Комментариев: 007.10.2011

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ И КОСМОС

В этом году «ГНЦ РФ – ФЭИ» отметил 40-летие начала наземных энергетических испытаний реактора-преобразователя «ТОПАЗ» и запуска в космос ЯЭУ «БУК», ознаменовавших начало эры космической атомной энергетики. На ФЭИ была возложена роль научного руководителя при создании и испытаниях ЯЭУ «ТОПАЗ». Спустя сорок лет идея атомного ракетного двигателя обретает второе дыхание.

Татьяна ДЕВЯТОВА

Первым ядерным реактором, применённым на космическом аппарате, был американский SNAP-10A (System of Nuclear Auxiliary Power) на борту аппарата Snapshot массой 440 кг, запущенный 3 апреля 1965 г. ракетой-носителемАтлас. Реактор был разработан компанией Boeing по заказу ВВС и Комиссии по атомной энергии США. Реактор на тепловых нейтронах использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора составляла около 40 кВт. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем составляла от 500 до 650 Вт. Реактор проработал 43 дня.

Советский термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был впервые запущен в Институте атомной энергии («Курчатовский институт») 14 августа1964 г. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт и использовал в качестве топлива карбид урана. Термоэлектрический преобразователь на кремний-германиевых полупроводниковых элементах выдавал мощность до 800 Вт. Сергей Павлович Королёв намеревался использовать «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года уже после смерти Королёва, но реактор так и не был использован в космосе.

Следующая ядерная энергетическая установка БЭС-5 «Бук» была использована на спутнике радиолокационной разведки «УС-А». Первый аппарат этой серии был запущен 3 октября1970 г. с Байконура («Космос-367»). Сам «Бук» разрабатывавался с 1960 г. в НПО «Красная Звезда». В состав установки входил реактор на быстрых нейтронах БР-5А с тепловой мощностью 100 кВт. В качестве топлива использовался уран, в качестве теплоносителя — калий-натриевый расплав. От установки с выходной электрической мощностью 3 кВт питался бортовой радиолокатор бокового обзора. Всего с 1970 по 1988 г. было запущено 32 КА с этой установкой.

Следующей советской космической ядерной энергетической установкой стала ТЭУ-5 «Тополь» («Топаз-1»), впервые выведенная на орбиту 2 февраля 1987 г. в составе экспериментального КА «Плазма-А» («Космос-1818»). Работа над «Топазом» велась с 1960-х гг. Наземные испытания были начаты в 1970 г. Топливом в реакторе служил диоксид урана с 90% обогащением, теплоносителем калий-натриевый расплав. Реактор имел тепловую мощность 150 кВт, причём количество 235U в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук».

В «Топазе» использовался термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую. Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6,6 кВт. При расчётном ресурсе в один год, уже на втором КА «Плазма-А» («Космос-1867») «Топаз» проработал более 11 месяцев.

Реактор-преобразователь «Енисей» предназначался для работы в составе спутника телевизионного вещания «Экран-АМ», но этот проект был закрыт. Изделие представляло собой реактор, в активной зоне которого находились не традиционные тепловыделяющие элементы, а интегральные электрогенерирующие каналы. Они представляли собой «таблетки» диоксида урана, обогащённого до 96%, катод, анод, цезиевый канал и всю остальную «обвязку». Тепловая мощность «Енисея» была порядка 115-135 кВт, электрическая мощность 4,5-5,5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав.

В 1992 г. США приобрели в России две ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2»). Один из реакторов предполагалось использовать в 1995 г. в «Космическом эксперименте с ядерно-электрической ДУ» (Nuclear Electric Propulsion Spaceflight Test Program). Однако в 1993 г. из-за сокращения бюджета было решено ограничиться только наземными испытаниями, а в 1996 г. проект был закрыт.

Возрождение космической атомной энергетики

Сегодня, в условиях модернизации и перехода на инновационный путь развития, космическая атомная энергетика снова становится актуальной. «Роскосмос» совместно с «Росатомом» предлагают разработать проект космического корабля, оснащенного ядерным ракетным двигателем мощностью более мегаватта для полетов к Луне и Марсу.

На Международном астронавтическом конгрессе-2010 глава ФКА «Роскосмос» А.Н.Перминов заявил о том, что «попытки улучшить характеристики существующих двигательных систем бесперспективны…Сколько бы специалисты всего мира по ракетным двигателям не трудились, возможный максимальный эффект будет исчисляться долями процентов. Из существующих ракетных двигателей, будь это жидкостные или твердотопливные, "выжато" все, и попытки увеличения тяги, удельного импульса просто бесперспективны". Значительное увеличение этих параметров способны обеспечить только ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ).

"ЯЭДУ дают увеличение в разы. На примере полета к Марсу - сейчас надо лететь 1,5-2 года туда и обратно, а можно будет слетать за 2-4 месяца. Альтернатива таким двигательным установкам может появиться только в будущем. На сегодняшний день в науке таких альтернатив нет".

На создание и испытания транспортной космической системы с ядерным двигателем, по мнению Перминова, потребуется 17 млрд рублей и девять лет работы. На эскизный и технический проекты ЯЭДУ с изготовлением и испытанием агрегатов и систем необходимо 3 млрд рублей, еще 250 млн - на эскизный проект транспортно-энергетического модуля (ТЭМ). 4,5 млрд рублей требуются на наземную отработку ЯЭДУ. Наиболее затратным этапом (9 млрд) является создание ТЭМ на основе ЯЭДУ. Сюда входят наземные и летные испытания транспортно-энергетического модуля.

Генеральный конструктор, президент ракетно-космической корпорации «Энергия» Виталий Лопота на заседании Межведомственной рабочей группы по инновационному законодательству при администрации  Президента РФ сообщил о том, что летный вариант космической платформы с ядерной энергетической  установкой Россия может иметь к 2015-2018 гг.                

В.Лопота представил также концепцию универсального космического аппарата военного назначения, подготовленную российскими ракетными инженерами. Это будет аппарат с ядерной энергетической установкой мощностью 150-500 мВт. Он позволит наблюдать за территориями и воздушным пространством, обеспечивать информационное превосходство, в том числе, и в ходе вооруженных конфликтов, а также преимущество в указании целей и управлении. «Он также будет способен решать и задачи поражения». По расчетам специалистов, масса такого КА составит порядка 20 тонн, ресурс - 10-15 лет.

В 2011 г. планируется начать работу по созданию стандартизированных модулей атомных силовых установок для космических аппаратов. Первые запуски реакторов мощностью от 150 до 500 кВт надеяться осуществить в 2020 г.

Разработка ядерных энергосистем мегаваттного класса для пилотируемых космических кораблей имеет решающее значение для сохранения конкурентоспособности России в космической отрасли, в том числе, в исследованиях Луны и Марса. Корпорация "Энергия" работает также над концепцией атомного космического буксира, который позволит более чем в два раза сократить количество расходов на выведение грузов на орбиту.

Российские специалисты утверждают, что они готовы завершить строительство первого такого космического корабля уже в 2012 г. Таким образом, можно утверждать, что стратегический потенциал в области космической атомной энергетики в России сохранился.

На встрече с ведущими российскими учеными в области космонавтики в октябре 2009 г.  президент РФ Дмитрий Медведев дал зеленый свет строительству космического корабля с ядерной силовой установкой и пообещал для финансирования этих работ найти 600 млн долл. В своем распоряжении от 29.12.2009 г. Правительство РФ планировало выделить в 2010 г. 500 млн рублей на проект создания космического корабля с ядерным двигателем. Из этой суммы на "создание транспортно-энергетического модуля на основе ЯДЭУ мегаваттного класса" «Росатом»  должен получить 430 млн рублей, «Роскосмос» - 70 млн рублей.                  

 Анатолий Коротеев, директор Центра им. Келдыша, которому поручена разработка ЯДЭУ для длительных космических полетов, сообщил, что в случае утверждения и финансирования, проект может быть реализован к 2018 г.: 2012 г. отводится на разработку технического проекта и компьютерное моделирование всей системы, в 2015 г. может быть произведена отработка ядерной двигательной установки, а в 2018 г. можно будет приступить к созданию модуля.

