Обращение к сайту «История Росатома» подразумевает согласие с правилами использования материалов сайта.
Пожалуйста, ознакомьтесь с приведёнными правилами до начала работы

Новая версия сайта «История Росатома» работает в тестовом режиме.
Если вы нашли опечатку или ошибку, пожалуйста, сообщите об этом через форму обратной связи

Ядер­ная энергия в кос­мосе имеет, по край­ней мере, две принци­пи­аль­ные возмож­но­сти при­ме­не­ния — она может быть источ­ни­ком теп­ло­вой энергии рабо­чего тела (водо­рода) для созда­ния тяги в ядер­ных ракет­ных двига­те­лях или быть пре­об­ра­зо­ван­ной тем или иным спо­со­бом в элек­троэнергию и служить источ­ни­ком элек­тропи­та­ния для раз­лич­ных бор­то­вых и спе­ци­аль­ных нужд кос­ми­че­ского аппа­рата (в том числе и для пита­ния элек­тро­ре­ак­тив­ных ракет­ных двига­те­лей).

Исто­ри­че­ски эти два направ­ле­ния начали раз­ви­ваться прак­ти­че­ски одно­временно.

Начало работ над ядер­ными ракет­ными двига­те­лями было положено в 1951 году И. И. Бон­да­ренко, В. Я. Пупко и Д. И. Бло­хинце­вым (ФЭИ). Работы про­во­ди­лись при под­держке мини­стра А. П. Заве­нягина широ­кой коопе­рацией (НПО «Луч», ВНИ­ИНМ, МЗП и др.) совместно со спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ными предпри­я­ти­ями С. П. Коро­лева (ОКБ-1), В. П. Глушко (ОКБ-456), М. В. Кел­дыша (НИИ-1). В итоге они закон­чи­лись назем­ными «огне­выми» испыта­ни­ями опыт­ных образцов ИРГИТ и ИВГ на площадке близ г. Семи­па­ла­тин­ска на комплексе «Бай­кал». Эти испыта­ния пока­зали весьма обна­дежи­вающие результаты.

С 1956 года по иници­а­тиве А. И. Лейпун­ского и И. И. Бон­да­ренко коопе­рацией предпри­я­тий мини­стерств сред­него и общего маши­но­стро­е­ния были начаты работы по изу­че­нию возмож­но­сти при­ме­не­ния в составе кос­ми­че­ских аппа­ра­тов (КА) ядер­ных энерге­ти­че­ских уста­но­вок (ЯЭУ), выра­ба­ты­вающих элек­троэнергию. Кос­ми­че­ские ЯЭУ (КЯЭУ), как источ­ники элек­тропи­та­ния, рас­смат­ри­ва­лись как с машин­ным пре­об­ра­зо­ва­нием теп­ло­вой энергии в элек­три­че­скую (с динами­че­скими пре­об­ра­зо­ва­те­лями на основе тер­мо­ди­нами­че­ских цик­лов Брайтона и Рен­кина), так и с прямым пре­об­ра­зо­ва­нием теп­ло­вой энергии в элек­три­че­скую (со ста­ти­че­скими пре­об­ра­зо­ва­те­лями — термоэлек­три­че­скими и термоэмис­си­он­ными).

В начале 1960-х годов на предпри­я­тиях Мини­стер­ства сред­него маши­но­стро­е­ния — в Инсти­туте атом­ной энергии (ныне НИЦ «Кур­ча­тов­ский инсти­тут»), Физико-энерге­ти­че­ском инсти­туте, Сухум­ском физико-тех­ни­че­ском инсти­туте, Подольском научно-иссле­до­ва­тельском тех­но­логи­че­ском инсти­туте, ОКБ «Заря» и затем в Научно-про­из­вод­ствен­ном объеди­не­нии «Крас­ная Звезда» и Цен­траль­ном кон­струк­тор­ском бюро маши­но­стро­е­ния были раз­вер­нуты работы по прямому пре­об­ра­зо­ва­нию теп­ло­вой энергии ядер­ного реак­тора в элек­три­че­ство для кос­ми­че­ских при­ме­не­ний с исполь­зо­ва­нием термоэлек­три­че­ских и термоэмис­си­он­ных пре­об­ра­зо­ва­те­лей.

