Материалы портала «Научная Россия»

Летит реактор в небе чистом...

Летит реактор в небе чистом...
Научный консультант генерального директора концерна «Росэнергоатом», академик РАН, в 1990-е гг. - вице-президент Российского научного центра «Курчатовский институт», профессор, лауреат Ленинской и Государственной премий Николай Николаевич Пономарев-Степно

Научный консультант генерального директора концерна «Росэнергоатом», академик РАН, в 1990-е гг. - вице-президент Российского научного центра «Курчатовский институт», профессор, лауреат Ленинской и Государственной премий Николай Николаевич Пономарев-Степной стоял у самых истоков ядерной энергетики для авиации, ракет и космоса.

 

- Николай Николаевич, еще в 60-е гг. прошлого века вопрос создания ядерных космических систем активно разрабатывался, причем не только в СССР, но и в США. Затем он был практически закрыт. С чем это было связано?

- Работы по использованию атомной энергии в космосе фактически стартовали в начале 1950-х гг. На заре развития и освоения атомной энергии первоочередной была задача создания атомной бомбы. Но создать атомную бомбу и держать ее у себя в стране нет смысла. Нужно было решать вопрос доставки ее на большое расстояние.

Николай Николаевич Пономарев-Степной

 

Атомоплан

- Основную ставку сделали на атомный подводный флот. Но рассчитывать только на него было опрометчиво. Поэтому началась разработка ядерных установок для авиации. Дальность полета обычного самолета ограничена эффективностью работы двигателя и запасом топлива. Самолет с ядерным двигателем мог бы барражировать в воздухе месяцами, а дальность его полета исчислялась бы десятками, а то и сотнями оборотов вокруг планеты. Будучи еще студентом, я начал одну из таких разработок.

- Вы работали над проектом ядерного бомбардировщика?

- Ядерный бомбардировщик - это просто продолжение линии обычных бомбардировщиков, которыми занимались и А.Н. Туполев, и В.М. Мясищев. Разрабатывались новые самолеты дальней авиации, которые должны были бы обеспечить доставку заряда в любую точку земного шара. Помимо этого рассматривался и беспилотные варианты. В атомном исполнении их называли «летающая атомная ракета».

- Движение предполагалось за счет реактивной струи? Или это была энергетическая ядерная бортовая установка, питавшая электродвигатели?

- Ядерная энергия может обеспечить практически любую температуру. Энергия реализуется в виде кинетической энергии осколков деления атомного ядра. А их скорость - колоссальная. Скорость - это температура, поэтому ограничений в температуре практически нет. Рассматривались даже экзотические варианты с непосредственным использованием энергии этих осколков.

- С управляемым ядерным взрывом в качестве источника движущей силы?

- Такой вариант рассматривался, но развития не получил. Однако за счет созданной в реакторе высокой температуры в воздушно-реактивном двигателе можно было нагреть воздух и получить значительную тягу. Прямоточный ядерный воздушно-реактивный двигатель. В самом начале 1950-х гг. я как раз и занимался такими - для беспилотных аппаратов.

- Понятно, пилотам летать верхом на ядерной реакции будет опасно.

- Не в этом дело, пилотируемые варианты атомных самолетов на воздушно-реактивных двигателях тоже рассматривались. Делалось это не только у нас, но и за рубежом, в США. Сейчас многие документы рассекречены, и когда я читаю о том, как они в этом направлении двигались, вижу, что в вопросе создания прямоточного двигателя для беспилотного самолета мы оказались впереди.

То есть в создании атомной бомбы в 1940-е гг. они нас опередили, а в атомном двигателе в 1950-е гг. – уже мы их?

- В работах по атомной энергии в СССР мы задержались по сравнению с американцами и англичанами из-за Великой Отечественной войны. Интервал в три-четыре года отслеживается во всех исторических точках. Пуск первого реактора в США - 1942 г., у нас – 1946 г. Ядерная бомба: Америка – 1945 г., СССР – 1949 г., первая атомная подводная лодка – 1955 и 1958 гг. соответственно. А вот по ядерному беспилотнику мы их опережали. У них и разработки были, и испытательные стенды построены, и сами реакторы такого типа были собраны. Но потом эти работы были приостановлены.

