Ядер­ные ре­ак­то­ры в кос­мо­се: ТЭМ.

Вер­ши­ной 20 лет­них ис­сле­до­ва­тель­ских и кон­струк­тор­ских уси­лий по со­зда­нию кос­ми­че­ских энер­го­уста­но­вок на базе ядер­ных ре­ак­то­ров в СССР стал по­ле­тев­шая в 1988 году двой­ка спут­ни­ков "Плазма-​А". Эти уста­нов­ки ба­зи­ро­ва­лись на от­ла­жен­ной на земле тех­но­ло­гии тер­мо­эмис­си­он­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии (более 80 ис­пы­та­тель­ных сбо­рок про­ве­ли в ре­ак­то­рах от 100 до 16000 часов). Вло­жен­ные уси­лия, мас­штаб работ и кра­со­та идеи ока­за­лись на­столь­ко мощ­ны­ми, что по­сле­ду­ю­щие 20 лет в ста­тьях про­филь­ных ор­га­ни­за­ций, про­ек­ти­ро­вав­ших и пла­ни­ро­вав­ших КА с ЯЭУ вы не най­де­те ни­че­го, кроме раз­ви­тия идей ре­ак­то­ров с тер­мо­эмис­си­он­ны­ми пре­об­ра­зо­ва­те­ля­ми. 20 лет раз­го­во­ров про свет­лое ядерно-​космическое бу­ду­щее обо­рва­лись в ок­тяб­ре 2009 года, когда фи­нан­си­ро­ва­ние по­лу­чи­ли не мно­го­чис­лен­ные про­ек­ты раз­ви­тия "Плазма-​А", а "Транспортно-​энергетический мо­дуль" с тур­бо­ма­шин­ным пре­об­ра­зо­ва­ни­ем. И во главе про­ек­та вста­ли со­всем не те люди, ко­то­рые за­ни­ма­лись этой те­ма­ти­кой рань­ше. Одну из клю­че­вых ролей в таком раз­во­ро­те кроме уси­лий лоб­би­стов сыг­ра­ла одна тех­ни­че­ская идея, свя­зан­ная со сбро­сом тепла в кос­мо­се.

Аме­ри­кан­ская АМС JIMO, тоже пла­ни­ро­вав­ша­я­ся с ядер­ным ре­ак­то­ром на борту.

Хо­ро­шо из­вест­но, что вес - это глав­ный враг кос­ми­че­ских ЯЭУ, а хо­ло­диль­ни­ки для сбро­са па­ра­зит­но­го тепла - самый тя­же­лый эле­мент по­доб­ных ап­па­ра­тов. В ва­ри­ан­те с тер­мо­эмис­си­он­ны­ми пре­об­ра­зо­ва­те­ля­ми этот во­прос ре­ша­ет­ся до­воль­но эле­гант­но - да, их кпд неве­лик по срав­не­нию с тур­бин­ным цик­лом, но тем­пе­ра­ту­ра хо­ло­диль­ни­ков из­лу­ча­те­лей может быть очень вы­со­ка (по­ряд­ка 1000К, а сам ре­ак­тор разо­грет до 1650К) , а как мы пом­ним, вес хо­ло­диль­ни­ков за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры в сте­пе­ни 1/T^4. В итоге эта сте­пен­ная за­ви­си­мость пе­ре­иг­ры­ва­ет вчет­ве­ро боль­ший объем тепла, ко­то­рый надо сбро­сить с тер­мо­эмис­си­он­ной ЯЭУ.

Толь­ко если у вас нет ре­во­лю­ци­он­ной идеи ка­пель­но­го ХИ.

