Логин:
Пароль:
 
 
 
Топаз завода Красная Звезда
АлексейНиколаевич Крылов
 


Топаз завода Красная Звезда

Предприятие с названием «Красная Звезда» имелось в Министерстве авиационной промышленности СССР. Такое наименование было присвоено в 1967 году Государственному союзному опытно-конструкторскому бюро № 670. Оно располагалось на северной окраине Москвы недалеко от станции Лихоборы Окружной железной дороги, где в 1933 году на территории Всесоюзного института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) был организован Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ) на базе московской группы изучения реактивного движения (ГИРД) и ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ).
В соответствии с Постановлением ЦК и СМ СССР от 30.06.1958 г. коллектив ОКБ-670 получил задание на предварительные работы по созданию ядерного реактивного двигателя для перспективных космических ракет.
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.
В 1958-1960 гг. велись расчетные и экспериментальные проработки, которые показали возможность создания АРД с заданными характеристиками.
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.
В рамках советской темы РД-022 на «Красной Звезде» велись исследования в области электроядерной энергетики: создание бортового источника электропитания, электроядерных двигательных установок для космических аппаратов, в том числе плазменного и ядерного электроракетного двигателя. В 1961 году работы по двигателю, получившему наименование ЭЯРД-6 (шифр «022»), шли в двух направлениях. Один вариант создавался с эмиссионным, другой - с магнитогидродинамическим.
Идея создания космической энергетической системы с ядерным реактором и термоэмиссионным преобразованием энергии возникла в 1958 г. в ФЭИ у Н.И. Бондаренко. Наименование «Топаз», данное впоследствии этой системе, является сокращением слов, составляющих характеристику основного агрегата системы – ядерного реактора-преобразователя (Термоэмиссионный Опытный Преобразователь в Активной Зоне), да и для разработчиков их детище действительно представлялось драгоценным камнем. Плодотворность идеи «Топаза» заключалась в объединении в одном агрегате – реакторе-преобразователе источника тепла и его термоэмиссионного преобразователя
По инициативе Александра Ильича Лейпунского начались работы в области прямого преобразования тепловой энергии, производимой в ядерных реакторах, в электрическую энергию. Вместе с Лейпунским работали его верные ученики Игорь Ильич Бондаренко и Виктор Яковлевич Пупко, позднее к ним присоединился "конструктор-технолог от Бога" Владимир Александрович Малых.
В феврале 2017 исполнилось 30 лет со дня запуска в космос первой ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с термоэмиссионным преобразованием энергии «Топаз-1», созданной НПО «Красная Звезда» и ГНЦ «Физико-энергетичекий институт». Стартовавшая в феврале 1987 года в составе спутника «Космос-1818», ЯЭУ «Топаз» открыла новое направление в создании космических ЯЭУ.
В «Топазе» использовался термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую. Такой преобразователь подобен электронной лампе: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испускает электроны, которые преодолевают заполненный ионами цезия под низким давлением промежуток и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку. Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6,6 кВт.
Топливом в реакторе служит диоксид урана с 90 % обогащением, теплоносителем калий-натриевый расплав. Реактор имеет тепловую мощность 150 кВт, причём количество 235U в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». В ЯЭУ "ТОПАЗ" - реактор на промежуточных нейтронах, а в ЯЭУ "БУК" - быстрый реактор, и оба используют жидкометаллический теплоноситель.
Ядерная энергетическая установка содержит:
- термоэмиссионный реактор-преобразователь с замедлителем из гидрида циркония и боковым бериллиевым отражателем, включающим поворотные органы регулирования;
- системы реактора-преобразователя: приводы органов регулирования подачи цезия в электрогенерирующие каналы, скомпонованные в блок, расположенный перед реактором-преобразователем;
- теневую радиационную защиту из гидрида лития, обеспечивающего ослабление радиационного излучения реактора до уровней, допустимых для приборов космического аппарата;
- систему отвода неиспользованного тепла от реактора теплоносителем (эвтектика натрия-калия), включающая электромагнитный насос, питаемый электроэнергией от реактор-преобразователя, излучатель, для сброса тепла в космическое пространство и другие агрегаты.
Мощность электрическая - 5 кВт
Мощность тепловая - 150 кВт
Ресурс, включая работу до 1 года на 100 кВт режиме - 7 лет
Загрузка урана 235 - 11,5 кг Масса - 980 кг.
Новая тематика была поручена молодому инженеру Г.М. Грязнову, который возглавил созданный для этой цели группу № 11. В результате изучения отечественного и мирового опыта был выбран термоэмиссионный вариант, как дающий преимущество перед термоэлектическим по таким показателям как более высокий к.п.д., меньшую площадь холодильника-излучателя и, следовательно, более компактную компоновку и более перспективные характеристики.
В 1961 г. вышло постановление правительства о разработке эскизных проектов КЯЭУ «Бук» и «Топаз». В 1963 г. эскизный проект был успешно защищён. На этапе выпуска эскизного проекта группа Г.М. Грязнова была преобразована в экспериментально-расчётный отдел (руководитель Г.М. Грязнов) и создан конструкторский отдел (руководитель Е.А. Кельшман).
В конце 1968 г. все работы по «Топазу» были переданы (вместе с разработчиками) в Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз» (главный конструктор В.Г. Степанов), входившее в состав ММЗ «Союз». Эти предприятия, выросшие в министерстве авиационной промышленности, внесли в работу над проектом авиационную культуру, технологию и идеологию доводки изделия, что во многом способствовало успешной реализации этого проекта ЯЭУ.
В 1970 г. на комплексном стенде в ФЭИ впервые в мире были проведены ресурсные энергетические испытания первого образца ЯЭУ с термоэмиссионным реактором преобразователем (изделие 4С). Научное руководство на разных стадиях работ по термоэмиссионным ЯЭУ осуществляли А.И. Лейпунский, В.А. Кузнецов, О.Д. Казачковский, В.Я. Пупко.
Такой реактор работает по следующей схеме: ТВЭЛ - катод нагревается ядерным топливом, а анод охлаждается эвтектическим калий - натриевым сплавом с помощью излучателя. Главным элементом такого реактора является ЭГК, и его проблемы являются основными в создании таких установок.
ЭГК состоит из катода диаметром около 20 мм, анода с электроизоляционным покрытием, системы компенсации термического расширения и системы вывода газообразных осколков деления из катода. Между анодом и катодом имеется зазор величиной около 500 микрон, заполненный парами цезия. При работе реактора катод разогревается до 1650° С, создавая ток эмиссии. Катод дистанционируется от анода фиксаторами из окиси скандия и состоит из металлической трубки на основе монокристаллов молибден - ниобиевого сплава, покрытого кристаллом изотопного вольфрама.
Хотя монокристаллический катод является составным, сварной шов остается монокристаллическим. Такой катод не только сдерживает распухание топлива, но также тормозит диффузионное продвижение урана через его стенку. Эта кажущаяся простота досталась большими усилиями и создала ряд новых технологий, которые находят применение в других отраслях техники.
Несколько слов о топливе. В основном использовалась двуокись урана 90 - процентного обогащения. Однако проблема распухания топлива привела к «конструированию» его в так называемую столбчатую структуру, способствующую выходу осколков деления в полость и отводу их в космос, что значительно увеличило ресурс работы ЭГК. Вакуумплотные изоляционные узлы созданы на основе соединения лейкосапфира- электроизолятора с металлом методом пайки. ЭГК — это сгусток самых высоких технологий на основе тугоплавких металлов и керамики. Кроме двуокиси урана, в качестве топлива рассматривались нитриды и карбиды урана и их смеси.
Особую задачу для решения проблемы « Топаза» представляет гидридный замедлитель. Требования по удержанию водорода при высокой температуре привели к созданию специальных покрытий.
Первый в мире космический запуск термоэмиссионной ЯЭУ состоялся 2 февраля 1987 г. (ИСЗ «Космос-1818», орбита высотой 810/970 км). После вывода от системы автоматического управления на режим номинальной мощности ЯЭУ проработала на орбите почти полтора года – до окончания запаса цезия (24 июня 1987 г.). С катодами из Мо срок активного существования (45 суток) был перекрыт в три раза. Запуск второй ЯЭУ был осуществлён 10 июля 1987 г. («Космос-1867», орбита высотой 797/813 км). Эта ЯЭУ также своевременно вышла на номинальную мощность от системы автоматического управления и до окончания запаса цезия (катоды из W) – и требовали вдвое меньшее давление паров цезия. Это позволило проработать на орбите почти год (дата гашения реактора – 17 июня 1988 г.). ЯЭУ выработала 50 тысяч кВт/ч электроэнергии, установив таким образом мировой рекорд.
В НПО «Красная Звезда» в работах по ЯЭУ «Топаз» участвовали такие ведущие специалисты как М.Е. Федотов, Е.Е. Жаботинский, В.В. Лапшов, Ю.Л. Труханов, П.В. Андреев, М.С. Вольберг, А.С. Воробьёв, Ю.В. Погонин, А.Н. Макаров, В.С. Николаев, В.Б. Давыдов, Б.С. Сазонкин, В.В. Кашелкин, Н.А. Винцевич, Б.М. Вошедченко, В.П. Евдокимов, А.С. Филимоненко: главный инженер НПО А.А. Соколов, его заместитель А.П. Силантьев, начальники производства В.А. Шуров и Н.П. Чуркин, главный сварщик В.С. Дронский, начальник филиала Е.М. Сидоренко, главный инженер ЗЭМО Е.М. Бершак. Ответственным конструктором по теме был И.П. Богуш, заместителем главного конструктора НПО по КЯЭУ был Н.И. Михневич.
Над темой трудились и многие другие специалисты, в том числе экспериментаторы В.С. Гарькавый, Х.А. Кутдюсов, А.И. Пантелеев, В.Г. Соловьёв, П.У. Темноградский, О.П. Щербанюк, Ю.Р. Юдников; конструкторы А.В. Бушинский, А.Л. Жуков, Г.А. Зарицкий, А.И. Ильин, Л.С. Коробков, Э.М. Кройн, А.В. Матвеев, С.Е. Павлов, В.Г. Сидоров, Б.В. Сливкин, Е.М. Страхов.
К работам по реализации проекта ЯЭУ были также привлечены такие предприятия МСМ, как НПО «Луч», НИИНМ, Ульбинский металлургический комбинат, Новосибирский завод химических концентратов и ряд других.
В общей сложности в работах по ЯЭУ «Топаз» участвовало до двухсот смежных предприятий, в том числе несколько десятков крупных предприятий и организаций ряда ответственных министерств и ведомств, ведущими среди которых были предприятия Минсредмаша.
С 1962 г., и более 40 лет, Г.М. Грязнов проработал в области космической ядерной энергетики, пройдя все стадии: инженера-конструктора 2-й и 1 -й категории, ведущего конструктора, начальника бригады, группы, научно-исследовательского отдела, заместителя главного конструктора, а с 1972 г. - директора головного в стране Научно-производственного объединения «Красная Звезда» по разработке, созданию и серийному изготовлению ядерных энергетических установок (ЯЭУ) для космических аппаратов. На этом посту он проработал практически четверть века (с 1972 по 1997 г.), участвуя в создании нового уникального направления в мировой энергетике - космической атомной энергетики.
Были созданы и доведены до необходимой кондиции более 40 ЯЭУ четырех модификаций с термоэлектрическими и термоэмиссионными преобразователями. «Красная Звезда» практически явилась создателем нового направления в мировой науке и технологии - космической атомной (реакторной) энергетики.
СССР запустил на орбиту в общей сложности 32 искусственных спутника с ядерными энергоустановками, став единственной в мире страной, применявшей такие аппараты и производившей их серийно.
Американцы тоже вывели в космос около 30 объектов в рамках своей ядерной программы. В основном, это РИТЭГ (Слабосильные термопары). У них есть программа "Прометей", в которой есть подпрограмма по развитию радионуклидной технологии, реализованной в изотопных термоэлектрических генераторах. Масштаб электрической мощности термоэлектрических генераторов с радионуклидным нагревом - 150 Вт. И даёт эту мизерную мощность достаточно большой цилиндр размером с двухмесячного поросёнка, в котором лежит примерно 13 кг 238 Pu. 238 Pu - не просто очень дорогой изотоп, он ещё и очень опасен. Если, не дай Бог, произойдёт несчастный случай на старте, то нужно помнить, что поражающие факторы 238 Pu на многие порядки превышают поражающие факторы тех изотопов, что нарабатываются в нашем реакторе с урановым топливом.
За почти 20 лет запусков было четыре случая падения спутника на Землю: два - в океан и один - на сушу.
Историческое первенство в космических ядерных авариях принадлежит США - в 1964 г. не смог выйти на орбиту американский навигационный спутник с атомным реактором на борту, и этот реактор развалился в атмосфере вместе со спутником на куски.
В СССР первая авария связана с запущенным 18 сентября 1977 года 4300-килограммовым спутником серии УС-А (псевдоним «Космос-954», параметры орбиты: перигей 259 км, апогей 277 км, наклонение 65 градусов). Спутник входил в состав спутниковой системы морской космической разведки и целеуказания МКРЦ «Легенда», предназначенной для обнаружения кораблей вероятного противника и выдачи данных для применения по ним нашим флотом крылатых ракет.
