«Техника-молодежи» 1993 г. №5, с.2-3
Юрий МЕДВЕДЕВ,
наш спец. корр.
Ну докатились, уже продаем суперсекреты! Так отреагировали многие на сообщения о демонстрационных испытаниях в США ядерной установки "Топаз-2". А потом как гром среди ясного неба: вероломные капиталисты вообще не собираются его нам возвращать. Так, видимо, понравился! А наши опять прошляпили...
— В чем только нас не обвиняли, — усмехнулся заместитель начальника отдела Российского научного центра "Курчатовский институт", генеральный директор СП "Интертек" В. А. Усов. — И что все готовы распродать, и что продешевили, и что секреты раскрыли. Но оставим это на совести газетчиков. А теперь по сути. Нами создана принципиально новая энергоустановка, но, когда грянула перестройка, выяснилось, что она никому в стране не нужна, и финансирование было перекрыто. Что оставалось? Зачеркнуть работу 30 лет? Или искать способ как-то ее окупить и продолжить исследования? И мы предложили "Tопаз-2" американцам. Конечно, не на продажу, а для проведения испытаний. Причем на следующих условиях: возврат, неиспользование в военных целях, непередача технологии изготовления.
За то, чтобы посмотреть установку, оценить ее в действии, причем пока только на земле и даже без ядерной начинки, США выложили 10 млн. долл. Любопытство там обходится дорого. Значит, оно того стоило.
Что же такое "Топаз-2"? Каковы его цели и возможности? Сейчас перед космонавтикой встают новые проблемы: освоение межпланетного пространства, а следовательно, переводы аппаратов с орбиты на орбиту, создание мощнейших спутниковых систем связи и коммуникаций, выполнение различных технологических операций.
Еще одно заманчивое дело — разработка энергодвигательного модуля. Обладая значительной мощностью и ресурсом времени, он сможет пристыковываться к различным космическим установкам, перемещать их, давать им энергию. Словом, здесь перспективы большие.
Наконец, еще одна цель — полеты к другим планетам. И это уже не фантастика. В США разработана программа, изюминкой которой является высадка астронавтов в 2019 году на Марсе.
 Рис. 1. Схема установки "Топаз-2": 1 — Стержень автоматического регулирования. 2 — Канал термоэмиссионного преобразователя. 3 — Привод автоматического регулирования. 4 — Блок подачи цезия. 5 — Трубопровод основного контура. 6 — Холодильник-излучатель. 7 — Привод аварийной защиты. 8 — Стержень аварийной защиты. 9 — Замедлитель. 10 — Отражатель. 11 — Основной контур. 12 — Электромагнитный насос. 13 — Блок защиты. 14 — Пусковой блок.  Рис. 2. Схема электрогенерирующего канала "Топаза-1" (справа) и "Топаза-2". |
Чтобы решить все эти задачи, необходима энергия. Здесь сразу же вспоминают о солнечных батареях. Однако пока у них много недостатков. Скажем, огромная по площади конструкция, большая парусность, зависимость от солнечной освещенности.
Поэтому приходится искать новые, более эффективные энергоисточники. И, конечно, прежде всего — работающие на ядерной энергии, поскольку она позволяет резко уменьшить габариты и вес элементов питания, а также увеличить срок их службы. Утилизовать ее можно по-разному. Например, тепловую энергию, получаемую от реактора, преобразовать в электрическую на основе термоэлектрических эффектов. Их суть хорошо известна: в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, спаи которых имеют разную температуру, возникает ЭДС.
А можно применить иной эффект — термоэмиссию, когда разогретый катод испускает электроны, которые, достигнув анода, замыкают электрическую цепь. Проанализировав различные варианты, американцы еще в 70-х голах посчитали, что термоэлектричество перспективней. Вложили большие деньги, создали установку SNAP-10А мощностью 500 Вт, которую запустили в космос. А позже начали разработку более мощного аппарата. И тут подоспел наш... "Топаз", использующий термоэмиссию.
Выяснилось, что по габаритам (длина 3,5 м, максимальный диаметр 1400 мм) и весу (около 1 т) он существенно меньше, чем американский аппарат. А в космосе каждый лишний килограмм поистине золотой.
Почему же "Топаз" эффективней? Уран заключен в металлическую оболочку, являющуюся катодом. Он разогревается ядерной энергией до 1600°С. В наполненном цезием зазоре 0,5 мм электроны летят к аноду, у которого 600°С. Именно эти высокие температуры и позволяют отобрать от реактора больше энергии и обеспечивают превосходство над другими подобными установками. Для сравнения скажем, что в термоэлектрических преобразователях температура на горячей стороне до 1000°С, на холодной — до 400°С.
Интересно, что даже на "Топазе" при тепловой мощности реактора 100 кВт в дело идет всего 5 кВт, остальное теряется на излучение. Конечно, при столь высоких температурах охлаждение реактора — очень серьезная проблема. В "Топазе-2" используется жидкий металл. Он циркулирует в активной зоне, а затем поступает в холодильник-излучатель, откуда вновь возвращается в реактор.