Инте­рес к этим рабо­там был обу­слов­лен тем, что подоб­ные методы пре­об­ра­зо­ва­ния теп­ло­вой энергии в элек­три­че­ство принци­пи­ально упрощают схему энерге­ти­че­ских уста­но­вок, исклю­чают промежу­точ­ные этапы пре­враще­ния энергии и поз­во­ляют создать более компакт­ные и лег­кие энерге­ти­че­ские уста­новки в диапа­зоне элек­три­че­ских мощ­но­стей от еди­ниц до нескольких сотен кило­ватт.

Работы подогре­ва­лись сообще­ни­ями из США о начале раз­ра­бо­ток реак­то­ров с термоэлек­три­че­скими, термоэмис­си­он­ными и машин­ными схемами пре­об­ра­зо­ва­ния энергии для кос­ми­че­ских при­ме­не­ний (уста­новки SNAP-2, SNAP-8, SNAP-10, SNAP-10а и другие) для раз­лич­ных кос­ми­че­ских задач.

Пер­выми реак­тор­ными кос­ми­че­скими уста­нов­ками в США, раз­ра­ботка кото­рых была пору­чена фирме Atomic International (руко­во­ди­тели раз­ра­ботки Н. Dieckamp, R. Balent и J. Wetch), яви­лись SNAP-2, SNAP-8 с системой пре­об­ра­зо­ва­ния по циклу Рен­кина на ртути элек­три­че­ской мощ­но­стью 3,0 и 35 кВт соот­вет­ственно. Для уста­новки SNAP-2 был раз­ра­бо­тан компакт­ный ядер­ный реак­тор с гомо­ген­ной уран-гид­ридцир­ко­ни­е­вой актив­ной зоной, охла­жда­емой Na–К-теп­ло­но­си­те­лем с берил­ли­е­вым отража­те­лем. Ресурс уста­новки должен пре­вышать 1 год при массе уста­новки без защиты 750 Lb (340 кг). Ввиду тех­ни­че­ской слож­но­сти отра­ботки и про­блем с кор­ро­зией уста­новка не была дове­дена до прак­ти­че­ского исполь­зо­ва­ния в кос­ми­че­ских программах, а создан­ный компакт­ный реак­тор этой уста­новки был при­ме­нен в раз­ра­ба­ты­ва­емой с 1961 года фирмой Atomic International пер­вой в мире реак­тор­ной уста­новке SNAP-10a с термоэлек­три­че­ской системой пре­об­ра­зо­ва­ния энергии на основе крем­ний-герма­ни­е­вых полу­про­вод­ни­ко­вых элемен­тов элек­три­че­ской мощ­но­стью 0,5 кВт, выве­ден­ной в кос­мос в апреле 1965 года. Впо­след­ствии в 1967 году все работы по поставке обо­ру­до­ва­ния для реак­тор­ных уста­но­вок SNAP в США были пре­кращены с целью концен­трации средств на лун­ную программу.

В СССР наи­большее раз­ви­тие полу­чили КЯЭУ прямого пре­об­ра­зо­ва­ния энергии с термоэлек­три­че­скими и термоэмис­си­он­ными пре­об­ра­зо­ва­те­лями. После выхода соот­вет­ствующих поста­нов­ле­ний пра­ви­тельства в 1961 году были начаты работы по созда­нию КЯЭУ «Бук» с термоэлек­три­че­скими пре­об­ра­зо­ва­те­лями и КЯЭУ «Топаз» с термоэмис­си­он­ными пре­об­ра­зо­ва­те­лями в составе КА радио­ло­каци­он­ной раз­ведки «УС-А» и «Плазма».

