ГлавнаяЗродников А. В. → «Полезный груз»

Зродников Анатолий Васильевич

Руководитель ВНИИАЭС по научному развитию, член коллегии старейшин при президиуме НТС «Росатома». В 1996-2010 г.г. - директор ФЭИ. Доктор физико-математических наук. В прошлом - участник советской космической ядерной программы.

«Полезный груз»


Я окончил Московский энергетический институт. По результатам сдачи экзаменов и защиты диплома попал в первую пятерку, которой предлагался полный перечень мест, куда требовались молодые специалисты, и право выбора любого из этих мест. Воспользовавшись этим правом, я и выбрал ФЭИ. А там меня ждал подарок судьбы: я был зачислен в подразделение направления АН-7 «Космическая ядерная энергетика», которой я и посвятил более полувека своей научной деятельности.

В годы холодной войны и гонки вооружений США пытались реализовать в космосе свою стратегическую оборонную инициативу, а Советский Союз стремился ​уравновесить ситуацию. В то время проблема компактных и емких бортовых энергоисточников для решения серьезных задач в космосе встала во весь рост. Морской разведке нужны были четкие изображения из космоса. Разрешение радиолокационного изображения обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта — ​чем больше расстояние, тем хуже картинка. Нужное разрешение достигалось аппаратурно, за счет электроники. С ней были сложности. Космос — ​крайне неприятная среда для деликатной электроники со сверхчистыми материалами. Высокоэнергетические частицы, космическая радиация повреждали и быстро выводили приборы из строя. Частично компенсировать недостатки изображения можно было за счет более мощного источника питания для радара. Ученые предложили сверхкомпактный, надежный и, что особенно важно, самый энергоемкий и самый мощный из известных сегодня — ​ядерный реактор деления, специально спроектированный для работы в условиях глубокого космического вакуума и микрогравитации.

Ядерный космос начался с американцев. 3 апреля 1965 года они запустили SNAP‑10A. Это первый космический реактор, а также первая — ​и единственная — ​американская ядерная энергетическая установка, побывавшая в космосе. Она имела мощность 500 Вт при массе около 500 кг и проработала на околоземной орбите 43 дня. В дальнейшем космическая программа США была полностью переориентирована на РИТЭГи — ​радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Действие этих устройств основано на использовании энергии от спонтанного распада тяжелых ядер. А мы в том же году запустили свой корабль. Борт без ядерной энергоустановки, с химическим источником тока. Мы вели наземную отработку элементов ЯЭУ и сначала стремились испытать в космосе основную систему, то есть бортовой комплекс с радаром, способным глобально контролировать акваторию Мирового океана. Отлаживалась часть, которая называлась «полезный груз».

Первым советским спутником с термоэлектрической ЯЭУ был УС-А системы морской космической разведки и целеуказания, выведенный на околоземную орбиту в октябре 1970-го. Ядерная энергоустановка называлась БЭС‑5 БУК. Она содержала реактор на быстрых нейтронах тепловой мощностью 80 кВт и двухсекционный термоэлектрогенератор суммарной электрической мощностью около 5 кВт. Масса всей установки вместе с теневой защитой приборного отсека - ​около 1 т, габариты — ​4,5 м в длину, 1,2 м в диаметре. Размещалась она в носовой части корабля. Свыше 30 запусков космических аппаратов серии УС-А были осуществлены с 1970 по 1987 год. Сегодня Россия - практически единственная в мире страна, имеющая серьезный опыт создания и эксплуатации космических ЯЭУ.

Есть два основных типа космических ЯЭУ: ядерные электроэнергетические и ядерные энергодвигательные. Расскажу о первом типе. Наиболее известная космическая ЯЭУ БУК содержит компактный малогабаритный реактор, в активной зоне которого поддерживается цепная реакция деления ядер урана. Осколки деления, разлетаясь в стороны, тормозятся в среде, при этом их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию нагретой активной зоны реактора. Тепловая энергия с помощью теплоносителя отводится от активной зоны и доставляется в преобразователь, где переходит в электрическую с помощью термоэлектрогенератора. В двух контурах установки, реакторном и излучательном, между которыми располагаются батареи термоэлектрического генератора, циркулирует жидкометаллический натрий-калиевый теплоноситель, прокачиваемый по контурам сдвоенным электромагнитным насосом. Циркуляция теплоносителя организована таким образом, что горячий теплоноситель реакторного контура омывает горячие спаи батарей, а холодный теплоноситель излучательного контура — ​холодные спаи батарей, и тепловой поток через термоэлектрический генератор направлен от горячих спаев к холодным. Генератор обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. При разности температуры на спаях возникает электродвижущая сила, при замыкании на нагрузку в цепи протекает электрический ток.

