Зродников Анатолий Васильевич

«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.