Валерий Иванович Ярыгин - д.т.н., заместитель директора института специальных ядерных энергетических установок ГНЦ РФ-ФЭИ. Руководитель лаборатории исследования фундаментальных проблем преобразования различных видов энергии.
"Топаз", "Енисей" и космические ЯЭУ второго поколения
Валерий Иванович, прежде всего, позвольте Вас попросить рассказать об истории космического ядерного направления в ФЭИ.
История вопроса насчитывает более пятидесяти лет, когда по инициативе Александра Ильича Лейпунского начались работы в области прямого преобразования тепловой энергии, производимой в ядерных реакторах, в электрическую энергию. Вместе с Лейпунским работали его верные ученики Игорь Ильич Бондаренко и Виктор Яковлевич Пупко, позднее к ним присоединился "конструктор-технолог от Бога" Владимир Александрович Малых.
ФЭИ как организация Научного руководителя с самого начала занимал и продолжает занимать лидирующие позиции в области создания научно-технических основ космической ядерной энергетики, в том числе космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) с прямым преобразованием энергии. Наиболее значимые результаты работы ФЭИ - это КЯЭУ "БУК" и "ТОПАЗ", созданные в кооперации с предприятием Главного конструктора (НПО "Красная Звезда", в настоящее время ФГУП "Красная Звезда") для космических аппаратов (КА), которые раньше носили название искусственные спутники Земли (ИСЗ) серии "Космос" с различными номерами. Сейчас, когда наша деятельность стала частично открытой, они известны под своими настоящими именами. Прежде всего, это КА "УС-А" - системы морской космической разведки и целеуказания (ЯЭУ с термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии в электрическую, более 30 запусков на орбиту), и два КА "Плазма-А" с экспериментальными термоэмиссионными ЯЭУ.
Термоэлектрические КЯЭУ "БУК" изготавливались серийно и были частью национальной обороны. А в 1986 году было принято решение о проведении лётно-конструкторских испытаний (ЛКИ) КА "Плазма-А" с термоэмиссионной ЯЭУ "ТОПАЗ". Первый ИСЗ ("Космос-1818") с этой установкой был запущен 2 февраля 1987 года, а второй ("Космос-1867") - 10 июля 1987 года. Спутники имели общую научную программу и отличались друг от друга ресурсом - они отработали 142 и 342 суток, соответственно. В этом году, кстати, мы отмечали 20-летний юбилей первого запуска КЯЭУ "ТОПАЗ" в космос в составе КА "Плазма-А".
"ТОПАЗ" был и остается и нашей отечественной, и мировой пионерской работой. Никто её не делал до нас, и непонятно, сможет ли кто-то повторить в будущем. Ни наши коллеги из Соединённых Штатов, ни специалисты из других стран не справились с задачей создания термоэмиссионных космических реакторов-преобразователей, хотя и пытались это сделать. У американцев, в частности, работы в этом направлении интенсивно шли в 70-ые и 80-ые годы в течение не менее 15-ти лет, но столь ощутимых результатов, как у нас, они не принесли.
Вы имеете в виду реакторы "Топаз-1", как его называют во многих открытых публикациях?
Прежде всего, хотелось бы напомнить, что "ТОПАЗ" (Термоэмиссионный Опытный Преобразователь в Активной Зоне) от начала до конца, плоть от плоти и кровь от крови - детище ФЭИ и НПО "Красная Звезда". Аббревиатура "Топаз-1" была искусственным образом введена нашими коллегами и конкурентами по кооперации для того, чтобы придать особую значимость своей разработке под названием "Енисей".
"Енисей" не продвинулся дальше успешных наземных испытаний прототипа, однако многие знают его как "Топаз-2". Это неправильно. У КЯЭУ "ТОПАЗ", на самом деле, есть своя серия - "Топаз-1", "Топаз-2", "Топаз-3", и так далее, но это - серия ФЭИ. Это естественное развитие той линии, которая была заложена в нашей исходной концепции, внесение усовершенствований по физике, конструкции, технологии для решения задач, аналогичных тем, которые ставились для первых КЯЭУ "ТОПАЗ".
И я, и мои коллеги довольно болезненно относимся к спекуляциям на имени "ТОПАЗ" и предпочитаем говорить так: есть "ТОПАЗ", есть "Енисей" и есть то, что сейчас называется космическими ЯЭУ второго поколения, следующими, между прочим, именно за линией "ТОПАЗ", а не "Енисей".
Я не хотел бы сейчас много говорить о ЯЭУ второго поколения. Хочу отметить только, что 29-30 ноября 2007 года во ФГУП "Красная Звезда" пройдёт научно-техническая конференция "Возможности использования ЯЭУ для решения задач ближнего космоса и энергоснабжения напланетных станций и КА исследования дальних планет". На этой открытой конференции в чисто российском формате будет представлено много материалов о перспективах использования термоэмиссионных КЯЭУ.
Вернёмся к "Космосу-1818", к реактору "ТОПАЗ". Правильно ли мы понимаем, что реактор полностью проектировался и разрабатывался в ФЭИ?
Неправильно. Реактор-преобразователь, а точнее, ЯЭУ "ТОПАЗ" - это часть космического аппарата. Это сложнейший объект, а его создание - невероятно трудная задача. В одиночку её никто не решает. "ТОПАЗ" создавался кооперацией в общей сложности около 300 организаций, но основными были только три из них - организация Научного руководителя, организация Главного конструктора и организация Ведущего технолога ЭГК (термоэмиссионного преобразователя). Организацией Научного руководителя и Ведущего технолога выступал ФЭИ. В его функции входили обоснование рабочего процесса, характеристик и решение всех вопросов, связанных с поддержкой проектных исследований и разработок, в том числе собственно преобразователя, конструкции и технологии, ядерной и радиационной безопасности, вводу и выводу из эксплуатации, курированием наземных испытаний и др.
А организацией Главного конструктора ЯЭУ "ТОПАЗ" было НПО "Красная Звезда". Я назову вам имена двух человек из этого предприятия, сделавших, если можно так выразиться, техническую политику в вопросе использования ЯЭУ "ТОПАЗ" - Георгий Михайлович Грязнов, в то время директор НПО "Красная Звезда", и его заместитель Виктор Иванович Сербин. Георгия Михайловича, к сожалению, уже нет с нами, несколько лет назад он скончался. А Виктор Иванович продолжает трудиться на космической ниве в роли советника генерального директора ФГУП "Красная Звезда" В.С. Васильковского.
Бондаренко И.И., В.А. Кузнецов, В.Я Пупко и др. из ФЭИ, Грязнов Г.М., Сербин В.И. и др. из "Красной Звезды" были ключевыми определяющими фигурами при выборе концепции ЯЭУ "ТОПАЗ", при выборе технических решений и их доведении до летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) в составе КА "Плазма-А", тех самых ИСЗ серии "Космос" с номерами 1818 и 1867.
Задачи, поставленные перед ЛКИ, были успешно решены. Не было ничего такого, что возможно было бы назвать отрицательным результатом. Один из спутников пролетал, как я уже упоминал, полгода, другой - год в полном соответствии с программой ЛКИ. Они выполнили свои программы и были планово выведены из эксплуатации. Вывод осуществлялся путём увода спутников на более высокую орбиту длительного существования, где реактор будет высвечиваться несколько сотен лет и станет абсолютно безопасным.
От советской программы - к российской
Два успешных испытания "ТОПАЗ", по сути дела, закончили период советского развития космической ядерной энергетики. В 1986 году произошёл трагический инцидент на Чернобыльской АЭС, одним из политических последствий которого стала приостановка многих работ. Потом развалился Советский Союз, и в начале 90-ых годов этап ОКР был прекращён. А ведь мы в ФЭИ работали тогда над продолжением "ТОПАЗ" - "ТОПАЗ-2" и "ТОПАЗ-3", в нашей, "фэёвской", нумерации.