Реализация проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерных энергодвигательных установок мегаваттного класса» потребует, как и в советские времена, кооперации многих организаций. За «Росатомом» закреплено направление, касающееся разработки реакторной установки для транспортно-энергетического модуля. Головным разработчиком модуля является ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша»,  генеральным конструктором - РКК «Энергия».  Соисполнители – ОАО «НИКИЭТ». ФГУП «НИИ НПО «Луч», ФГУП «ГНЦ РФ ФЭИ», РНЦ «Курчатовский институт» и другие. Проект реализуется в рамках президентской программы по модернизации и технологическому развитию экономики России. Уже утверждено техническое задание на разработку реакторной установки ЯДЭУ и транспортно-энергетического модуля. Выбран тип реактора – высокотемпературный, газоохлаждаемый, на быстрых нейтронах, мощностью 3-3,5 МВт (тепловых). Реализация проекта обеспечит снижение стоимости выведения полезного груза на окололунную орбиту в два раза по сравнению с жидкостными ракетными двигателями.

Советские ядерные двигатели малой мощности

Идея применения ядерных двигателей на космических аппаратах не нова. Решение о разработке ядерных ракетных двигателей в СССР в 1960-е гг. принимали еще академики Келдыш, Курчатов и Королев.

Данные разработки велись не только в России, но и в США, с прицелом на создание нового вооружения. На орбитах работало немало спутников радиолокационной разведки, оснащенных подобными двигателями малой мощности, которые, в частности, следили за подводными лодками с ядерными энергоустановками на борту. Позже были достигнуты договоренности о запрете полетов спутников с такими двигателями, но для международной экспедиции к Луне и Марсу в исследовательских целях соглашения, по мнению инициаторов проекта, могут быть пересмотрены.

СССР накопил большой опыт в этой области и в течение трех десятилетий запустил на космическую орбиту более трех десятков спутников-разведчиков.

«У идеи космического полета с силовой ядерной установкой отличные перспективы, и если Россия сможет совершить прорыв в этой области, то она станет в будущем главным участником любых международных программ по исследованию глубокого космоса», считает эксперт в области космонавтики А.Ионин. Прорыв в области ядерных силовых установок смог бы вернуть Россию в первые ряды стран, занимающихся космическими исследованиями. Это также сделало бы Россию незаменимым партнером в будущих международных космических программах. На фоне продвижения США в области реализации программы следующего поколения космических челноков, а также запуска ракеты Ares 1-X, Россия могла бы воспользоваться плодами победы в этой области.

Американские проекты ракет на ядерном приводе

В 1958 г. американская коорпорация «General Atomics», занимавшаяся коммерческими ядерными реакторами, начала работу над проектом "Orion", нацеленным на создание ракеты на ядерном приводе для межзвездных путешествий.  В ноябре 1959 г. ученые испытали опытный образец двигателя на стометровой высоте. Несмотря на обнадеживающие результаты, NASA отказазалось от их использования. Работа над проектом "Орион" продолжалась до 1963 г., до момента подписания договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере.

По проекту NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, начало в 1956 г.) предполагалось построить два пилотируемых корабля с ЯРД, которые в начале 1980-х гг. доставили бы 12 американских астронавтов на Марс и возвратили их назад на Землю. В ходе реализации проекта были опробованы модели экспериментальных ядерных реакторов Kivi, Phoebus, PEWEE и NF-1. В 1968 г. состоялись стендовые испытания прототипа ракетного мотора XE Prime мощностью 1100 МВт. Однако в 1972 г. программу закрыли, сочтя ее чересчур дорогой и практически ненужной.

В последней четверти XX века NASA больше не занималось разработкой ЯРД. К идее ЯРД NASA вернулось в 2003 г. Новый проект назвали «Prometheus». На первой стадии его реализации должны быть получены экспертные оценки возможности создания компактного реактора для питания электроракетных двигателей нового поколения.

Российские ядерно-энергетические установки

Россия в этом направлении продвинулась намного дальше остальных стран. Детально разработана конструкция российских межпланетных кораблей. Ядерный ракетный двигатель в СССР был реально построен и испытан, а число спутников серии «Космос» с ядерными энергетическими установками перевалило за три десятка.

Работы по созданию КАЭС для мощных радиотехнических спутников - космических радиолокационных станций и телетрансляторов - продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 г. в космос было запущено около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками „Бук“ с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два — с термоэмиссионными установками „Топаз“. „Бук“ - это  быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащённого урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом — эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт. Временной ресурс — 1–3 месяца.

Установку „Бук“ под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670, а затем — НПО „Красная звезда“. Ракету-носитель для вывода спутника на орбиту разрабатывал КБ „Южмаш“.