- Почему? Признали работы бесперспективными или авария случилась?

- Нет, решение возникло на чисто политическом уровне: работы по самолетам прекратить и основной упор сделать на ракеты. Так и пошли две основные линии средств доставки: ракеты и подводный флот.

Мы сделали реактор, который мог нагревать воздух до температуры 15000 К и даже больше. Это превышало возможности обычных воздушно-реактивных двигателей. Самолеты с такими двигателями могли бы развивать скорость более 3 М (Мах), т.е. больше трех скоростей звука.

- Больше 4 тыс. км/ч? Впечатляет. Жаль, что не дали довести проект до конца.

- А я с этим решением, как ни странно, согласен. Ядерная энергия помимо всех своих достоинств обладает существенным недостатком - это радиационная опасность продуктов деления. Для изучения проблем радиационной безопасности полетов атомных самолетов в СССР был создан и испытан самолет с ядерным реактором на борту, на котором мне удалось полетать. Эти исследования помогли нам в решении сложнейших задач оптимизации радиационной защиты таких самолетов. Но нет самолетов, на которых не случалось аварий из-за технических неисправностей. Любое падение самолета – трагедия, но падение самолета с ядерным реактором - уже настоящая катастрофа. Поэтому линия использования ядерной энергии на высотах, близких к Земле, - это нерациональное, опасное направление. Даже думать о нем не стоит.

 

Атомолет

- Близко к земле – согласен. Но можно же и не близко.

Грани личности

Николай Николаевич Пономарев-Степной

Академик РАН по специальности «Энергетика» (в том числе атомная).

Родился в городе Пугачеве (ныне Саратовской обл.).

В 1952 г. окончил инженерно-физический факультет Московского механического института по специальности «Проектирование и эксплуатация физических приборов и установок». Кандидат технических наук (1959), старший научный сотрудник по специальности «Техническая физика» (1962), доцент (1962), доктор технических наук (1974), профессор по специальности «Ядерные энергетические установки» (1977).

1952-2010 гг. – сотрудник РНЦ «Курчатовский институт», прошел путь от старшего лаборанта до первого заместителя директора по научной работе, вице-президента и почетного вице-президента.

С 2006 г. - научный руководитель ВНИИНМ им. А.А. Бочвара.

С 2007 г. - главный научный сотрудник (научный руководитель по спецтематике) ФГУП «Центр Келдыша»;

С 2010 г. - главный специалист по атомной энергетике ИБРАЭ РАН.

Президент Российской ассоциации ядерной науки и образования, заведующий филиалом кафедры электрореактивных двигателей, энергофизических и энергетических установок МАИ и кафедрой моделирования ядерных процессов и технологий МФТИ. Главный редактор научного журнала «Атомная энергия». Председатель научного совета по атомной энергетике ОЭММПУ РАН.

Лауреат Ленинской премии (1985), лауреат Государственной премии СССР (1980). Награжден орденами Трудового Красного Знамени (1966, 1976), «За заслуги перед Отечеством» IV степени (1998), медалями СССР и России.

 

- Совершенно верно. Как я сказал, в стране было принято решение сосредоточиться на ракетных двигателях. И сразу же возник вопрос, нельзя ли в ракетных двигателях использовать ядерный реактор. Основные работы по этому направлению велись в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша, тогда он назывался, насколько я вспоминаю вывеску на фронтоне, Институтом сельскохозяйственного машиностроения. Это там были разработаны знаменитые катюши. Наш Курчатовский институт тогда очень плотно контактировал с ними по атомному направлению.

 

Для ракет всегда ищут подходящее вещество, «рабочее тело», которое можно нагреть до очень высоких температур. Чем выше нагрев и чем меньше атомный вес, тем больше так называемая удельная тяга двигателя. На обычном химическом топливе удельная тяга – около 300 с. Сделать больше практически невозможно, потому что для сжигания топлива требуется кислород, который имеет большой атомный вес. Поэтому удельная тяга при химическом топливе ограничена, получить высокие ее значения очень сложно.

