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

Ядерная энергия в космосе имеет, по крайней мере, две прин­ци­пи­аль­ные воз­мож­но­сти при­ме­не­ния — она может быть источ­ни­ком теп­ло­вой энергии рабо­чего тела (водо­рода) для соз­да­ния тяги в ядерных ракет­ных дви­га­те­лях или быть пре­об­ра­зо­ван­ной тем или иным спо­со­бом в элек­тро­энер­гию и служить источ­ни­ком элек­тро­пита­ния для раз­лич­ных бор­то­вых и спе­ци­аль­ных нужд косми­че­ского аппа­рата (в том числе и для питания элек­тро­ре­ак­тив­ных ракет­ных дви­га­те­лей).

Исто­ри­че­ски эти два напра­в­ле­ния начали раз­ви­ваться прак­ти­че­ски одно­вре­менно.

Начало работ над ядер­ными ракет­ными дви­га­те­лями было поло­жено в 1951 году И. И. Бон­да­ренко, В. Я. Пупко и Д. И. Бло­хин­це­вым (ФЭИ). Работы про­во­ди­лись при под­дер­жке мини­стра А. П. Заве­ня­гина широкой коо­пе­ра­цией (НПО «Луч», ВНИИНМ, МЗП и др.) сов­местно со спе­ци­али­зи­ро­ван­ными пред­при­яти­ями С. П. Коро­лева (ОКБ-1), В. П. Глушко (ОКБ-456), М. В. Келдыша (НИИ-1). В итоге они закон­чи­лись наземными «огне­выми» испы­та­ни­ями опытных образ­цов ИРГИТ и ИВГ на пло­щадке близ г. Семи­па­ла­тин­ска на ком­плексе «Байкал». Эти испы­та­ния пока­зали весьма обна­дежи­ва­ю­щие резуль­таты.

С 1956 года по ини­ци­а­тиве А. И. Лейпун­ского и И. И. Бон­да­ренко коо­пе­ра­цией пред­при­ятий мини­стер­ств сред­него и общего маши­но­стро­е­ния были начаты работы по изу­че­нию воз­мож­но­сти при­ме­не­ния в составе косми­че­ских аппа­ра­тов (КА) ядерных энер­гети­че­ских уста­но­вок (ЯЭУ), выра­ба­ты­ва­ю­щих элек­тро­энер­гию. Косми­че­ские ЯЭУ (КЯЭУ), 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-х годов на пред­при­ятиях Мини­стер­ства сред­него маши­но­стро­е­ния — в Инсти­туте атомной энергии (ныне НИЦ «Кур­ча­тов­ский инсти­тут»), Физико-энер­гети­че­ском инсти­туте, Сухум­ском физико-тех­ни­че­ском инсти­туте, Подоль­ском научно-иссле­до­ва­тель­ском тех­ноло­ги­че­ском инсти­туте, ОКБ «Заря» и затем в Научно-про­из­вод­ствен­ном объе­ди­не­нии «Красная Звезда» и Цен­траль­ном кон­струк­тор­ском бюро маши­но­стро­е­ния были раз­вер­нуты работы по прямому пре­об­ра­зо­ва­нию теп­ло­вой энергии ядер­ного реак­тора в элек­три­че­ство для косми­че­ских при­ме­не­ний с исполь­зо­ва­нием тер­мо­элек­три­че­ских и тер­мо­эмис­си­он­ных пре­об­ра­зо­ва­те­лей.

Интерес к этим работам был обу­сло­в­лен тем, что подоб­ные методы пре­об­ра­зо­ва­ния теп­ло­вой энергии в элек­три­че­ство 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 кило­ватт.

Работы подо­гре­вались сооб­ще­ни­ями из США о начале раз­ра­бо­ток реак­то­ров с тер­мо­элек­три­че­скими, тер­мо­эмис­си­он­ными и машин­ными схемами пре­об­ра­зо­ва­ния энергии для косми­че­ских при­ме­не­ний (уста­новки SNAP-2, SNAP-8, SNAP-10, SNAP-10а и другие) для раз­лич­ных косми­че­ских задач.