Как обеспечивалась безопасность ЯЭУ? Конечно, такая установка может применяться только на необитаемом аппарате: нет круговой бетонной защиты, как на стационарных ядерных реакторах, т.к. бетон просто не поднять на орбиту. Но она там и не нужна, потому что в космосе нет атмосферы, а это означает, что нейтроны, которые вылетают из реактора в вакуум, не тормозятся и не рассеиваются. Достаточно так называемой теневой защиты.

На стартовой позиции и в процессе вывода космического аппарата на околоземную орбиту реактор ядерной установки находился в глубокоподкритическом состоянии, то есть ни при каких обстоятельствах, даже если корабль аварийно упадет на землю или в воду, реактор не может запуститься, самоподдерживающаяся цепная реакция не может возникнуть. Только после выхода спутника на стационарную рабочую орбиту по команде с Земли реактор выводился на номинальную мощность системой автоматического управления. Далее установка работает в полностью автономном режиме до окончания срока службы. Радиационная безопасность обеспечивается 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.

После БУКа был ТОПАЗ. Каждый тепловыделяющий элемент активной зоны этого реактора одновременно был и электрогенерирующим элементом встроенного в него термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую. В этой установке уже один контур основной, а второй — ​открытый. Принцип действия термоэмиссионного преобразователя подобен устройству для электронной лампы-диода в генераторном режиме: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испаряет электроны, которые, преодолевая заполненный цезиевой плазмой под низким давлением межэлектродный промежуток, конденсируются на аноде. Электрическая цепь замыкается через нагрузку. В космосе были испытаны два ТОПАЗа на борту аппарата «Плазма-А». Все прошло успешно, но это уже было как раз перед запретом применения ядерной энергии на низких орбитах. Также был разработан реактор-преобразователь «Енисей», в активной зоне которого находились не тепловыделяющие элементы, а интегральные электрогенерирующие каналы. Он предназначался для работы в составе спутника непосредственного телевизионного вещания «Экран-АМ», но в космосе не побывал, и проект был закрыт.

На сегодняшний день в США издан указ о продвижении малых модульных реакторов для национальной обороны и освоения космоса. В нем, в частности, говорится о том, что ядерные источники энергии необходимы для исследования дальнего космоса, где солнечная энергия непрактична. Для изучения Луны, Марса и других планет США планируют разработку модульных реакторов, НАСА будет изучать возможности использования ядерных энергетических систем для исследовательских миссий ​людей и роботов. Если говорить об обеспечении энергоснабжения баз на Луне в случае начала ее освоения, то физические условия на поверхности Луны значительно ближе к космическим, чем к земным. Атмосфера практически отсутствует. Притяжение в шесть раз меньше, чем на Земле. Лунные день и ночь равны двум нашим неделям. Небо даже днем черное. Тени резкие. Мелкие метеориты постоянно падают на Луну, сглаживая рельеф поверхности: образующаяся при этом пыль быстро спекается в пористый шлакоподобный слой. Температура на поверхности колеблется от – 170 до + 120 °C. С учетом этих условий ядерную энергетическую систему лунной базы, по-видимому, лучше всего размещать в недрах Луны, основываясь на опыте создания и наземной, и космической ядерной энергетики. Кстати, губернатор Калужской области Владислав Шапша несколько раз приглашал Илона Маска в Калугу, в Музей истории космонавтики. Маск обещал приехать на открытие второй очереди музея, как написали недавно газеты. Может, там ему и придет в голову концепт ядерного реактора для Луны.

 



Предприятия: ВНИИАЭС, ГК "Росатом", Министерство среднего машиностроения СССР, аппарат (Минсредмаш СССР, Министерство атомной энергетики и промышленности СССР, Министерство Российской Федерации по атомной энергии, Минатом России, Федеральное агентство по атомной энергии, Росатом, Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», госкорпорация «Росатом»), ФЭИ имени А. И. Лейпунского (Государственный научный центр Российской Федерации — Физико-энергетический институт имени А. И. Лейпунского, Лаборатория «В»)