По Циолковскому, от удельной тяги зависит масса груза, который можно вывести на орбиту. Чтобы получить высокую тягу, надо отказаться от кислорода и оставить в качестве «рабочего тела» водород - самый легкий элемент. Тогда тяга будет зависеть только от температуры, до которой вы этот водород нагреете. В случае с ядерным реактором его тепловыделяющие элементы могут как максимум выдержать несколько более 31000 К. Следовательно, и водород вы максимально можете разогреть до тех же температур. При таких условиях тяга вырастает уже до 950 с, т.е. становится в три раза больше, - а значит и масса, которую вы можете вывести, тоже увеличится в разы.

Объединившись, ракетчики и атомщики занялись разработкой такого ракетного ядерного двигателя, где тепловыделяющие элементы могут нагреть рабочее тело - водород, до этих 31000 К. И мы сделали такой реактор. Испытали его на специально построенной на Семипалатинском полигоне площадке. Сначала там был установлен импульсный, затем исследовательский реактор, на которых мы испытывали отдельные элементы для достижения предельных параметров. А потом и двигатель целиком испытали.

- Тут мы тоже опередили американцев?

- У них результаты оказались поскромнее. Они достигали 25000 К, а это меньшая удельная тяга и т.д. Но к этому времени уже были созданы ракеты на обычном топливе, которые хорошо справлялись с поставленной задачей. И необходимость в ядерной ракете опять отошла на второй план. К тому же нерешенным остался вопрос безопасности в случае аварии на старте.

- И когда это направление прикрыли?

- Это направление окончательно не закрыто. Если стартовать не с Земли, а с опорной орбиты, с которой аппарат не может быстро упасть, то такого типа двигатель может использоваться для различных космических миссий. Эту работу мы тоже выполняли, она лежит в копилке российских науки и технологий. Такие результаты в Америке не были достигнуты.

Что же до вопроса когда, то и двигатели, и реакторы у нас были испытаны в 1970-е гг.

- Но в космос они не полетели?

- Эти реакторы – нет. Полетели другие.

 

Атомосат

- К этому времени уже были освоены и вывод аппаратов на орбиту, и даже транспланетные автоматические экспедиции. И довольно актуальным был вопрос, чем питать эти космические аппараты.

- Так ведь с самого начала солнечной энергией питали.

- Это самое очевидное и правильное решение. Но только в случае ближнего космоса и относительно небольших мощностей. Если брать дальние экспедиции, то солнечной энергии может уже не хватать. Либо придется наращивать площадь солнечных элементов. Но аппарат с большими панелями становится плохо управляемым. Поэтому логичный выход - использовать ядерную энергию. Если говорить о небольших потребностях в энергии, тут можно использовать радиоактивные изотопы. Это направление, которое было опробовано, проверено, реализовано и активно используется. Достаточно вспомнить недавнюю экспедицию к Плутону, которая стартовала около десяти лет назад.

- Так называемая атомная батарейка?

- Не совсем, такая система называется «радиоактивные источники энергии». Под «атомной батарейкой» понимается немного другой вариант использования атомной энергии.

Радиоактивные источники для космических аппаратов действительно нужны, над ними идет работа. СССР и Россия оказались уникальным поставщиком радиоактивного плутония-238, который применяется в них как энергетический материал. Этот плутоний не оружейный, но может получаться в тех же промышленных реакторах. Такие источники используются американцами. В том аппарате, который летит за пределы Солнечной системы, работает плутоний-238 российского производства.

- Но это все-таки ограниченная мощность. Что делать, если требуются не ватты, а хотя бы киловатты?

- Здесь есть два варианта. Один - традиционный: берешь ядерный реактор, нагреваешь в нем какое-то «рабочее тело», дальше используешь обычное машинное преобразование - турбину. Но эта система связана с большим числом движущихся деталей. Значит, велика вероятность поломок, износа и т.д. Но есть другой вариант, когда в системе преобразования вообще исключены движущиеся элементы, - прямое преобразование энергии.