Начался тяжелейший период, который продлился почти все девяностые годы. Ломались сложившиеся кооперации, уходили люди, каждый выживал как мог. В России была введена так называемая конверсия. Чем только не занимались - и молоком, и сепараторами… Представьте себе такую ситуацию. Приезжают коллеги из-за рубежа, интерес у них к нашим технологиям колоссальный. Немного отвлекаясь в сторону, скажу, что до сих пор по тому же КЯЭУ "ТОПАЗ" опубликованы материалы в основном рекламного характера, являющиеся, по сути дела, верхушкой айсберга. Конечно, за рубежом очень интересуются нашими достижениями. И вот приезжает иностранная делегация, а что ей показывать? Ведут их к установке, сделанной по конверсии и предназначенной, например, для обработки тушек кур. Вот вам на живом примере уровень конверсии технологий прямого преобразования энергии в 90-ых годах!
В ФЭИ, кстати, была другая ситуация. Нам удалось найти работу по конверсии, которая сейчас правильно называется диверсификацией технологий для гражданского применения. Мы подыскали задачу, связанную с прямым преобразованием и имеющую отношение к энергосберегающим технологиям. Благодаря этой наземной конверсионной задаче, которая решалась в кооперации с нашими коллегами из Голландии, нам удалось сохранить ключевых специалистов и поддержать технологии. Работа закончилась в 1997 году созданием опытного образца - конечно, для Голландии, не для России. Но, тем не менее, наши люди даже в самые трудные времена не уходили "копать ямы или торговать семечками". Наши основные специалисты продолжали заниматься технологиями прямого преобразования.
Я уже вспоминал, что 2 февраля 1987 года был запущен первый ИСЗ с реактором "Топаз". А одиннадцать лет спустя, в 1998 году, практический в этот же день произошло не менее знаковое событие, положившее конец смутным временам для ядерного космоса. Председатель правительства Российской Федерации Виктор Черномырдин подписал тогда постановление №144 "О концепции развития космической ядерной энергетики в России".
Выдержка из постановления правительства РФ №144:
С 1990 года в связи со сложным экономическим положением, а также с изменением геополитической ситуации в мире работы по созданию целевых космических комплексов на основе ядерных установок в России были прекращены, что является фактором стратегического риска. Отсутствие необходимого научного и конструкторского задела по ядерным установкам, имеющим длительный цикл разработки и создания, может негативным образом сказаться на военно-стратегической безопасности России.
Сложившаяся ситуация требует принятия мер, направленных на сохранение Россией лидирующих позиций в области ядерных установок и создание научно-технического задела, обеспечивающего к 2010 году возможность решения с использованием ядерных установок стратегических задач в интересах обороны, народного хозяйства и науки.
Основной задачей работ в области космической ядерной энергетики является концентрация ограниченных финансовых ресурсов и усилий разработчиков на наиболее приоритетных направлениях работ по разработке унифицированных базовых узлов и ключевых элементов ядерных установок, обеспечивающих в перспективе создание в короткие сроки ядерных установок мощностью до 100 кВт, имеющих ресурс 5-7 лет.
С моей точки зрения, значение этого документа для специалистов, работающих в космической области, трудно переоценить. Правительством была поставлена точка в развале нашего направления. Эта точка говорила кооперации и специалистам - потерпите ещё немножко! Наши работы сегодня держатся на уровне НИР и поддержки основных технологий, то есть, это работы на выживание, но с потенциалом на развитие…
В постановлении №144 не было такой важной части, как финансовая. Но тем не менее, идеологически его значение очень и очень важно. Всё, что состоялось в нашем направлении за последние годы, во многом обязано этому документу. Конечно, постановление появилось не просто так, над ним работали специалисты из всех заинтересованных ведомств.
Там была также очень аккуратно прописана возможность международной кооперации. В постановлении говорилось - сотрудничество с зарубежными странами возможно только на взаимоприемлемой и взаимозаинтересованной основе. Были заложены возможности выполнения совместных проектов. К сожалению, Запад ещё какое-то время пытался "цедить" информацию из России, а потом потерял к кооперации с нами всякий интерес. Можно с уверенностью сказать, что Соединённые Штаты приняли в космической ядерной энергетике доктрину опоры на собственные силы. Я считаю, что США в итоге остановили работы по термоэмиссии именно потому, что не "потянули" их без россиян.
