Ядерная энергетическая установка космического аппарата



Ядерная энергетическая установка космического аппарата

Для чего советской и американской разведке понадобились атомные реакторы, какие перспективы у них на Луне и зачем Илон Маск собрался в Калугу? Об истории космической ядерной программы и возможном ее продолжении в наши дни рассказывает Анатолий Зродников — ​непосредственный участник знаменитых проектов, в настоящее время руководитель ВНИИАЭС по научному развитию, член коллегии старейшин при президиуме НТС «Росатома».

— Анатолий Васильевич, расскажите, как вы стали участником советской космической ядерной программы?

— Я окончил Московский энергетический институт. По результатам сдачи экзаменов и защиты диплома для комиссии по распределению 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.

— Почему появилась идея создать ядерные энергоустановки для космоса?

— В годы холодной войны и гонки вооружений США пытались реализовать в космосе свою Стратегическую оборонную инициативу, а Советский Союз — ​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.

— Первыми ядерный реактор в космос вывели США?

— Да, 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.

— Объясните популярно, как добывается энергия из атома на космическом аппарате.

— 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.

— Расскажите об эволюции ядерных реакторов для космоса.

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.

— Ядерные энергетические установки снова активно обсуждают и в России, и за рубежом. Для чего они понадобились?

— Лучше всего на этот вопрос ответил Дональд Трамп. 12 января этого года 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.

— Для создания баз на Луне и Марсе, о которых мечтает Илон Маск, больше подойдут реакторы, похожие на наземные или на те, что разрабатывались для космоса?

— 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 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.

Источник

Российские учёные создали первый в мире космический ядерный двигатель

Одна из главных мировых космических новостей странным образом осталась вне фокуса общественного внимания. А она, между тем, имеет, без всякой натяжки, планетарное значение. 11 декабря «Роскосмос» заключил контракт стоимостью 4,2 миллиарда рублей на разработку аванпроекта космического ядерного буксира «Нуклон» для полетов к Луне, Юпитеру и Венере.

И сделано это было после того, как были завершены работы и наземные испытания первого в мире космического ядерного двигателя. Об этом было ранее сообщено в акте приёмки, размещённом на сайте госзакупок. В документе сказано, 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».

Что значат эти сухие строки?

Много лет ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ) — перспективный двигатель для космических аппаратов — считалась аббревиатурой из области научной фантастики, фигурирующей в романах про отдалённое будущее. С помощью ЯЭДУ космолёты совершали перелёты по солнечной системе. Именно ядерный двигатель позволит совершать межпланетные полёты в несколько раз быстрее, чем сейчас. Тот же полёт на Марс на тяге ядерно-ионных двигателей займёт уже не месяцы, а лишь несколько недель. Но главное, что с его появлением будет преодолено «проклятие» химических двигателей — необходимость транспортировки многих сотен тонн горючего и окислителя, делающих космические корабли для дальнего космоса настоящими техническими одноразовыми мастодонтами.

Ядерный двигатель почти полностью снимает эту проблему. Принцип его работы заключается в том, что компактный ядерный реактор вырабатывает тепловую энергию, которая с помощью турбины преобразуется в электрическую. Она в свою очередь нужна для того, чтобы питать энергией ионные электрореактивные двигатели и оборудование корабля. Всего одной загрузки реактора — несколько сотен килограммов ядерного топлива — хватит на несколько полётов на Марс и обратно.

И вот теперь этот двигатель создан! И создан в России, русскими учёными и инженерами! Фактически с созданием этой технологии цивилизация перешла на новую ступень своего развития.

Эра освоения солнечной системы непосредственно людьми

Попытки создать такой двигатель велись с середины прошлого века многими странами. Наиболее продвинулись в этом направлении СССР и США. Но американцы так и не смогли решить главную проблему ядерного двигателя — создать систему охлаждения в космическом безвоздушном пространстве, и работы в итоге свернули. В СССР, наоборот, был проведён целый ряд исследований и испытаний, в результате чего была разработана принципиально новая схема отвода тепла.