Первыми реак­тор­ными косми­че­скими уста­нов­ками в США, раз­ра­ботка которых была пору­чена фирме Atomic International (руко­во­ди­тели раз­ра­ботки Н. Dieckamp, R. Balent и J. Wetch), явились SNAP-2, SNAP-8 с систе­мой пре­об­ра­зо­ва­ния по циклу Ренкина на ртути элек­три­че­ской мощ­но­стью 3,0 и 35 кВт соот­вет­ственно. Для уста­новки SNAP-2 был раз­ра­бо­тан ком­пак­т­ный ядерный реактор с гомо­ген­ной уран-гид­рид­цир­ко­ни­е­вой актив­ной зоной, охла­жда­е­мой Na–К-теп­ло­но­си­те­лем с берил­ли­е­вым отра­жа­те­лем. Ресурс уста­новки должен пре­вы­шать 1 год при массе уста­новки без защиты 750 Lb (340 кг). Ввиду тех­ни­че­ской слож­но­сти отра­ботки и проблем с кор­ро­зией уста­новка не была дове­дена до прак­ти­че­ского исполь­зо­ва­ния в косми­че­ских про­грам­мах, а соз­дан­ный ком­пак­т­ный реактор этой уста­новки был при­ме­нен в раз­ра­ба­ты­ва­е­мой с 1961 года фирмой Atomic International первой в мире реак­тор­ной уста­новке SNAP-10a с тер­мо­элек­три­че­ской систе­мой пре­об­ра­зо­ва­ния энергии на основе кремний-гер­ма­ни­е­вых полу­про­вод­ни­ко­вых эле­мен­тов элек­три­че­ской мощ­но­стью 0,5 кВт, выве­ден­ной в космос в апреле 1965 года. Впо­след­ствии в 1967 году все работы по поставке обо­ру­до­ва­ния для реак­тор­ных уста­но­вок SNAP в США были пре­кра­щены с целью кон­цен­тра­ции средств на лунную про­грамму.

В СССР наи­боль­шее раз­ви­тие полу­чили КЯЭУ прямого пре­об­ра­зо­ва­ния энергии с тер­мо­элек­три­че­скими и тер­мо­эмис­си­он­ными пре­об­ра­зо­ва­те­лями. После выхода соот­вет­ству­ю­щих поста­но­в­ле­ний прави­тель­ства в 1961 году были начаты работы по соз­да­нию КЯЭУ «Бук» с тер­мо­элек­три­че­скими пре­об­ра­зо­ва­те­лями и КЯЭУ «Топаз» с тер­мо­эмис­си­он­ными пре­об­ра­зо­ва­те­лями в составе КА ради­оло­ка­ци­он­ной раз­ведки «УС-А» и «Плазма».

Первой реак­тор­ной уста­нов­кой с тер­мо­элек­три­че­ским пре­об­ра­зо­ва­нием тепла ядер­ного деления в элек­три­че­скую энергию была ЯЭУ «Ромашка», пущен­ная в виде назем­ного образца в Инсти­туте атомной энергии 14 августа 1964 года. ЯЭУ «Ромашка» успешно про­ра­бо­тала около 15000 ч. Ее тер­мо­элек­три­че­ский гене­ра­тор из полу­про­вод­ни­ко­вого кремний-гер­ма­ни­е­вого сплава рас­по­ла­гался на внешней поверх­но­сти ради­аль­ного отра­жа­теля реак­тора на быстрых нейтро­нах.

Апо­фе­о­зом ядерной косми­че­ской про­граммы СССР стал физи­че­ский пуск в 1972 году в Семи­па­ла­тин­ске уни­каль­ного реак­тора ИВГ-1 для иссле­до­ва­ния физи­че­ских и энер­гети­че­ских пара­мет­ров будущих косми­че­ских аппа­ра­тов (в насто­я­щее время реактор ИВГ-1 при­над­лежит Наци­о­наль­ному ядер­ному центру рес­пу­б­лики Каза­х­стан). За после­ду­ю­щие годы на нем было про­ве­дено мно­же­ство экс­пе­ри­мен­тов, резуль­таты которых суще­ственно опе­ре­дили ана­ло­гич­ные иссле­до­ва­ния по про­грам­мам ядерных ракет­ных дви­га­те­лей (ЯРД) в США и стали фун­да­мен­том для даль­нейшего раз­ви­тия этого уни­каль­ного напра­в­ле­ния.

Логи­че­ским раз­ви­тием НИОКР по ЯЭУ «Ромашка» стало соз­да­ние коо­пе­ра­цией пред­при­ятий НПО «Красная Звезда», ФЭИ, СФТИ и др. оте­че­ствен­ной тер­мо­элек­три­че­ской КЯЭУ «Бук» мощ­но­стью около 3 кВтЭЛ, которая экс­плу­а­ти­ро­ва­лась на искус­ствен­ных спут­ни­ках Земли серии «Космос» в течение 1970-1988 гг.

В КЯЭУ «Бук» исполь­зо­вался мало­га­ба­рит­ный реактор на быстрых нейтро­нах, актив­ная зона кото­рого содер­жала 37 стер­ж­не­вых твэлов, раз­ме­щен­ных в плотной упа­ковке в тон­ко­стен­ном корпусе раз­ме­ром «под ключ» 140 мм. В каче­стве топлива исполь­зо­вался высо­ко­о­бо­га­щен­ный уран-молиб­де­но­вый сплав. Загрузка урана-235 соста­в­ляла около 30 кг. В боковом отра­жа­теле из берил­лия раз­ме­щались про­дольно пере­ме­ща­е­мые стержни регу­ли­ро­ва­ния из берил­лия, стя­ну­тые сталь­ной лентой. При сходе спут­ника с орбиты и попа­да­ния в плотные слои атмо­сферы эта лента должна пере­го­реть, обес­пе­чи­вая развал отра­жа­теля и сго­ра­ние твэлов.