Из-за разгерметизации приборного отсека КА с ЯЭУ "БЭС-5" N58 на борту и выхода из строя датчиков перепада давления второго контура произошёл отказ аппаратуры системы автономного управления, что привело к потере ориентации КА, непрохождению команды на увод ЯЭУ с Земли и отказу системы автоматического увода ЯЭУ. В результате КА с ЯЭУ вошёл в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на 100000 км2 в северо-западных районах Канады.
При запуске КА с ЯЭУ "БЭС-5" N51, вследствие выхода из строя двигателя доразгона, КА не был выведен на расчётную орбиту и ЯЭУ с глубоко подкритичным реактором упала в Тихий океан.
     В 1983 году из-за отказа систем КА "Космос-1402", запущенного 30 августа 1982 года, произошло возвращение ЯЭУ в атмосферу Земли, что привело к срабатыванию дублирующей системы радиационной безопасности ЯЭУ, рассеявшей активную зону реактора в атмосфере Земли.
     В апреле 1988 года произошла потеря радиосвязи с "Космосом-1900", запущенным 12 декабря 1987 года. Отсутствие связи помешало передать ему команду об уводе ЯЭУ, и до середины сентября 1987 года КА медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. К контролю за положением КА были привлечены службы контроля космического пространства США. Только 30 сентября за несколько дней до входа в плотные слои атмосферы, включилась защитная система и спутник был уведён на безопасную стационарную орбиту.
     В процессе эксплуатации установки на основании Постановления ЦК КПСС и СМ СССР N 462-138 от 26.5.1975 г. проводились работы по её доработке и модернизации, связанные с повышением радиационной безопасности, увеличением электрической мощности в конце ресурса до 3 кВт и увеличением ресурса до 6-12 месяцев.
     Анализ полётных данных показал, что прекращение работы КА с ЯЭУ на борту происходило, как правило, не по вине ЭУ, за исключением "БЭС-5" NN 31, 60, 58, 75 и 76. Анализ отрицательных явлений, имевшихся в процессе функционирования на орбите ЯЭУ (отказы датчиков давления и перепада давления в ЖМК "БЭС-5" N53 (15.5.1974 г., "Космос-651"), N60 (17.10.1976 г., "Космос-860"), N58 (18.09.1977 г., "Космос-954"), а также причин, их вызвавших, привел к необходимости их доработок. Так, начиная с ЯЭУ "БЭС-5" N58, были установлены усовершенствованные исполнительные механизмы привода компенсирующих стержней, антилюфтовые пружины в исполнительных механизмах привода регулирующих стержней, повышено давление газа в блоке гашения (БГ) реактора с 760 до 1500 мм рт.ст. Это позволило повысить надёжность срабатывания основной системы радиационной безопасности ЯЭУ, значительно снизить возмущения реактивности, вызываемые срабатыванием двигателей системы ориентации и стабилизации КА, уменьшить кратковременные выбросы тока ионизационных камер при перестройке задания по нейтронной мощности с 7,5% на 115%, а также более надёжно контролировать герметичность БГ при комплексных проверках на Земле (давление в БГ снижалось до нуля вследствие его негерметичности при выходе на орбиту ЯЭУ N52 (27.12.1973 г., "Космос-626") и N56 (7.04.1975 г., "Космос-724"). В 1985 г. аварийно закончилась работа двух КА вследствие отказов в системе автономного управления ЯЭУ "БЭС-5" N75 и N76 по причине более жёсткого теплового режима эксплуатации прибора ЭП-264. На оставшихся экземплярах ЯЭУ была произведена доработка прибора. После инцидента с КА "Космос-954" над Канадой интенсифицировались работы по бортовым системам обеспечения радиационной безопасности, как основной (ОСРБ), обеспечивающей "увод" ЯЭУ на орбиту "захоронения" высотой 890 км, так и дублирующей (ДСРБ), основанной на выбросе связки ТВЭЛов из корпуса реактора с помощью порохового аккумулятора давления поршневого типа и их последующим аэродинамическим разрушением.
     Работоспособность бортовых устройств ДСРБ была подтверждена в наземных условиях и в процессе контрольно-лётных испытаний ЯЭУ N64, запущенной в составе КА "Космос-1176" 29 апреля 1980 года. Все последующие ЯЭУ "БЭС-5" были оснащены ДСРБ.
Отставание США от России в области космической ядерной энергетики на начало 90-х составляло более 10 лет. Поэтому очень большой интерес у американских специалистов вызвало сообщение академика Пономарева-Степнова Н.Н. и директора ГП "Красная Звезда" Грязнова Г.М. о результатах испытаний ЯЭУ "Топаз" на международном симпозиуме в г. Альбукерке (США) в 1989 г. А в апреле 1989 г. в ИАЭ им. И.В.Курчатова состоялись переговоры с представителями фирмы Space Power Inc. (SPI) советских разработчиков ЯЭУ (ИАЭ им. И.В.Курчатова, НПО "Красная Звезда", ЦКБМ, НПО "Луч", ФЭИ). Переговоры касались возможности сотрудничества в области космических ядерных энергетических установок для гражданского коммерческого применения и использования для этих целей имеющегося в СССР опыта и задела по созданию и натурным испытаниям космических термоэмиссионных ядерных энергетических установок. В процессе переговоров были обсуждены возможные области гражданского коммерческого использования таких ЯЭУ в качестве альтернативы солнечным энергоустановкам.
