РАЗРАБОТКА

(Окончание, начало в №5)

Габаритно-компоновочная схема марсианского экспедиционного комплекса (МЭК), в котором предусмотрено использование блока из двух ядерных двигательно-энергетических установок на основе ГФЯР, описанных ранее, показана на рис. 1. При полезной нагрузке 150 т, предполагаемой обычно для выполнения подобной задачи, расчетная стартовая масса МЭК на околоземной орбите составляла бы 520...540 т (в зависимости от даты старта). Для сопоставления можно указать, что в случае применения ЯРД с твердофазным реактором стартовая масса МЭК составляла бы 730:800 т, а с химическим ЖРД - 1700:2500 т.

Рис.1 Габаритно-компоновочная схема МЭК

Конкуренцию газофазным ядерным двигателям открытой схемы (возможное преимущество в стартовой массе) составляли бы электроракетные двигатели с ядерными или солнечными источниками энергии. Но из-за неизбежной низкой тяговооруженности таких двигателей (отношение силы тяги к весу аппарата на Земле составляет приблизительно 10-4), продолжительность полета значительно бы увеличилась. Особенно возрастало бы (до нескольких десятков суток) время прохождения радиационных поясов Земли, что создавало бы чрезвычайно трудные проблемы для обеспечения безопасности космонавтов. В этом случае представляет интерес применение газофазных ядерных двигателей замкнутой схемы.

Была выполнена концептуальная проработка ЯКЭУ замкнутой схемы массой 125 т и электрической мощностью 150 МВт. В этой установке применены:

• - 19-твэльный струйный реактор без магнитной стабилизации;
• - фарадеевский коаксиально-вихревой МГД-генератор со сверхпроводящей системой возбуждения и холодильной машиной с излучателем;
• - контур циркуляции с сепарацией ядерного горючего от рабочего тела (гелий с добавкой NaK).
  

Удельная масса установки составила 0,83 кг/кВт, что является весьма хорошим показателем. При этом масса реактора составила 35 % от массы установки, МГД-генератора - 17 %, систем теплосброса - 35 %.

Если энергетическую установку подобного типа использовать для питания электрореактивных плазменных двигателей, то при удельном импульсе 5000 с можно реализовать тягу примерно 450 кгс. МЭК с такой двигательной установкой имел бы тяговооруженность порядка 10-3, что во много раз превосходило бы значение этого параметра для ядерных двигательно-энергетических установок, использующих твердофазные твэлы.

Приведенные данные по концептуальным разработкам НПО Энергомаш доказывают принципиальную возможность обеспечения существенного превосходства двигателей на основе высокотемпературного ГФЯР над двигательными установками других типов, особенно для дальних ускоренных полетов или для многократных челночных перелетов.

Стратегия разработки ГФЯР и двигательно-энергетической установки на его основе опиралась на три основных этапа. На первом этапе был задействован функционирующий до настоящего времени уникальный испытательный комплекс на основе импульсного графитового реактора (ИГР) на Семипалатинском полигоне. Он предусматривал кратковременные (до 5 с) натурные испытания малоразмерных моделей газофазных тепловыделяющих элементов диаметром до 100 мм и длиной до 250 мм.

На втором этапе предполагалось сооружение нового реактора "Нефрит" типа ИГР для обеспечения на порядок более длительных испытаний образцов, габаритные параметры которых в три раза превосходили параметры малоразмерных образцов.

На третьем этапе предусматривалось сооружение стендового прототипа натурного ГФЯР, точнее, комбинированного газофазно-твердофазного реактора "Лампа" с размерами рабочей камеры, соответствующими застойному газофазному твэлу.

Для выполнения последних этапов разработки проектировался стендовый комплекс "Байкал-2" на территории того же Семипалатинского полигона. По "Байкалу-2" был проведен большой комплекс исследований. При этом огромное внимание уделялось проблемам безопасности, в первую очередь, радиационной и ядерной; в частности, выхлоп из объектов испытаний планировался только закрытого типа.

