Юрий Юрьев: ТОПАЗ - абсолютный рекорд

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 04.08.2010

В мае в ГНЦ РФ - ФЭИ торжественно отметили 40-летие с момента начала наземных энергетических испытаний реактора-преобразователя "ТОПАЗ" и запуска в космос ЯЭУ "БУК". Научным руководителем обеих установок являлся ФЭИ, а главным конструктором "ТОПАЗа" - НПО "Красная Звезда".

На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает профессор Юрий Сергеевич ЮРЬЕВ, один из участников советской космической ядерной программы.

"ТОПАЗ" - реакторное совершенство

Я выпускник МВТУ. Пришёл на работу в ФЭИ в отдел Виктора Яковлевича Пупко, который занимался проектами ядерных реакторов для космического использования.

Что я могу добавить к тому, что уже не раз было сказано про "ТОПАЗ"? Когда я читал лекции в ИАТЭ, то всегда говорил студентам примерно следующее: ребята, это уникальная машина, абсолютный рекорд.

Есть такие рекорды, которые нельзя превысить, а можно только повторить. Как у того стрелка, кто выбил 600 из 600 очков. Это абсолютный рекорд. Так вот, реактор "ТОПАЗ" - это абсолютный рекорд для космических ядерных реакторов. Более сложной, более интересной, более чудесной машины нет и не будет. Может быть только эффективнее.

Представьте себе, реактор представляет собой "бочку", из которой напрямую идут провода. Никаких парогенераторов, никаких турбин! Прямое преобразование тепловой- ядерной энергии в электрическую.

В этом реакторе присутствуют абсолютно все физические поля, которые есть в мире. Вакуум есть. Низкотемпературная плазма есть. Электрическое поле есть. Магнитное поле есть. Поле напряжения есть. Механические поля есть. Поле скорости, поле давления. Температурное поле. Абсолютно все поля, о которых написано в учебниках, в талмудах физиков, присутствуют в этом реакторе. И нужно было их уместить в этом маленьком объёме и оптимизировать.

В проекте "ТОПАЗ" были применены все новейшие изобретения реакторных технологий. И физическое профилирование, при котором мощность каждого твэла была одинакова. И электротехническое профилирование, при котором температура электрогенерирующих элементов по длине канала оставалась неизменной. Это был фокус, в котором сходились все достижения ядерной энергетики на то время.

Можете представить себе, какие по сложности задачи решал коллектив, создававший "ТОПАЗ"? Например, пуск такого реактора. Использование в качестве теплоносителя натрий-калия, прокачка его электромагнитными насосами, питаемыми своим же током. А сброс тепла излучением, ведь в космосе нет другого холодного источника кроме собственно вакуума?

"ТОПАЗ" - не тот случай, когда нужно стесняться громких слов. Его оптимизация была проведена изумительно. А уж испытания на специальном стенде, в вакуумной камере, в отдельном здании ФЭИ! Это была вообще уникальная вещь. Дирижёром там был Ельцов Александр Иванович.

Многие пытались хотя бы достигнуть такого совершенства. Не получилось. Уникальные технические научные вещи можно сделать только при очень сильной концентрации в одном месте и многих мозгов, и многих материалов.

Деньги - это бумага. Не в них дело. А дело в качестве работников, особенно в квалификации рабочих, потому что такие миниатюрные вещи, которые делали наши технологи и рабочие, сейчас вызывают оторопь у производственников. Сегодня трудно представить, что кто-нибудь может повторить сделанное для "ТОПАЗа".

Наши технологические цепочки были уникальны и настроены не на тупых исполнителей, а на исполнителей творческих и на исполнителей абсолютной квалификации. Поэтому ясно, что сейчас, когда космическая тематика находится в некотором тумане, и, хотя есть большие планы использования реакторов в будущих полётах, наша теперешняя цель - сохранить наши знания, наши умения, развить их далее, а потом попытаться и превзойти реактор "ТОПАЗ" и по мощности, и по к.п.д.

Не просто повторить, а превзойти! Сделать новый "ТОПАЗ" при меньшей температуре, чтобы он подольше поработал. Потому что главная задача для космической ядерной энергетики - дальние полёты.

Юрий Сергеевич, начиналось это направление, насколько мы знаем, не с космоса, а с атомных самолётов.

Да, мы тоже участвовали в этих исследованиях. Подвешивали реактор над землей и измеряли излучение. Но хочу поправить - первой была атомная ракета. Американцы спроектировали ракету с ядерным двигателем и даже издали об этом книгу. Идея проста - вместо того, чтобы сжигать водород, его можно нагревать в ядерном реакторе.

Лучше всего все исторические аспекты описаны в так называемой "Белой книге" Пупко, где очень точно, скрупулёзно, в духе Виктора Яковлевича, отмечены все этапы развития космической энергетики, в которой принимали участие сотрудники ФЭИ.

Не секрет, что ядерный космос начинался в нашей стране как военный. Совершенно не стыжусь этого. Перед нашими глазами были карты, официальные карты Пентагона и госдепа США, где вся наша страна была отмечена будущими взрывами атомных бомб. И это была не шутка. Ядерные заряды были нацелены на нас из Турции, из стран Европы, и время подлёта было невелико.

Мы были обязаны заниматься обороной, так как в противном случае мы перестали бы существовать. Поэтому ясно, что выделявшиеся на оборону затраты и человеческая энергия были очень большими, но не чрезмерными.

Немного истории

Юрий Сергеевич, по истории "ТОПАЗа". Откуда возникла эта концепция? Ведь сначала были "Буки", которые также прекрасно отлетали положенное.

Да, конечно. Реактор "Бук" мы запускали раз 30. Сотрудники ФЭИ очень много ездили по "точкам", которые были связаны с этой программой.

