Ядерные энергетические установки

Ядерные реакторы в космосе: ТЭМ.

Вершиной 20 летних исследовательских и конструкторских усилий по созданию космических энергоустановок на базе ядерных реакторов в СССР стал полетевшая в 1988 году двойка спутников «Плазма-А». Эти установки базировались на отлаженной на земле технологии термоэмиссионного преобразования энергии (более 80 испытательных сборок провели в реакторах от 100 до 16000 часов). Вложенные усилия, масштаб работ и красота идеи оказались настолько мощными, что последующие 20 лет в статьях профильных организаций, проектировавших и планировавших КА с ЯЭУ вы не найдете ничего, кроме развития идей реакторов с термоэмиссионными преобразователями. 20 лет разговоров про светлое ядерно-космическое будущее оборвались в октябре 2009 года, когда финансирование получили не многочисленные проекты развития «Плазма-А», а «Транспортно-энергетический модуль» с турбомашинным преобразованием. И во главе проекта встали совсем не те люди, которые занимались этой тематикой раньше. Одну из ключевых ролей в таком развороте кроме усилий лоббистов сыграла одна техническая идея, связанная со сбросом тепла в космосе.

Американская АМС JIMO, тоже планировавшаяся с ядерным реактором на борту.

Хорошо известно, что вес — это главный враг космических ЯЭУ, а холодильники для сброса паразитного тепла — самый тяжелый элемент подобных аппаратов. В варианте с термоэмиссионными преобразователями этот вопрос решается довольно элегантно — да, их кпд невелик по сравнению с турбинным циклом, но температура холодильников излучателей может быть очень высока (порядка 1000К, а сам реактор разогрет до 1650К) , а как мы помним, вес холодильников зависит от температуры в степени 1/T^4. В итоге эта степенная зависимость переигрывает вчетверо больший объем тепла, который надо сбросить с термоэмиссионной ЯЭУ.

Только если у вас нет революционной идеи капельного ХИ.

Идея заключается в том, что бы вместо того, что бы гонять жидкость по трубкам внутри излучающих панелей, она полетит прямо сквозь космос — от форсунок-формирователей струй до каплеуловителя. При этом, теоретически, вес ХИ можно сократить в разы, а потери на испарение в вакуум решаются подбором специальной кремнеорганической жидкости. В таком раскладе у термоэмиссионых ЯЭУ начинает играть их «родимое пятно» — невысокая плотность мощности на электрогенерирующих твэлах, ну и кпд в 5-8%.

Именно такой концепт ТЭМ — с турбомашинным преобразованием тепловой энергии и капельными холодильниками был предложен ФГУП «Центр Келдыша» в 2009 году. Новаторство идеи легло на благодатную почву пика «развития инноваций в стране» президентом Медведевым, а помноженное на силу лоббистов Росатома и главы «ИЦ Келдыша» академика Коротеева позволило смести жалкие «архаичные» проекты РКК Энергии, КБ Арсенал, ОАО «Красная звезда» с доски и получить заветное финансирование.

Первый эскизный вариант ТЭМ с 4 капельными холодильниками (бежево-коричневые полотнища). Снизу рендер в сложенном положении. (с) РКК Энергия

Для проведения НИОКР в 2010 году была начата программа стоимостью 17 миллиардов рублей, из которых 7.245 млрд. руб. выделялось на реактор, 3.955 на систему преобразования энергии, а около 5.8 млрд — на оставшийся космический аппарат. Ядерный реактор поручили делать институту НИКИЭТ (создателю свинцового быстровика БРЕСТ), систему преобразования энергии — ИЦ им. Келдыша, а весь космический аппарат — РКК “Энергия”.

Облик первой редакции ТЭМ поражал любого инженера, знающего контекст. Сверхвысокотемпературный (1600К!) быстрый реактор, охлаждаемый газом, топливо из карбонитрида урана (перспективное, но малоизученное), турбокомпрессорные установки, работающие на 60000 оборотах в минуту c температурой на турбине 1500К непрерывно 10 лет, теплообменники, на те же 1500К. Раздвигающаяся конструкция аппарата длинной 54 метра и шириной 20, в исходном состоянии укладывающаяся под обтекателем РН. Рекордная мегаваттная космическая электросистема с напряжением 4,5 киловольта, питающая 16 ионных ЭРД мощностью по 60 киловатт (в 10 раз мощнее летавших на тот момент и в 1,5 раза мощнее лабораторных рекордсменов). Наконец сам космический аппарат, который должен был выдерживать в 10 раз большую дозу облучения, чем сегодняшний типичный уровень в 100 килорад — облучения как от реактора, так и от радиационных поясов, сквозь которые пришлось бы буксировать полезные нагрузки.

Плакат ТЭМ на МАКС-2013. За ядерным блоком слева и справа видны две основные концепции — с капельными и панельными ХИ.

Проект начал развиваться, регулярно блистая перспективами и инновациями в интервью, ТВ и конференциях. Наиболее резво взялся за работу Росатом — быстро отказавшись от карбонитридного топлива в пользу знакомого оксидного был спроектирован ядерный реактор, смесь стандартного и нового. В цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали диаметром 50 см и длинной примерно метр расположены несколько сотен цилиндрических твэлов, содержащих оксид высокообогащенного урана в оболочках из монокристаллического молибдена диаметром 4-5 мм. Общая расчетная масса топлива 80-150 кг, в зависимости от достижимого выгорания. Управление осуществляет вдвижением и выдвижением 19 поглощающих стержней системы управления из карбида бора в молибденовой оболочке. Быстрый реактор имеет тепловую мощность 3,8 мегаватта и охлаждается газовой смесью из 78% гелия и 22% ксенона при рабочем давлении в 40 атм. Температура газовой смеси на входе 1200, а на выходе 1500К (1227 С).