ТЭГ имел две незави­си­мые секции: основ­ную — для питания потре­би­те­лей косми­че­ского аппа­рата и вспо­мо­га­тель­ную — для питания элек­тро­маг­нит­ного насоса, обес­пе­чи­вав­ших про­качку теп­ло­но­си­теля по обоим кон­ту­рам ЯЭУ. В ТЭГ исполь­зо­вались двух­кас­ка­д­ные тер­мо­элек­три­че­ские эле­менты: высо­ко­тем­пе­ра­тур­ные — из кремний-гер­ма­ни­е­вого сплава и низ­ко­тем­пе­ра­тур­ные — из свинец-тел­лу­ро­вого сплава. Ресурс КЯЭУ «БУК» в про­цессе экс­плу­а­та­ции был уве­ли­чен до 4400 ч. Удель­ная масса ЯЭУ соста­в­ляла около 300 кг/кВтЭЛ.

Ради­а­ци­он­ная безо­пас­ность КЯЭУ «Бук» обес­пе­чи­ва­лась 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.

К 1970 году был закон­чен основ­ной объем научных иссле­до­ва­ний, изго­то­в­лены первые опытные образцы и про­ве­дены наземные сда­точ­ные испы­та­ния ЯЭУ «Бук». Натур­ные наземные и летно-косми­че­ские испы­та­ния и экс­плу­а­та­ция ЯЭУ в составе КА про­во­ди­лись с 1970-го по 1988 гг. Всего за период экс­плу­а­та­ции было осу­ще­ст­в­лено 32 запуска в космос.

В 1975 году КЯЭУ «БУК» в составе косми­че­ского аппа­рата ради­оло­ка­ци­он­ной раз­ведки УС–A (RORSAT — по аме­ри­кан­ской тер­ми­ноло­гии) была принята на воо­ру­же­ние.

За работы по КЯЭУ «Бук» Госу­дар­ствен­ной премией были отме­чены В. А. Куз­не­цов и В. Д. Бан­краш­ков (ФЭИ), И.М Виш­не­поль­ский и И. И. Вошед­ченко (НПО «Красная звезда»), И. Г. Гвер­д­ци­тели (СФТИ), С. Ф. Фара­фо­нов (ОКБ-12).

Первой косми­че­ской ядерной энер­гети­че­ской уста­нов­кой с тер­мо­эмис­си­он­ным пре­об­ра­зо­ва­нием энергии, раз­ра­бо­тан­ной НПО «Красная Звезда» и ФЭИ, явля­ется ЯЭУ «Топаз».

В КЯЭУ «Топаз» была при­ме­нена одно­кон­тур­ная система теп­ло­от­вода с натрий-кали­е­вым теп­ло­но­си­те­лем, вклю­чав­шая холо­диль­ник-излу­ча­тель, являв­шийся одно­вре­менно частью силовой кон­струк­ции ЯЭУ. Система подачи паров цезия обес­пе­чи­вала про­качку пара через межэлек­трод­ный зазор ЭГК.

Ком­пак­т­ная актив­ная зона КЯЭУ «Топаз» имела размеры: диаметр — 28 см, высота — 36 см и вклю­чала 79 элек­тро­ге­не­ри­ру­ю­щих каналов (ЭГК) и четыре диска замед­ли­теля из гидрида цир­ко­ния. ЭГК вместе с кана­лами охла­жде­ния рас­по­ла­гались в отвер­стиях дисков замед­ли­теля. ЭГК элек­три­че­ски сое­ди­нены в рабочую и насо­с­ную секции. Ком­му­та­ция ЭГК рабочей и насо­с­ной секции осу­ще­ст­в­ля­лась в двух тор­це­вых ком­му­та­ци­он­ных камерах в парах цезия таким образом, чтобы напря­же­ние на клеммах КЯЭУ соста­в­ляло около 32 В. Насо­с­ная секция обес­пе­чи­вала необ­хо­ди­мый элек­три­че­ский ток (около 1200 А) для питания кон­дук­ци­он­ного элек­тро­маг­нит­ного насоса.

Функции регу­ли­ро­ва­ния теп­ло­вой мощ­но­сти, ком­пен­са­ции реак­тив­но­сти и ава­рий­ной защиты выпол­няли рас­поло­жен­ные в боковом отра­жа­теле 12 пово­рот­ных цилин­дров из берил­лия с сек­тор­ными наклад­ками из карбида бора, раз­би­тые на четыре группы по три цилин­дра. Каждая группа упра­в­ля­лась своим при­во­дом.