"Бук" дал возможность нашим адмиралам видеть весь мировой океан, со всеми кораблями - и нашими, и наших потенциальных противников. Но дело в том, что к.п.д. термоэлектрических батарей в то время был невелик. А термоэмиссионная идея давала увеличенный к.п.д., правда, при повышенной температуре элементов.

Первые лабораторные исследования реакторных ТЭПов были сделаны Борисом Григорьевичем Дубовским и Игорем Ильичем Бондаренко. Это небольшой приборчик, похожий на обычный диод, но работающий в генераторном режиме - то есть, не с поглощением энергии, а с её выделением.

ТЭПы были помещены, если я правильно помню, сначала в реактор БР, а затем в реакторе Первой в мире. Испытания дали положительный результат - действительно, прямо из реактора шёл ток, то есть, осуществлялось прямое преобразование. А потом главное, что было сделано, это подключение наших технологов во главе с Владимиром Александровичем Малыхом.

Тем самым, кто сделал твэл для Первой АЭС?

Да. Его технологи, его рабочие и теоретики сотворили чудо, которое до сих пор удивляет абсолютно всех специалистов. Прекрасно себя зарекомендовали и математики (коллектив Г.И.Марчука), и физики, и теплогидравлики, и защитники. Ведь надо было сделать защиту теневую, то есть защищать только приборный отсек от реактора. И чрезвычайно важно было оптимизировать блок защиты по массе.

Кроме приборного отсека, ничего больше не защищалось?

Космос же… нет бокового рассеянного облучения от воздуха. Но очень важно было то, что сброс тепла идет только излучением. А поэтому нельзя было сделать высокий к.п.д. при низкой температуре и на холодильнике.

В результате получилось, что все наши космические аппараты летали "горячие". Потому что если сделать их холодными, то пришлось бы устанавливать тяжёлый холодильник-излучатель. Выбирался оптимум между этими противоречивыми требованиями.

Откуда возникла идея использовать натрий-калий? Теплоноситель этот достаточно экзотический.

Сразу было понятно, что теплоносителем мог служить только жидкий металл из-за высокого уровня температур. Воду применять было нельзя. Газ как теплоноситель неэффективен. Миниатюрную установку с ним ещё возможно было бы сделать, но говорить о серьёзных проектах не приходилось.

Газ нужно качать компрессором. А компрессор - это вращение, вращение - это мотор, а мотор - это обслуживание. В то время как для жидкого металла можно было выбрать электромагнитный насос. О ртути говорить не приходится, отошлю вас к опыту эксплуатации БР-2. Остаются натрий и натрий-калий.

Причина выбора в пользу натрий-калия против натрия достаточно очевидна. У натрия высокая температура плавления, порядка 100°C. А эвтектический сплав натрий-калий имеет низкую температуру, и в нормальных условиях он жидкий. По этой причине он удобен для употребления на стартовой площадке.

Наконец, для ФЭИ натрий-калий был не в новинку. В нашем институте его хорошо освоили. В теплофизическом отделении опыты предпочитают делать именно на нём, а не натрии - сильно упрощает эксперименты (коллектив В.И.Субботина).

Немного о будущем

Юрий Сергеевич, каково Ваше мнение о перспективах ядерной космонавтики? Что нас ждёт после "ТОПАЗа"?

Радует, что работы ведутся, не остановлены. Знаю, что большое внимание уделяется сегодня поиску новых материалов. Более подходящих, с возможностью получения большей удельной мощности (ватт на квадратный сантиметр).

Конструктивные проработки идут интересные. Выполняются общефизические расчёты установок с большими мощностями. Можно сказать так: сейчас есть коллектив, который продолжает традиции команды реактора "ТОПАЗ", но для больших мощностей. Я участвовал как оппонент в кандидатских работах молодёжи из ФЭИ, и считаю, что ребята подобрались очень хорошие.

Для чего нужны космические реакторы? Где они должны сыграть главную роль?

Если бы был такой аппарат - мощная ядерная установка, приспособленная к работе в условиях космоса, если бы был хотя бы хорошо разработанный проект, то применение ему нашлось бы немедленно.

И не только для дальнего космоса! Но и для космоса ближнего, и даже для Земли. Видите ли, если у вас на борту в космосе будет много энергии, то вы будете там царём и Богом.

В первую очередь, атомная энергия придёт на автоматические станции и корабли. Пилотируемый полёт на корабле с реактором - вещь достаточно сложная. Конечно, к нему готовятся. Вы слышали наверняка о "игрушечных" космонавтах, проекте "Марс-500". Но реализовать этот проект на практике возможно, я считаю, только совместными усилиями многих стран, как это произошло при создании проекта "Союз" - "Аполлон".

А скорость полёта реакторы увеличат? Ведь главная проблема, насколько мы понимаем, это слишком большая длительность полёта до Марса?

В космосе по прямой не летают, к сожалению. Это механика, законы природы. Рассчитаны оптимальные орбиты, и это, всё-таки, годы. Но я думаю, что туда полетят молодожёны. Им будет нескучно, и вернутся обратно они втроём (смех).

Каково Ваше мнение о ЯРД?

Честно говоря, мне кажется, что это малореальная вещь. Там температуры внутри реактора под 3000°C. Такая зона долго не продержится. Американцы испытывали свои установки без особого успеха - точнее говоря, эти реакторы при испытаниях разрушились.

У нас тоже были испытания в Семипалатинске, и удачные, в которых принимали участие и сотрудники ФЭИ. Через пористый твэл прокачивался водород, нагревался и так далее. Скажу аккуратно - всё-таки, лучше идти по пути, проложенному реакторами "ТОПАЗ" и "Бук". Давать кораблю и двигателю энергию с помощью ядерных реакторов.

Спасибо, Юрий Сергеевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru