型の核分裂発電システムを優先する傾向を示していた。ソ連は米国よりも積極的な宇宙核分裂発電計画を進め、30基以上の原子炉を打ち上げた。これらの原子炉は短寿命設計であったものの、この計画は共通の設計と技術の有効性を実証した。