Модель активной зоны ТЭМ для гидравлических испытаний. Простим НИКИЭТ за плохое качество довольно уникального изображения.

Ядерную установку разрабатывает несколько предприятий Росатома, в т.ч. ФЭИ, много десятилетий занимавшийся разработкой космических ЯЭУ, НПО “Луч”, владеющий технологиями высокотемпературных твэлов, а внутриреакторное поведение элементов ЯЭУ ТЭМ в петле с горячей рабочей газовой смесью вел НИИАР, обладающий самым большим парком исследовательских реакторов в стране. Не смотря на уход с битьем посуды из НИКИЭТ в 2012 году главного конструктора реактора В.П. Сметанникова разработка реактора продолжается практически в графике — испытана петля с новым для ядерщиков теплоносителем и штатным твэлом, создан частичный теплогидравлический стенд, а в НИТИ в Сосновом Бору строится наземный образец ЯЭУ. Запуск этой установки планируется на 2015 год, и такой запуск будет безусловной победой ядерной инженерной науки.

Ранняя версия реактора РУГК для ЯЭУ ТЭМ. (с) Росатом

Другая кооперация из ИЦ им. Келдыша, КБХМ, КБХА и ВНИИЭМ занималась турбомашинным преобразователем. На ТЭМ планируется установить 4 одинаковых модуля мощностью по 250 киловатт. В систему входят так же AC/DC и DC/DC преобразователи, буферные аккумуляторы, дополнительные системы охлаждения оборудования. Вместе с ядерным реактором масса энергоблока должна была составить 6800 кг.

Схема и параметры ЯЭДУ ТЭМ. (с) Центр Келдыша.

Кадр из ролика Центра им. Келдыша с разрезом 250 киловаттного турбогенератора ТЭМ. (с) А. Ильин

Тепловая энергия превращается в электрическую в газотурбинном цикле (Брайтона), где энергия газа, извлеченная на турбине идет как на электрический генератор, так и на вращение компрессора, поддерживающего циркуляцию газа. Через теплообменник остаточное тепло сбрасывается во второй контур, где рассеивается в космос с помощью холодильников-излучателей.

Модель 250 кВт турбогенератора ТЭМ 1:2 (с) Аник.

Сложности по разработке элементов системы турбомашинного преобразования сравнимы со сложностью реактора. По отдельности все требования выполнимы: существуют газовые турбины и на большие, чем 1500К температуры, а турбонасосы ракетных двигателей, перекачивающие водород, имеют частоты вращения и окружные скорости даже выше, чем 60000 и 500 м/с. Однако собрать все сразу в сочетании с 10 летним необслуживаемым ресурсом — прыжок был явно выше головы. Например, проблемы с высокотемпературными газовыми теплообменниками в свое время зарубили очень перспективное направление регенеративных газотурбинных двигателей, а газодинамические подшипники для невесомости довольно сложно испытывать на ресурс в условиях гравитации.

Пластины опытного теплообменника ТЭМ. (с) А. Ильин

В 2013 году ИЦ им. Келдыша рапортовал об успехах по созданию прототипов всех важнейших элементов турбомашинного преобразователя — двух типов теплообменников, генератора и газотурбинной установки. Однако по последним данным НИР идут довольно туго и ресурс оборудования далек от нужного. Уже осенью 2013 постулируется факт, что капельные холодильники далековаты от инженерного воплощения, и разработать их пока не получится. Обещанные рекордные ионные ЭРД постепенно мельчают — проблемы с большеразмерными перфорированными электродами с высоким ресурсом, которые не умеет решать никто в мире остаются нерешенными.

Прототип ионного двигателя ТЭМ от Центра Келдыша. Уже помельчавших в размерах по сравнению с изначальной задумкой.

Вариант ТЭМ с панельными холодильниками.
Кроме того, взаимодействие Центра Келдыша (входящего в Роскосмос), возглавляемого академиком Коротеевым с остальными крупными космическими предприятиями зачастую носит натянутый характер с взаимным поливанием грязью, что тоже не способствует прогрессу. ТЭМ, красиво расписанный на этапе эскизного проекта начинает рассыпаться на этапе подтверждения характеристик агрегатов.


Модель сложенного ТЭМ, лето 2013 года. Обратите внимание на ионные двигатели — их стало 24 против 15 на ранней модели. Холодильники все еще капельные.

Наконец, работа предприятий во главе с РКК “Энергия” была направлена на создание собственно космического аппарата, вооруженного ядерным энергоисточником. “Энергия” вынуждена была взяться за фронт работы, который перекрывал путь ее собственной разработке буксира с термоэмиссионной ЯЭУ “Геркулес”, да и фронт проблем был шире чем у двух других основных “головняков”. Необходимо было создать тяжелый КА, имеющий на борту все традиционные элементы — системы ориентации и орбитального маневрирования на гидразиновых ЖРД, мощные солнечные батареи и телеметрию, системы причаливания к полезной нагрузке и заправки, ксеноновые баки и наконец заставить это все работать 10 лет в радиационных условиях. Еще более специфическими элементами должны были стать:

-раскладывающиеся фермы для выноса ЯЭУ от тела КА, с удлинением в космосе в 2,5 раза, с 20 до 54 метров.

-раздвигающиеся трубопроводы теплоносителя их герметизация — все это должно безотказно работать в условиях вакуума и радиации

-раскладывающиеся панели ХИ площадью в сотни квадратных метров

-высоковольные линии запитки ЭРД.

-раскладывающиеся крылья, несущие ЭРД и холодильники-излучатели

Эскизный проект ТЭМ в представлении РКК-Энергия.

Все это великолепие требовалось упихать в максимальные 22 тонны, которые способна выводить РН “Ангара-5”. Фактически, сразу после выдачи эскиза будущего ТЭМ РКК “Энергия” начинает усиленно отгребать от проекта ТЭМ, скинув часть задач на ГКНПЦ им. Хруничева, а часть — на КБ Арсенал — создателей КА “УС-А” и “Плазма-А”. Представители РКК начинает рассказывать в интервью, что буксиры на базе СБ не так и плохи. Арсенал, в свою очередь сдувает пыль со своих проектов буксиров с 300-500 кВт термоэмиссионной ЯЭУ.