С помощью уникального 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.

К созданию ЯЭДУ наши конструкторы подошли в конце 80-х, и не случись развал Союза, первый прототип ядерного двигателя был бы испытан еще в начале 90-х. В России к власти пришли проходимцы, и все работы были свёрнуты почти на двадцать лет. Только в 2010 году, после доклада Путину, снова началось финансирование проекта. Инициатором создания ЯЭДУ называют академика отделения физико-технических проблем энергетики РАН, бывшего генерального директора ФГУП «Исследовательский центр им. Келдыша» Анатолия Коротеева. Головным разработчиком атомной энергодвигательной установки является Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ).

Основой ЯЭДУ был выбран реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением. По предъявляемым характеристикам реактор — высокотемпературный и должен выдерживать разогрев до 1 200 градусов Цельсия. Теплоноситель — смесь гелия (78%) и ксенона (22%), топливом служит уран. И для охлаждения его необходимо было создать и испытать космический генератор капель — главную деталь холодильника-излучателя (КХИ).

Источник

Ядерный ракетный двигатель

Следует разделять две принципиально разные установки: ядерные энергетические установки (ЯЭУ) на космических аппаратах и ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Первые предназначены для выработки энергии на борту космического корабля (когда необходимое количество энергии невозможно получить другими способами, например с помощью солнечных батарей или изотопных источников энергии). Вторые обеспечивают разгон и движение самих ракет.

Вначале кратко рассмотрим историю создания ядерных энергетических установок для использования на космических аппаратах. Первым такого рода ядерным реактором стал американский SNAP-10А, созданный компанией Boeing по заказу Комиссии по атомной энергии США по программе Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP). Тепловая мощность реактора составляла 40 кВт, а электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем энергии, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор SNAP-10А был установлен на борту аппарата Snapshot, запущенного 3 апреля 1965 года ракетой-носителем «Атлас». Планировалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор успешно проработал 43 дня — до 16 мая 1965 года. В этот день был включен установленный на борту спутника ионный двигатель, запитываемый от реактора. Но работа двигателя сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, нарушившими работу бортовой аппаратуры. SNAP-10A стал первым и последним космическим реактором США, запущенным в космос, хотя проектов и наземных опытных ЯЭУ различные группы в США наплодили очень немало, и продолжают разрабатывать их по настоящее время.

В конце 2017 года в США начали испытание демонстрационного прототипа реакторной энергетической установки Kilopower, предназначенной для выработки электроэнергии с выходной мощностью до 10 кВт с ресурсом 10 лет на поверхности Марса (NASA to test prototype Kilopower reactor. Портал World Nuclear News. 2017-11-17).

Первый в СССР термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был запущен в Институте атомной энергии 14 августа 1964 года. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт (топливом служил оружейный уран) и был оснащен термоэлектрическим преобразователем энергии мощностью до 800 Вт. В планы С.П.Королева входило использовать ЯЭУ «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года, уже после смерти Королева, но реактор так никогда не побывал в космосе.

За «Ромашкой» последовала серия ядерных реакторов-преобразователей энергии «Бук» и «Топаз». «Бук» разрабатывался с 1960 года в НПО «Красная звезда» для использования на спутнике радиолокационной разведки УС-А, предназначенном для слежения за авианосцами США. Общая масса урана в реакторе составила 30 кг, обогащение по 235-му изотопу урана — до 90 %. Первый аппарат этой серии был запущен 3 октября 1970 года с Байконура («Космос-367»). На орбите находился в течение 8 лет, причем планировалось сгорание ядерных твэлов реактора при схождении с орбиты. Однако этого не произошло вследствие неудачного спуска, завершившегося ядерным заражением местности разрушившимся «Буком». Поэтому в последующих модификациях «Бука» был запланирован принудительный сброс твэлов специальным газовым исполнительным механизмом (Демидов А.С., Конструкция энергосиловых установок космических аппаратов. — М.: МАИ, 2011.).