Пер­вой реак­тор­ной уста­нов­кой с термоэлек­три­че­ским пре­об­ра­зо­ва­нием тепла ядер­ного деле­ния в элек­три­че­скую энергию была ЯЭУ «Ромашка», пущен­ная в виде назем­ного образца в Инсти­туте атом­ной энергии 14 авгу­ста 1964 года. ЯЭУ «Ромашка» успешно про­ра­бо­тала около 15000 ч. Ее термоэлек­три­че­ский гене­ра­тор из полу­про­вод­ни­ко­вого крем­ний-герма­ни­е­вого сплава рас­по­лагался на внеш­ней поверх­но­сти ради­аль­ного отража­теля реак­тора на быст­рых нейтро­нах.

Апо­фе­о­зом ядер­ной кос­ми­че­ской программы СССР стал физи­че­ский пуск в 1972 году в Семи­па­ла­тин­ске уни­каль­ного реак­тора ИВГ-1 для иссле­до­ва­ния физи­че­ских и энерге­ти­че­ских парамет­ров будущих кос­ми­че­ских аппа­ра­тов (в насто­ящее время реак­тор ИВГ-1 при­над­лежит Наци­о­наль­ному ядер­ному цен­тру рес­пуб­лики Казах­стан). За после­дующие годы на нем было про­ве­дено множе­ство экс­пе­римен­тов, результаты кото­рых суще­ственно опе­ре­дили ана­логич­ные иссле­до­ва­ния по программам ядер­ных ракет­ных двига­те­лей (ЯРД) в США и стали фун­дамен­том для даль­нейшего раз­ви­тия этого уни­каль­ного направ­ле­ния.

Логи­че­ским раз­ви­тием НИОКР по ЯЭУ «Ромашка» стало созда­ние коопе­рацией предпри­я­тий НПО «Крас­ная Звезда», ФЭИ, СФТИ и др. оте­че­ствен­ной термоэлек­три­че­ской КЯЭУ «Бук» мощ­но­стью около 3 кВтЭЛ, кото­рая экс­плу­а­ти­ро­ва­лась на искус­ствен­ных спут­ни­ках Земли серии «Кос­мос» в тече­ние 1970-1988 гг.

В КЯЭУ «Бук» исполь­зо­вался малога­ба­рит­ный реак­тор на быст­рых нейтро­нах, актив­ная зона кото­рого содержала 37 стерж­не­вых твэ­лов, размещен­ных в плот­ной упа­ковке в тон­ко­стен­ном корпусе разме­ром «под ключ» 140 мм. В каче­стве топ­лива исполь­зо­вался высо­ко­обогащен­ный уран-молиб­де­но­вый сплав. Загрузка урана-235 состав­ляла около 30 кг. В боко­вом отража­теле из берил­лия размеща­лись про­дольно перемеща­емые стержни регу­ли­ро­ва­ния из берил­лия, стя­ну­тые сталь­ной лен­той. При сходе спут­ника с орбиты и попа­да­ния в плот­ные слои атмо­сферы эта лента должна перего­реть, обес­пе­чи­вая раз­вал отража­теля и сго­ра­ние твэ­лов.

ТЭГ имел две неза­ви­симые секции: основ­ную — для пита­ния потре­би­те­лей кос­ми­че­ского аппа­рата и вспомога­тель­ную — для пита­ния элек­тро­маг­нит­ного насоса, обес­пе­чи­вавших про­качку теп­ло­но­си­теля по обоим кон­ту­рам ЯЭУ. В ТЭГ исполь­зо­ва­лись двух­кас­кад­ные термоэлек­три­че­ские элементы: высо­ко­темпе­ра­тур­ные — из крем­ний-герма­ни­е­вого сплава и низ­ко­темпе­ра­тур­ные — из сви­нец-тел­лу­ро­вого сплава. Ресурс КЯЭУ «БУК» в процессе экс­плу­а­тации был уве­ли­чен до 4400 ч. Удель­ная масса ЯЭУ состав­ляла около 300 кг/кВтЭЛ.

Ради­аци­он­ная без­опас­ность КЯЭУ «Бук» обес­пе­чи­ва­лась 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.