Разрез реактора ТЭМ в версии технического проекта. (с) НИКИЭТ

В конце 2014 года сложная ситуация с проектом выливается в его секвестирование в рамках Федеральной космической программы на “2016-2025”. В ней остается финансирование на НИР, причем в основном по линии, где есть какие-то результаты — собственно ядерный реактор и турбомашинные преобразователи. Космический запуск ТЭМ убирается из планов, и мы видим, как будущее, в котором у человечества появляются новые инструменты для освоения космоса тает, как на фотографиях в “Назад в будущее”. В очередной раз, как в случае с “Геркулесом” или JIMO человечество откатывается назад, не в силах преодолеть технический барьер на пути к созданию мощных космических реакторов.

Транспортно-энергетический модуль

Важной проблемой космических перелетов является необходимость постоянно затрачивать топливо для изменения скорости движения. Современные космические аппараты используют два типа двигательных систем. Классические химические реактивные двигатели позволяют быстро ускоряться, но требуют большого количества топлива и этим сильно ограничивают максимальную скорость. Поэтому двигатели включаются только для коррекции курса, а для значительного ускорения аппаратов, отправляющихся к планетам гигантам, приходится использовать уловки вроде гравитационных маневров у планет. Второй вариант — электрореактивные двигатели. Они могут быть ионными либо плазменными, однако суть одна. Такие двигатели имеют очень маленькую тягу и большое энергопотребление, однако используют относительно небольшое количество топлива. Ионные двигатели уже устанавливались на некоторых научно-исследовательских автоматических станциях, таких как Deep Space 1 или Dawn.

Электрореактивные двигатели удобны для дальних экспедиций тем, что позволяют увеличивать скорость в течение всего полета. Однако из-за малой тяги для существенного приращения скорости тяжелого аппарата потребуется установить на него много двигателей, а много двигателей потребуют много, очень много электроэнергии. Так и родилась идея транспортно-энергетического модуля — специального буксира, который мог бы стыковаться с полезным грузом и перемещать его в пространстве. Такой модуль можно использовать для транзита спутников с низкой орбиты на геостационарную, для доставки тяжелых исследовательских станций к планетам-гигантам и, наконец, для отправки пилотируемых экспедиций в дальний космос.

Есть две концепции электрореактивного буксира. НАСА до конца 2014 года планирует определиться с архитектурой Solar Electric Propulsion (SEP). Согласно «дорожной карте» (уточненные планы) американского космического агентства, подобный модуль, использующий гигантские солнечные батареи, будет иметь мощность 50 кВт на первом этапе в начале 2020-х годов. SEP планируется использовать в качестве транспортного модуля автоматической миссии ARM по захвату и доставке на орбиту Луны астероида. Ее запуск запланирован на декабрь 2019 года. К концу 2020 должен появиться гибридный электрореактивно-химический буксир первого этапа. Его электрическая мощность составит 190 кВт (150 кВт на двигательную систему). Химические двигатели будут использоваться для торможения. Наконец, в ходе экспедиции к Марсу в 2030-х годах планируется использовать гибридный буксир второго этапа с мощностью солнечных батарей от 250 до 400 кВт и с уровнем энергоснабжения электрореактивной двигательной установки от 150 до 200 кВт. В качестве топлива ЭРДУ будут использоваться 16 тонн ксенона. Очевидным недостатком модуля на солнечных батареях является невозможность использовать его у планет-гигантов, поскольку уже на орбите Юпитера энергия солнечного излучения падает почти в 30 раз. По всей видимости, на SEP будут установлены рекордно мощные ионные двигатели наподобие NEXT. В декабре 2009 года завершились испытанния таких двигателей, в ходе которых они непрерывно работали в течение 5,5 лет.

Описание

В России с 2011 года ведется работа над ядерной электрореактивной двигательной установкой. В качестве источника энергии ЯРДУ будет использован реактор разработки Исследовательского центра им. Келдыша.

По неофициальным свидетельствам, проблемы возникли в процессе разработки «космической» части проекта и были связаны в первую очередь с отсутствием необходимой компонентной базы. Созданием двигательной системы, в которой должны быть использованы ионные двигатели ИД-ВМ с тягой 725 мН и удельным импульсом 7000 с, изначально занималась РКК «Энергия». Она же была головным разработчиком проекта на первом этапе его развития. Позднее, уже в ГКНПЦ им. Хруничева, буксир уже претерпел существенные изменения. Мощность энергоустановки была уменьшена с 1 МВт до 500 кВт (за вычетом питания собственно борта). Сам буксир уменьшился в размерах и по массе. Разработчики отказались от планов вывести его в космос отдельными пуском.

Из Центра им. Хруничева проект передали санкт-петербургскому машиностроительному заводу «Арсенал», который не имеет опыта работы с турбомашинным преобразованием энергии в реакторе. Инженеры «Арсенала» заменили турбину на термоионный преобразователь, в результате чего значительно снизилась выдаваемая полезная электрическая мощность. Фактически, сейчас аппарат не представляет интереса в качестве транспортного буксира. В таком виде он в новую Федеральную космическую программу и не попал. Теперь предполагается отрабатывать ядерный реактор в качестве источника питания для космических аппаратов на высокой орбите Земли.

Сейчас он должен выводиться в космос вместе со спутником. Аппарат будет отвечать за доставку спутника на рабочую орбиту и снабжение его энергией. И даже после такого упрощения в проекте российского транспортно-энергетического модуля осталось множество нерешенных технических проблем. Стоит отметить, что объективным недостатком ядерного буксира является маленький срок эксплуатации. Для российского буксира он, согласно техническому заданию, составляет 10 лет, однако ситуация с ресурсом ЯРДУ требует прояснения.