     Переданные американской стороне материалы, связанные с успешными испытаниями в космосе ЯЭУ "Тополь" ("Топаз-1") в 1977-1978 гг., а также посещение американскими специалистами российских фирм убедили специалистов США в бесспорном приоритете России в этой области, в связи с чем ряд американских фирм проявили заинтересованность в научном и коммерческом использовании для мирных целей имеющегося в России задела по термоэмиссионным ЯЭУ.
     В январе-марте 1991 г. был проведён демонстрационный показ макета ЯЭУ "Топаз-2" (без ядерного топлива) на VIII Симпозиуме США по космической ядерной энергетике (г. Альбукерк) и на советско-американском научно-техническом Симпозиуме и выставке "Наука-Космос-Конверсия" при Мерилендском университете. Демонстрация вызвала большой интерес специалистов и общественности, высоко оценена как с точки зрения технологических достижений СССР, так и готовности СССР участвовать в международном сотрудничестве в этой области.
     Основные разработчики установки "Топаз-2" - ЦКБМ, РНЦ "КИ" и НИИ НПО "Луч" совместно с НИИТП и ГМП "НП Энерготех" с российской стороны и фирмой International Scientific Products (ISP) с американской стороны учредили Совместное российско-американское предприятие "Интернациональные энергетические технологии" (СП "ИНЕРТЕК"). На первом этапе своей деятельности было предложено провести демонстрационные испытания в США на стендах с электронагревом экспериментального образца и компонентов установки "Топаз-2" без ядерного топлива. Кабинетом Министров СССР (N ПП-15495 от 16.05.1991 г.) было дано согласие на проведение испытаний. Проведение работ было поддержано специальными решениями администрации США.
     Для проведения испытаний американской стороне в период 1991-1992 года были переданы два образца головного блока ЯЭУ "Топаз-2" - В-71 (рабочий) и Я-21У (резервный), ранее испытанные в России, и испытательный стенд "Байкал".
     Первый этап испытаний проводился в ноябре 1992 г. силами совместного предприятия "ИНЕРТЕК" по контракту N СП-1145/5474, заключенному с ISP с участием специалистов группы TSET (Termionic System Evaluation Test). На стенде "Байкал" в г. Альбукерке (США) были проведены испытания изделия B-71 в объёме двух полных проверочных циклов "пуск-работа-останов" с целью подтверждения заданных параметров. Испытания образца установки и её отдельного ЭГК выполнены в полном объёме и успешно: подтверждена их работоспособность, получены характеристики, заданные Программой испытаний, проведено обучение американского персонала. "Проведенный прогноз полученных характеристик показал, что в штатных условиях установка "Топаз-2" с характеристиками В-71 может обеспечить электрическую мощность на клеммах рабочей секции реактора 4,5-6,0 кВт при температуре теплоносителя на выходе из реактора до 5700С" (из отчёта испытаний).
К середине 90-х гг. американцы при президенте Клинтоне прекратили работы над проектом космических реакторов, израсходовав за последние несколько лет, практически на «бумагу», более полумиллиарда долларов и не сумев преодолеть встретившиеся технические трудности. С 2004 г. США в третий раз приступили к преодолению своего отставания, которое сохраняется и до настоящего времени.

Источники:

1.История советского атомного проекта (40-е — 50-е годы): междунар. симп.; Дубна, 1996. Труды. Т. 3. — 2003;
2.Стаханов И.П., Степанов А.С., Пащенко В.П., Гуськов Ю.К. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии. М.:Атомиздат, 1968;
3.Ионкин В.И., Ярыгин В.И. "Роль ядерной энергетики в космических исследованиях. Опыт и достижения СССР/России. Современное состояние и перспективы развития". Обнинск, 2004;


© Copyright: АлексейНиколаевич Крылов
Перейти на страницу автора

Версия для печати
 
Жанр произведения: Рассказ
Количество отзывов: 0
Количество просмотров: 55
Дата публикации: 17.01.18 в 19:51
 
 
Рецензии
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии.Нет ни одного комментария для этого произведения.
 
   
   
© 2009-2018 Stihiya.org. Все права защищены.
Гражданско-поэтический портал.
Rambler's Top100