Ради­а­ци­он­ная безо­пас­ность при про­ве­де­нии двух испы­та­ний в космосе обес­пе­чи­ва­лась выводом ЯЭУ на орбиту дли­тель­ного суще­ство­ва­ния. Удель­ная масса уста­новки — 200 кг/кВтЭЛ.

Вариант тер­мо­эмис­си­он­ной уста­новки «Топаз», раз­ра­ба­ты­вав­шийся в ГП «Красная Звезда» и ФЭИ, с мно­го­эле­мен­т­ными ЭГК с меньшим тре­бу­е­мым ресур­сом прошел наземные межве­дом­ствен­ные испы­та­ния и был испытан в составе двух косми­че­ских аппа­ра­тов серии «Космос-1818» и «Космос-1867» с ресур­сом 0,5 и 1,0 год.

Это были первые в мире испы­та­ния в космосе тер­мо­эмис­си­он­ных ядерных энер­го­у­ста­но­вок.

В ходе летно-косми­че­ских испы­та­ний (ЛКИ) была под­твер­ждена правиль­ность основ­ных кон­цеп­ту­аль­ных решений, при­ня­тых при раз­ра­ботке КЯЭУ «Топаз». Резуль­таты ЛКИ под­твер­дили надеж­ность работы КЯЭУ «Топаз» при действии фак­то­ров косми­че­ских условий и воз­мож­ность исполь­зо­ва­ния таких уста­но­вок в каче­стве бор­то­вых источ­ни­ков элек­тро­пита­ния с уровнем выход­ной элек­три­че­ской мощ­но­сти, пре­вы­шав­шим уровень мощ­но­сти КЯЭУ «Бук».

За эту раз­ра­ботку ряд спе­ци­али­стов ФЭИ, НПО «Красная звезда», ВНИИНМ и других орга­ни­за­ций были удо­сто­ены Госу­дар­ствен­ной премии в 1972 и в 1992 гг.

Кроме соз­да­ния КЯЭУ «Топаз», в СССР в 1960-х годах про­во­ди­лись НИОКР, закон­чив­ши­еся успеш­ными испы­та­ни­ями назем­ного образца реак­тора-пре­об­ра­зо­ва­теля (РП) на базе одно­эле­мен­т­ного ЭГК ЯЭУ «Енисей». Прин­ци­пи­аль­ное отличие ЯЭУ «Енисей» от КЯЭУ «Топаз» заклю­ча­ется в том, что кон­струк­ция одно­эле­мен­т­ного ЭГК поз­во­ляла про­ве­сти внешнюю ком­му­та­цию ЭГК и элек­тро­и­зо­ля­цию в реак­торе-пре­об­ра­зо­ва­теле вне паров цезия, про­верку элек­три­че­ских цепей после сборки реак­тора, испы­та­ния РП с помощью эмит­тер­ных элек­тро­на­гре­ва­те­лей при про­ек­т­ной теп­ло­вой мощ­но­сти и загрузку топ­ли­вом на пол­но­стью собран­ной уста­новке.

Начиная с 1974 года завод «Дви­га­тель» (г. Таллин) выпус­кал пол­но­мас­штаб­ные опытные образцы реак­тор­ных блоков, на которых про­во­ди­лись теп­ло­фи­зи­че­ские, элек­тро­энер­гети­че­ские, проч­ност­ные, позднее и ядерные энер­гети­че­ские испы­та­ния. Этап сборки реак­тор­ного блока завер­шался в ЦКБМ на стенде «Байкал» — спе­ци­аль­ном стенде, на котором про­во­ди­лась тер­мо­ва­ку­ум­ная обра­ботка систем и их заправка теп­ло­но­си­те­лем и газами.

К 1988 году уста­новка «Енисей» прошла полный цикл наземных испы­та­ний, необ­хо­ди­мых перед этапом летных кон­струк­тор­ских испы­та­ний (ЛКИ) в составе КА, под­твер­див тре­бу­е­мые по ТЗ пара­метры и ресурс 1,5 года с воз­мож­но­стью дости­же­ния ресурса не менее 3 лет. Однако в 1988 году вслед­ствие эко­но­ми­че­ских труд­но­стей в стране, пере­стройки эко­но­мики и реакции на аварию на Чер­но­быль­ской АЭС раз­ра­ботка косми­че­ского аппа­рата была пре­кра­щена и, соот­вет­ственно, пре­кра­ти­лось финан­си­ро­ва­ние работ по КЯЭУ «Енисей».

Уста­новки «Бук», «Топаз» и «Енисей» составили первое поко­ле­ние оте­че­ствен­ных косми­че­ских ЯЭУ. Они дока­зали прин­ци­пи­аль­ную воз­мож­ность исполь­зо­ва­ния атомной энергии в космосе.