Замечание

В нынешнем виде российский ТЭМ выродился в одноразовый энергетический космический аппарат прикладного назначения. Использовать его в пилотируемых полетах или для отправки межпланетных станций в многолетние миссии не представляется возможным.

Новости

Макет ядерного буксира был представлен на выставке МАКС-2013 (фото). Планируется, что наземные испытания прототипа реактора начнутся в 2018 году.

В конце июня 2014 года на конференции по случаю 60-летнего юбилея пуска Обнинской АЭС глава Научно-исследовательского и конструкторского института электротехники им. Доллежаля (НИКИЭТ) Юрий Драгунов рассказал, что его предприятие проводит испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки. По его словам, работа идет по графику. На данный момент полностью испытан регулирующий орган реактора, продолжаются испытания тепловыделяющих элементов. Ядерная электродвигательная установка должна быть готова в 2018 году.

На круглом столе «Освоение ближайших планет Солнечной системы на примере поверхности Луны» в ИТАР-ТАСС 10 октября 2014 года подтвердилось, что проектная мощность буксира снижена до 550 кВт при кампании 1 год. В первом же образце будет использоваться машинное преобразование энергии, а не термоэмиссионное.

На октябрьской (2014) конференции в НИКИЭТ им. Доллежаля было объявлено, что планируемая маневренность мощности буксира составляет 1% в секунду в диапазоне 10-100%. В 2016 году возможен запуск опытного блока на стенде.

24 апреля 2015 года некоторые информационные агентства, имеющие возможность изучить новый проект Федеральной космической программы, сообщили, что Роскосмос намерен прекратить финансирование разработки ядерной электрореактивной двигательной установки. Эти заявление были опровергнуты представителем Роскосмоса. В действительности финансирование соответствующих опытно-конструкторских работ в ФКП 2016-2025 продолжится, хотя и будет сокращено. До конца 2025 года возможен запуск испытательных образцов ядерной двигательной установки и электрореактивной двигательной системы, но ядерный транспортный буксир, каким он должен был стать по первоначальной задумке, в ближайшей перспективе не появится.

«Революционная разработка»: в чём уникальность российской космической ядерной установки

Российские учёные успешно испытали систему охлаждения ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Об этом сообщается в акте приёмки, размещённом на сайте госзакупок. В документе подчёркивается, что «работы выполнены в полном объёме, результаты соответствуют требованиям технического задания».

«Были выявлены закономерности функционирования элементов и узлов перспективных систем отвода тепла ЯЭДУ мегаваттного класса в наземных условиях, максимально приближенных к условиям космического пространства», — говорится в акте.

В документе уточняется, что специалисты изготовили и испытали экспериментальные образцы генератора капель, элементов заборного устройства (гидросборника) и модели капельного холодильника-излучателя (КХИ).

  • МКС
  • globallookpress.com

Разработкой КХИ занимаются ФГУП «Исследовательский центр им. Келдыша», Центр космических технологий Московского авиационного института, ОАО «РКК «Энергия» им. Королёва» и Московский энергетический институт.

ЯЭДУ — перспективный двигатель для космических аппаратов, который позволит совершать межпланетные полёты в несколько раз быстрее, чем сейчас. С его помощью Россия получит возможность проводить исследования Луны, Марса, дальних планет Солнечной системы и создавать там автоматические базы.

«Принцип работы ЯЭДУ заключается в том, что компактный ядерный реактор вырабатывает тепловую энергию, которая с помощью турбины преобразуется в электрическую. Она нужна для того, чтобы питать энергией ионные электрореактивные двигатели и оборудование», — пояснил в беседе с RT младший научный сотрудник НИИ ядерной физики им. Скобельцына МГУ Василий Петров.

Не имеет аналогов в мире

На современных двигателях низкопотенциальное (избыточное) тепло, которое может повредить бортовую аппаратуру, выводится в окружающее пространство (космос) через трубы панельных радиаторов, где циркулирует жидкость-теплоноситель. Такая система охлаждения представляет собой громоздкую конструкцию, не защищённую к тому же от попадания метеоритов.

Российские учёные изобрели принципиально новую схему отвода тепла. С помощью генератора холодильник-излучатель формирует капельные струйки горячего теплоносителя, который охлаждается на пути к гидросборнику и, собираясь в нём, направляется снова в рабочий контур. Подобная технология не предусматривает использования труб и таким образом облегчает конструкцию системы охлаждения.

Также по теме«В самое жерло огненной печи»: станция BepiColombo начала семилетний полёт к Меркурию С космодрома Куру во Французской Гвиане состоялся запуск космического корабля в рамках миссии по изучению Меркурия BepiColombo —…

«Успешное испытание системы охлаждения означает, что российским учёным удалось решить ключевую проблему на пути создания ЯЭДУ. Дело в том, что у атомной силовой установки один большой недостаток — она очень сильно нагревается. Если на Земле ядерный реактор охлаждается под напором воды, то в космосе такая возможность отсутствует», — сказал Петров.

Инициатором создания ЯЭДУ считается академик отделения физико-технических проблем энергетики РАН, бывший генеральный директор ФГУП «Исследовательский центр им. Келдыша» Анатолий Коротеев. Головной разработчик атомной энергодвигательной установки — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля (НИКИЭТ).

Создание ЯЭДУ ведётся в рамках запущенного в 2010 году проекта транспортно-энергетического модуля (ТЭМ), над которым работают предприятия «Росатома» и «Роскосмоса». Согласно графику комиссии по модернизации при президенте РФ, опытный образец ядерного реактора мегаваттного класса должен появиться до конца 2018 года. В материалах «Росатома» подчёркивается, что данный проект не имеет аналогов в мире.

