От Сухума - дальнему космосу

Интересы Росатома и Роскосмоса смыкаются  в решении проблем прямого преобразования тепловой энергии, прежде всего атомной, в электрическую. Академик международной термоэлектрической академии Евгений Павлович Сабо, зам. директора по научной работе дочернего предприятия Сухумского физико-технического института (СФТИ) «ЭРА», уверен, что их разработки найдут применение в энергообеспечении космических полетов.




В. Пожалуйста, перечислите основные этапы космического направления деятельности
института.

О. Прямое преобразование для космических аппаратов началось с создания первого в мире всем известного реактора-преобразователя. «Ромашка». Сам реактор был создан в Курчатовском институте, а в СФТИ делали термоэлектрический преобразователь к нему. Успешные испытания установки «Ромашка» позволили принципиально определиться, можно ли делать ядерные космические энергетические системы. Американская установка с термоэлектрическим преобразователем (SNAP-10А), аналогичная нашей «Ромашке», побывала в космосе.

Следующий этап - бортовая ядерная энергетическая система «Бук», которая была поставлена на вооружение, и выпускалась серийно, Реакторы и всю механическую систему делали на «Красной звезде» в Москве, мы в Сухуме делали к ним двухкаскадные термоэлектрические преобразователи, мощностью 3 КВт, которые по результатам испытаний превзошли зарубежные аналоги. Тридцать одна установка была использована на спутниках серии «Космос». Как сообщала газете «Неделя» в №12  за 1998 г., это были спутники-шпионы для радиолокации объектов. Но закончилась «холодная» война и выпуск этих установок прекратился.

В. Если внешняя политика и дальше будет развиваться в конфронтационном направлении, можно предположить, что спрос на подобные установки снова появится. Или правильнее ориентироваться на исследования дальнего космоса?

О. Для бортовой энергетической системы в космосе самое главное – удельная мощность: при минимальном весе максимальный выход энергии. Для большой космической энергетики ЯЭУ вне конкуренции. Не говоря об установках на органическом топливе, даже для солнечных батарей потребуются слишком большие площади развертывания. Для создания космических баз на Луне или Марсе потребуется много энергии и, скорее всего, это будет ядерная энергия. И тут важно преобразовать тепло, которое дает реактор, в электричество. Для этой цели есть несколько принципиально разных систем. В Америке разрабатывался базовый источник электрической энергии SP-100 – стокиловаттный реактор-преобразователь модульного типа. В эту разработку были вложены значительные средства, но эти работы тоже были законсервированы после окончания «холодной» войны. Но сейчас к ним снова появился интерес.

В. То есть исследования продолжаются в тех же направлениях, которые были свернуты?

О. Принципиально есть несколько способов преобразования тепловой энергии в электрическую. Традиционные динамические системы «турбина–генератор» эффективно преобразуют тепловую энергию, но имеют очень ограниченный срок эксплуатации из-за изнашивания трущихся механических деталей. 

Второе направление – термоэмиссионное. Эти системы разрабатывались у нас: катодные и анодные узлы СФТИ были в последствии переданы в ФЭИ г. Обнинска и в НПО «Луч», где были созданы ЯЭУ «Топаз» и «Енисей». «Топаз» даже продавали американцам. Эти установки характеризовались высокой удельной мощностью и летали в космос, т.е. были испытаны в реальных условиях. К их недостаткам следует отнести также ограниченный срок службы. Поскольку там достаточно высокие температуры – более 1600 оС, все диффузионные процессы протекают очень активно, вследствие чего через год  узлы преобразователя выходят из строя.

В термоэлектрических преобразователях температуры намного ниже (в ЯЭУ «Бук» ~700оС), ниже удельная мощность и КПД хотя и не очень существенно, если сравнивать КПД ЯЭУ «Енисея» - 7 % и нашего «Бука» - около 6 %. Но термоэлектрические системы могут долго работать как в космосе, так и на Земле. Это доказано на примере радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). В этих источниках ампулы с радиоактивным изотопом, к примеру, плутонием, период полураспада которого 86,4 лет, длительное время излучают тепло, которое преобразуется в электроэнергию. По этому пути пошли американцы в своих программах энергообеспечения полетов в дальний космос. Чтобы получать информацию с космических аппаратов, они продолжают использовать РИТЭГ на плутонии исходной электрической мощностью 300 Вт, что достаточно для питания аппаратуры связи в течение очень длительного времени.