И, естественно, важный вопрос — безопасность. Ведь в космос запускается около 25 кг урана. А если что-то произойдет на старте или на орбите, он упадет нам на голову? Чтобы этого избежать, предусмотрена такая схема работы.
Во-первых, ученые подчеркивают, что "Топаз" выводится ракетой-носителем на радиационно безопасную орбиту (высота более 1000 км). Даже и случись здесь авария, время падения аппарата на Землю составит многие сотни лет. За такой срок активность станет ничтожной, и опасаться особенно нечего. Сама же работа реактора в космосе регулируется автоматически. Датчики нейтронов отслеживают их число и дают сигнал на перемещение поглощающих стержней.
Однако возможна ведь авария на старте или на меньших орбитах? Подобный вариант не исключен. Но реактор надежно заглушен, и система обеспечивает его подкритичность до тех пор, пока "Топаз" не выйдет на заданную орбиту. Только здесь он запускается.
Всем вроде хорош "Топаз-2". Но почему тогда в первых стартах спутников серии "Космос" использовался не он, а "Топаз-1"?
— Эти два аппарата создавались разными коллективами, и цели у них разные, — объясняет В. Усов. — Наша установка предназначалась для энергоснабжения спутников телевещания, что требует длительного ресурса времени. "Топаз-1" разрабатывался как опытный образец, чтобы показать сами возможности термоэмиссии. Поэтому и конструктивно они различаются. У нас канал, куда помешается топливо, одноэлементный, на всю длину катода (рис. 2). Такая система позволяет вставлять уран непосредственно перед стартом, а испытания вести на стенде без "ядерного" нагрева, применяя обычный электронагреватель. Это, кстати, и делалось в экспериментах в США.
В "Топазе-1" конструкция многоэлементная. Катод и анод имеют примерно ту же длину, что и в "Топазе-2", но они как бы разрезаны на несколько частей, скоммутированных последовательно в одну гирлянду. В каждой — свой кусочек урана, причем его нельзя извлечь и вставить в последний момент перед стартом. Он запакован в элемент, а значит, все испытания надо вести с ураном, что является серьезным недостатком, не позволяющим усовершенствовать систему. Во многом по этой причине пока срок службы "Топаза-1" не более 0,5 года, наш же реактор имеет около 3 лет.
Временной ресурс прежде всего зависит от того, насколько под действием продуктов деления увеличивается в объеме (или, как говорят специалисты, пухнет) уран. Ведь он давит на катод, в результате зазор между ним и анодом уменьшается, что может привести к их замыканию и падению мощности. Мы смогли создать топливо, которое пухнет мало — за счет его особой геометрии, состава и применения в катоде прочных монокристаллических сплавов.
В этом, пожалуй, и заключена изюминка "Топаза-2". Казалось бы, конструкция, принцип действия и ядерного реактора, и — уж тем более — термоэмиссионного элемента известны. Бери и делай. Ан нет! Условия работы топлива в АЭС резко отличаются от тех, которые были необходимы в "Топазе-2", и главным образом своими температурами. А раз так, то и распухание его шло здесь значительно интенсивней.
Говоря о достоинствах "Топаза-2", надо подчеркнуть, что он хорош до определенного предела по электрической мощности. Дело в омических потерях: в одноэлементном канале они выше, чем в многоэлементном. Эта разница не столь существенна при малой мощности. Однако если она становится выше 50 кВт, плюсы установки типа "Топаз-1" становятся решающими, ее вес и габариты значительно меньше. Поэтому их разработка и усовершенствование будут продолжаться.
И, наконец, последний вопрос: стоит ли все же так раскрываться перед США? Ведь совершенно ясно, что, скажем, энергодвигательный модуль, получающий энергию от "Топаза-2", можно использовать в военных целях, скажем, для борьбы со спутниками противника.
Сегодня американцы дружественно настроены, а завтра? Вот возьмут, украдут наше топливо, сделают такое же и применят против нас же.
— Рассмотрим худший вариант — украли, — говорит Усов. — Ну и что? Чтобы создать "Топаз-2", им надо наладить производство, построить специальные цеха, испытательные стенды, что потребует лет 10. За это время мы уйдем вперед. Поэтому выгодней, объединившись, вести исследования. Что, кстати, и сделано. Уже организовано российско-американское совместное предприятие "Интертек" — Интернациональные энергетические технологии.
Сейчас, после успешных наземных испытаний, готовится программа космических, которую полностью финансируют США. Причем на тех же условиях, при которых проходили демонстрационные эксперименты: возврат установки, неиспользование в военных целях, непередача технологий. Мы будем участвовать во всех работах, для чего создаются совместные группы ученых. Так что страхи о якобы ущербе, наносимом нашей обороноспособности, безосновательны.