Летим к звёздам!
От научной фантастики до научных прорывов – один шаг
Курчатов говорил, что атом должен быть рабочим, а не солдатом, и это – про созидательную силу ядерной энергии. Но расщепление атома – это ещё и про безграничные возможности науки, а значит – про стремление к мечте. А какой учёный-физик никогда не мечтал о звёздах? Попытки применения атомной энергии в космосе были просто неизбежны! Справедливости ради, отметим: не только из-за мечты, но и из-за того, что у атомной энергии есть ряд неоспоримых преимуществ – как, впрочем, и ряд серьёзных трудностей. Но где без них?
Зачем космосу атом?
В 1950–1960-е годы советская атомная промышленность развивалась стремительно в самых разных направлениях, причём и мирных тоже: энергетике, транспорте, медицине. Одновременно развивалась – а точнее, рождалась – и космическая отрасль. Неудивительно, что появилась идея использовать ядерную энергию и за пределами Земли. Солнечные батареи тогда были маломощными, к тому же, бесполезными в тени Земли. Химические источники быстро разряжались. Традиционного топлива требовалось огромное количество. А учёные мечтали о высоких орбитах, дальних полётах, инопланетных автономных станциях и непрерывной работе приборов наблюдения. Так в отрасли возникло отдельное направление космического ядерного обеспечения – ниша, в которой СССР стал абсолютным пионером.
Вообще атомная энергия в космосе имеет две принципиальные возможности применения. Первая – двигатели: атом может быть источником тепловой энергии для создания тяги в ракетных двигателях. И вторая – батарейки: атомную энергию можно преобразовать в электрическую, которая будет питать двигатели, приборы, системы жизнеобеспечения и всё что угодно. Обе эти возможности развивали одновременно.
Ядерный двигатель
Эта работа началась в 1951 году в ФЭИ силами учёных Игоря Бондаренко, Виктора Пупко и Дмитрия Блохинцева. В 1955 году была создана группа по разработке концепции ядерного ракетного двигателя в НИИ-1 – Научно-исследовательском институте реактивной авиации, которым руководил академик Мстислав Келдыш (именно там, кстати, разработали знаменитые «катюши»). Речь, правда, шла не только об исследовании космоса, но и об оборонке: уже в 1956-м вышло новое постановление о создании межконтинентальной баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем. Главным конструктором ракеты стал отец русской космонавтики Сергей Королёв, главным конструктором двигателя – Валентин Глушко, заложивший основы советского жидкостного ракетного двигателестроения.
В 1958 году на Семипалатинском полигоне построили стенды для испытания реактора взрывного действия (его ещё называют импульсный графитовый реактор). Принцип его работы такой: всё тепло, которое он выделяет, аккумулируется в рабочем теле двигателя – водороде, тот нагревается до 3000С, что обеспечивает импульс тяги в два раза мощнее, чем в двигателе на водородо-кислородном топливе.
Первые испытания прошли в 1962-64 годах – успешно. В Семипалатинске построили целый комплекс для испытаний, начали разрабатывать новые модели реакторов, и до 1988 года запускали их десятки раз. Успешно.
Подобную работу вели и в США в те же годы – их испытания тоже проходили успешно, американцы разработали около 40 разных установок. Правда, советские были эффективнее.
Однако параллельно учёные создавали ракеты и на обычном топливе. С задачей выйти в открытый космос они справлялись – а с точки зрения безопасности были куда надёжнее. Ядерные ракетные двигатели в космос так и не вышли, все испытания проходили только на Земле, а затем тема вовсе отошла на второй план, хотя жива до сих пор.
Взрыволёт
А ещё одну возможность пока воплотили только фантасты (в том числе, например, Стэнли Кубрик в своей «Космической одиссее») – это использование энергии деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги двигателя напрямую. Это почти буквально «верхом на бомбе»: в двигателе происходят последовательные ядерные мини-взрывы, детонация от них улавливается с помощью металлических щитов, и ракета разгоняется. Принцип работы такого двигателя ещё в 1947 году сформулировал американский учёный Станислав Улам. В 1955 году он предложил проект «Орион», и в 1958-м в США его начали разрабатывать. Проводили даже испытания – правда, не с ядерными взрывами, а с химическими, и в конце концов одна из моделей в 1959-м пролетела 100 метров, доказав, что импульсный полёт может быть устойчивым.
В июле 1961 года в СССР свою идею импульсного двигателя для взрыволёта представил отец термоядерной бомбы академик Андрей Сахаров. Причём предлагали как беспилотники, так и транспортные корабли, на которых люди полетят на Марс. Люди в корабле, за стенками которого происходят ядерные взрывы, пусть и «мини»...
Оба проекта, и советский, и американский, окончательно свернули в 1963 году после подписания международного договора «О запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой». Хотя варианты взрыволёта учёные обсуждают до сих пор и считают его потенциально очень перспективным. Не зря же фантасты именно взрыволёт особенно любят!
Ядерный электродвигатель
А вот эта идея ожила: ядерный реактор на ракете вырабатывает электроэнергию, которая, в свою очередь, питает двигатель. Самое интересное тут – способ выработки электроэнергии. Один вариант – грубо говоря, как на любой АЭС: реактор греет теплоноситель, а он крутит турбину. А другой – когда тепловая энергия преобразуется в электрическую напрямую.
Первый способ для космоса не особо удобен. Ведь для ракеты очень важен вес, а в таком двигателе много движущихся деталей, которые требуют ремонта и замены – а это значит запчасти, следовательно, лишний вес корабля. Да и само дополнительное оборудование – тоже вес. Второй способ гораздо интереснее: схема энергетических установок – проще, промежуточных этапов меньше, движущихся деталей нет, установка – более компактная и лёгкая. И этот способ воплотили сразу в нескольких вариантах. Процесс очень подстёгивала холодная война и гонка вооружений СССР и США: разведке нужны были незаметные спутники и чёткие изображения из космоса, а значит – мощные и компактные источники питания для радара.
В 1965 году США запустили свой космический реактор на 500 Вт SNAP-10A. Он стал первым ядерным реактором в космосе, хотя испытания прошли не идеально: вместо расчётного года реактор проработал всего 43 дня, и то с серьёзными неполадками. Для американцев он пока остался единственным: США полностью переориентировались на РИТЭГи – радиоизотопные термоэлектрические генераторы. А вот в СССР тема развивалась очень активно.
В 1964 году в Курчатовском институте создали термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» на быстрых нейтронах. Он работал как обычная термопара, но с более высокой эффективностью. Его мощность была 0,5 кВт, он проработал институте в непрерывном режиме около двух лет.
В 1970-м на орбиту полетел первый советский спутник с реактором «Бук» – тоже на быстрых нейтронах. Тепло от активной зоны отводил натрий-калиевый теплоноситель, доставлял в преобразователь, где оно превращалось электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. Циркуляция организована так, что горячий теплоноситель омывает горячие спаи батарей, а холодный – холодные; при разности температуры на спаях возникает электродвижущая сила, и при замыкании на нагрузку в цепи протекает электрический ток.
«Бук» пошёл в серию. Его ставили на спутники морской разведки «УС-А» - это было очень удобно: спутники получались компактными, незаметными (солнечных батарей-то нет!) и в то же время оборудованными мощной электроникой. Всего было запущено 32 спутника.
Заречный – космосу!
Потом появился «Топаз» – более лёгкая и мощная система уже не с термоэлектрическим, а термоэмиссионным преобразователем. В его создании участвовало около 300 организаций СССР. И огромный вклад внесли зареченские учёные Института реакторных материалов – тогда ещё СФ НИКИЭТ. Космическая тема в ИРМ появилась сразу, вместе с запуском реактора в 1966 году. В 70-х у нас запустили целый специальный стенд ПУРС для испытаний изделий по теме «Термоэмиссионные преобразователи» (ТЭП).