В. Ваш «Бук» был устроен аналогично?

О. В «Буке» источником тепла служил атомный реактор, а в первых отечественных аналогичных РИТЭГ космического назначения «Лимон», «Орион» использовался более энергоемкий короткоживущий изотоп – полоний. Эти РИТЭГ были успешно использованы на первых спутниках серии «Космос». Термоэлектрические преобразователи для РИТЭГ разрабатывались и изготавливались в Сухуме. Созданные затем многочисленные наземные РИТЭГ  для питания маяков и других навигационных устройств работали на стронции-90. Их срок службы был более 20 лет без замены радиоизотопного источника.

В. Почему решили использовать стронций-90?

О. Он нарабатывается в ядерных реакторах, его хранение или захоронение представляет собой определенную проблему. Поэтому применение изотопа было экономически оправданным до тех пор, пока не появились охотники за цветными металлами. Даже в труднодоступных районах – в тундре вдоль северного морского пути – находились такие. При этом, конечно, они сами получали изрядную дозу облучения, не говоря о том, что дальнейшая судьба радиоизотопного источника  уже не контролировалась. В общем, на международном уровне было принято решение о замене таких навигационных приборов и утилизации источников излучения. Таким образом, это направление деятельности СФТИ сейчас - будем надеяться, временно -  не востребовано.

В. Чего нельзя сказать о ЯЭУ для космоса. Я читала интервью с одним из руководителей НАСА, где он говорил о том, что разработку системы энергообеспечения полетов в дальний космос, можно заказать в России.

О. Возможность использования ЯЭУ в электродвигательных установках космических аппаратов рассматриваются у нас сотрудниками Энергокосмоса, ГНЦ  РФ ФЭИ, ГНПО «Луч» и др., которые докладываются на международных конференциях последних лет. Есть продуктивные идеи с использованием термоэлектрического преобразования, обеспечивающим электроэнергией жизнедеятельность всех систем летательного космического аппарата. Мы уже под эту систему выбираем технические решения для создания преобразователя с оптимальными весогабаритными характеристиками. От плоских систем, которые были использованы в преобразователе «Бук» мы перешли к кольцевым термоэлектрическим батареям. Они получились более легкими и компактными, эта работа продолжается при поддержке Росатома.

Кроме того, мы продолжаем работу с радиоизотопными термоэлектрическими преобразователями. Сейчас на постсоветском пространстве никто кроме СФТИ не занимается этими проблемами. У нас есть немалый опыт, сохранились специалисты, оборудование и запас некоторых материалов. Используя все это, мы продолжаем работу и к нам обращаются за помощью, например, Китай и Евросоюз, который также определился со своей марсианской космической программой. В рамках этих программ планируется использование радиоизотопного термоэлектрического генератора. Мы являемся одними из претендентов на эту разработку, и сейчас готовим опытные демонстрационные образцы термоэлектрических преобразователей с повышенным КПД для того, чтобы представить их Еврокомиссии.

В. Вы хотите сказать, что на постсоветском пространстве в области термоэлектричества у вас нет конкурентов?

О. К сожалению, это так. Когда мы разрабатывали систему «Бук» у нас был конкурент в лице московского НИИ источников тока. Позднее на его базе было организовано предприятие «Квант», входящее в Роскосмос. Тогда в честной конкуренции победили мы, наши установки оказались лучше по всем параметрам. Нам было поручено серийное изготовление этих устройств. Было много заказов на различные термоэлектрические преобразователи, в основном для оборонной техники, и для других целей.

 В настоящее время мы, кроме того, продолжаем заниматься термоэмиссией, отрабатываем технологию создания анодных и катодных металлокерамических узлов с повышенным сроком службы. На базе этой технологии возникла идея создания металлокерамических гермоводов, в которых нуждаются, например, преобразователи и аккумуляторные батареи космического назначения. Металлокерамические узлы по устойчивости к высоким температурам и герметичности превосходят существующие изделия из других материалов. Мы выполняем заказы по изготовлению узлов для реактивных электродвигателей с использованием ионно-плазменых технологий.

В. А в российской программе развития нанотехнологий не планируете участвовать?

О. Это модное направление, хотя, в принципе, трудно точно сказать, что именно к ним относится. Мы с удивлением поняли, что давно занимаемся чем-то очень близким. Например,  для термоэлектрического низкотемпературного материала мы разработали установку закалки его жидкого состояния. Выливая расплав полупроводников на быстровращающуюся охлаждаемую поверхность, мы получили мелкозернистый материал с улучшенными свойствами, что с минимальной долей условности можно отнести к нанотехнологии. Или используемый нами механоактивационный синтез термоэлектрических сплавов из компонентов на планетарных шаровых мельницах с длительным измельчаем  их если не до нано-, то точно меньше микрочастиц. По-видимому, к нанотехнологии можно отнести и разработанный нами метод обработки порошков сплава магний-никель, который позволил довести водородную емкость в гидридных накопителях водорода до ~650 литров на килограмм, что не меньше, чем при хранении водорода в сжатом состоянии или в жидком состоянии в криогенных сосудах.

Преимуществом же гидридных накопителей водорода является то, что гидрирование проходит при повышенных давлениях, а дегидрирование при низких, обеспечивая безопасность хранения и транспортирования. Кроме того, при гидрировании можно использовать водород технической чистоты, а дегидрируется более чистый, пригодный для использования в топливных элементах.

В. Какое практическое применение вы видите для своих разработок?

О. Мы надеемся на то, что ЯЭУ космического назначения будут востребованы, как сегодня востребованы космические РИТЭГ. Есть надежды на гражданское применение термоэлектричества. Японцы, например, с целью экономии энергоресурсов приняли программу по утилизации бросового тепла различных производств, в том числе производимого автомобилем. Ведь только одна треть сжигаемого бензина расходуется на движение, треть выбрасывается в радиатор на охлаждение, и ещё одна треть – в выхлопную трубу. Т.е, есть резерв для экономии бензина: нужно только преобразовать бросовое тепло в полезную энергию, например, для наработки водорода, как экологически чистого топлива. Такие устройства разработаны, но пока оказались довольно дорогостоящими. Хотя все относительно – чем дороже энергоресурсы, тем вероятнее интерес к таким устройствам.

Мы готовы продолжать работы по совершенствованию конструкций и технологий термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей различного назначения при соответствующей финансовой поддержке и передачи наработок предприятиям РФ для освоения и производства востребованных изделий.

Подготовила Л.Селивановская

назад

Материалы из архива

2.2006 Энергетика России: проблемы и перспективы

Ф.М.Митенков, академик РАН, научный руководитель ФГУП «ОКБМ» В конце минувшего года состоялась научная секция общего собрания Российской Академии наук, посвященная состоянию энергетики России, ее проблемам и перспективам развития. Актуальность и важность этой темы подчеркивается уже тем, что чуть ли не впервые сессия Академии наук носила столь целенаправленный и достаточно полный конкретизированный характер обсуждения вопросов энергетического обеспечения страны.

10.2008 ВОУ-НОУ: упущенная выгода

Александр Шусторович, президент компании «Плеядес»: - Ахиллесова пята ВОУ – НОУ – вопрос о так называемой природной составляющей. По существу, американцы оплачивают лишь технический процесс по производству энергетического урана… России было предложено распоряжаться этим природным ураном по своему усмотрению, но с тем условием, что вывезти его из страны невозможно, поскольку экспорт ядерных материалов из США в РФ запрещен…

9.2007 ГРУ контролирует глубины океанов

Владимир Иванов "Независимая газета"6 сентября власти города Саров Нижегородской разгласили закрытую информацию объявив, что на верфях в Северодвинске построена субмарина проекта 20120. Как выяснилось подлодка - суперсекретна. Получить какие-то достоверные комментарии по данному поводу ни одному из представителей прессы так и не удалось. Производители и разработчики сохраняли молчание. Не распространялись по данному вопросу и военные моряки.