В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке „Топаз“ использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг. Основой реактора были тепловыделяющие элементы —цепочки термоэлементов: катод — „напёрсток“ из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод — тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.

Первый лётный образец — спутник „Космос-1818“ с установкой „Топаз“ вышел на орбиту 2 февраля 1987 г. и безотказно проработал полгода. Второй спутник — „Космос-1876“ был запущен через год. Он отработал на орбите в два раза дольше.

 «Буки» и «Топазы» использовались при создании всепогодной системы наблюдения за надводными целями на всей акватории мирового океана и выдачи целеуказания с передачей на носители оружия или командные пункты - система морской космической разведки и целеуказания (МКРЦ) «Легенда» (1978 г.). МКРЦ “Легенда” включала два типа космических аппаратов: спутник с бортовой радиолокационной станцией и ядерной энергетической установкой «УС-А», а также спутник с космической станцией радиотехнической разведки «УС-П», оснащенный солнечной энергетической установкой.

ЯЭУ «Бук» использовалась для питания бортовой радиолокационного комплекса, обеспечивавший обнаружение и сопровождение морских целей в любую погоду и время суток, входящего в состав КА «УС-А». Последний пуск космического аппарата типа «УС-А» состоялся в 1988 г. Из-за запрета использования КА с ЯЭУ на низких орбитах производство КА типа «УС-А» было прекращено.

В конце 1980-х гг. ПО «Арсенал» разработало и провело летно-конструкторские испытания экспериментального КА «Плазма-А» с новой ядерной энергоустановкой «Топаз». Высокий КПД и другие уникальные свойства этой ЯЭУ позволяют удовлетворить самые высокие требования к будущим космическим системам. Достигнутый в орбитальных космических полетах годовой ресурс бортовых ЯЭУ стал мировым рекордом, долгое время принадлежавшим нашей стране.

Сообщение о разработке советской ядерной энергетической установки «Топаз» (рис. 1) на симпозиуме по космической энергетике в США и Международной конференции по атомной энергии в Женеве в 1971 г. стало для американских специалистов полной неожиданностью. Создание подобной энергетической установки открыло важную страницу в использовании атомной энергии для длительных межпланетных полетов.

Рис.    1.    Энергетический   модуль бортовой ЯЭУ:

1 - реактор с блоками гидридциркониевого замедлителя
2, 6 - блок радиационной защиты
3, 9, 12 - силовая рама несущей конструкции

4 – распределительный механизм исполнительных  органов  СУЗ

5 – газовая емкость (бак для гелия)

7, 8 - приводы органов автоматического управления реактором и
регулирующих стержней системы ядерной безопасности
10 - компенсационный   бак

11 - электромагнитный   насос   жидкометаллического контура системы охлаждения

В работах по созданию отечественных космических ЯЭУ, принимал участие ЦНИИ конструкторских материалов «Прометей» как ведущий научный центр в области реакторного материаловедения.

Материалы для «Топаза»

Работы по научно-техническому сопровождению и материаловедческому обеспечению проекта проводились под научным руководством академика И.В.Горынина. Ведущими исполнителями работ были Ю.И.Звездин, Н.Н.Грибов, А.Я. Борисов, Ю. В. Соломко, В. А. Яковлев, И. Н. Синяков, И. А. Повышев и многие другие специалисты.

Об исследованиях в области конструкционных материалов для КЯЭУ рассказываtт группа специалистов ЦНИИ КМ «Прометей»:  И.А.Повышев, И.Н.Синяков.

С целью проработки конструкторских и технологических решений для создания опытных образцов космических ЯЭУ был выполнен цикл исследований по разработке и промышленному освоению высокотехнологичных основных и сварочных материалов с комплексом свойств, отвечающих требованиям эксплуатации космической техники. Были проведены фундаментальные научные исследования по обеспечению работоспособности и эксплуатационной надежности конструкционных материалов, в том числе, коррозионно-механические, прочностные и тепловые расчеты применительно к условиям эксплуатации ядерного транспортно-энергетического модуля орбитальных и межпланетных космических аппаратов.