Принцип работы ТЭП похож на обычный диод: если в вакуум поместить катод, к которому подключён «минус», и анод, к которому подключён «плюс», катод начинает испускать электроны, и они будут двигаться к аноду. В ТЭП этот принцип превращён в принцип генератора. Катод – это уже не вольфрамовая ниточка, а вольфрамовый цилиндрик, внутри которого – ядерное топливо, уран. Уран делится, раскаляется сам, раскаляет цилиндрик до тысяч градусов, и электроны катода двигаются к аноду (это и есть термоэмиссия) – другому, внешнему цилиндрику. Активная зона реактора состоит из таких цилиндриков – получается генератор тока без единой подвижной детали. В реакторе ИРМ проводили испытания электрогенерирующих каналов, содержащих ТЭП.
«Топаз» вызвал огромный интерес в мире: его демонстрировали на международных выставках, специалисты отмечали высокую степень инженерной проработки. Два «Топаза» полетели в космос в 1987 и 1988 годах на борту экспериментальных космических аппаратов «Космос-1818» и «Космос-1867». Первый летал 142 суток. Второй – почти год!
Следующим шагом был реактор-преобразователь «Енисей» для работы в составе спутника телевещания «Экран-АМ». Он успешно прошёл все наземные испытания, но в космосе так и не побывал – проект в 1988 году закрыли, хотя исследования продолжаются.
Атомная батарейка
А точнее – конкретный вид радиоактивных источников энергии: радиоизотопные термоэлектрические генераторы – РИТЭГи. Они основаны на использовании радиационных явлений: например, плутоний-238 при распаде выделяет большое количество тепловой энергии, которую можно преобразовать в электрическую.
РИТЭГ также работает по принципу термопары, но если в «Ромашке» тепло появляется в результате управляемой цепной реакции, то РИТЭГ использует естественный распад радиоактивных изотопов. Он состоит из двух элементов: источника тепла (изотопа) и термопар, которые преобразуют тепловую энергию в электричество. Для нагрева горячей стороны термопары используют тепло от распада изотопа, а для охлаждения холодной – холод космического пространства.
Именно РИТЭГи используют в своих космических программах США. На космических зондах «Вояджер», которые путешествуют за пределами Солнечной системы, и на марсоходе Curiosity работают именно РИТЭГи – причём, что любопытно, питает их российский плутоний.
Ядерный буксир
Новая тема XXI века – создание космических буксиров с ядерной энергетической установкой. Суть проста: реактор даёт много энергии, а электрореактивные двигатели используют её для длительного и экономного разгона. Такая схема позволяет менять орбиты тяжёлых аппаратов и отправлять исследовательские миссии в далёкий космос.
В России этот проект сейчас называется «Зевс» – межорбитальный буксир мегаваттного класса. Он рассчитан на долгую работу, перевозку грузов и научные экспедиции к Луне, Юпитеру и другим объектам Солнечной системы. Теплоноситель «Зевса» - газ, прокачивается через реактор, затем нагретый газ вращает турбину, соединённую с генератором, который вырабатывает электричество, и компрессором, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру. Сейчас создаются опытные элементы установки.
…Вообще ядерные космические программы разных стран сегодня выглядят, пожалуй, фантастичнее всего остального в атомной отрасли. Некоторым идеям уже десятки лет: так, над технологией транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с турбогенератором тот же ИРМ работает с 2010-х – тема нашего института это ТВЭЛы. Кстати, ТЭМ предлагали использовать и в качестве астероидной защиты Земли – как гравитационный тягач. Что только не обсуждают учёные: и вброс мини-бомб в солнечный парус, и плазменные двигатели, и микрореакторы… Многое негласно засекречено, но немало и прорывается наружу – и звучит то как научные прорывы, то как научная фантастика. Бесспорно лишь, что Россия тут впереди всех: только у нас есть реальный немалый опыт запуска ядерных реакторов в космос. Есть компетенции. Есть учёные. И если будет интерес, то будет и космос.
Алиса Мучник, по данным открытых источников