из Очерка истории ГНЦ РФ–ФЭИ (1946–2006 гг.)
А.П. Сорокин, Л.И. Кудинова, Ю.В. Фролов
В 1990-е годы американцы были поражены, когда выяснилось, что единственные в мире ядерные энергетические установки, выведенные в космос, созданы не в Курчатовском институте (где их разработки не были доведены до летных испытаний), а в Обнинске, в Физико-энергетическом институте. В США работали над решением тех же задач и знали, что это – установки наивысшей сложности, так как они объединяют в себе две самые технически сложные отрасли: космическую и реакторную.
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)
Работы по созданию ядерных реакторов для летательных аппаратов были начаты в Лаборатории «В» в начале 1950-х годов. Первыми такими установками стали ядерные ракетные двигатели (ЯРД) с большой силой тяги, использующие водород в качестве рабочего тела.
Инициаторами работ по ракетным двигателям были молодые и талантливые ученые И.И. Бондаренко и В.Я. Пупко. Подчеркнем, что эти двое, вчерашние выпускники МГУ, всего пару лет назад появившиеся в Лаборатории «В», стали заниматься разработкой своей идеи по своей же собственной инициативе, на первых порах – в свое свободное время, т. е. по вечерам и по ночам, невзирая на крайнюю загруженность основной работой. Вот так и было положено начало работам «по космосу» в институте. Они же выполнили первые оценочные характеристики ЯРД для баллистических ядерных ракет. Расчеты были проведены для водородного теплоносителя и других, более тяжелых рабочих тел (аммиак, спирт и др.). Эти оценки были в дальнейшем систематизированы в отчете «Баллистическая атомная ракета», выпущенном в 1954 г.
Руководство ФЭИ (вначале работы по ЯРД возглавлял Д.И. Блохинцев, а после его ухода – А.И. Лейпунский) подхватило идею и организовало обсуждение проекта ЯРД на самом высоком уровне; в нем участвовали А.П. Завенягин, С.П. Королев, В.П. Глушко, М.В. Келдыш, А.М. Люлька.
Предложенный ядерный ракетный двигатель мог создавать тягу на Земле около 200 тонн, при этом реактор использовался двухзонный, гомогенный. Выходная температура рабочего тела – водорода – перед соплом должна была составлять порядка 3000 К. Главное возражение ракетчиков вызвало использование водорода, который в жидком состоянии обладает аномально низкой плотностью и поэтому требует применения больших баков. К тому же водород в баках надо поддерживать в криогенном состоянии, что непросто. В ФЭИ были сделаны достаточно убедительные оценки веса и размеров баков и всей ракеты в целом и показана большая перспективность водорода в качестве рабочего тела ракет. ФЭИ настаивал на выборе именно этого рабочего тела для ЯРД, где это особенно перспективно, поскольку атомы водорода не смешиваются с более тяжелыми атомами кислорода в камере сгорания, как это требуется для обычных ракет. Тем не менее по настойчивому требованию ракетчиков были организованы совместные проработки ЯРД и баллистических ракет с традиционными рабочими телами (аммиак, гидразин, спирт и др.). В результате эти исследования лишь подтвердили правильность выбора водорода в качестве рабочего тела ЯРД.
Период разработки и испытаний – 1961–1984 гг.
- Тепловая мощность – 42 МВт
- Удельный импульс – 870 с
- Расход водорода – 2 кг/с
- Температура водорода на выходе – 2600 К
В 1956–1965 гг. в ФЭИ совместно с ОКБ-456 (В.П. Глушко) и НИИ-1 (М.В. Келдыш) были рассмотрены варианты двигательных и испытательных реакторов с различными замедлителями и выработаны оптимальные способы и пути решения проблемы разработки ЯРД. Позднее, стремясь к применению минимальной по масштабу ракеты небольшой тяги, ученые ФЭИ начали проработки малогабаритных гетерогенных реакторов с гидридом циркония в качестве замедлителя и бериллиевым отражателем, в которых каналы с твэлами отделялись от замедлителя мощной волокнистой термоизоляцией из графита. Именно такого типа реакторы на тягу 3,6 тонны (ИР-100, или более позднее название ИРГИТ) в конце 1970-х – начале 1980-х годов прошли огневые испытания на стендовой базе «Байкал» около г. Семипалатинска. Эти испытания показали весьма обнадеживающие результаты.
Другим направлением разработок ядерных двигателей для летательных аппаратов в ФЭИ явились начатые в 1954 г. исследования по возможности создания авиационных ядерных силовых установок (АЯСУ) с жидкометаллическим теплоносителем (натрий, литий) в реакторном контуре. То есть речь уже шла об установке реакторов на самолетах. Первые расчеты такой установки были представлены в 1954 г. и направлены разработчикам авиационной техники. В дальнейшем были проведены различные проработки авиационных установок для экспериментального самолета ТУ-119 (на базе стратегического бомбардировщика ТУ-95), противолодочного самолета АН-22 и других, создан ряд предэскизных проектов. Однако, когда в ОКБ А.Н. Туполева была проведена проработка проекта самолета ТУ-95 с такой установкой, затраты на его создание были оценены в размере 1 миллиарда рублей, поэтому из-за высокой стоимости в финансировании работ было отказано.
