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

История атомных реакторов /

«Ромашка»

Решив важ­нейшую задачу созда­ния ядер­ного оружия и системы его доставки, руко­вод­ство СССР обра­тило свое внима­ние на кос­мос как про­стран­ство для реше­ния обо­рон­ных и граж­дан­ских задач. К тако­вым в первую оче­редь отно­си­лись задачи наблю­де­ния, радио­ло­кации, кос­ми­че­ской связи, теле­ви­де­ния и изу­че­ния пла­нет сол­неч­ной системы. Для их реше­ния в основ­ном исполь­зо­ва­лась тра­дици­он­ная сол­неч­ная энерге­тика, однако по мере уве­ли­че­ния энерго­ем­ко­сти при­бо­ров и аппа­ра­тов встал вопрос о раз­ра­ботке кос­ми­че­ских ядер­ных энерге­ти­че­ских уста­но­вок.

Любит-не любит

Реше­ние об исполь­зо­ва­нии ядер­ных энерге­ти­че­ских уста­но­вок (ЯЭУ) в кос­мосе в составе бес­пи­лот­ных кос­ми­че­ских аппа­ра­тов (КА) осно­вы­ва­лось на таких их пре­имуще­ствах как неза­ви­симость от рас­сто­я­ния до Солнца и ори­ен­тации в про­стран­стве, компакт­ность и лучшие мас­сога­ба­рит­ные харак­те­ри­стики, начи­ная с уровня элек­три­че­ской мощ­но­сти в несколько десят­ков кВт. Кроме того, они обла­дают стой­ко­стью к воз­действию ради­аци­он­ных поя­сов.

Еще одно досто­ин­ство ядер­ных энерге­ти­че­ских уста­но­вок — возмож­ность их совмеще­ния для полу­че­ния тяги с наи­бо­лее эффек­тив­ными элек­тро­ре­ак­тив­ными двига­те­лями и созда­ния на этой основе энерго­двига­тель­ных комплек­сов, спо­соб­ных выво­дить на высо­коэнерге­ти­че­ские орбиты массу полез­ной нагрузки в 2-3 раза больше, чем на хими­че­ском топ­ливе, и обес­пе­чить при этом дли­тель­ное (до 5-7 лет и более) пита­ние аппа­ра­туры КА элек­три­че­ской мощ­но­стью 25-400 кВт.

С 1956 года по иници­а­тиве А. И. Лейпун­ского и И. И. Бон­да­ренко коопе­рацией предпри­я­тий мини­стерств сред­него и общего (ракет­ного) маши­но­стро­е­ния были начаты работы по изу­че­нию возмож­но­сти при­ме­не­ния в составе кос­ми­че­ских аппа­ра­тов ядер­ных энерге­ти­че­ских уста­но­вок, выра­ба­ты­вающих элек­троэнергию. Пер­во­на­чально кос­ми­че­ские ЯЭУ, 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 годов выбор был сде­лан в пользу термоэлек­три­че­ских и термоэмис­си­он­ных пре­об­ра­зо­ва­те­лей, кото­рые 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 кВт.

В реак­торе-пре­об­ра­зо­ва­теле источ­ник тепла — ядер­ный реак­тор и система пре­об­ра­зо­ва­ния — термоэлек­три­че­ский или термоэмис­си­он­ный пре­об­ра­зо­ва­тель совмещены в еди­ном блоке.

В 1961 году Инсти­ту­том атом­ной энергии (НИЦ «Кур­ча­тов­ский инсти­тут»), исходя из имевшегося задела по физике высо­ко­темпе­ра­тур­ных ядер­ных реак­то­ров на быст­рых нейтро­нах, были выдви­нуты пред­ложе­ния по возмож­ным кон­струк­тив­ным реше­ниям реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля с прямым пре­об­ра­зо­ва­нием теп­ло­вой энергии в элек­три­че­ство. В том же году на основе пред­ложе­ний Инсти­тута атом­ной энергии пра­ви­тельство СССР при­няло реше­ние о созда­нии и про­ве­де­нии ядер­ных энерге­ти­че­ских испыта­ний малога­ба­рит­ной кос­ми­че­ской элек­тро­станции с прямым пре­об­ра­зо­ва­нием теп­ло­вой энергии в элек­три­че­ство, полу­чившей назва­ние реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель «Ромашка».

Работы по «Ромашке» раз­вер­ну­лись в Инсти­туте атом­ной энергии и на предпри­я­тиях Мин­сред­маша — Физико-энерге­ти­че­ском инсти­туте, Подольском научно-иссле­до­ва­тельском тех­но­логи­че­ском инсти­туте, Сухум­ском физико-тех­ни­че­ском инсти­туте, ОКБ «Заря» и затем в НПО «Крас­ная Звезда» и Цен­траль­ном кон­струк­тор­ском бюро маши­но­стро­е­ния.

Ядер­ный реак­тор уста­новки «Ромашка» пред­став­лял собой нейтронно-физи­че­скую систему, рабо­тающую на быст­рых нейтро­нах. Реак­тор являлся источ­ни­ком теп­ло­вой энергии, кото­рая пре­об­ра­зо­вы­ва­лась с помощью полу­про­вод­ни­ко­вых термоэлемен­тов в энергию элек­три­че­скую. Для этого тепло ядер­ного реак­тора пере­да­ва­лось за счет теп­лопро­вод­но­сти мате­ри­а­лов актив­ной зоны и ради­аль­ного отража­теля на пре­об­ра­зо­ва­тель и далее на излу­ча­тель без какого-либо теп­ло­но­си­теля и систем его про­качки, а не пре­об­ра­зо­ван­ная часть тепла сбра­сы­ва­лась излу­че­нием через реб­ри­стый холо­диль­ник-излу­ча­тель.

Кон­струк­тивно реак­тор цилин­дри­че­ской формы состоял из актив­ной зоны диамет­ром 241 мм и высо­той 351 мм, берил­ли­е­вых отража­те­лей (ради­аль­ного и торце­вых) и четырех стерж­ней регу­ли­ро­ва­ния, нахо­дящихся в ради­аль­ном отража­теле. Рас­по­ложе­ние реак­тора — вер­ти­каль­ное.

Актив­ная зона реак­тора наби­ра­лась из 11 теп­ло­вы­де­ляющих элемен­тов, каж­дый из кото­рых состоял из гра­фи­то­вого корпуса с крыш­кой и теп­ло­вы­де­ляющих сег­мент­ных пла­стин и цен­траль­ного диска из дикар­бида урана с обогаще­нием 90 % по урану-235. Общий вес урана-235 в актив­ной зоне реак­тора состав­лял 49 кг.

В каче­стве термоэлек­три­че­ского гене­ра­тора в уста­новке «Ромашка» исполь­зо­вался пре­об­ра­зо­ва­тель на основе наи­бо­лее высо­ко­темпе­ра­тур­ного в то время полу­про­вод­ни­ко­вого крем­ний-герма­ни­е­вого сплава. Пре­об­ра­зо­ва­тель мон­ти­ро­вался внутри герме­тич­ного сталь­ного кожуха аппа­рата и был раз­бит на четыре группы, каж­дая из кото­рых имела неза­ви­симые сило­вые выводы.

Все детали реак­тора и термоэлемен­тов рабо­тали в среде гелия, запол­няющего герме­тич­ную полость реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля. Герме­ти­за­ция реак­тора не поз­во­ляла оско­лоч­ным про­дук­там деле­ния рас­про­стра­няться за пре­делы корпуса.

Для уста­новки НИИ ТВЭЛ совместно с Подольским опыт­ным заво­дом раз­ра­бо­тали тех­но­логию и изго­то­вили элементы актив­ной зоны из дикар­бида урана обогаще­нием 90 % по урану-235, отража­тели из метал­ли­че­ского берил­лия и метал­ло­ке­рами­че­ские элек­тро­изо­ляци­он­ные пла­стины для пре­об­ра­зо­ва­теля. В Сухум­ском ФТИ был изго­тов­лен и испытан на теп­лофи­зи­че­ском стенде крем­ний-герма­ни­е­вый термоэлек­три­че­ский пре­об­ра­зо­ва­тель. Харь­ков­ский ФТИ раз­ра­бо­тал покрытия для защиты гра­фи­то­вых изде­лий от хими­че­ского вза­и­мо­действия с берил­лием при высо­ких темпе­ра­ту­рах. В НИИ «Гра­фит» создали гра­фи­то­вые элементы актив­ной зоны с покрыти­ями и теп­ло­изо­ляци­он­ные элементы из пори­стого гра­фита и гра­фи­ти­ро­ван­ной ткани.

К авгу­сту 1964 года реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель «Ромашка» был пол­но­стью готов к дли­тель­ным энерге­ти­че­ским испыта­ниям на спе­ци­ально сооружен­ном в ИАЭ стенде «Р». Ход работ по уста­новке посто­янно был под кон­тро­лем дирек­тора Инсти­тута атом­ной энергии ака­демика А. П. Алек­сан­дрова, кото­рый при­сут­ство­вал при пер­вом физи­че­ском пуске реак­тора на кри­ти­че­ском стенде.

14 авгу­ста 1964 года реак­тор «Ромашка» дал пер­вый ток, про­ра­бо­тав по апрель 1966 года, то есть в тече­ние около 15 тыс. часов. За это время реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель выра­бо­тал 6100 кВтч элек­троэнергии, пока­зав высо­кую степень надеж­но­сти и ста­биль­но­сти основ­ных парамет­ров. Эффек­тив­ная теп­ло­вая мощ­ность уста­новки соста­вила 28 кВт, а элек­три­че­ская — 460-475 Вт. Мак­сималь­ная темпе­ра­тура цен­тра актив­ной зоны реак­тора достигала 1900 °С, а выго­ра­ние урана-235 — 40 %.

На реак­торе-пре­об­ра­зо­ва­теле был про­ве­ден большой комплекс иссле­до­ва­ний, поз­во­лявший изу­чить его физи­че­ские и теп­лоэнерге­ти­че­ские харак­те­ри­стики, как в стаци­о­нар­ных, так и нестаци­о­нар­ных режимах работы. В процессе про­во­димых экс­пе­римен­тов осуществ­лялся непре­рыв­ный кон­троль темпе­ра­тур в раз­лич­ных элемен­тах реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля и пери­о­ди­че­ский замер харак­те­ри­стик аппа­рата.

На про­тяже­нии пер­вых 4 тыс. часов испыта­ний реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля про­из­во­ди­лись пери­о­ди­че­ская компен­сация изме­не­ний реак­тив­но­сти орга­нами регу­ли­ро­ва­ния и под­дер­жа­ние теп­ло­вой мощ­но­сти, соот­вет­ствующей темпе­ра­туре внут­рен­ней поверх­но­сти ради­аль­ного отража­теля 1200 °С. Под­дер­жа­ние теп­ло­вой мощ­но­сти осуществ­ля­лось вруч­ную опе­ра­то­ром без исполь­зо­ва­ния преду­смот­рен­ной системы авто­ма­ти­че­ского управ­ле­ния.

Сле­дующий период с целью лучшего выяв­ле­ния изме­не­ний харак­те­ри­стик реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель рабо­тал в режиме само­регу­ли­ро­ва­ния без какого-либо вмеша­тельства со сто­роны опе­ра­тора. Компен­сация изме­не­ния реак­тив­но­сти была осуществ­лена только после 12 тыс. часов работы. В тече­ние 500 часов про­во­ди­лись нестаци­о­нар­ные испыта­ния реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля.

На про­тяже­нии всех иссле­до­ва­ний реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель рабо­тал в режиме посто­ян­ной нагрузки. Неко­то­рые замеры парамет­ров про­во­ди­лись в «импульс­ном» режиме вклю­че­ния нагрузки после работы в режиме ЭДС.

Испыта­ния уста­новки «Ромашка» пока­зали, что термоэлек­три­че­ский пре­об­ра­зо­ва­тель на основе крем­ний-герма­ни­е­вого сплава теряет элек­три­че­скую мощ­ность до 20-25 % за ресурс 15 тыс. часов при даль­нейшем конеч­ном темпе паде­ния элек­три­че­ской мощ­но­сти около 5,5 % в год. Потеря элек­три­че­ской мощ­но­сти опре­де­ля­ется в основ­ном воз­рас­та­нием внут­рен­него сопро­тив­ле­ния пре­об­ра­зо­ва­теля из-за диффу­зи­он­ных процес­сов, про­те­кающих в комму­таци­он­ных пере­хо­дах на гра­нице гра­фи­то­вая шайба — крем­ний-герма­ни­е­вый сплав с обра­зо­ва­нием слоя кар­бида крем­ния, имеющего большое оми­че­ское сопро­тив­ле­ние, и за счет вли­я­ния нейтрон­ного излу­че­ния на харак­те­ри­стики крем­ний-герма­ни­е­вого сплава.

За время ресурса работы реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля (за пер­вые 12 000 ч.) было заме­чено паде­ние реак­тив­но­сти 0,6 %, что компен­си­ро­ва­лось орга­нами регу­ли­ро­ва­ния. Изме­не­ние реак­тив­но­сти объяс­ня­лось глав­ным обра­зом небольшими изме­не­ни­ями геомет­рии актив­ной зоны вслед­ствие деформации теп­ло­вы­де­ляющих элемен­тов и отража­теля.

В тече­ние всего ресурса работы не было отме­чено каких-либо слу­чай­ных внут­рен­них возмуще­ний, только система­ти­че­ские ресурс­ные изме­не­ния парамет­ров, что под­твер­ждало устой­чи­вость системы. Ока­за­лось, что реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель может рабо­тать дли­тель­ное время вообще без уча­стия опе­ра­тора, что явля­лось осо­бенно цен­ным каче­ством в слу­чае исполь­зо­ва­ния его в каче­стве авто­ном­ного источ­ника энергии.

В 1969 году реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель демон­ти­ро­вали с целью ана­лиза состо­я­ния его элемен­тов. Ана­лиз состо­я­ния под­твер­дил вывод о надеж­но­сти кон­струкции системы, пока­зал, что в дан­ной системе суще­ствуют большие запасы, и полу­чен­ные параметры не являются пре­дель­ными. В целом полу­чен­ные результаты испыта­ний поз­во­лили сде­лать вывод, что кон­струкция ста­ти­че­ской ядерно-энерге­ти­че­ской уста­новки на основе высо­ко­темпе­ра­тур­ного реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля с крем­ний-герма­ни­е­вым термоэлемен­том обла­дает высо­кой надеж­но­стью.

Результаты испыта­ний поз­во­лили наме­тить возмож­ные пути улучше­ния ряда парамет­ров системы, в част­но­сти, за счет исполь­зо­ва­ния более эффек­тив­ного крем­ний-герма­ни­е­вого сплава с 55 % содер­жа­нием герма­ния фор­си­ро­вать элек­три­че­скую мощ­ность до 1000 Вт или сокра­тить вес системы до 200 кг (про­тив 265 кг у «Ромашки») при соот­вет­ствующем сокраще­нии элек­три­че­ской мощ­но­сти до 200 Вт.

На этапе созда­ния уста­новки «Ромашка» большую заин­те­ре­со­ван­ность в исполь­зо­ва­нии раз­ра­ба­ты­ва­емых тех­но­логий высо­ко­темпе­ра­тур­ных реак­тор­ных систем с термоэлек­три­че­скими и термоэмис­си­он­ными пре­об­ра­зо­ва­те­лями в кос­ми­че­ской тех­нике про­яв­лял С. П. Коро­лев. Он пер­вым пред­ложил запу­стить в кос­мос реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель «Ромашка», но преж­де­времен­ная смерть С. П. Коро­лева не поз­во­лила реа­ли­зо­вать его планы.

В даль­нейшем по выдан­ному ОКБ-1 тех­ни­че­скому зада­нию преду­смат­ри­ва­лось исполь­зо­вать реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель «Ромашка» для энерго­снабже­ния лун­ной станции в каче­стве аль­тер­на­тивы раз­ра­ба­ты­ва­емым в то время элек­тро­хи­ми­че­ским и изо­топ­ным гене­ра­то­рам. Для уменьше­ния воз­действия нейтрон­ного и гамма-излу­че­ния реак­тора на пер­со­нал и обо­ру­до­ва­ние лун­ной станции пла­ни­ро­ва­лось разме­стить реак­тор-пре­об­ра­зо­ва­тель в есте­ствен­ном лун­ном кра­тере или в спе­ци­ально подго­тов­лен­ной воронке. Однако взрыв ракеты-носи­теля Н-1 на стар­то­вой площадке пере­черк­нул планы по лун­ной программе и, соот­вет­ственно, планы исполь­зо­ва­ния реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля на Луне.

При­ме­ни­тельно к раз­ра­ба­ты­ва­емому в ОКБ-52 (В. Н. Челомей) кос­ми­че­скому аппа­рату УС-А в 1963 году в коопе­рации с ОКБ-165 (A. M. Люлька) на этапе предэс­киз­ного про­екта наряду с раз­ра­ба­ты­вавшейся в ОКБ-670 (М. М. Бон­да­рюк) ЯЭУ «БУК» была раз­ра­бо­тана вто­рая кос­ми­че­ская термоэлек­три­че­ская уста­новка с крем­ний-герма­ни­е­выми пре­об­ра­зо­ва­те­лями, совмещен­ными с актив­ной зоной, охла­жде­нием холод­ных спаев Na-К теп­ло­но­си­те­лем элек­три­че­ской мощ­но­стью 5,0 кВт. Однако ввиду отсут­ствия в то время дан­ных о вли­я­нии излу­че­ния реак­тора на харак­те­ри­стики крем­ний-герма­ни­е­вого сплава даль­нейшего раз­ви­тия она не полу­чила.