Российские ученые успешно работают над уникальной ядерной энергетической установкой, которая поможет человечеству выбраться в дальний космос
В начале февраля 2017-го отечественная атомная промышленность отметит 30-летие мирового научно-технического достижения, устремленного в будущее. Именно оно в XXI веке открывает перед космонавтикой новые перспективы. А тогда, 2 февраля 1987 года, СССР вывел на околоземную орбиту спутник «Космос-1818», на борту которого находилась первая в мире космическая термоэмиссионная ядерная энергетическая установка «Топаз».
Атомные и радиоизотопные энергетические установки запускались в космос еще с 1965 года. Но «Топаз» использовал принципиально иную, куда более эффективную схему преобразования тепловой энергии в электрическую. Между прочим, подобных ядерных реакторов, отправленных за пределы Земли, нет в мире до сих пор. А между тем именно это направление, как считают ученые, откроет путь в дальний космос пилотируемым и грузовым кораблям в обозримые десятилетия.
Как удалось нашим ученым и конструкторам опередить на десятки лет коллег из других стран? Почему «Топазы» и сегодня являются нашей гордостью? Продолжаются ли работы в этом направлении? Какие удивительные проекты могут появиться завтра или послезавтра? Ответить на эти вопросы я попросил главного научного сотрудника знаменитого Государственного научного центра РФ — Физико-энергетического института имени А.И. Лейпунского в Обнинске (ГК «Росатом»), доктора технических наук, профессора Валерия ЯРЫГИНА.
На его счету сотни научных работ, 15 изобретений и патентов. Выпущенная им вместе с коллегами 350-страничная монография «Космические и наземные ядерные энергетические установки прямого преобразования энергии» — не только замечательный учебник для студентов, но и эксклюзивное издание, наиболее полно рассказывающее о смелом научном поиске наших ученых и конструкторов в некогда абсолютно закрытой сфере атомной промышленности.
— Заманчивые идеи использования ядерных энергоустановок в космосе появились еще в 1960-е, — начинает рассказ Валерий Иванович. — Работы тогда велись и в США, и у нас. Главная трудность — ограничения по весу и размерам. В земных условиях тепло, получаемое в ядерном реакторе, нагревает воду, и образующийся пар поступает на лопасти турбины, а далее генератор вырабатывает электричество. Такую схему машинного преобразования энергии можно использовать и в космосе. Но наш выдающийся ученый Александр Ильич Лейпунский предложил исключить промежуточные звенья, начать работы по прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую. Потребовалось немало времени, чтобы решить эту чрезвычайно сложную задачу. И в итоге непосредственно к ядерному реактору прикрепляются провода, по которым течет электрический ток. Нет ни парогенераторов, ни турбин. Именно эта схема используется в «Топазе», который все еще остается непревзойденным мировым достижением. В США в 1970-1980-е работы по созданию термоэмиссионных космических реакторов-преобразователей велись в течение двух десятилетий, но до успешного финиша им добраться не удалось.
Как же возникает ток в ядерном реакторе? В основе — известный из школьных учебников эффект термоэмиссии. Если один электрод имеет высокую температуру, а другой — более низкую, то между ними при компенсации объемного заряда ионами цезия возникает электродвижущая сила и генерируется электрическая мощность. Теперь возьмем две металлические трубки. Одна, у которой диаметр поменьше, вставлена в другую. Внутренняя трубка заполняется таблетками двуокиси урана. Во время ядерной реакции она разогревается примерно до 1600 градусов Цельсия. А внешняя трубка — охлаждается жидким натрий-калиевым сплавом до 600 градусов. Между ними и возникает ток, когда электрическая цепь замкнута.
Конечно, это очень условная, упрощенная схема — чтобы не особо сведущий в технике читатель мог понять принцип. На самом деле «Топаз» — сложная и уникальная конструкция. Ученым удалось создать космический ядерный реактор-преобразователь массой около 900 кг. Активная зона вообще могла бы уместиться в рюкзаке: диаметр 28, длина 36,4 см. Наконец, урана-235, который использовался в качестве ядерного топлива, требовалось лишь 11,5 кг. Но при этом тепловая мощность составляла 130-150 киловатт, а электрическая — от 5 до 7. В активной зоне находилось 79 электрогенерирующих каналов.
— Для испытаний этой ядерной энергетической установки был построен не имевший аналогов испытательный комплекс, — продолжает профессор Ярыгин. — Вакуумная камера из алюминиевого сплава высотой с трехэтажный дом располагалась в бетонном колодце глубиной 14 метров. С помощью мощных насосов, откачивающих в ней воздух, создавался вакуум, близкий к космическому. Водяная система охлаждения камеры отводила тепло, которое сбрасывалось на ее стенки работающим реактором, а также холодильником-излучателем «Топаза». С 1970 по 1984 год были проведены наземные ресурсные испытания семи прототипов ядерной установки. Некоторые испытания длились два-три месяца, другие от 208 до 306 суток.
Только после всесторонних проверок, подчеркивает Валерий Иванович, когда появилась уверенность в надежности конструкции, было принято решение отправить «Топаз» на радиационно безопасную орбиту (высотой около 800 км) для летно-конструкторских испытаний. Первая ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) отработала в космосе на космическом аппарате «Плазма-А» (тогда «Космос-1818») около пяти месяцев. Вторая ЯЭУ была запущена 10 июля 1987-го и летала почти год.
Спрашиваю ученого, почему больше не отправляли в космос термоэмиссионные реакторы-преобразователи, по которым наша страна вырвалась далеко вперед.
— Да потому, что тогдашние руководители страны взяли курс на сворачивание этих и многих других перспективных работ в атомной и космической сферах, — отвечает мой собеседник. — Затем наступили безденежные 90-е. И только в 1998-м премьер-министр Виктор Черномырдин подписал постановление № 144 «О концепции развития космической ядерной энергетики в России». Это стало важным позитивным сигналом. Но даже в самые тяжелые годы, — замечает Валерий Иванович, — работы по космическим ядерным энергоустановкам мы не прекращали. А с 2000-х исследования расширились. На сегодняшний день мы продвинулись значительно. Позади остались ЯЭУ первого поколения, впереди — второго и нового поколений: В 2016-м был сделан важный шаг по разработке новых космических и наземных ядерных установок. По сравнению с другими энергетическими конструкциями термоэмиссионные ЯЭУ имеют существенные преимущества. У них, безусловно, большое будущее. Для примера: имеющийся задел позволяет собрать и испытать в кратчайшие сроки прототип термоэмиссионного реактора-преобразователя с электрической мощностью до 1 МВт. И это для начала. Мощность термоэмиссионных ЯЭУ можно довести до 1-6 МВт, а ресурс — до 10-15 лет. Это открывает путь для создания новых космических транспортно-энергетических модулей, напланетных энергетических систем.
Не открою Америку, если скажу, что без мощных, надежных, долговечных ЯЭУ невозможно будет реализовать проекты защиты Земли от астероидов, освоения Луны, очистки околоземного пространства от космического мусора. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую может найти широкое применение и на Земле, например, при освоении арктических территорий. Впечатляющие прорывы в космической ядерной энергетике не за горами.
О собеседнике «Труда»
На счету профессора Валерия Ярыгина — сотни научных работ, 15 изобретений и патентов. Выпущенная им вместе с коллегами 350-страничная монография «Космические и наземные ядерные энергетические установки прямого преобразования энергии» — не только замечательный учебник для студентов, но и эксклюзивное издание, наиболее полно рассказывающее о смелом научном поиске наших ученых и конструкторов в некогда абсолютно закрытой сфере атомной промышленности.