Бортовые космические ЯЭУ
Еще более важным направлением работ стало создание бортовых космических ЯЭУ. Исследования по этой проблеме в ФЭИ начались в 1956 г., когда стало известно, что в ОКБ-1 (С.П. Королев) разрабатывается ракета-носитель Р-7, способная вывести на орбиту искусственного спутника Земли относительно большой груз. У сотрудников ФЭИ во главе с И.И. Бондаренко возникла идея о возможности запуска в космос спутника, имеющего на борту ЯЭУ. Идея была поддержана А.И. Лейпунским. С.П. Королев также поддержал это предложение и включил пункт о разработке космической ЯЭУ в Постановление ЦК КПСС и СМ СССР по созданию мощной ракеты-носителя, предназначенной, в частности, для полета на Луну. ФЭИ был назначен научным руководителем работ. После проработок ЯЭУ с машинным преобразованием энергии (ртутный и калиевый пар, газотурбинная схема) и других вариантов предпочтение было отдано схеме прямого преобразования с полупроводниковыми элементами.
Космическая термоэлектрическая установка ЯЭУ БУК
Космическая термоэлектрическая установка получила наименование ЯЭУ БУК. Для нее был разработан малогабаритный ядерный реактор на быстрых нейтронах с находящимся вне реактора термоэлектрическим генератором на полупроводниках. Активная зона реактора заключена в тонкий шестигранный корпус, в котором устанавливались в плотной упаковке 37 твэлов. Каждый содержал блочки из уран-молибденового сплава и торцевые бериллиевые отражатели. За корпусом размещался бериллиевый отражатель, в котором параллельно перемещались бериллиевые стержни – органы регулирования. Отражатель был выполнен в виде отдельных деталей, стянутых тремя стальными лентами; при аварийном вхождении в атмосферу из космоса эти ленты перегорают и отражатель разваливается. Физика реактора отрабатывалась в ФЭИ на специально созданном критическом стенде, а твэлы испытывались на ресурс в ампульном канале реактора Первой АЭС.
Первые летные испытания состоялись 3 октября 1970 г. на космическом аппарате «Космос-367». Всего было выполнено 33 запуска ЯЭУ БУК в космос на околоземные орбиты в составе космических аппаратов боевой системы военно-морской космической разведки. Каждая установка проработала разное время на орбитах на высоте 280-240 километров (апогей-перигей) и выработала полезную электрическую мощность 2,3-2,5 кВт. Максимальный наработанный ресурс у одной установки составил 135 суток. Последний космический аппарат с ЯЭУ БУК («Космос-1933») был запущен на орбиту искусственного спутника 15 марта 1988 г., после чего запуски прекращены.
Термоэмиссионный реактор-преобразователь на промежуточных нейтронах ТОПАЗ
Параллельно в институте были проведены широкие исследования по созданию реактора-преобразователя с более перспективным – термоэмиссионным – принципом прямого преобразования энергии. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить КПД, повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. В результате в ФЭИ был создан первый в мире термоэмиссионный реактор-преобразователь на промежуточных нейтронах ТОПАЗ.
Разработка термоэмиссионных ядерных установок началась в 1958 г., когда стало известно о готовящихся в Лос-Аламосской национальной лаборатории США реакторных экспериментах с одноэлементными образцами электрогенерирующих элементов. У истоков развития проблемы термоэмиссии в СССР также стояли И.И. Бондаренко и В.Я. Пупко, сумевшие заинтересовать этой задачей группу энтузиастов в ФЭИ и за его пределами (ПО «Красная Звезда», «Энергия» и др.). Большой вклад в становление этого направления, в создание термоэмиссионной ЯЭУ ТОПАЗ, научно-исследовательской и испытательной базы для нее внес А.И. Лейпунский.
Для ресурсных испытаний электрогенерирующих каналов в 1962 г. в реакторе Первой АЭС была создана и стала эксплуатироваться «петля прямого преобразования». Для проведения наземных энергетических испытаний термоэмиссионных ЯЭУ в ФЭИ был сооружен уникальный испытательный стенд, оснащенный всеми системами для испытаний полноразмерных установок (вакуумная камера, отделение дистанционной резки, стапель сборки реактора и стапель общей сборки ЯЭУ в целом и др.).
Первый летный образец ЯЭУ ТОПАЗ был запущен в космос в качестве бортового источника электропитания на спутнике «Космос-1818» 2 февраля 1987 г. Ядерная энергоустановка проработала в космосе около полугода, до исчерпания имеющегося на борту запаса цезия. Второй образец ТОПАЗ (на «Космосе-1876») был запущен 10 июля 1987 г. на безопасную орбиту 813/797 км. Он проработал на этой орбите около года, также до исчерпания запаса цезия. Эти летные испытания, ставшие первыми (и единственными) в мире испытаниями ЯЭУ термоэмиссионного типа, были весьма высоко оценены мировой общественностью.
Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования физики реакторов-преобразователей и защиты космических ЯЭУ проводились в отделении В.Я. Пупко. Конструкторско-технологические и материаловедческие разработки термоэмиссионных электрогенерирующих каналов и их изготовление проведены в отделении В.А. Малыха, а работы по теплофизике и жидкометаллическому теплоносителю – в отделении В.И. Субботина. Большой вклад в создание космических ЯЭУ внесли А.А. Абагян, П.М. Бологов, А.А. Визгалов, И.М. Гусаков, А.И. Ельцов, И.П. Засорин, А.В. Зродников, В.И. Ионкин, И.В. Истомин, В.А. Линник, Ф.П. Раскач, Э.А. Стумбур, А.П. Трифонов, Ю.С. Юрьев и многие другие.