Следующей советской космической ядерной энергетической установкой стала ТЭУ-5 «Тополь» или «Топаз-1». Работа над «Топазом» велась с 1960-х годов. Наземные испытания были начаты в 1970 году. Реактор имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество 235U в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». «Топаз» проработал на орбите более 11 месяцев.

Последний запуск советской ЯЭУ состоялся 14 марта 1988 года. И хотя полет прошел более-менее нормально, от эксплуатации аппаратов с ЯЭУ было решено отказаться. Основной причиной этого стало давление со стороны США и международных организаций, требовавших от Советского Союза «прекратить загрязнение космоса». Но немаловажным фактором стали и сравнительно низкие технические характеристики ЯЭУ.

За все годы запусков советских ЯЭУ на орбиту было отправлено 32 установки. Одна из них не долетела до космоса, две возвратились назад, а остальные до сего дня продолжают пребывать на высоте 700-800 км от Земли. Большой резонанс вызывало известное падение остатков реактора Космос-954 на территории Канады в январе 1978 года, что привело к радиоактивному заражению и международному скандалу.

Здесь следует упомянуть доклад Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» от 10 декабря 1993 года, в котором где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны. К этому следует добавить ужесточающиеся требования ООН по ядерно-безопасным орбитам, которые запрещают запуск ядерных реакторов ниже орбиты в 800 км над поверхностью Земли. Параллельно происходит стремительный прогресс солнечных батарей, мощности которых увеличился с десятков ватт в начале 60-х до единиц киловатт к 1990 году. Их простота и изученность перекрывает путь ЯЭУ мощностью в единицы и даже десятки киловатт.

Упомяну также так называемый «каскадный эффект», который может возникнуть от взаимного столкновения объектов и частиц «космического мусора». При экстраполяции существующих условий засорения низких околоземных орбит этот эффект может в долгосрочной перспективе привести к катастрофическому росту количества объектов орбитального космического мусора и, как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса. Вклад в создание космического мусора на 2014 г. составил: Россия — 39,7 %; США — 28,9 %; Китай — 22,8 %, остальные страны — 8,6 % (Космический мусор и его коллеги — И. Черный // «Новости космонавтики», № 10, 2014 г.).

Обращаю внимание на многочисленные происшествия и аварии при работе с энергетическими установками:

25 апреля 1973 года вследствие выхода из строя двигательной установки запуск советского спутника радиолокационной разведки с ядерной энергетической установкой на борту завершился неудачей. Аппарат не был выведен на расчетную орбиту и упал в Тихий океан.

12 декабря 1975 года сразу после выхода на орбиту вышла из строя система ориентации советского спутника радиолокационной разведки «Космос-785» с ЯЭУ на борту. Началось хаотичное вращение аппарата, что грозило его падением на Землю. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.

(Под эвфемизмом «орбита захоронения» понимают орбиту искусственных космических объектов, на которую осуществляется их увод после окончания активной работы для уменьшения вероятности столкновений и освобождения места на геостационарной орбите. Хотя срок жизни ЯЭУ на этих орбитах составляет порядка 2 тысяч лет, рано или поздно начиненный оружейным ураном реактор сгорает в высших слоях атмосферы со всеми вытекающими отсюда последствиями… Следует также напомнить, что период полураспада урана-235 составляет 710 миллионов (. ) лет.)

24 января 1978 года в северо-западных районах Канады упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-954» с ядерной энергетической установкой на борту. При прохождении плотных слоёв земной атмосферы произошло разрушение спутника и поверхности Земли достигли лишь некоторые его фрагменты. Произошло радиоактивное загрязнение поверхности.
28 апреля 1981 года на советском спутнике радиолокационной разведки «Космос-1266» с ЯЭУ на борту зафиксирован выход из строя бортового оборудования. Активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения, где и находится в настоящее время.

7 февраля 1983 года в пустынных районах Южной Атлантики упал советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1402» с ЯЭУ на борту. Конструктивные доработки после предыдущей аварии позволили отделить активную зону от термостойкого корпуса реактора и предотвратить компактное падение обломков. Тем не менее, было зафиксировано заметное повышение естественного радиационного фона.

Апрель 1988 года — вышел из-под контроля советский спутник радиолокационной разведки «Космос-1900» с ЯЭУ на борту. Космический аппарат медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. 30 сентября, за несколько дней до расчетного момента входа в плотные слои атмосферы, сработала аварийная защитная система, и активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения.

4 июля 2008 года, согласно данным NASA, произошла фрагментация спутника «Космос-1818» на орбите. Предположительно, отделившиеся фрагменты сферической формы в количестве около 30 — капли металлического теплоносителя из разрушившегося по какой-то причине контура охлаждения реактора.

Специалисты отмечают весьма ограниченные итоги полувековых исследований по созданию ядерных энергетических реакторов на космических аппаратах и несоизмеримость практических результатов с затраченными усилиями и колоссальными средствами. Это связано со спецификой работы реакторов в космосе, их недостаточной надежностью и значительной опасностью радиационного заражения в случае аварийного падения. Отмечу, что еще в конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками.

Перейдем к рассмотрению проблемы ядерных ракетных двигателей, использующих энергию деления ядер не для выработки энергии, а для создания реактивной тяги. В традиционных ЯРД рабочее тело (как правило — водород) подается из бака с сжиженным газом в активную зону реактора, где разогревается до высоких температур и затем, расширяясь, выбрасывается через сверхзвуковое сопло двигателя, создавая реактивную тягу. Удельный импульс ЯРД, по оценкам, составляет 8000-9000 и даже 15000 м/с, что гораздо выше показателей наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

В СССР постановление по созданию ЯРД было подписано в далеком 1958 году. Руководство проектом было тогда возложено на академиков М.В.Келдыша, И.В.Курчатова и С.П.Королева, а к работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. К концу 1970-х гг в СССР был создан и активно проходил испытания на стендовой базе в районе Семипалатинска ядерный ракетный двигатель РД-0410. Основу этого двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000 К при мощности реактора

В США космические разработки с использованием ЯРД осуществлялись с 1958 года в рамках проекта «Орион» по заказу ВВС США. Программа была рассчитана на 12 лет, расчетная стоимость составила 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Американцы создали ЯРД «NERVA», двигатель которой должен был нагреваться до температуры более 2000 °C. Реактор был готов к использованию в качестве двигателя третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», однако лунную программу к этому времени закрыли, а других задач для этих ЯРД тогда не было. Космические затраты и трудности выполнения подобных проектов привели к тому, что к 1970 году подобные проекты как в США, так и в СССР, были закрыты. В феврале 2018 года появились сообщения о том, что НАСА возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю (Даниил Ревадзе//NASA возвращается к идее ядерного двигателя для космических кораблей. Портал hightech.fm. 17 февраля 2018)

На конец 1-го десятилетия XXI в. не известно ни одного случая практического применения ядерных ракетных двигателей, несмотря на то, что основные технические проблемы создания такого двигателя были худо-бедно решены полвека тому назад. Основным препятствием на пути практического применения ЯРД являются оправданные опасения того, что авария летательного аппарата с ЯРД может создать значительное радиационное загрязнение атмосферы и некоторого участка поверхности Земли, нанеся как прямой вред, так и осложнив геополитическую ситуацию.

Здесь надо иметь в виду, что можно говорить о потенциале применении ЯРД для космолетов, где химические ракетные двигатели достигли практического предела своей эффективности и их потенциал развития весьма ограничен, то есть ЯРД представляют потенциальный интерес для создания скоростного, долговременно работающего и экономически оправданного межпланетного транспорта (скажем, при полетах на Марс). Но мне представляется безумием использовать ЯРД в ракетах военного назначения, так как сами реакторы ЯРД являются более грозным и «грязным» оружием, чем атомные заряды, поскольку разрушение реактора на земле и выброс десятков килограмм ядерного топлива далеко оставляет позади Чернобыльскую катастрофу и Фукусиму-1. (Здесь я веду речь о «крылатой ракете со сверхмощной ядерной установкой», которая, по определению, является абсурдом или плодом психопатического сознания).

В ноябре 2017 года Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017-2045 годы. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля, работающего на ядерном ракетном двигателе.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем. Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации «Росатом» на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд — ФГУП «Центр Келдыша» на создание ядерной энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей — для РКК «Энергия», где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля. По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, чье предприятие конструирует реакторную установку, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года проведены испытания корпуса реактора и испытания полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки. Комментируя последнее, я заявляю, что современные военные разработки РФ — это горький плач по совку, по разрушенной военной промышленности СССР. И в заключение цитата из «Дневника писателя» Ф.М.Достоевского: «Положим, мы и есть великая держава, но я только хочу сказать, что это нам слишком дорого стоит — гораздо дороже, чем другим великим державам, а это предурной признак. Так что даже оно как бы и ненатурально выходит».

Удивлён(т.к. нет ни какой одиозной политики), но считаю, что весьма актуальная и объективная информация.Слово»понравилось» не подходит.Скорее можно ужаснуться за судьбу более молодых следующих поколений землян.Недавно(относительно)опубликовал на своей страничке философское размышление «Откровение». из этой темы.

Источник

На Марс полетим на ядерных кораблях? Говорим с экспертом о перспективах применения ядерной энергии

Мировые лидеры в освоении космоса опять заговорили про ядерную энергию. Она может оказаться ключом к эффективному покорению ближнего космоса, колонизации Луны и высадке человека на Марс. Так считают и в России, и в США. Вопросы о ядерной энергетике в разрезе космической отрасли, а также о перспективных разработках в этом направлении мы задали кандидату физико-математических наук, доценту Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Егору Задебе.

Ядерные ракетные двигатели долгое время работали только на бумаге — в произведениях писателей-фантастов. Хотя и в Советском Союзе, и в США в разгар космической гонки шли активные разработки в этом направлении. В СССР они воплотились в опытный двигатель РД-0410, за океаном — в проект NERVA.

Впрочем, это не единственные реализации идеи применения ядерной энергетики в космической промышленности. О них мы поговорим позже, а пока справляемся у Егора Задебы о том, в каких сферах освоения космоса использовались столь перспективные ядерные технологии.

— С самого начала освоения космоса при проектировании космических аппаратов (КА) применялись технологии и знания, приобретенные при развитии ядерной физики. В первую очередь это касается радиационной стойкости электронных компонентов КА. На поверхности Земли мы надежно защищены от частиц солнечного ветра и космических лучей атмосферой и магнитным полем планеты. Уже на низкой околоземной орбите радиационный фон на несколько порядков выше земного, и в таких условиях обычные электронные компоненты выходят из строя за секунды. Формирование элементной базы, устойчивой к радиации, было бы невозможно без технологий, созданных и совершенствуемых в рамках исследований в области ядерной физики.

Фото из личного архиваНо наибольшую роль ядерные технологии сыграли, конечно же, в обеспечении космических аппаратов энергией. Речь идет о двух видах источников: «ядерных батарейках» РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) и орбитальных ядерных реакторах.

В первом классе устройств в аппарат устанавливается радиоактивный источник, естественный распад изотопов является постоянным источником тепла (выделяемая тепловая мощность, как правило, не превышает 1 кВт), а термоэлектронный генератор переводит тепловую энергию в электрическую. Такие устройства отличаются, с одной стороны, простотой и надежностью (установленные на аппаратах «Вояджер» электрические генераторы на плутонии-238 функционируют уже почти 30 лет), а с другой — малыми мощностью и КПД (до 7%).