Особенности национального ядерного космоса
Технический вопрос, если позволите. Термоэмиссионные реакторы действительно имеют преимущество перед установками других типов?
Есть комплекс системных параметров проектного характера для обоснования выбора КЯЭУ в составе КА различного назначения, которые показывают, что у термоэмиссионных реакторов-преобразователей имеются вполне определённые преимущества.
Сегодня есть чёткие критерии, по которым можно судить, какое направление в ближайшей перспективе получит пакет заказов на реализацию. Это тактико-технические показатели, в том числе, ограничения по массам, габаритам и т.п. Здесь термоэмиссия имеет очень хорошие шансы на победу. Конкурентами КА с термоэмиссионными ЯЭУ выступают солнечные, термоэлектрические и машинные (динамические) преобразователи.
Машинное преобразование - газотурбинные установки, в основном работающие на цикле Брайтона.
Даже по мнению экспертов из Соединённых Штатов, начиная с уровня потребляемой КА электрической мощности 50-100 кВт и выше, до субмегаваттных и даже единиц МВт, термоэмиссия имеет преимущества. Однако, по моему мнению, победит тот, кто сумеет довести национальный опыт в области ядерных технологий до создания реального образца.
Опыт - он разный. В России позитивный опыт был получен на КЯЭУ "ТОПАЗ", и поэтому мы ратуем за термоэмиссию. И у нас есть все основания к тому, ведь мы сохранили специалистов, Главного конструктора ("Красная Звезда"). Вместо потерянной производственной базы в Эстонии (для ЯЭУ "Енисей") у нас имеется собственная база в России. Иными словами, вся задача по развитию термоэмиссионного направления осталась замкнутой в России, и мы ни от кого не будем зависеть. Нам бы ещё чуть-чуть побольше государственной поддержки, и всё было бы отлично. Что касается американцев, то они ориентируются на газотурбинные установки. Это их национальная технология. В её основе лежат авиационные двигательные технологии "Боинга", "Локхида" и других корпораций.
Победит, ещё раз говорю, тот, кто сумеет свою национальную технологию реализовать в объекте, подобном КА "Плазма-А" и другим первенцам космической эры. Созданный КА, естественно, должен будет удовлетворять требованиям заказчика, а заказчики, по определению, будут двойного применения.
Важно понимать, что выехать за счёт старых решений никому не удастся. Нужно искать новые рабочие процессы (собственно процессы преобразования), новые конструкторские концепции и новые технологии, которые позволят всё это воплотить в жизнь. И здесь мы пока находимся на этапе НИР, который был обозначен в правительственном постановлении №144 от 1998 года - но с той разницей, что фактически мы заканчиваем этот этап, и возможно, при поддержке государства мы перейдём на этап ОКР.
Если возможно, поговорим об ОКР. У американцев, насколько мы знаем, были проекты ЯЭУ не только для ИСЗ, но и для межпланетных полётов, например, к лунам Юпитера.
Вы правы, такие проекты есть. Например, упомянутый вами проект о полётах к ледяным лунам Юпитера, он называется "Джимо" (Jupiter Icy Moons Orbiter). Но он был, если вы знаете, официально приостановлен в августе-сентябре 2005 года. Легендированная причина приостановки, которая была опубликована в открытой литературе - долго, дорого и недостаточно обоснованно.
У американцев нет опыта, понимаете? У россиян опыт есть ("ТОПАЗ"), а у американцев опыт газотурбинного использования ограничивается авиацией! Но обращаться к нам с просьбой о помощи они не хотят. Более того, практически ежегодно "Роскосмос" предлагает американцам кооперацию в рамках глобальных задач, например, по лунной базе. Американцы, как вы знаете, поставили задачу по созданию базы на Луне, выбрали себе подходящее место, к 30-ым годам должно начаться функционирование стационарной базы с постепенным наращиванием уровня её электрической мощности. Россия предлагает сотрудничество, но получает только отрицательные ответы.
