История космической атомной программы с возможным продолжением

Для чего советской и американской разведке понадобились атомные реакторы, какие перспективы у них на Луне и зачем Илон Маск собрался в Калугу? Об истории космической ядерной программы и возможном ее продолжении в наши дни рассказывает Анатолий Зродников — ​непосредственный участник знаменитых проектов, в настоящее время руководитель ВНИИАЭС по научному развитию, член коллегии старейшин при президиуме НТС «Росатома».

— Анатолий Васильевич, расскажите, как вы стали участником советской космической ядерной программы?

— Я окончил Московский энергетический институт. По результатам сдачи экзаменов и защиты диплома для комиссии по распределению попал в первую пятерку, которой предлагался полный перечень мест, куда требовались молодые специалисты, и право выбора любого из этих мест. Воспользовавшись этим правом, я и выбрал ФЭИ. А там меня ждал подарок судьбы: я был зачислен в подразделение направления АН-7 «Космическая ядерная энергетика», которой я и посвятил более полувека своей научной деятельности.

— Почему появилась идея создать ядерные энергоустановки для космоса?

— В годы холодной войны и гонки вооружений США пытались реализовать в космосе свою Стратегическую оборонную инициативу, а Советский Союз — ​уравновесить ситуацию. В то время проблема компактных и емких бортовых энергоисточников для решения серьезных задач в космосе встала во весь рост.

Морской разведке нужны были четкие изображения из космоса. Разрешение радиолокационного изображения обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта — ​чем больше расстояние, тем хуже картинка. Нужное разрешение достигалось аппаратурно, за счет электроники. С ней были сложности. Космос — ​крайне неприятная среда для деликатной электроники со сверхчистыми материалами. Высокоэнергетические частицы, космическая радиация, повреждали и быстро выводили приборы из строя.

Частично компенсировать недостатки изображения можно было за счет более мощного источника питания для радара. Ученые предложили сверхкомпактный, надежный и, что особенно важно, самый энергоемкий и самый мощный из известных сегодня — ​ядерный реактор деления, специально спроектированный для работы в условиях глубокого космического вакуума и микрогравитации.

— Первыми ядерный реактор в космос вывели США?

— Да, ядерный космос начался с американцев. 3 апреля 1965 года они запустили SNAP‑10A. Это первый космический реактор, а также первая — ​и единственная — ​американская ядерная энергетическая установка, побывавшая в космосе. Она имела мощность 500 Вт при массе около 500 кг и проработала на околоземной орбите 43 дня. В дальнейшем космическая программа США была полностью переориентирована на РИТЭГи — ​радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Действие этих устройств основано на использовании энергии от спонтанного распада тяжелых ядер.

А мы в том же году запустили свой корабль. Борт без ядерной энергоустановки, с химическим источником тока. Мы вели наземную отработку элементов ЯЭУ и сначала стремились испытать в космосе основную систему, то есть бортовой комплекс с радаром, способным глобально контролировать акваторию Мирового океана. Отлаживалась часть, которая называлась «полезный груз».

Первым советским спутником с термоэлектрической ЯЭУ был УС-А системы морской космической разведки и целеуказания, выведенный на околоземную орбиту в октябре 1970-го. Ядерная энергоустановка называлась БЭС‑5 БУК. Она содержала реактор на быстрых нейтронах тепловой мощностью 80 кВт и двухсекционный термоэлектрогенератор суммарной электрической мощностью около 5 кВт. Масса всей установки, вместе с теневой защитой приборного отсека, — ​около 1 т, габариты — ​4,5 м в длину, 1,2 м в диаметре. Размещалась она в носовой части корабля.

Свыше 30 запусков космических аппаратов серии УС-А были осуществлены с 1970 по 1987 год. Сегодня Россия практически единственная в мире страна, имеющая серьезный опыт создания и эксплуатации космических ЯЭУ.

— Объясните популярно, как добывается энергия из атома на космическом аппарате.

— Есть два основных типа космических ЯЭУ: ядерные электроэнергетические и ядерные энергодвигательные. Расскажу о первом типе.

Наиболее известная космическая ЯЭУ БУК содержит компактный малогабаритный реактор, в активной зоне которого поддерживается цепная реакция деления ядер урана. Осколки деления, разлетаясь в стороны, тормозятся в среде, при этом их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию нагретой активной зоны реактора. Тепловая энергия с помощью теплоносителя отводится от активной зоны и доставляется в преобразователь, где переходит в электрическую с помощью термоэлектрогенератора. В двух контурах установки, реакторном и излучательном, между которыми располагаются батареи термоэлектрического генератора, циркулирует жидкометаллический натрий-калиевый теплоноситель, прокачиваемый по контурам сдвоенным электромагнитным насосом. Циркуляция теплоносителя организована таким образом, что горячий теплоноситель реакторного контура омывает горячие спаи батарей, а холодный теплоноситель излучательного контура — ​холодные спаи батарей, и тепловой поток через термоэлектрический генератор направлен от горячих спаев к холодным. Генератор обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. При разности температуры на спаях возникает электродвижущая сила, при замыкании на нагрузку в цепи протекает электрический ток.

— Как обеспечивалась безопасность ЯЭУ?

— Конечно, такая установка может применяться только на необитаемом аппарате: нет круговой бетонной защиты, как на стационарных ядерных реакторах, т.к. бетон просто не поднять на орбиту. Но она там и не нужна, потому что в космосе нет атмосферы, а это означает, что нейтроны, которые вылетают из реактора в вакуум, не тормозятся и не рассеиваются. Достаточно так называемой теневой защиты.

На стартовой позиции и в процессе вывода космического аппарата на околоземную орбиту реактор ядерной установки находился в глубокоподкритическом состоянии, то есть ни при каких обстоятельствах, даже если корабль аварийно упадет на землю или в воду, реактор не может запуститься, самоподдерживающаяся цепная реакция не может возникнуть. Только после выхода спутника на стационарную рабочую орбиту, по команде с Земли реактор выводился на номинальную мощность системой автоматического управления. Далее установка работает в полностью автономном режиме до окончания срока службы. Радиационная безопасность обеспечивается 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.

— Расскажите об эволюции ядерных реакторов для космоса.

После БУКа был ТОПАЗ. Каждый тепловыделяющий элемент активной зоны этого реактора одновременно был и электрогенерирующим элементом встроенного в него термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую. В этой установке уже один контур основной, а второй — ​открытый. Принцип действия термоэмиссионного преобразователя подобен устройству для электронной лампы-диода в генераторном режиме: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испаряет электроны, которые, преодолевая заполненный цезиевой плазмой под низким давлением межэлектродный промежуток, конденсируются на аноде. Электрическая цепь замыкается через нагрузку. В космосе были испытаны два ТОПАЗа на борту аппарата «Плазма-А». Все прошло успешно, но это уже было как раз перед запретом применения ядерной энергии на низких орбитах.

Также был разработан реактор-преобразователь «Енисей», в активной зоне которого находились не тепловыделяющие элементы, а интегральные электрогенерирующие каналы. Он предназначался для работы в составе спутника непосредственного телевизионного вещания «Экран-АМ», но в космосе не побывал, и проект был закрыт.

— Ядерные энергетические установки снова активно обсуждают и в России, и за рубежом. Для чего они понадобились?

— Лучше всего на этот вопрос ответил Дональд Трамп. 12 января этого года в США издан указ о продвижении малых модульных реакторов для национальной обороны и освоения космоса. В нем, в частности, говорится о том, что ядерные источники энергии необходимы для исследования дальнего космоса, где солнечная энергия непрактична. Для изучения Луны, Марса и других планет США планируют разработку модульных реакторов, НАСА будет изучать возможности использования ядерных энергетических систем для исследовательских миссий — ​людей и роботов.

— Для создания баз на Луне и Марсе, о которых мечтает Илон Маск, больше подойдут реакторы, похожие на наземные или на те, что разрабатывались для космоса?

— Физические условия на поверхности Луны значительно ближе к космическим, чем к земным. Атмосфера практически отсутствует. Притяжение в шесть раз меньше, чем на Земле. Лунные день и ночь равны двум нашим неделям. Небо даже днем черное. Тени резкие. Мелкие метеориты постоянно падают на Луну, сглаживая рельеф поверхности: образующаяся при этом пыль быстро спекается в пористый шлакоподобный слой. Температура на поверхности колеблется от –170 до +120 °C. С учетом этих условий ядерную энергетическую систему лунной базы, по-видимому, лучше всего размещать в недрах Луны, основываясь на опыте создания и наземной, и космической ядерной энергетики.

Кстати, губернатор Калужской области Владислав Шапша несколько раз приглашал Маска в Калугу, в Музей истории космонавтики. Маск обещал приехать на открытие второй очереди музея, как написали недавно газеты. Может, там ему и придет в голову концепт ядерного реактора для Луны.