«Реализация этого проекта позволит на базе уже имеющегося задела поднять отечественную технику на принципиально новый уровень, во многом опережающий зарубежные разработки», — заявил в октябре 2009 года на заседании комиссии по модернизации глава «Роскосмоса» (в 2004—2011 годах) Анатолий Перминов.

Как сообщил ранее генеральный конструктор НИКИЭТ доктор технических наук Юрий Драгунов, в основу ЯЭДУ лёг накопленный с 1960-х годов опыт создания ядерных ракетных двигателей, термоэлектрических энергоустановок и эксплуатации всевозможной космической техники. Мощность первого образца ядерной энергодвигательной установки он оценил в 1 МВт.

  • Ядерный реактор атомной электростанции
  • РИА Новости
  • © Алексей Даничев

Однако, как заявил Драгунов, в недалёком будущем Россия сможет производить 10-мегаваттные установки, «что подразумевает практически неограниченные возможности энергетики для космоса». По его словам, ЯЭДУ будет обладать более высоким коэффициентом полезного действия, так как тепловая энергия реактора не будет направляться на разогрев газовой смеси.

В процессе работы над космической атомной установкой специалисты ФГУП «НИИ НПО «Луч» (Подольск) впервые в мире разработали промышленную технологию создания монокристаллических длинномерных трубок из тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавов. Данное изобретение позволяет изготавливать агрегаты двигателей, способных работать при температуре 1500 °C.

«Очень востребованные разработки»

Василий Петров рассказал, что достижения при разработке ЯЭДУ и ТЭМ позволят создать управляемый с Земли необитаемый космический аппарат, который сможет быстрее и эффективнее транспортировать различные грузы на другие планеты и выполнять функции межорбитального буксира. Сегодня для аналогичных целей используется разгонный блок «Фрегат».

«Надо понимать, что «Фрегат» — это одноразовый аппарат, расходующий гигантское количество топлива. После выполнения своей задачи он сгорает. Конечно, это недешёвое удовольствие. Гораздо экономичнее иметь в космосе многоразовое транспортное средство, которое человек будет использовать по необходимости, причём на протяжении десятков лет. Это будет по-настоящему революционная разработка», — пояснил Петров.

Также по темеФактор полного цикла: как Россия налаживает производство новейших спутников В России впервые создано предприятие, которое охватывает весь цикл производства модулей полезной нагрузки для перспективных…

Как полагает эксперт, ядерная энергодвигательная установка не несёт опасности для окружающей среды. Отработавший свой ресурс реактор может быть отправлен на «орбиту захоронения», куда уводятся аппараты после выхода из строя. Также Петров не исключает, что через десятки лет человечество изобретёт технологию утилизации ЯЭДУ.

«Создание компактных мощных ядерных реакторов и прогресс в системах охлаждения наверняка окажут серьёзный положительный эффект на развитие промышленности и экономики России. Это очень востребованные разработки в сфере энергетики, которые должны найти применение в самых разных сферах», — отметил Петров.

В беседе с RT военный эксперт Юрий Кнутов предположил, что ЯЭДУ и научно-технический прогресс, связанный с его изобретением, могут заинтересовать Минобороны РФ. По его мнению, технологический рывок, который совершили российские учёные, применим для совершенствования электромагнитного оружия, а также источников энергии для нужд ВКС и ВМФ.

«Ядерная энергия вполне может использоваться при разработке оружия с электромагнитным импульсом и как источник питания для различных средств разведки. Также эти наработки пригодятся для создания более эффективных и простых в эксплуатации морских силовых установок. Речь идёт о «вечном» ядерном реакторе с ресурсом на весь жизненный цикл атомной подлодки», — заявил Кнутов.

  • Подводный крейсер «Юрий Долгорукий»
  • РИА Новости

Эксперт также отметил, что в ближайшее время не стоит ожидать создания межпланетного корабля из-за невозможности на данный момент обеспечить 100%-ную защиту человека от солнечной радиации на расстоянии свыше 500 км от Земли. Кроме того, вспышки на Солнце будут пагубно влиять не только на экипаж, но и на электронику.

«Пока говорить о возможности создания корабля с ЯЭДУ преждевременно. Чтобы защитить экипаж, ему потребуется свинцовый корпус толщиной несколько метров. В итоге корабль будет громоздким и чрезвычайно дорогим. Конечно, никто в это вкладывать деньги не будет. Но прогресс не стоит на месте. С изобретением лёгкого прочного средства защиты перед Россией и человечеством откроются действительно невероятные перспективы», — резюмировал Кнутов.

Ядерные реакторы в космосе


После сообщения о начале сборки в России для космоса мощной ядерной энергетической установки (ЯЭУ), мне захотелось рассказать немного подробнее о прошлых таких установках. Ядерные реакторы применяются в космосе, когда там нужен компактный и мощный источник энергии, значительно более мощный, чем солнечные батареи или радиоизотопные генераторы (РИТЭГи). РИТЭГи неоднократно применялись в прошлых космических миссиях, как для работы сейсмографов на Луне или тяжелого марсохода на Марсе, так и для полетов к внешним планетам и даже дальше. О космических ядерных реакторах пишут обычно меньше. Поэтому важно понять их развитие в прошлые годы, о чем и пойдет речь ниже.

Первый подобный реактор начал создаваться в СССР в 60х годах. Он получил название «Ромашка». Реактор на быстрых нейтронах использовал в качестве топлива карбид урана. Он имел тепловую мощность 40 кВт, а электрическую до 800 Вт. Реактор предназначался для питания импульсных плазменных двигателей.

Первый наземный запуск этого реактора случился в 1964 году, а общие испытания закончились в 1965 году. В общей сложности во время наземных испытаний реактор проработал 15 тысяч часов и выработал 6.1 мвт/часов электроэнергии. После смерти Королева смелый проект закрыли. Наработки по проекту затем широко использовались для создания реактора «Гамма» — компактного источника энергии для отдаленных районов.