То же самое касается полётов КА типа "Джимо". Это колоссальной сложности проект и очень дорогостоящий. Если нет каких-то "сторонних" соображений, то, конечно, есть смысл объединить здесь усилия многих стран. Но мы видим абсолютно ту же самую ситуацию - американцы прибегать к помощи россиян не хотят или не могут.
На острие атаки
Я говорил уже, что в ФЭИ нам удалось сохранить комплексность по всем системам космических ЯЭУ, будь то сам преобразователь, активная зона, органы управления, технологии замедлителей, радиационной защиты, холодильников-излучателей, технологию жидкометаллического теплоносителя, расчетные технологии, экспериментальную базу и др. Мы сохранили методический и расчётный аппарат. У нас есть специалисты, стенды, технологии и работы, которые не прекращались, несмотря ни на что. Другое дело - объёмы и уровень работ, конечно, они изменились. То, что мы сейчас делаем - это, безусловно, НИР.
Кроме того, у нас функционирует государственная ведущая научная школа "Прямое преобразование энергии" (руководитель - А.В. Зродников), которая находится на острие НИРовской атаки на новые конструкторские концепции. Она пытается найти новые процессы, подтвердить их на лабораторном уровне, описать. Это то, что называется наукой, а в современных формулировках звучит как "проблемно-ориентированные фундаментальные исследования".
Официально, на государственном уровне, Школа была зарегистрирована два года назад. При относительно скромной, но целевой государственной поддержке мы ведём работы в области научно-технических основ термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) с так называемым Ридберговским веществом. Это новый "пласт" низкотемпературных высокоэффективных термоэмиссионных преобразователей, который очень привлекательно смотрится для космических и наземных задач.
Ридберговское вещество - конденсат возбужденных состояний (КВС) щелочных металлов, например, цезия, содержащий Ридберговские (высоковозбуждённые) атомы и молекулы. Перспективной межэлектродной средой для низкотемпературных термоэмиссионных преобразователей может служить такой КВС цезия, который при температуре порядка 700K имеет высокую электропроводность и работу выхода электронов менее 1 эВ. Исследования КВС цезия в последние годы проводятся в России, а ранее, в 90-х годах, проводились в Швеции. На лабораторном уровне при экспериментальном исследовании и испытании таких ТЭП в ФЭИ впервые получен к.п.д. порядка 25%.
Что из этого выйдет, пока сказать трудно. Но следует отметить, что таких Школ больше нет и в России, к сожалению.
В России или в мире?
В мире точно нет, потому что вся наука по космической ядерной энергетике - это российская наука. А в России наша Школа - единственная признанная.
В этой Школе три основных направления работ - прямое преобразование лазерной энергии в электрическую и лазеры с ядерной накачкой (П.П. Дьяченко), электрохимическое преобразование, а я с коллегами представляем новую термоэмиссию, а также прикладные работы в области термоэлектричества. Вот, вкратце, на чём мы стоим. Чего мы ждём? Ждём более существенной государственной поддержки, перехода от НИР к следующему этапу (ОКР).
ФЭИ - это государственная ведущая научная Школа в области прямого преобразования не только по нынешнему статусу, он и ранее был, по сути своей, Школой: первая монография по физике низкотемпературной плазмы и термоэмиссионным процессам была издана у нас, на основе работ наших учителей - И.П. Стаханова, Ю.К. Гуськова, В.П. Пащенко, А.С. Степанова. Эта книга вышла в 1968 году, потом выдержала ряд переизданий - например, в 1975 году и позже. В режиме машинного перевода каким-то образом она появилась в Соединённых Штатах. И только потом появились другие монографии. В конце 70-ых годов вышла монография ленинградской школы. Кстати, её тоже машинным образом перевели за рубежом на английский язык. Но всё это было потом.
Первая отечественная монография по физике низкотемпературной плазмы и термоэмиссионным процессам: Стаханов И.П., Степанов А.С., Пащенко В.П., Гуськов Ю.К. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии. М.:Атомиздат, 1968, 392 с.