В тех случаях, когда космическому аппарату требуется высокая мощность, на них возможно разместить компактные атомные реакторы. Советский Союз достиг значительных успехов в разработке ядерных энергетических установок, ими было оснащено более 30 космических аппаратов (в США испытания в космосе прошел лишь один). При тепловой мощности около 100 кВт подобные установки обеспечивали свыше 5 кВт электрической. Перспективные ядерные установки мегаваттного класса станут полноценной заменой классическим ракетным двигателям и откроют путь к освоению Луны и Марса. «Взрыволеты» и реальность О том, что на химических ракетах покорение Солнечной системы будет затруднительным, было известно еще во времена Циолковского. И варианты альтернативных видов топлива предлагались давно. Когда человек приручил мирный атом, встал вопрос о том, как применить его для обеспечения движения в космосе. Были даже идеи использовать атомные бомбы: сбрасывать их с корабля, подрывать на удалении и использовать импульс плазмы через систему амортизаторов.

Такой «взрыволет» (ядерно-импульсный космический корабль) даже проходил испытания в конце 1950-х годов в США. Метр в диаметре, 105 килограммов веса — правда, обошлось без подрыва ядерных бомб. Их заменили на килограммовые шары взрывчатки C4. Получилось как минимум интересно.

Но, конечно, тестирование и тем более запуск аппарата, который потребует нескольких тысяч ядерных взрывов в пределах атмосферы Земли, даже во времена холодной войны посчитали чересчур экстравагантной затеей. Да и потенциальных эксплуатационных проблем у «взрыволета» хватало — от эрозии толкателя до влияния электромагнитных импульсов от взрывов на наземные и орбитальные установки.

От брутальной идеи выбрасывать за борт космического корабля ядерные бомбы отказались, но те объемы энергии, которые способна дать реакция расщепления ядер, продолжали будоражить умы инженеров. Так родились уже упомянутые NERVA и РД-0410. Они предполагали нагрев с помощью ядерной энергии водорода, который и создавал бы тягу в ядерных ракетных двигателях.

Вернер фон Браун, отец американской лунной программы, вполне оптимистично полагал, что три двигательные установки NERVA на одной ракете смогут доставить американских астронавтов прямиком на Марс уже в августе 1982 года. Правда, предложенный им в 1969 году план так и не был реализован. Интерес сверхдержав к космической гонке подостыл, бюджеты сократили, и в конце 1972 года разработки в области ядерной тяги в США были остановлены.

Советский РД-0410 мог стать двигателем, который доставил бы космонавтов СССР на Марс к 1994 году. Но не срослось. Испытания его реактора проводились в конце 1970-х — начале 1980-х годов на Семипалатинском полигоне (сейчас Казахстан). Разработка была свернута в середине 1980-х.

— Существует широкий список перспективных и гипотетически возможных ядерных и даже термоядерных космических установок, — продолжает рассказ Егор. — Часть из них не разрабатываются по экологическим причинам — например, двигатели, использующие в своей основе серию ядерных взрывов, или те, в которых рабочим телом при реактивном движении является само делящееся вещество. В ядерных ракетных двигателях, использующих в качестве рабочего тела водород или иной газ, приходится запасать большие его объемы, что не проходит ввиду ограничений по массе.

Наиболее перспективными являются ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ), использующие реактор лишь в качестве источника электроэнергии, движение же в них обеспечивается с помощью ионных или плазменных двигателей. Основными препятствиями при разработке мощных установок такого типа являются ограничение на массу выводимых космических аппаратов, требование высочайшей надежности элементов и отсутствие теплообмена с внешней средой. Ядерная электродвигательная установка мегаваттного класса Если в описанных выше ядерных двигателях реактор непосредственно «крутил колеса» для движения, то в ЯЭДУ его задача сводится к выработке энергии для установки, которая будет «крутить колеса». Газ от реактора крутит турбину, турбина крутит генератор, генератор вырабатывает электричество для плазменного двигателя — так вкратце это работает. И, в отличие от прямоточного ядерного двигателя, никакой радиоактивной струи на выходе из двигателя.

— Если на Земле в качестве третьего контура ядерного реактора мы можем использовать крупные водные объекты, такие как озера или реки, а реактивные двигатели на основе атомных реакторов охлаждаются набегающим потоком воздуха, то в космосе аппарат находится в вакууме, теплоноситель охлаждается только за счет излучения. Это требует применения огромных холодильников-излучателей (ХИ), которые становятся самыми тяжелыми элементами ядерных установок.