Идея за­клю­ча­ет­ся в том, что бы вме­сто того, что бы го­нять жид­кость по труб­кам внут­ри из­лу­ча­ю­щих па­не­лей, она по­ле­тит прямо сквозь кос­мос - от форсунок-​формирователей струй до кап­ле­уло­ви­те­ля. При этом, тео­ре­ти­че­ски, вес ХИ можно со­кра­тить в разы, а по­те­ри на ис­па­ре­ние в ва­ку­ум ре­ша­ют­ся под­бо­ром спе­ци­аль­ной крем­не­ор­га­ни­че­ской жид­ко­сти. В таком рас­кла­де у тер­мо­эмис­си­о­ных ЯЭУ на­чи­на­ет иг­рать их "ро­ди­мое пятно" - невы­со­кая плот­ность мощ­но­сти на элек­тро­ге­не­ри­ру­ю­щих твэ­лах, ну и кпд в 5-8%.

Имен­но такой кон­цепт ТЭМ - с тур­бо­ма­шин­ным пре­об­ра­зо­ва­ни­ем теп­ло­вой энер­гии и ка­пель­ны­ми хо­ло­диль­ни­ка­ми был пред­ло­жен ФГУП «Центр Кел­ды­ша» в 2009 году. Но­ва­тор­ство идеи легло на бла­го­дат­ную почву пика "раз­ви­тия ин­но­ва­ций в стране" пре­зи­ден­том Мед­ве­де­вым, а по­мно­жен­ное на силу лоб­би­стов Ро­са­то­ма и главы «ИЦ Кел­ды­ша» ака­де­ми­ка Ко­ро­те­е­ва поз­во­ли­ло сме­сти жал­кие "ар­ха­ич­ные" про­ек­ты РКК Энер­гии, КБ Ар­се­нал, ОАО "Крас­ная звез­да" с доски и по­лу­чить за­вет­ное фи­нан­си­ро­ва­ние.

Пер­вый эс­киз­ный ва­ри­ант ТЭМ с 4 ка­пель­ны­ми хо­ло­диль­ни­ка­ми (бежево-​коричневые по­лот­ни­ща). Снизу рен­дер в сло­жен­ном по­ло­же­нии. (с) РКК Энер­гия

Для про­ве­де­ния НИОКР в 2010 году была на­ча­та про­грам­ма сто­и­мо­стью 17 мил­ли­ар­дов руб­лей, из ко­то­рых 7.245 млрд. руб. вы­де­ля­лось на ре­ак­тор, 3.955 на си­сте­му пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии, а около 5.8 млрд - на остав­ший­ся кос­ми­че­ский ап­па­рат. Ядер­ный ре­ак­тор по­ру­чи­ли де­лать ин­сти­ту­ту НИ­КИ­ЭТ (со­зда­те­лю свин­цо­во­го быст­ро­ви­ка БРЕСТ), си­сте­му пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии - ИЦ им. Кел­ды­ша, а весь кос­ми­че­ский ап­па­рат - РКК “Энер­гия”.

Облик пер­вой ре­дак­ции ТЭМ по­ра­жал лю­бо­го ин­же­не­ра, зна­ю­ще­го кон­текст. Сверх­вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ный (1600К!) быст­рый ре­ак­тор, охла­жда­е­мый газом, топ­ли­во из кар­бо­нит­ри­да урана (пер­спек­тив­ное, но ма­ло­изу­чен­ное), тур­бо­ком­прес­сор­ные уста­нов­ки, ра­бо­та­ю­щие на 60000 обо­ро­тах в ми­ну­ту c тем­пе­ра­ту­рой на тур­бине 1500К непре­рыв­но 10 лет, теп­ло­об­мен­ни­ки, на те же 1500К. Раз­дви­га­ю­ща­я­ся кон­струк­ция ап­па­ра­та длин­ной 54 метра и ши­ри­ной 20, в ис­ход­ном со­сто­я­нии укла­ды­ва­ю­ща­я­ся под об­те­ка­те­лем РН. Ре­корд­ная ме­га­ватт­ная кос­ми­че­ская элек­тро­си­сте­ма с на­пря­же­ни­ем 4,5 ки­ло­воль­та, пи­та­ю­щая 16 ион­ных ЭРД мощ­но­стью по 60 ки­ло­ватт (в 10 раз мощ­нее ле­тав­ших на тот мо­мент и в 1,5 раза мощ­нее ла­бо­ра­тор­ных ре­корд­сме­нов). На­ко­нец сам кос­ми­че­ский ап­па­рат, ко­то­рый дол­жен был вы­дер­жи­вать в 10 раз боль­шую дозу об­лу­че­ния, чем се­го­дняш­ний ти­пич­ный уро­вень в 100 ки­ло­рад - об­лу­че­ния как от ре­ак­то­ра, так и от ра­ди­а­ци­он­ных по­я­сов, сквозь ко­то­рые при­шлось бы бук­си­ро­вать по­лез­ные на­груз­ки.

Пла­кат ТЭМ на МАКС-2013. За ядер­ным бло­ком слева и спра­ва видны две ос­нов­ные кон­цеп­ции - с ка­пель­ны­ми и па­нель­ны­ми ХИ.

Про­ект начал раз­ви­вать­ся, ре­гу­ляр­но бли­стая пер­спек­ти­ва­ми и ин­но­ва­ци­я­ми в ин­тер­вью, ТВ и кон­фе­рен­ци­ях. Наи­бо­лее резво взял­ся за ра­бо­ту Ро­са­том - быст­ро от­ка­зав­шись от кар­бо­нит­рид­но­го топ­ли­ва в поль­зу зна­ко­мо­го ок­сид­но­го был спро­ек­ти­ро­ван ядер­ный ре­ак­тор, смесь стан­дарт­но­го и но­во­го. В ци­лин­дри­че­ском кор­пу­се из нержа­ве­ю­щей стали диа­мет­ром 50 см и длин­ной при­мер­но метр рас­по­ло­же­ны несколь­ко сотен ци­лин­дри­че­ских твэ­лов, со­дер­жа­щих оксид вы­со­ко­обо­га­щен­но­го урана в обо­лоч­ках из мо­но­кри­стал­ли­че­ско­го мо­либ­де­на диа­мет­ром 4-5 мм. Общая рас­чет­ная масса топ­ли­ва 80-150 кг, в за­ви­си­мо­сти от до­сти­жи­мо­го вы­го­ра­ния. Управ­ле­ние осу­ществ­ля­ет вдви­же­ни­ем и вы­дви­же­ни­ем 19 по­гло­ща­ю­щих стерж­ней си­сте­мы управ­ле­ния из кар­би­да бора в мо­либ­де­но­вой обо­лоч­ке. Быст­рый ре­ак­тор имеет теп­ло­вую мощ­ность 3,8 ме­га­ват­та и охла­жда­ет­ся га­зо­вой сме­сью из 78% гелия и 22% ксе­но­на при ра­бо­чем дав­ле­нии в 40 атм. Тем­пе­ра­ту­ра га­зо­вой смеси на входе 1200, а на вы­хо­де 1500К (1227 С).

Мо­дель ак­тив­ной зоны ТЭМ для гид­рав­ли­че­ских ис­пы­та­ний.

Ядер­ную уста­нов­ку раз­ра­ба­ты­ва­ет несколь­ко пред­при­я­тий Ро­са­то­ма, в т.ч. ФЭИ, много де­ся­ти­ле­тий за­ни­мав­ший­ся раз­ра­бот­кой кос­ми­че­ских ЯЭУ, НПО “Луч”, вла­де­ю­щий тех­но­ло­ги­я­ми вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных твэ­лов, а внут­ри­ре­ак­тор­ное по­ве­де­ние эле­мен­тов ЯЭУ ТЭМ в петле с го­ря­чей ра­бо­чей га­зо­вой сме­сью вел НИИАР, об­ла­да­ю­щий самым боль­шим пар­ком ис­сле­до­ва­тель­ских ре­ак­то­ров в стране. Не смот­ря на уход с би­тьем по­су­ды из НИ­КИ­ЭТ в 2012 году глав­но­го кон­струк­то­ра ре­ак­то­ра В.П. Сме­тан­ни­ко­ва раз­ра­бот­ка ре­ак­то­ра про­дол­жа­ет­ся прак­ти­че­ски в гра­фи­ке - ис­пы­та­на петля с новым для ядер­щи­ков теп­ло­но­си­те­лем и штат­ным твэ­лом, со­здан ча­стич­ный теп­ло­гид­рав­ли­че­ский стенд, а в НИТИ в Сос­но­вом Бору стро­ит­ся на­зем­ный об­ра­зец ЯЭУ. За­пуск этой уста­нов­ки пла­ни­ру­ет­ся на 2015 год, и такой за­пуск будет без­услов­ной по­бе­дой ядер­ной ин­же­нер­ной науки.

Ран­няя вер­сия ре­ак­то­ра РУГК для ЯЭУ ТЭМ. (с) Ро­са­том

Дру­гая ко­опе­ра­ция из ИЦ им. Кел­ды­ша, КБХМ, КБХА и ВНИ­И­ЭМ за­ни­ма­лась тур­бо­ма­шин­ным пре­об­ра­зо­ва­те­лем. На ТЭМ пла­ни­ру­ет­ся уста­но­вить 4 оди­на­ко­вых мо­ду­ля мощ­но­стью по 250 ки­ло­ватт. В си­сте­му вхо­дят так же AC/DC и DC/DC пре­об­ра­зо­ва­те­ли, бу­фер­ные ак­ку­му­ля­то­ры, до­пол­ни­тель­ные си­сте­мы охла­жде­ния обо­ру­до­ва­ния. Вме­сте с ядер­ным ре­ак­то­ром масса энер­го­бло­ка долж­на была со­ста­вить 6800 кг.

Схема и па­ра­мет­ры ЯЭДУ ТЭМ. (с) Центр Кел­ды­ша.

Кадр из ро­ли­ка Цен­тра им. Кел­ды­ша с раз­ре­зом 250 ки­ло­ватт­но­го тур­бо­ге­не­ра­то­ра ТЭМ. 

Теп­ло­вая энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в элек­три­че­скую в га­зо­тур­бин­ном цикле (Брай­то­на), где энер­гия газа, из­вле­чен­ная на тур­бине идет как на элек­три­че­ский ге­не­ра­тор, так и на вра­ще­ние ком­прес­со­ра, под­дер­жи­ва­ю­ще­го цир­ку­ля­цию газа. Через теп­ло­об­мен­ник оста­точ­ное тепло сбра­сы­ва­ет­ся во вто­рой кон­тур, где рас­се­и­ва­ет­ся в кос­мос с по­мо­щью холодильников-​излучателей.

Мо­дель 250 кВт тур­бо­ге­не­ра­то­ра ТЭМ 1:2 

Слож­но­сти по раз­ра­бот­ке эле­мен­тов си­сте­мы тур­бо­ма­шин­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния срав­ни­мы со слож­но­стью ре­ак­то­ра. По от­дель­но­сти все тре­бо­ва­ния вы­пол­ни­мы: су­ще­ству­ют га­зо­вые тур­би­ны и на боль­шие, чем 1500К тем­пе­ра­ту­ры, а тур­бо­на­со­сы ра­кет­ных дви­га­те­лей, пе­ре­ка­чи­ва­ю­щие во­до­род, имеют ча­сто­ты вра­ще­ния и окруж­ные ско­ро­сти даже выше, чем 60000 и 500 м/с. Од­на­ко со­брать все сразу в со­че­та­нии с 10 лет­ним необ­слу­жи­ва­е­мым ре­сур­сом - пры­жок был явно выше го­ло­вы. На­при­мер, про­бле­мы с вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ны­ми га­зо­вы­ми теп­ло­об­мен­ни­ка­ми в свое время за­ру­би­ли очень пер­спек­тив­ное на­прав­ле­ние ре­ге­не­ра­тив­ных га­зо­тур­бин­ных дви­га­те­лей, а га­зо­ди­на­ми­че­ские под­шип­ни­ки для неве­со­мо­сти до­воль­но слож­но ис­пы­ты­вать на ре­сурс в усло­ви­ях гра­ви­та­ции.