Так вот, эти традиции мы не только сохраняем, но и стараемся развивать. У нас работают специалисты, воспитанные теоретиком И.П. Стахановым и экспериментатором Ю.К. Гуськовым. Ни того, ни другого с нами уже, к сожалению, нет, а вот ученики их остались.
По сути дела, вы занимаетесь сохранением знаний в области ядерного космоса?
Не только сохранением, но и развитием. Благодаря Школе, у нас появляется интересный опыт диверсификационного применения. Например, "БУК"-овские технологии мы использовали для создания в интересах ОАО "Газпром" термоэлектрической установки с требуемым высоким уровнем мощности до 500 Вт и выше. Никто, кроме наших конкурентов в Канаде, такого ранее не делал. Правда, честно говоря, канадцы уже продают свои установки ОАО "Газпром", а мы их всё ещё внедряем.
Для наших сотрудников подобные работы - это возможность дополнительно заработать не на "куриных тушках". Это важно, так как оклады наших специалистов, к сожалению, оставляют желать лучшего.
В рамках нашей Школы мы ведём целенаправленную подготовку молодёжи, причём в процессе непрерывного обучения. В Обнинске есть единственный в России технический университет атомной энергетики (ИАТЭ), там пару лет назад была открыта новая кафедра перспективных методов получения и преобразования энергии (заведующий кафедрой А.В. Зродников). Я в составе этой кафедры читаю курс с таким же названием.
Как устроен процесс непрерывного обучения? Мы начинаем вплотную работать со студентами на четвёртом курсе, в течение года читаем лекции по физике рабочего процесса, по материалам, по проектным делам. На пятом курсе студенты проводят учебно-исследовательские работы в лабораториях ФЭИ, на шестом курсе выполняют дипломный проект, и далее часть выпускников идёт на работу в ФЭИ. Если самокритично оценивать "к.п.д." сложившейся системы, то можно говорить о 30%, что в наши времена немало. В будущее я смотрю с оптимизмом.
Спастись от Апофиза в одиночку невозможно
Давайте попробуем порассуждать, какие заказы могут появиться у нас в краткосрочной и среднесрочной перспективе. В России говорят о том же, что и у американцев - космических аппаратах двойного применения, лунной базе, полёте к Марсу, зондированию Земли, связи и телевещании. И только где-то в конце перечня возможных задач, причём задач на средне-, а то и дальнесрочную перспективу стоит раздел "Научные задачи". А в этом разделе есть подзадача - зондирование астероидов, контроль за астероидами, крупными метеорами и другими космическими телами. Для её решения потребуются уже не субмегаваттные, а мегаваттные мощности, и отодвинута она достаточно далеко, на 20-ые годы и позже.
По моим представлениям, буквально завтра контроль за астероидами может стать первой по приоритетности задачей. Вспомните об астероиде "99442 Апофиз". Его обнаружили совсем недавно астрофизики из разных стран, зарегистрировали параметры его траектории, и выяснилось, что довольно скоро он пересечёт орбиту Земли на расстоянии не более 40 тысяч километров от нашей планеты. По космическим меркам, 40 тысяч километров - это пустяк, это ничто.
Этот астероид достаточно большой, и если допустить его столкновение с Землёй, то произойдёт глобальная катастрофа, соизмеримая с теми доисторическими процессами, повлёкшими за собой гибель динозавров. Я думаю, что неспроста руководитель Роскосмоса Анатолий Перминов заявил о российском проекте создания противоастероидной защиты для Земли к 2026 году.
Открытый 19 июня 2004 года, астероид "99442 Апофиз", ранее известный как 2004 MN4, вызвал кратковременную панику в 2004 году из-за опубликованных расчётов о 2,7%-ной вероятности его столкновения с Землёй в 2029 году. Позднее было показано, что он пройдёт на расстоянии 30-40 тысяч километров от Земли. Но сохраняется определённая вероятность, что траектория движения будет искажена из-за попадания в "гравитационную ловушку" - в этом случае, становится возможным его столкновение с Землёй 13 апреля 2036 года. Размер астероида в поперечнике, по предварительным оценкам, составляет не менее 250 метров.
Хотя вероятность последнего события оценивается сейчас только как 1:45000, американское Планетарное общество учредило награду в 50 тысяч долларов тому, кто предложит лучший план по доставке на "99442 Апофиз" устройства, способного изменить курс этого небесного тела.
Апофиз, неожиданно для всех, может по-иному расставить приоритеты в развитии космонавтики, потому что речь идёт о выживании человечества в целом. И такую работу надо начинать уже сегодня, если не вчера. Более того, если уровень опасности от Апофиза подтвердится, то в одиночку спасти Землю не сможет ни одна страна. Это - путь к международной кооперации, несмотря ни на что, несмотря на "любовь" друг к другу.
Как можно избежать столкновения с астероидом? Разрушать его нельзя, так как станет только хуже - вместо одного большого тела на Землю упадёт град осколков. Путь один - нужно отклонить орбиту астероида. Найти каким-то образом возможность зацепиться за его массу (схема так называемого гравитационного трактора) или начать испарять астероид, пользуясь тем, что астероиды, как правило, рыхлые небесные тела, и сдвинуть его тем самым с опасного для Земли пути.
Но этим надо заниматься! Нужно, во-первых, посадить на астероид маяк и постоянно отслеживать данные об его орбите - следовательно, нужно уметь подлетать к астероидам с требующейся энергетикой и сажать туда спускаемый аппарат. Во-вторых, для технологии испарения нужно создавать источник света, размещенный близко к самому астероиду. И конечно, при решении этих задач будет практически невозможно обойтись без КЯЭУ.
Плутониевые фаст-фуды
А если перейти к более оптимистическим темам? Если мы не ошибаемся, в ФЭИ была опубликована работа, чьё название звучит как фантастический роман - применение ядерных фотонных ракет для исследования Дальнего Космоса. В ней предлагается создание для полётов за орбиту Плутона фотонных движителей на основе высокотемпературных реакторов.
Да, такая работа выполнена в ФЭИ и опубликована. Идея принадлежит покойному Виктору Яковлевичу Пупко. Он со своими учениками, прежде всего, Андреем Владиславовичем Гулевичем, развили эту идею.
Сегодня она выглядит очень фантастической по всем видам затрат. Это технология, я бы сказал, даже не завтрашнего, а послезавтрашнего дня. Но как физическая концепция, не противоречащая принципиально земной технологии, она имеет право на существовование. Там должен быть высокотемпературный, скорее всего, газовый реактор с запредельным уровнем температур, по нашим сегодняшним представлениям. Тем не менее, теоретически такая замкнутая задача была рассмотрена и опубликована.
Ядерные фотонные движители позволяют в рамках "разумных" на сегодняшний день затрат и технологий обеспечивать полёты дальностью сотни и тысячи а.е. за времена 25-50 лет. Так, чтобы удалиться от Земли на 1000 а.е. за 25 лет, кораблю с фотонным движителем придётся взять 16 тонн ядерного горючего и иметь реактор мощностью 2000 МВт(тепловых). К сожалению, межзвёздные перелёты остаются пока за пределами человеческих возможностей, так как расстояние даже до самой ближайшей звезды превышает 250 тысяч а.е.
Источником энергии для фотонной ракеты может быть высокотемпературный реактор с газофазной активной зоной с гексафторидом урана. Второй вариант, предлагаемый авторами идеи - использование псевдосжиженной активной зоны, где топливо представлено в виде крошки и удерживается в зоне вихревым потоком газа (смесью гелия и ксенона).
Когда, по Вашим оценкам, ядерные реакторы станут основным направлением для космических аппаратов?
А вы вспомните про Апофиз. Конъюнктура изменчива. Если вчера казалось, что первыми потребителями космических реакторов станут люди, которые ведут технологии двойного применения, то сегодня, как мне представляется, приоритет могут получить задачи противоастероидной защиты. Если вам через несколько лет что-то грозит упасть на голову, то вы будете предпринимать все необходимые меры для предотвращения такого события.
Прямого ответа на ваш вопрос я дать не могу. Думаю, что в России мы находимся в том временном интервале, когда вырабатываются основные решения, в том числе, и по срокам.
Приходится слышать очень жёсткие оценки, что применение ЯЭУ для спутников Земли нецелесообразно…
Есть международный документ, принятый в 1992 году ООН, точнее, одним из её специализированных комитетов. В нём не запрещается вывод ядерных источников энергии за пределы атмосферы, но при этом делается оговорка - должны быть ликвидированы все факторы опасности, и использоваться в космосе ядерные реакторы должны только тогда, когда нет другой альтернативы.
Возвращаюсь к ИСЗ. Если речь идёт о нашей обыденной жизни, то большого смысла применять реакторы нет. Но если мы заговорим о специальных задачах - например, задаче создания пояса противоастероидной защиты - то мы поймём, что они принципиально не могут быть решены с помощью солнечных преобразователей. Другая подобная задача - полёты к другим планетам. Интенсивность солнечного излучения спадает, как известно, обратно пропорционально квадрату расстояния от Светила.
Давайте попробуем "поспекулировать" на чужом опыте. Американцы тоже вывели в космос около 30 объектов в рамках своей ядерной программы. В основном, это РИТЭГ. У них есть программа "Прометей", в которой есть подпрограмма по развитию радионуклидной технологии, реализованной в изотопных термоэлектрических генераторах.
Масштаб электрической мощности термоэлектрических генераторов с радионуклидным нагревом - 150 Вт. И даёт эту мощность достаточно большой цилиндр размером с двухмесячного поросёнка, в котором лежит примерно 13 кг 238Pu! Вы можете себе представить такую картину? Это примерно столько же по массе, сколько диоксида урана было нужно реактору "ТОПАЗ", но высокотоксичного Pu… Более того, они ставят на КА типа "Кассини" по два таких термоэлектрических генератора.
А ведь 238Pu - не просто очень дорогой изотоп, он ещё и очень опасен. Если, не дай Бог, произойдёт несчастный случай на старте, то нужно помнить, что поражающие факторы 238Pu на многие порядки превышают поражающие факторы тех изотопов, что нарабатываются в реакторе с урановым топливом. Но американцы запустили уже под тридцать аппаратов с плутониевыми генераторами, собираются продолжать эту программу у себя и даже продают такие спутники Европе. Образно выражаясь, как фаст-фуды испортили американцам фигуру, так и такие радионуклидные генераторы испортили им космическую ядерную энергетику.
Но если говорить в общем, то пример с РИТЭГ показывает, что любая идея может быть реализована, если это требуется для решения национальных задач. В американской космической программе написано чётко и ясно - если аппараты с ядерными источниками обеспечивают новое качество или новые технические параметры эксплуатационного характера, то они могут применяться.
Вот вам и ответ на ваши вопросы о том, что целесообразно и что нецелесообразно.
И последний вопрос. Если говорить об отставании США в области ядерного космоса, то не может оно быть связано с тем, что в космических ЯЭУ используются быстрые реакторы, а по этому направлению у Соединённых Штатов наблюдаются значительные трудности?
Сомнительно. Быстрые реакторы-размножители в большой атомной энергетике и быстрые реакторы космических ЯЭУ - две большие разницы, как говорят в Одессе. На самом деле, не столько спектр нейтронов реактора определяет его космическое применение, сколько системные критерии: "килограмм на киловатт" всей установки, габариты в составе всего КА, ресурс работы и др.
В ЯЭУ "ТОПАЗ" - реактор на промежуточных нейтронах, а в ЯЭУ "БУК" - быстрый реактор, и оба используют жидкометаллический теплоноситель. Для уровня электрической мощности КЯЭУ выше 150-200 кВт потребуются быстрые реакторы. Каждый раз необходимо проводить оптимизацию по системным критериям в составе КА.
Список советских космических аппаратов с ЯЭУ, летавших в космос (цит. по Учебному пособию: Ионкин В.И., Ярыгин В.И. "Роль ядерной энергетики в космических исследованиях. Опыт и достижения СССР/России. Современное состояние и перспективы развития". Обнинск, 2004).
link
Оценили 17 человек
17 кармы