Около 15 лет назад революцию в области разработки орбитальных энергоустановок сделали наши ученые, предложившие использование так называемого капельного ХИ. Это установка, похожая на душ, в которой жидкий теплоноситель второго контура не циркулирует в трубах, а распыляется наружу в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. В настоящее время эта технология только готовится к испытанию на орбите.

В России в 2009 году объявили о начале работ над ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса силами предприятий «Роскосмоса» и «Росатома». Испытания макета в космосе должны были состояться 30 марта этого года, но пока о них ничего не слышно. С помощью этой установки Россия планирует начать освоение Солнечной системы.

В качестве теплоносителя в установке собираются применять гелий-ксеноновую смесь, турбомашинный электрогенератор для преобразования тепла в электричество уже испытан, еще в 2016 году прошла серия испытаний нового ионного электроракетного двигателя. Вот только основной разработчик установки — Исследовательский центр имени Келдыша — год назад был оштрафован за сорванные сроки. Согласно госконтракту, работы должны были завершиться еще 25 ноября 2018 года.

— Создание мегаваттной энергодвигательной установки должно стать колоссальным прорывом в освоении человечеством Солнечной системы. Предполагается создание ряда межпланетных челноков. Их энерговооруженность и запас хода позволят без дозаправки добраться до Марса и обратно всего за три месяца. Для сравнения: космическому кораблю с наиболее совершенным химическим двигателем до ближайшей к нам планеты придется лететь более года, но, что наиболее важно, при этом ему не хватит топлива, чтобы вернуться обратно!

Принципиальных препятствий для создания мегаваттной установки на сегодня нет. Наибольшие сложности остаются в создании трех важнейших узлов установки. Во-первых, это турбомеханический электрический генератор, работающий при температуре 1500 градусов и скорости вращения турбины в 60 тыс. оборотов в минуту. Подобные системы успешно функционируют на Земле, но не так просто подготовить генератор к долговременной эксплуатации без обслуживания в космосе, в условиях невесомости. Во-вторых, это система капельного охлаждения, описанная мной выше. Подобные системы никогда не применялись ранее, это наша уникальная разработка, протестировать которую в земных условиях практически невозможно. И, наконец, в-третьих, это нетривиальная задача компоновки и механизации космического аппарата, который должен умещаться под обтекателем ракеты-носителя, а на орбите раскрываться в огромную и сложную конструкцию, состоящую из множества мачт и экранов, а также обладающую всеми традиционными системами ориентации, маневрирования и телеметрии.

Нет сомнений, что в случае соблюдения всех позитивных условий мегаваттная установка будет создана. Тепловая тяга на Западе Если Россия пошла по пути создания ядерной энергодвигательной установки, то в США изучают привлекательность ядерной тепловой тяги. По мнению специалистов американского аэрокосмического агентства NASA, сегодняшние достижения в области материалов и разработки реакторов дают стимул для оценки перспективности этой технологии. Ведь ядерные двигатели на ракетах видели не только фантасты — сами специалисты NASA еще в 1961 году совместно с Комиссией по атомной энергии начали реализацию программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» (NERVA).

Два года назад Дойс Митчелл, руководитель перспективного проекта ядерной тепловой тяги в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, рассказывал, что ядерная двигательная установка способна в два раза сократить время на транзит между Марсом и Землей, и для миссии необязательно будет поджидать момент, когда обе планеты будут в наиболее благоприятных положениях друг относительно друга. Сокращение длительности полета уменьшит воздействие радиации и микрогравитации на пассажиров.

К тому же, по мнению представителей департамента энергетики США, ракеты на ядерной тепловой тяге в два раза эффективнее существующих химических ракет. Удельный импульс последней, сжигающей водород и жидкий кислород, оценивают в 450 секунд, для ядерных ракет этот показатель оценочно достигает 900 секунд.

Источник