К 1970 году был закон­чен основ­ной объем науч­ных иссле­до­ва­ний, изго­тов­лены пер­вые опыт­ные образцы и про­ве­дены назем­ные сда­точ­ные испыта­ния ЯЭУ «Бук». Натур­ные назем­ные и летно-кос­ми­че­ские испыта­ния и экс­плу­а­тация ЯЭУ в составе КА про­во­ди­лись с 1970-го по 1988 гг. Всего за период экс­плу­а­тации было осуществ­лено 32 запуска в кос­мос.

В 1975 году КЯЭУ «БУК» в составе кос­ми­че­ского аппа­рата радио­ло­каци­он­ной раз­ведки УС–A (RORSAT — по аме­ри­кан­ской терми­но­логии) была при­нята на вооруже­ние.

За работы по КЯЭУ «Бук» Госу­дар­ствен­ной премией были отме­чены В. А. Куз­нецов и В. Д. Бан­краш­ков (ФЭИ), И.М Виш­не­польский и И. И. Вошед­ченко (НПО «Крас­ная звезда»), И. Г. Гвердци­тели (СФТИ), С. Ф. Фара­фо­нов (ОКБ-12).

Пер­вой кос­ми­че­ской ядер­ной энерге­ти­че­ской уста­нов­кой с термоэмис­си­он­ным пре­об­ра­зо­ва­нием энергии, раз­ра­бо­тан­ной НПО «Крас­ная Звезда» и ФЭИ, явля­ется ЯЭУ «Топаз».

В КЯЭУ «Топаз» была при­ме­нена одно­кон­тур­ная система теп­ло­от­вода с натрий-кали­е­вым теп­ло­но­си­те­лем, вклю­чавшая холо­диль­ник-излу­ча­тель, являвшийся одно­временно частью сило­вой кон­струкции ЯЭУ. Система подачи паров цезия обес­пе­чи­вала про­качку пара через межэлек­трод­ный зазор ЭГК.

Компакт­ная актив­ная зона КЯЭУ «Топаз» имела размеры: диаметр — 28 см, высота — 36 см и вклю­чала 79 элек­тро­ге­не­ри­рующих кана­лов (ЭГК) и четыре диска замед­ли­теля из гид­рида цир­ко­ния. ЭГК вме­сте с кана­лами охла­жде­ния рас­по­лага­лись в отвер­стиях дис­ков замед­ли­теля. ЭГК элек­три­че­ски соеди­нены в рабо­чую и насос­ную секции. Комму­тация ЭГК рабо­чей и насос­ной секции осуществ­ля­лась в двух торце­вых комму­таци­он­ных каме­рах в парах цезия таким обра­зом, чтобы напряже­ние на клеммах КЯЭУ состав­ляло около 32 В. Насос­ная секция обес­пе­чи­вала необ­хо­димый элек­три­че­ский ток (около 1200 А) для пита­ния кон­дукци­он­ного элек­тро­маг­нит­ного насоса.

Функции регу­ли­ро­ва­ния теп­ло­вой мощ­но­сти, компен­сации реак­тив­но­сти и ава­рий­ной защиты выпол­няли рас­по­ложен­ные в боко­вом отража­теле 12 пово­рот­ных цилин­дров из берил­лия с сек­тор­ными наклад­ками из кар­бида бора, раз­би­тые на четыре группы по три цилин­дра. Каж­дая группа управ­ля­лась своим при­во­дом.

Ради­аци­он­ная без­опас­ность при про­ве­де­нии двух испыта­ний в кос­мосе обес­пе­чи­ва­лась выво­дом ЯЭУ на орбиту дли­тель­ного суще­ство­ва­ния. Удель­ная масса уста­новки — 200 кг/кВтЭЛ.

Вари­ант термоэмис­си­он­ной уста­новки «Топаз», раз­ра­ба­ты­вавшийся в ГП «Крас­ная Звезда» и ФЭИ, с многоэлемент­ными ЭГК с меньшим тре­бу­емым ресур­сом прошел назем­ные меж­ве­дом­ствен­ные испыта­ния и был испытан в составе двух кос­ми­че­ских аппа­ра­тов серии «Кос­мос-1818» и «Кос­мос-1867» с ресур­сом 0,5 и 1,0 год.