Одна из первых установок такого типа создана в 1964 г. в Курчатовском институте. Это реактор-преобразователь «Ромашка», в котором тепловыделяющие элементы нагреваются до температуры около 20000 С. Дальше это тепло попадает в преобразователь энергии. Если говорить на бытовом уровне, это обычная термопара, но выполненная из полупроводников, с более высокой эффективностью.

К сожалению, коэффициент полезного действия в таких преобразователях не велик - около 5%. Неиспользованное тепло в виде излучения сбрасывается в окружающее пространство. Это особенность космических установок.

Первую «Ромашку» мы испытали перед Женевской конференцией в августе 1964 г. Я по этому реактору делал доклад. Со мной рядом сидел американский коллега, который выступал по подобным разработкам США. Когда я читал доклад, он схватился за карман, достал таблетку и положил под язык. Оказалось, когда я сказал: «Мы запустили этот реактор 24 августа», переводчик передал «запустили» как launched и все поняли мои слова как «запустили в космос». Вот человеку, который занимался той же проблемой, и стало плохо, когда он представил, насколько мы их обогнали.

Такие реакторы с прямым преобразованием энергии для космоса весьма перспективны.

- Но вы сами сказали про низкий КПД. Неужели за прошедшие полстолетия не нашлось способов его повысить?

- Можно использовать прямое преобразование другого типа - термоэлектронную эмиссию. Преобразователи на этом принципе стали следующим направлением наших поисков.

Сначала были созданы ядерные реакторы с термоэлектрическими преобразователями, они использовались в оборонных целях. Было запущено около 30 военных спутников - компактных, незаметных (благо солнечных батарей нет) и в то же время оборудованных мощной электроникой.

Термоэмиссионные установки в СССР разрабатывались в двух вариантах. Оба достигли хорошего уровня, а ресурс их работы со временем был доведен до пяти лет.

- Ядерный реактор требуется охлаждать. А космос – это огромный и очень эффективный термос.

- Сброс тепла – одно из уязвимых мест таких систем. Имея установку с электрической мощностью 1 МВт, вы должны сбросить в космос около 3 МВт тепловых. Проблема сброса тепла - колоссальная, потому что холодильник-излучатель вырастает до значительных размеров. Недавно возникла идея, которая сейчас прорабатывается в центре им. М.В. Келдыша: капельный холодильник-излучатель. Охлаждающая жидкость циркулирует, забирая тепло от установки, а дальше распыляется в космос, но так, чтобы потом уже охладившиеся капельки, все до одной, можно было поймать. Охлаждаются они существенно эффективнее, чем жидкость, которая течет в трубах. Уже проводятся эксперименты в космосе. Очень интересный проект.

- Вы сказали: «одно из уязвимых мест». Какое второе?

- Опять безопасность. Такую установку нельзя выводить уже запущенной: в случае аварии на старте можно получить эффект «грязной бомбы». Орбиты, на которых используется установка, должны располагаться так далеко от Земли, чтобы она не упала в течение тысячи лет.

- Это называется «орбита захоронения»?

- Да, для военных спутников с ЯЭУ ее высота – около 1 тыс. км. Кроме того, мы должны уже в космосе, на орбите запустить реактор, а это совсем не так просто, как кажется. Надо гарантировать, что отказа не произойдет, а для этого надо на Земле провести всю отработку с более высокой степенью гарантии, чем на атомных станциях. Потому что там ничего починить уже не получится. Отлетел болтик или гайка - все, установка становится бесполезной. А это колоссальные средства.

Но я надеюсь, что человечество, возможно, притормозит, но не остановится в деле создания таких установок большой мощности, которые нужны и для дальних космических экспедиций, и для близких к нашей планете задач.

Разработка высокотемпературных реакторов для самолетов, ракет и космоса и достигнутые при этом технологические решения оказались настолько впечатляющими, что зародилось новое технологическое направление наземной ядерной энергетики – использование ядерной энергии не только для получения электроэнергии, но и в промышленных технологических процессах и в конечном счете для получения водорода из воды. Но это другая глава книги и жизни.

Беседовал Валерий Чумаков

космический ядерный двигатель космос курчатовский институт николай пономарев-степной росатом

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий