О ядерных реакторах и их творцах - От реактора ИГР до ядерных энергодвигательных установок

От реактора ИГР до ядерных энергодвигательных установок
Приобщение НИКИЭТ к космической проблематике, как уже отмечалось в первом сборнике, началось с разработки и сооружения на Семипалатинском ядерном полигоне в 1959 г. импульсного графитового реактора ИГР. В центральном канале этого реактора в 1962-1964 гг. были проведены первые серии кратковременных петлевых испытаний макетных тепловыделяющих сборок для ядерного ракетного двигателя, в ходе которых экспериментально была доказана возможность нагрева водорода - рабочего тела ядерного ракетного двигателя (ЯРД) до температур, позволяющих получить импульс тяги, вдвое превосходящий удельный импульс самых эффективных для того времени жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на водород-кислородном топливе.
Следующим знаменательным этапом на пути освоения этой проблематики стадо создание на том же полигоне разработанного в институте исследовательского реактора ИВГ1, предназначенного для групповых и петлевых испытаний на ресурс полномасштабных ТВС ядерных ракетных двигателей различной мощности с тягой от 3,6 т до 200 т.

Роль реактора ИВП в программе планировавшегося создания отечественного ЯРД оказалась чрезвычайно значительной и эффективной, а многие из достигнутых результатов и поныне остаются уникальными в мировой практике (см. табл. 1).

Таблица 1
Сводная таблица результатов

* Данные по испытаниям различных экспериментальных реакторов (Phoebus, Pewee и др.).
** Данные по испытаниям реактора ИВП.

Более 200 ТВС, в основном для реактора ЯРД, успешно испытанных в реакторе ИВП, подтвердили правильность выбранной отечественной концепции построения ЯРД. Однако вслед за американской программой НЕРВА в начале 1980-х годов программа создания ЯРД в Советском Союзе также пошла на спад из-за отсутствия в тот период конкретной задачи использования таких двигателей. За годы работы над созданием ЯРД и в США, и в СССР был достигнут значительный прогресс в разработке новых образцов ЖРД, и преимущество ЯРД в высоком удельном импульсе при его использовании в качестве разгонного блока в верхних ступенях ракет-носителей, на что ранее делалась ставка, оказалось невостребованным.
К тому же существенно ужесточились требования по безопасности эксплуатации ядерных объектов, и продолжение испытаний ТВС в реакторе ИВП, выхлоп нагретого рабочего тела из которого осуществлялся непосредственно в атмосферу, стало невозможным. Реактор был реконструирован и стал петлевым исследовательским аппаратом, что, безусловно, сузило его экспериментальные возможности. Тем не менее, и по сей день этот необычный реактор, как и импульсный ИГР, находится в строю действующих объектов и способен внести свою лепту в дальнейшее развитие космической ядерной энергетики.
Несмотря на то, что и советская, и американская научно-технические программы не были доведены до практического применения ядерных ракетных двигателей, 1980-е годы дали толчок развитию в нашей стране нового направления в использовании технологий ЯРД - разработке многорежимных ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ), в которых реактор не только нагревает рабочее тело для создания тяги, но и обеспечивает выработку электроэнергии на бортовые нужды космического аппарата. Это существенным образом расширяет диапазон использования ядерной энергии в ракетно-космических системах, делая реактор, по сути, основным энергоисточником на борту космического аппарата.
По современным воззрениям на реализацию космических задач, прогнозируемых в XXI веке, ядерные энергодвигательные установки могут найти применение в спутниковых системах связи, телевещания, навигации, радиолокационного наблюдения земной поверхности из космоса, дистанционного зондирования Земли и поиска природных ресурсов, экологического мониторинга, в космических производственных комплексах, для очистки околоземного пространства от космического «мусора» и на более поздних стадиях освоения космического пространства — для энергоснабжения и освещения локальных участков Земли из космоса.

Главным преимуществом ЯЭДУ на основе технологий ЯРД перед альтернативными системами при использовании в околоземных космических задачах является высокая оперативность доставки космического аппарата на рабочую орбиту. В настоящее время для космического аппарата с длительным ресурсом работы на геосинхронной и геостационарной орбитах (до 10 лет) такие установки разрабатываются в рамках реализации “Концепции развития космической ядерной энергетики в России”, одобренной в 1998 г. правительством РФ. В качестве энергопреобразующей системы в ЯЭДУ рассматриваются замкнутые паротурбинная установка на калии и газотурбинная установка на гелий-ксеноновой смеси.
В числе приоритетных задач XXI века стоят освоение Луны и Марса, а также исследование дальних планет Солнечной системы. Здесь роль ядерных энергодвигательных установок представляется неоспоримой.

Лунный ядерный буксир

В первую очередь это относится к этапу освоения Луны, когда на ее поверхности будут созданы постоянные базы промышленной переработки лунного сырья и экологически чистого энергоснабжения Земли из космоса, для организации которых может использоваться межорбитальный транспортный конвейер «Земля-Луна-Земля», созданный с помощью ядерного буксира на основе ЯРД или ЯЭДУ. Опенки показывают, что стоимость доставки 1 кг полезного груза на поверхность Луны с использованием многоразового ядерного буксира — 15-25 тыс. долл. США, что существенно ниже стоимости доставки с помощью одноразовых буксиров с ЖРД даже при использовании на обратный рейс “лунного” (т.е. произведенного непосредственно на Луне) кислорода.
При использовании ЯЭДУ в составе марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) обеспечиваются следующие важные по сравнению с другими энергосистемами преимущества:

1. наибольшая компактность комплекса;
2. небольшая начальная масса МЭК на монтажной околоземной орбите;
3. возможность проведения всех маневров МЭК на траектории полета и энергоснабжения бортовых нужд МЭК с помощью одного энергоисточника;
4. малое время прохождения радиационных поясов Земли, что принципиально важно в пилотируемом полете;
5. сравнительно малое общее полетное время экспедиции.

Указанные положительные качества ЯЭДУ делают ее незаменимым источником энергии при исследованиях дальних планет Солнечной системы, особенно с предполагаемым в отдаленном будущем участием человека, так как на расстояниях за пределами орбиты Марса эффективность солнечной энергетики для использования в системах энергоснабжения космического аппарата, а следовательно, и ее конкурентоспособность с ядерной энергетикой интенсивно снижаются.
В заключение следует отметить, что такие глобальные космические задачи, как освоение Луны, пилотируемые полеты к Марсу, поясу астероидов и др., в решении которых не последнюю роль должны сыграть ядерные энергодвигательные установки, рожденные в эпоху острого противостояния политических систем, по своей масштабности требуют научного и промышленного сотрудничества индустриально развитых стран мира. Помимо взаимного вклада в развитие космической техники, в познание с ее помощью процессов происхождения и эволюции Солнечной системы, такое сотрудничество будет служить сближению народов. Первый пример совместной работы в этой области есть - это создание международной космической станции.