Пла­сти­ны опыт­но­го теп­ло­об­мен­ни­ка ТЭМ. 

В 2013 году ИЦ им. Кел­ды­ша ра­пор­то­вал об успе­хах по со­зда­нию про­то­ти­пов всех важ­ней­ших эле­мен­тов тур­бо­ма­шин­но­го пре­об­ра­зо­ва­те­ля - двух типов теп­ло­об­мен­ни­ков, ге­не­ра­то­ра и га­зо­тур­бин­ной уста­нов­ки. Од­на­ко по по­след­ним дан­ным НИР идут до­воль­но туго и ре­сурс обо­ру­до­ва­ния далек от нуж­но­го. Уже осе­нью 2013 по­сту­ли­ру­ет­ся факт, что ка­пель­ные хо­ло­диль­ни­ки да­ле­ко­ва­ты от ин­же­нер­но­го во­пло­ще­ния, и раз­ра­бо­тать их пока не по­лу­чит­ся. Обе­щан­ные ре­корд­ные ион­ные ЭРД по­сте­пен­но мель­ча­ют - про­бле­мы с боль­ше­раз­мер­ны­ми пер­фо­ри­ро­ван­ны­ми элек­тро­да­ми с вы­со­ким ре­сур­сом, ко­то­рые не умеет ре­шать никто в мире оста­ют­ся нере­шен­ны­ми.

Про­то­тип ион­но­го дви­га­те­ля ТЭМ от Цен­тра Кел­ды­ша. Уже по­мель­чав­ших в раз­ме­рах по срав­не­нию с из­на­чаль­ной за­дум­кой.

Ва­ри­ант ТЭМ с па­нель­ны­ми хо­ло­диль­ни­ка­ми.

Кроме того, вза­и­мо­дей­ствие Цен­тра Кел­ды­ша (вхо­дя­ще­го в Ро­с­кос­мос), воз­глав­ля­е­мо­го ака­де­ми­ком Ко­ро­те­е­вым с осталь­ны­ми круп­ны­ми кос­ми­че­ски­ми пред­при­я­ти­я­ми за­ча­стую носит на­тя­ну­тый ха­рак­тер с вза­им­ным по­ли­ва­ни­ем гря­зью, что тоже не спо­соб­ству­ет про­грес­су. ТЭМ, кра­си­во рас­пи­сан­ный на этапе эс­киз­но­го про­ек­та на­чи­на­ет рас­сы­пать­ся на этапе под­твер­жде­ния ха­рак­те­ри­стик аг­ре­га­тов.

Мо­дель сло­жен­но­го ТЭМ, лето 2013 года. Об­ра­ти­те вни­ма­ние на ион­ные дви­га­те­ли - их стало 24 про­тив 15 на ран­ней мо­де­ли. Хо­ло­диль­ни­ки все еще ка­пель­ные.

На­ко­нец, ра­бо­та пред­при­я­тий во главе с РКК “Энер­гия” была на­прав­ле­на на со­зда­ние соб­ствен­но кос­ми­че­ско­го ап­па­ра­та, во­ору­жен­но­го ядер­ным энер­го­и­сточ­ни­ком. “Энер­гия” вы­нуж­де­на была взять­ся за фронт ра­бо­ты, ко­то­рый пе­ре­кры­вал путь ее соб­ствен­ной раз­ра­бот­ке бук­си­ра с тер­мо­эмис­си­он­ной ЯЭУ “Гер­ку­лес”, да и фронт про­блем был шире чем у двух дру­гих ос­нов­ных “го­лов­ня­ков”. Необ­хо­ди­мо было со­здать тя­же­лый КА, име­ю­щий на борту все тра­ди­ци­он­ные эле­мен­ты -  си­сте­мы ори­ен­та­ции и ор­би­таль­но­го ма­нев­ри­ро­ва­ния на гид­ра­зи­но­вых ЖРД, мощ­ные сол­неч­ные ба­та­реи и те­ле­мет­рию, си­сте­мы при­ча­ли­ва­ния к по­лез­ной на­груз­ке и за­прав­ки, ксе­но­но­вые баки и на­ко­нец за­ста­вить это все ра­бо­тать 10 лет в ра­ди­а­ци­он­ных усло­ви­ях. Еще более спе­ци­фи­че­ски­ми эле­мен­та­ми долж­ны были стать:

-​раскладывающиеся фермы для вы­но­са ЯЭУ от тела КА, с удли­не­ни­ем в кос­мо­се в 2,5 раза, с 20 до 54 мет­ров.

-​раздвигающиеся тру­бо­про­во­ды теп­ло­но­си­те­ля их гер­ме­ти­за­ция - все это долж­но без­от­каз­но ра­бо­тать в усло­ви­ях ва­ку­у­ма и ра­ди­а­ции

-​раскладывающиеся па­не­ли ХИ пло­ща­дью в сотни квад­рат­ных мет­ров

-​высоковольные линии за­пит­ки ЭРД.

-​раскладывающиеся кры­лья, несу­щие ЭРД и холодильники-​излучатели

Эс­киз­ный про­ект ТЭМ в пред­став­ле­нии РКК-​Энергия.

Все это ве­ли­ко­ле­пие тре­бо­ва­лось упи­хать в мак­си­маль­ные 22 тонны, ко­то­рые спо­соб­на вы­во­дить РН “Ангара-​5”.  Фак­ти­че­ски, сразу после вы­да­чи эс­ки­за бу­ду­ще­го ТЭМ РКК “Энер­гия” на­чи­на­ет уси­лен­но от­гре­бать от про­ек­та ТЭМ, ски­нув часть задач на ГКНПЦ им. Хру­ни­че­ва, а часть - на КБ Ар­се­нал - со­зда­те­лей КА “УС-А” и “Плазма-​А”. Пред­ста­ви­те­ли РКК на­чи­на­ет рас­ска­зы­вать в ин­тер­вью, что бук­си­ры на базе СБ не так и плохи. Ар­се­нал, в свою оче­редь сду­ва­ет пыль со своих про­ек­тов бук­си­ров с 300-500 кВт тер­мо­эмис­си­он­ной ЯЭУ.

Раз­рез ре­ак­то­ра ТЭМ в вер­сии тех­ни­че­ско­го про­ек­та. (с) НИ­КИ­ЭТ

В конце 2014 года слож­ная си­ту­а­ция с про­ек­том вы­ли­ва­ет­ся в его се­к­ве­сти­ро­ва­ние в рам­ках Фе­де­раль­ной кос­ми­че­ской про­грам­мы на “2016-2025”. В ней оста­ет­ся фи­нан­си­ро­ва­ние на НИР, при­чем в ос­нов­ном по линии, где есть какие-​то ре­зуль­та­ты - соб­ствен­но ядер­ный ре­ак­тор и тур­бо­ма­шин­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Кос­ми­че­ский за­пуск ТЭМ уби­ра­ет­ся из пла­нов, и мы видим, как бу­ду­щее, в ко­то­ром у че­ло­ве­че­ства по­яв­ля­ют­ся новые ин­стру­мен­ты для осво­е­ния кос­мо­са тает, как на фо­то­гра­фи­ях в “Назад в бу­ду­щее”. В оче­ред­ной раз, как в слу­чае с “Гер­ку­ле­сом” или JIMO че­ло­ве­че­ство от­ка­ты­ва­ет­ся назад, не в силах пре­одо­леть тех­ни­че­ский ба­рьер на пути к со­зда­нию мощ­ных кос­ми­че­ских ре­ак­то­ров.

Взято в моем блоге, за­хо­ди­те, там много раз­ных но­во­стей, ко­то­рые не пуб­ли­кую здесь.