Это были пер­вые в мире испыта­ния в кос­мосе термоэмис­си­он­ных ядер­ных энерго­уста­но­вок.

В ходе летно-кос­ми­че­ских испыта­ний (ЛКИ) была под­твер­ждена пра­виль­ность основ­ных концеп­ту­аль­ных реше­ний, при­ня­тых при раз­ра­ботке КЯЭУ «Топаз». Результаты ЛКИ под­твер­дили надеж­ность работы КЯЭУ «Топаз» при действии фак­то­ров кос­ми­че­ских усло­вий и возмож­ность исполь­зо­ва­ния таких уста­но­вок в каче­стве бор­то­вых источ­ни­ков элек­тропи­та­ния с уров­нем выход­ной элек­три­че­ской мощ­но­сти, пре­вышавшим уро­вень мощ­но­сти КЯЭУ «Бук».

За эту раз­ра­ботку ряд спе­ци­а­ли­стов ФЭИ, НПО «Крас­ная звезда», ВНИ­ИНМ и других орга­ни­за­ций были удо­сто­ены Госу­дар­ствен­ной премии в 1972 и в 1992 гг.

Кроме созда­ния КЯЭУ «Топаз», в СССР в 1960-х годах про­во­ди­лись НИОКР, закон­чивши­еся успеш­ными испыта­ни­ями назем­ного образца реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля (РП) на базе одно­элемент­ного ЭГК ЯЭУ «Ени­сей». Принци­пи­аль­ное отли­чие ЯЭУ «Ени­сей» от КЯЭУ «Топаз» заклю­ча­ется в том, что кон­струкция одно­элемент­ного ЭГК поз­во­ляла про­ве­сти внеш­нюю комму­тацию ЭГК и элек­тро­изо­ляцию в реак­торе-пре­об­ра­зо­ва­теле вне паров цезия, про­верку элек­три­че­ских цепей после сборки реак­тора, испыта­ния РП с помощью эмит­тер­ных элек­тро­нагре­ва­те­лей при про­ект­ной теп­ло­вой мощ­но­сти и загрузку топ­ли­вом на пол­но­стью собран­ной уста­новке.

Начи­ная с 1974 года завод «Двига­тель» (г. Тал­лин) выпус­кал пол­но­масштаб­ные опыт­ные образцы реак­тор­ных бло­ков, на кото­рых про­во­ди­лись теп­лофи­зи­че­ские, элек­троэнерге­ти­че­ские, проч­ност­ные, позд­нее и ядер­ные энерге­ти­че­ские испыта­ния. Этап сборки реак­тор­ного блока завершался в ЦКБМ на стенде «Бай­кал» — спе­ци­аль­ном стенде, на кото­ром про­во­ди­лась термо­ва­ку­ум­ная обра­ботка систем и их заправка теп­ло­но­си­те­лем и газами.

К 1988 году уста­новка «Ени­сей» прошла пол­ный цикл назем­ных испыта­ний, необ­хо­димых перед этапом лет­ных кон­струк­тор­ских испыта­ний (ЛКИ) в составе КА, под­твер­див тре­бу­емые по ТЗ параметры и ресурс 1,5 года с возмож­но­стью достиже­ния ресурса не менее 3 лет. Однако в 1988 году вслед­ствие эко­номи­че­ских труд­но­стей в стране, пере­стройки эко­номики и реакции на ава­рию на Чер­но­быльской АЭС раз­ра­ботка кос­ми­че­ского аппа­рата была пре­кращена и, соот­вет­ственно, пре­кра­ти­лось финан­си­ро­ва­ние работ по КЯЭУ «Ени­сей».

Уста­новки «Бук», «Топаз» и «Ени­сей» соста­вили пер­вое поко­ле­ние оте­че­ствен­ных кос­ми­че­ских ЯЭУ. Они дока­зали принци­пи­аль­ную возмож­ность исполь­зо­ва­ния атом­ной энергии в кос­мосе.