Параллельно с отработкой элементов конструкции ГФЯР и подготовкой натурных испытаний разрабатывались другие ключевые системы двигательно-энергетической установки: МГД-генератор, электропривод насосов, магнитной стабилизации и др. После завершения основополагающих исследований и проведения всего комплекса испытаний предполагалось приступить непосредственно к созданию опытного образца штатной двигательно-энергетической установки на основе ГФЯР.

Рис.2 Схема реакторного эксперимента

Подготовка первого этапа натурных испытаний в реакторе ИГР малоразмерной модели газофазного твэла в течение всего периода разработки потребовала наибольших затрат времени и средств. Экспериментальную ампулу, содержащую модельный газофазный тепловыделяющий элемент и все необходимые системы, предполагалось разместить в вертикальном центральном канале реактора (рис. 2). В процессе эксперимента система вытеснительного типа должна была подавать ядерное топливо в рабочую камеру, месторасположение которой совпадало с центром активной зоны реактора ИГР. Топливо могло использоваться либо в виде пасты, содержащей мелкодисперсный урановый порошок и щелочные металлы, либо в виде расплава урана, разогреваемого непосредственно перед подачей в камеру. Тракт подачи ядерного горючего обладал эффективной компактной нейтронной защитой, исключающей перегрев топлива и окружающих оболочек. Основные размеры внутренней полости рабочей камеры: диаметр 80 мм и длина 240 мм. Ураносодержащая струя, поступающая в камеру, под действием нейтронного потока высокой интенсивности разогревалась, испарялась и переходила в плазменное состояние. Излучение от этой плазмы нагревало рабочее тело. Внутренняя стенка входного конического участка рабочей камеры была выполнена из тугоплавкого сплава. Эту стенку изготавливали проницаемой, что позволяло вдувать водород и гелий вместе со струей ядерного топлива. Тем самым исключались образование рециркуляционной зоны на участке испарения топлива и турбулизация потока. Вдуваемый водород, в свою очередь, давал периферийный спутный поток, отделяющий стенки камеры от центральной струи урановой плазмы.

Цилиндрический участок рабочей камеры имел внутреннюю стенку из абляционного материала, что позволяло обеспечить внешней силовой металлоконструкции надежную защиту, в том числе, и в случае конденсации на поверхности абляционного материала металлического урана (путем удаления капель обратно в поток продуктами абляции).

На выходе из камеры высокотемпературный поток рабочего тела должен был поступать в конденсатор. Стенки конденсатора имели щелевые пояса, через которые подавался для разбавления газообразный водород. Кроме того, внутренняя поверхность конденсатора также покрывалась абляционным материалом, исключающим накапливание конденсирующегося урана. Для снижения тепловыделения в уране на участке конденсации предусматривалась нейтронная защита по внешней поверхности конструкции конденсатора. Образовавшаяся газовая смесь с продуктами деления должна была подаваться через звуковое сопло на фильтр, расположенный в зоне нижнего торцевого отражателя реактора. Крупные частицы улавливались бы в инерционной ловушке, а мелкие - в пористых фильтровальных металлокерамических патронах. Использование звукового сопла стабилизировало бы давление в рабочей камере при изменении в процессе испытаний гидравлического сопротивления осадка на фильтровальных патронах. Газообразные продукты по трубопроводам удалялись в закрытую стендовую систему выхлопа. С целью снижения тепловыделения и нагрева фильтра предусматривалась его внешняя стационарная кольцевая и торцевая нейтронная защита.

Когда ядерное топливо заканчивалось и истекало время испытаний, наступал заключительный этап расхолаживания тепловыделяющего осадка в фильтре ампулы с помощью потока газа.

Для контроля и диагностики процессов в модельном газофазном твэле помимо стандартных устройств (расходомеров, датчиков давления и его пульсации, датчиков нейтронного потока и специально разработанных термопар) использовались специальные методы измерения и соответствующие системы, регистрирующие расход ядерного горючего, тепловые потоки на стенки рабочей камеры, электропроводность потока, а также фоторегистрация струи ядерного горючего. В связи с необходимостью обработки больших массивов измерительной информации потребовалась разработка соответствующих методов и алгоритмов.

Экспериментальная ампула (рис. 3, 4), изготовленная на опытном заводе, имела диаметр 185 мм и длину 6500 мм и включала следующие функциональные элементы: систему подачи ядерного горючего, рабочую камеру, конденсатор и фильтр. Все это вместе с коммуникациями, средствами измерений и элементами общей сборки размещалось внутри герметичного корпуса. Предполагалось, что необходимый для проведения испытаний запас ядерного горючего будет заправляться в тракт подачи ампулы непосредственно перед началом работ. После испытаний все твердые и жидкие продукты остаются в фильтре. Таким образом, радиационная безопасность на всех стадиях обеспечивалась локализацией ядерного горючего и основной массы продуктов его распада в объеме ампулы. Поступление радиоактивных веществ в окружающую среду полностью исключалось.

Рис.3 Экспериментальная ампуула в сборе	Рис.4 Головная часть экспериментальной ампулы

Центральный канал импульсного реактора ИГР, в который устанавливалась экспериментальная ампула, имел охлаждаемую водой герметизирующую оболочку, отделявшую его от уран-графитовой кладки активной зоны. В верхней части ампулы находились соединители, обеспечивавшие сопряжение со стендовыми коммуникациями.

Особое внимание было уделено мерам, направленным на обеспечение безопасности испытаний для исключения повреждения реактора ИГР и радиоактивного загрязнения стендовых помещений в случае возможных аварийных разрушений функциональных элементов экспериментальной ампулы.

Были полностью собраны и подготовлены к отправке на стендовую базу два испытательных комплекта с малоразмерными твэлами (рис. 5). На полигон были отправлены комплекты специального стендового оборудования и транспортно-технологической оснастки для работы с радиоактивными изделиями после завершения испытаний.

Рис.5 Рабочая часть ампулы

Помимо изготовленной экспериментальной ампулы был разработан эскизный проект новой модификации с моделью газофазного твэла застойного типа с магнитной стабилизацией процесса.

Итак, несмотря на многолетние усилия, натурные испытания высокотемпературных газофазных твэлов начать не удалось, финансирование работ было прекращено. Работы в СССР и США по ГФЯР были начаты в романтическую пору на заре космической и ядерной эры в условиях соперничества сверхдержав. Быстрейшая реализация уникальных характеристик высокотемпературного ГФЯР казалась тогда вполне достижимой, хотя не было ясности, для каких конкретных задач все это необходимо. Анализируя итоги исследований, следует отметить, что Энергомаш смело взял на себя функции головного разработчика ЯРД и ЯКЭУ на основе ГФЯР при недостаточно сильной расчетно-теоретической и технологической подготовленности этого направления. Роль и ответственность научного руководства были нивелированы, а роль головного КБ, наоборот, сильно возвышена. Неоднократно ставился вопрос о консолидации научного и проектно-конструкторского коллективов под эгидой НИИ тепловых процессов, но так и не был решен. Следствием этого стала недостаточная целеустремленность и координация работ.

По опыту прошедших лет можно констатировать, что создание высокотемпературного ГФЯР и двигательно-энергетических установок на его основе требует очень крупных инвестиций и эффективно только в рамках международного сотрудничества. Использование такого рода сложных и дорогих систем будет востребовано и экономически оправдано лишь тогда, когда на повестку дня встанет вопрос об индустриализации космоса с интенсивными транспортными потоками научно-производственного персонала при большом наборе характеристических скоростей (например, многократные межорбитальные перемещения Земля - Луна, Земля - Марс и т.п.).

Хотелось бы высказать пожелание, чтобы, несмотря на существующие проблемы финансирования, работы по ГФЯР имели бы в России дальнейшее продолжение в качестве научного направления, способствующего сохранению и развитию научно-технических заделов. В частности, благодаря достигнутому в настоящее время уровню вычислительной техники и накопленным знаниям в отношении отдельных рабочих процессов в ГФЯР стали бы реальными и весьма актуальными разработка комплексной математической модели газофазного твэла вместе с выходным каналом и соплом, проведение численных исследований характеристик рабочих процессов и обоснование достижимости ожидаемых уникальных параметров газофазных ЯРД.