Были решены задачи по созданию, освоению промышленного производства и аттестации конструкционных сталей и сплавов для базовых систем бортовых реакторных установок, в том числе, вопросы комплексной радиационной защиты и ядерной безопасности всей космической ЯЭУ. Решены проблемы совместимости материала оболочек ТВЭЛ активной зоны с топливной композицией и гидридциркониевым замедлителем, вопросы обеспечения эксплуатационной надежности исполнительных механизмов СУЗ органов управления реактором и высокотемпературных электромагнитных насосов для прокачки жидко-металлического теплоносителя. Проведена оценка ресурсных характеристик силовых несущих конструкций, подшипниковых узлов трения в вакууме и других бортовых технологических систем всей структурно-функциональной схемы реакторного, агрегатного и приборного отсеков.

Экстремальные условия эксплуатации

Задача по созданию требуемых конструкционных материалов осложнялась экстремальными условиями работы реакторного и технологического оборудования в составе космической ядерной энергетической установки (КЯЭУ). Необходимо было разработать и освоить высокотехнологичный свариваемый материал, обеспечивающий:

- требуемую работоспособность в условиях длительного взаимодействия с жидкометаллическим теплоносителем (эвтектическим сплавом 78%Na и 22%К),
- высокое сопротивление ползучести,
- низкие водородопроницаемость и испаряемость при рабочих температурах (до 700^оС) в условиях космического вакуума.

В связи со сжатыми сроками, отведенными на создание космических ЯЭУ, приходилось совмещать лабораторные исследования с промышленным освоением материалов наиболее перспективных композиций. В результате проведенных опытно-промышленных работ на предприятиях страны был освоен целый ряд марочных коррозионно-стойких сталей и сплавов, отвечающих требованиям космической техники: ЭИ-484 (08Х14Н14В2М2-ВД). ЭП-485 (12Х15Н28В2М4Б-ВД), ЭП-486 (Х20Н72М4БЮ-ВД) и ЭП-502 (10Х18Н10Т-ВД).

 Наиболее широкое применение в сварных конструкциях КЯЭУ нашла хромоникелевая сталь аустенитного класса марки ЭП-502 вакуумно-дуговой выплавки, обладающая хорошей свариваемостью, обеспечивающая высокую технологическую прочность металла шва при всех видах сварки тонкостенных элементов и узлов бортового оборудования. При этом основной металл и сварные соединения соответствовали всем требованиям по уровню длительной прочности и ползучести, а также радиационной стойкости в условиях реакторного облучения и воздействия коррозионно-активных рабочих сред жид-кометаллического контура системы охлаждения энергетического модуля (рис. 1).

 Исследования водородопроницаемости конструкционных материалов показали, что использование современных материаловедческих подходов достаточно надежно обеспечивает высокую работоспособность тонкостенных стальных оболочек чехлования тепловыделяющих и гидридных сборок с предельно низкой утечкой водорода из высокотемпературных металлогидридных систем (гидридциркониевый замедлитель нейтронов, блок радиационной зашиты из гидрида лития и др.) бортовой реакторной установки.

Наряду с работами по созданию коррозионно-стойких свариваемых сталей и сплавов для энергетического модуля КЯЭУ были выполнены исследования по выбору жаропрочных конструкционных материалов для высокотемпературной части реакторного блока. Для обеспечения надежного питания бортовой аппаратуры и стабильности выходных характеристик электрогенерирующего канала, работающего в условиях воздействия высоких температур (до 1600^оС), глубокого вакуума и нейтронного облучения, были разработаны и освоены промышленностью перспективные композиции на основе сплавов молибдена, ниобия и вольфрама (сплавы типа СМ, СБ, СВ). Полученные материалы нашли применение в космической ядерной энергетике при создании новых поколений бортовых АЭУ.

Большинство исследовательских разработок и научно-технических решений, полученных в ходе этих пионерских работ, выполненных на уровне лучших мировых достижений, были защищены патентами и авторскими свидетельствами СССР и РФ. Выполненный специалистами «Прометея» сложнейший комплекс работ по научно-техническому сопровождению и материаловедческому обеспечению создания первых в мире КЯЭУ транспортного назначения, стал серьезным вкладом российских ученых-материаловедов в решение задачи по технологическому освоению космоса, включая и предстоящие пилотируемые полеты на Луну и к Марсу.

В статье использованы материалы с сайтовмашиностроительного завода «Арсенал», AtomInfo.Ru (интервью Ю.С.Юрьева), «Новости космонавтики», Пресс-службы ГНЦ РФ-ФЭИ, БГ-Знание.Ру (Ю. Я. Ставиский) и др. СМИ, НТЖ «Вопросы материаловедения» №2 (42)ЦНИИ.