Одновременно и в США предприняли попытку создать подобную установку. Сперва был отработан компактный реактор SNAP-1, использующий церий-144. В общей сложности, он проработал во время наземных испытаний 2500 часов. Затем был создан урановый реактор. Реактор SNAP-10A был разработан компанией Боинг для ВВС и комиссии по ядерной энергетики США. Он также работал на быстрых нейтронах и использовал в качестве топлива U235. Тепловая мощность реактора составляла 40 кВт, электрическая только 500-650 Вт.

Для проверки безопасности реактора, в пустыне были проведены три теста с полным разрушением неработающего реактора, для имитации аварии во время запуска в космос. 3 апреля 1965 года реактор был запущен в космос, на орбиту высотой в 1300 км в составе спутника Snapshot общей массой 440 кг. Предполагалось, что реактор проработает до 1 года, и будет питать ионный двигатель. Первые 43 дня работы прошли нормально, и было принято решение на запуск ионного двигателя, который и привел к аварии. Запуск двигателя вызывал многочисленные статические пробои оборудования, в том числе и срабатывание механизма полного глушения реактора. После этой неудачи американцы надолго прекратили запуски подобных установок в космос.

Спутник Snapshot. Источник.

В тоже время в СССР было решено использовать ядерные реакторы для питания военных спутников радиолокационной разведки. Для этой цели был создан реактор на быстрых нейтронах БЭС-5 «Бук». Тепловая и электрическая мощность реактора составляла 100 и 3 кВт соответственно. Масса установки составляла 900 кг, масса топлива в нем около 30 кг, а всего космического аппарата 3800 кг. В реакторе использовалось два контура со смесью расплавленного натрия и калия. Первоначально ресурс работы составил 45 суток, затем он был увеличен до 150 суток.

Внешний вид спутника с ЯЭУ Бук. Источник.

Для работы спутник с ЯЭУ выводился на низкую околоземную орбиту с высотой около 200 км. Затем после завершения миссии, реакторный отсек с помощью твердотопливного двигателя переводился на орбиту захоронения с высотой до 1000 км. На орбите захоронения срок баллистического существования превышал 10 периодов полураспада ядерного топлива. Всего было запущено 32 таких спутника. В конце 80х годов было решено закрыть программу из-за нескольких аварий и активизации антиядерных движений после Чернобыльской аварии.

К этому времени в СССР успели испытать более мощную ЯЭУ, которая готовилась, как замена «Буков». Установка Топаз-1 имела более высокий КПД. Тепловая мощность реактора была понижена до 150 кВт, а электрическая наоборот повышена 5 кВт. Также была снижена масса урана в реакторе — до 11 кг. За счет увеличения электрической мощности реактора, было решено отказаться от сложной системы перехода с рабочей орбиты на орбиту захоронения. Теперь рабочая орбита была одновременно и орбитой захоронения.

В 1987 году были проведены два тестовых испытания в космосе, без бортового радиолокатора. В ходе первого испытания реактор проработал 142 суток, в ходе второго 342 суток. В обоих случаях окончание работы ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия, используемого при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Космический аппарат Плазма-А, на котором испытывалась ЯЭУ Топаз-1. Источник.

Сравнение ЯЭУ побывавших в космосе. Источник.

Параллельно велись работы и для использования ЯЭУ «Топаз» для электропитания геостационарных спутников связи в рамках проекта «Енисей». Для этой цели время работы установки было увеличено до 3 лет. Во время кризиса 90х годов США купили за 13 миллионов долларов две установки Топаз-2 из проекта Енисей, планируя их испытания в космосе в паре с ионными двигателями. Но из-за бюджетных ограничений в США, и этот проект попал под закрытие.

Также проводилась разработка еще более мощной ЯЭУ «Топаз-100/40» («Топаз-3»), также для геостационарных спутников связи. В режиме мощности 100 кВт ЯЭУ должна была обеспечить перевод космического аппарата с помощью электроракетных двигателей с начальной радиационно-безопасной орбиты (800 км) на геостационарную, а в режиме мощности 40 кВт – для питания целевой аппаратуры на геостационарной орбите в течение 7 лет.

Сравнение советских ЯЭУ. Источник.

Вероятно, «Топаз-3» и был взят за основу, при разработке новой российской ЯЭУ, с планируемой электрической мощностью до 1 МВт.

В тоже время и в США периодически вспыхивает интерес к ЯЭУ. В прошлом десятилетие NASA разрабатывало программу создания ЯЭУ для тяжелой межпланетной станции JIMO (орбитер для изучения спутников Юпитера). В ходе этого проекта предлагалось создать ЯЭУ электрической мощностью в 100 кВт, которая бы питала маршевые ионные двигатели. На программу успели потратить около 400 миллионов долларов из планировавшихся 16 миллиардов. Называемая причина закрытия связана с большими затратами на программу Созвездие.

Внешний вид аппарата JIMO. Источник.

Первые ядерные энергетические установки в космосе

Ядерная энергия в космосе имеет, по крайней мере, две принципиальные возможности применения – она может быть источником тепловой энергии рабочего тела (водорода) для создания тяги в ядерных ракетных двигателях или быть преобразованной тем или иным способом в электроэнергию и служить источником электропитания для различных бортовых и специальных нужд космического аппарата (в том числе и для питания электрореактивных ракетных двигателей).

Исторически эти два направления начали развиваться практически одновременно.

Начало работ над ядерными ракетными двигателями было положено в 1951 году И.И. Бондаренко, В.Я. Пупко и Д.И. Блохинцевым (ФЭИ). Работы проводились при поддержке министра А.П. Завенягина широкой кооперацией (НПО «Луч», ВНИИНМ, МЗП и др.) совместно со специализированными предприятиями С.П. Королева (ОКБ-1), В.П. Глушко (ОКБ-456), М.В. Келдыша (НИИ-1). В итоге они закончились наземными «огневыми» испытаниями опытных образцов ИРГИТ и ИВГ на площадке близ г. Семипалатинска на комплексе «Байкал». Эти испытания показали весьма обнадеживающие результаты.

С 1956 года по инициативе А.И. Лейпунского и И.И. Бондаренко кооперацией предприятий министерств среднего и общего машиностроения были начаты работы по изучению возможности применения в составе космических аппаратов (КА) ядерных энергетических установок (ЯЭУ), вырабатывающих электроэнергию. Космические ЯЭУ (КЯЭУ), как источники электропитания, рассматривались как с машинным преобразованием тепловой энергии в электрическую (с динамическими преобразователями на основе термодинамических циклов Брайтона и Ренкина), так и с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую (со статическими преобразователями – термоэлектрическими и термоэмиссионными).

В начале 1960-х годов на предприятиях Министерства среднего машиностроения – в Институте атомной энергии (ныне НИЦ «Курчатовский институт»), Физико-энергетическом институте, Сухумском физико-техническом институте, Подольском научно-исследовательском технологическом институте, ОКБ «Заря» и затем в Научно-производственном объединении «Красная Звезда» и Центральном конструкторском бюро машиностроения были развернуты работы по прямому преобразованию тепловой энергии ядерного реактора в электричество для космических применений с использованием термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей.

Интерес к этим работам был обусловлен тем, что подобные методы преобразования тепловой энергии в электричество принципиально упрощают схему энергетических установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать более компактные и легкие энергетические установки в диапазоне электрических мощностей от единиц до нескольких сотен киловатт.

Работы подогревались сообщениями из США о начале разработок реакторов с термоэлектрическими, термоэмиссионными и машинными схемами преобразования энергии для космических применений (установки SNAP-2, SNAP-8, SNAP-10, SNAP-10а и другие) для различных космических задач.

Первыми реакторными космическими установками в США, разработка которых была поручена фирме Atomic International (руководители разработки Н. Dieckamp, R. Balent и J. Wetch), явились SNAP-2, SNAP-8 с системой преобразования по циклу Ренкина на ртути электрической мощностью 3,0 и 35 кВт соответственно. Для установки SNAP-2 был разработан компактный ядерный реактор с гомогенной уран-гидридциркониевой активной зоной, охлаждаемой Na–К-теплоносителем с бериллиевым отражателем. Ресурс установки должен превышать 1 год при массе установки без защиты 750 Lb (340 кг). Ввиду технической сложности отработки и проблем с коррозией установка не была доведена до практического использования в космических программах, а созданный компактный реактор этой установки был применен в разрабатываемой с 1961 года фирмой Atomic International первой в мире реакторной установке SNAP-10a с термоэлектрической системой преобразования энергии на основе кремний-германиевых полупроводниковых элементов электрической мощностью 0,5 кВт, выведенной в космос в апреле 1965 года. Впоследствии в 1967 году все работы по поставке оборудования для реакторных установок SNAP в США были прекращены с целью концентрации средств на лунную программу.

В СССР наибольшее развитие получили КЯЭУ прямого преобразования энергии с термоэлектрическими и термоэмиссионными преобразователями. После выхода соответствующих постановлений правительства в 1961 году были начаты работы по созданию КЯЭУ «Бук» с термоэлектрическими преобразователями и КЯЭУ «Топаз» с термоэмиссионными преобразователями в составе КА радиолокационной разведки «УС-А» и «Плазма».

Первой реакторной установкой с термоэлектрическим преобразованием тепла ядерного деления в электрическую энергию была ЯЭУ «Ромашка», пущенная в виде наземного образца в Институте атомной энергии 14 августа 1964 года. ЯЭУ «Ромашка» успешно проработала около 15000 ч. Ее термоэлектрический генератор из полупроводникового кремний-германиевого сплава располагался на внешней поверхности радиального отражателя реактора на быстрых нейтронах.

Апофеозом ядерной космической программы СССР стал физический пуск в 1972 году в Семипалатинске уникального реактора ИВГ-1 для исследования физических и энергетических параметров будущих космических аппаратов (в настоящее время реактор ИВГ-1 принадлежит Национальному ядерному центру республики Казахстан). За последующие годы на нем было проведено множество экспериментов, результаты которых существенно опередили аналогичные исследования по программам ядерных ракетных двигателей (ЯРД) в США и стали фундаментом для дальнейшего развития этого уникального направления.

Логическим развитием НИОКР по ЯЭУ «Ромашка» стало создание кооперацией предприятий НПО «Красная Звезда», ФЭИ, СФТИ и др. отечественной термоэлектрической КЯЭУ «Бук» мощностью около 3 кВтЭЛ, которая эксплуатировалась на искусственных спутниках Земли серии «Космос» в течение 1970-1988 гг.

В КЯЭУ «Бук» использовался малогабаритный реактор на быстрых нейтронах, активная зона которого содержала 37 стержневых твэлов, размещенных в плотной упаковке в тонкостенном корпусе размером «под ключ» 140 мм. В качестве топлива использовался высокообогащенный уран-молибденовый сплав. Загрузка урана-235 составляла около 30 кг. В боковом отражателе из бериллия размещались продольно перемещаемые стержни регулирования из бериллия, стянутые стальной лентой. При сходе спутника с орбиты и попадания в плотные слои атмосферы эта лента должна перегореть, обеспечивая развал отражателя и сгорание твэлов.

ТЭГ имел две независимые секции: основную – для питания потребителей космического аппарата и вспомогательную – для питания электромагнитного насоса, обеспечивавших прокачку теплоносителя по обоим контурам ЯЭУ. В ТЭГ использовались двухкаскадные термоэлектрические элементы: высокотемпературные – из кремний-германиевого сплава и низкотемпературные – из свинец-теллурового сплава. Ресурс КЯЭУ «БУК» в процессе эксплуатации был увеличен до 4400 ч. Удельная масса ЯЭУ составляла около 300 кг/кВтЭЛ.

Радиационная безопасность КЯЭУ «Бук» обеспечивалась двумя системами: основной – для увода ЯЭУ на орбиту длительного существования и дублирующей – основанной на аэродинамическом диспергировании топливной композиции с продуктами деления и других материалов с наведенной активностью в верхних слоях атмосферы Земли в случае отказа основной системы.

К 1970 году был закончен основной объем научных исследований, изготовлены первые опытные образцы и проведены наземные сдаточные испытания ЯЭУ «Бук». Натурные наземные и летно-космические испытания и эксплуатация ЯЭУ в составе КА проводились с 1970-го по 1988 гг. Всего за период эксплуатации было осуществлено 32 запуска в космос.

В 1975 году КЯЭУ «БУК» в составе космического аппарата радиолокационной разведки УС–A (RORSAT — по американской терминологии) была принята на вооружение.

За работы по КЯЭУ «Бук» Государственной премией были отмечены В.А. Кузнецов и В.Д. Банкрашков (ФЭИ), И.М Вишнепольский и И.И. Вошедченко (НПО «Красная звезда»), И.Г. Гвердцители (СФТИ), С.Ф. Фарафонов (ОКБ-12).

Первой космической ядерной энергетической установкой с термоэмиссионным преобразованием энергии, разработанной НПО «Красная Звезда» и ФЭИ, является ЯЭУ «Топаз».

В КЯЭУ «Топаз» была применена одноконтурная система теплоотвода с натрий-калиевым теплоносителем, включавшая холодильник-излучатель, являвшийся одновременно частью силовой конструкции ЯЭУ. Система подачи паров цезия обеспечивала прокачку пара через межэлектродный зазор ЭГК.

Компактная активная зона КЯЭУ «Топаз» имела размеры: диаметр – 28 см, высота – 36 см и включала 79 электрогенерирующих каналов (ЭГК) и четыре диска замедлителя из гидрида циркония. ЭГК вместе с каналами охлаждения располагались в отверстиях дисков замедлителя. ЭГК электрически соединены в рабочую и насосную секции. Коммутация ЭГК рабочей и насосной секции осуществлялась в двух торцевых коммутационных камерах в парах цезия таким образом, чтобы напряжение на клеммах КЯЭУ составляло около 32 В. Насосная секция обеспечивала необходимый электрический ток (около 1200 А) для питания кондукционного электромагнитного насоса.

Функции регулирования тепловой мощности, компенсации реактивности и аварийной защиты выполняли расположенные в боковом отражателе 12 поворотных цилиндров из бериллия с секторными накладками из карбида бора, разбитые на четыре группы по три цилиндра. Каждая группа управлялась своим приводом.

Радиационная безопасность при проведении двух испытаний в космосе обеспечивалась выводом ЯЭУ на орбиту длительного существования. Удельная масса установки – 200 кг/кВтЭЛ.

Вариант термоэмиссионной установки «Топаз», разрабатывавшийся в ГП «Красная Звезда» и ФЭИ, с многоэлементными ЭГК с меньшим требуемым ресурсом прошел наземные межведомственные испытания и был испытан в составе двух космических аппаратов серии «Космос-1818» и «Космос-1867» с ресурсом 0,5 и 1,0 год.

Это были первые в мире испытания в космосе термоэмиссионных ядерных энергоустановок.

В ходе летно-космических испытаний (ЛКИ) была подтверждена правильность основных концептуальных решений, принятых при разработке КЯЭУ «Топаз». Результаты ЛКИ подтвердили надежность работы КЯЭУ «Топаз» при действии факторов космических условий и возможность использования таких установок в качестве бортовых источников электропитания с уровнем выходной электрической мощности, превышавшим уровень мощности КЯЭУ «Бук».

За эту разработку ряд специалистов ФЭИ, НПО «Красная звезда», ВНИИНМ и других организаций были удостоены Государственной премии в 1972 и в 1992 гг.

Кроме создания КЯЭУ «Топаз», в СССР в 1960-х годах проводились НИОКР, закончившиеся успешными испытаниями наземного образца реактора-преобразователя (РП) на базе одноэлементного ЭГК ЯЭУ «Енисей». Принципиальное отличие ЯЭУ «Енисей» от КЯЭУ «Топаз» заключается в том, что конструкция одноэлементного ЭГК позволяла провести внешнюю коммутацию ЭГК и электроизоляцию в реакторе-преобразователе вне паров цезия, проверку электрических цепей после сборки реактора, испытания РП с помощью эмиттерных электронагревателей при проектной тепловой мощности и загрузку топливом на полностью собранной установке.

Начиная с 1974 года завод «Двигатель» (г. Таллин) выпускал полномасштабные опытные образцы реакторных блоков, на которых проводились теплофизические, электроэнергетические, прочностные, позднее и ядерные энергетические испытания. Этап сборки реакторного блока завершался в ЦКБМ на стенде «Байкал» — специальном стенде, на котором проводилась термовакуумная обработка систем и их заправка теплоносителем и газами.

К 1988 году установка «Енисей» прошла полный цикл наземных испытаний, необходимых перед этапом летных конструкторских испытаний (ЛКИ) в составе КА, подтвердив требуемые по ТЗ параметры и ресурс 1,5 года с возможностью достижения ресурса не менее 3 лет. Однако в 1988 году вследствие экономических трудностей в стране, перестройки экономики и реакции на аварию на Чернобыльской АЭС разработка космического аппарата была прекращена и, соответственно, прекратилось финансирование работ по КЯЭУ «Енисей».

Установки «Бук», «Топаз» и «Енисей» составили первое поколение отечественных космических ЯЭУ. Они доказали принципиальную возможность использования атомной энергии в космосе.