Podczas MAKS-2013 kooperacja firm krajowych ze struktur Roskosmosu i Rosatomu zaprezentowała zaktualizowany model modułu transportowo-energetycznego (TEM) z kosmiczną jądrową jednostką napędową (NPP) klasy megawatów (NK nr 10, 2013, s. 4). Projekt ten został zaprezentowany publicznie dokładnie cztery lata temu, w październiku 2009 r. (Nr 12, 2009, s. 40). Co się zmieniło w tym czasie?
Kronika projektu
Przypomnijmy, że celem projektu jest stworzenie bazy napędów energetycznych i na jej podstawie nowych pojazdów kosmicznych o wysokim stosunku mocy do masy do realizacji ambitnych programów badania i eksploracji kosmosu. Środki te umożliwiają realizację wypraw w kosmos, ponad 20-krotny wzrost efektywności ekonomicznej operacji transportu kosmicznego oraz ponad 10-krotny wzrost mocy elektrycznej na pokładzie statku kosmicznego.
Elektrownia jądrowa jest oparta na reaktorze jądrowym z konwertorem maszyn wirnikowych o długiej żywotności. Rozwój TEM odbywa się zarządzeniem Prezydenta Rosji z dnia 22 czerwca 2010 r. Nr 419-rp. Jego utworzenie przewiduje państwowy program „Kosmiczne działania Rosji na lata 2013-2020” oraz prezydencki program modernizacji gospodarki. Prace w ramach kontraktu finansowane są z budżetu federalnego w ramach programu specjalnego „Realizacja projektów Komisji przy Prezydencie Federacji Rosyjskiej na rzecz modernizacji i rozwoju technologicznego gospodarki rosyjskiej” *.
Na realizację tego zaawansowanego projektu w latach 2010-2018 przeznaczono ponad 17 miliardów rubli. Dokładny podział funduszy jest następujący: 7,245 miliarda rubli przeznaczono na państwową korporację Rosatom na rozwój reaktora, 3,955 miliarda rubli - na Centrum Badawcze MV Keldysh na stworzenie elektrowni jądrowej i około 5,8 miliarda rubli - dla RSC Energia na produkcję TEM. Naczelną organizacją odpowiedzialną za rozwój samego reaktora jądrowego jest Instytut Badawczo-Rozwojowy Technologii Energetycznych (NIKIET), będący częścią systemu Rosatom. Współpraca obejmuje również Podolski Instytut Badań Naukowo-Technologicznych, RRC „Instytut Kurczatowa”, Instytut Fizyki i Energetyki w Obnińsku, Instytut Badań Naukowych NPO „Łucz”, Instytut Badań Naukowych Reaktorów Atomowych (NIIAR) oraz szereg inne przedsiębiorstwa i organizacje. Centrum Keldysha, Biuro Projektowe Inżynierii Chemicznej i Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej zrobiły wiele w sprawie obiegu płynu roboczego. Instytut Elektromechaniki został włączony do rozwoju generatora.
Po raz pierwszy projekt wdraża innowacyjne technologie, które pod wieloma względami nie mają odpowiednika na świecie:
wysoce wydajny obwód konwersji;
wysokotemperaturowy kompaktowy reaktor na neutrony prędkie z układami chłodzenia gazu, zapewniający bezpieczeństwo jądrowe i radiacyjne na wszystkich etapach eksploatacji;
elementy paliwowe na bazie paliwa o dużej gęstości;
system napędu przelotowego oparty na bloku potężnych, wysokowydajnych elektrycznych silników rakietowych (EJE);
turbiny wysokotemperaturowe i kompaktowe wymienniki ciepła o dziesięcioletniej żywotności projektowej;
szybkie generatory elektryczne-przetwornice dużej mocy;
rozmieszczanie wielkogabarytowych konstrukcji w kosmosie itp.
W proponowanym schemacie reaktor jądrowy wytwarza energię elektryczną: chłodziwo gazowe, napędzane przez rdzeń, obraca turbinę, która obraca generator elektryczny i sprężarkę, która krąży płyn roboczy w zamkniętej pętli. Substancja z reaktora nie wychodzi do środowiska, to znaczy wyklucza się skażenie radioaktywne. Energia elektryczna jest zużywana do działania elektrycznego silnika napędowego, który jest ponad 20 razy bardziej ekonomiczny niż analogi chemiczne pod względem zużycia płynu roboczego. Masa i gabaryty podstawowych elementów elektrowni jądrowej powinny zapewnić ich umieszczenie w głowicach kosmicznych istniejących i przyszłych rosyjskich rakiet nośnych „Proton” i „Angara”.
Kronika projektu pokazuje jego szybki rozwój w czasach współczesnych. 30 kwietnia 2010 r. zastępca dyrektora generalnego Państwowej Korporacji Energii Atomowej Rosatom, dyrektor Dyrekcji Kompleksu Broni Jądrowej IM Kamieński zatwierdził zakres zadań na rozbudowę obiektu reaktora i TEM w ramach projektu „Kreacja modułu transportowo-energetycznego opartego na megawatowej elektrowni jądrowej”. Dokument został uzgodniony i zatwierdzony przez Roskosmos. 22 czerwca 2010 r. prezydent Rosji Dmitrij A. Miedwiediew podpisał Zarządzenie w sprawie określenia wyłącznych wykonawców projektu.
9 lutego 2011 r. w Moskwie na bazie Keldysh Center odbyła się wideokonferencja przedsiębiorstw - deweloperów TEM. Wzięli w nim udział szef Roskosmosu A. N. Perminov, prezes i generalny projektant (RSC) Energia V. A. Lopota, dyrektor Keldysh Center A. S. Koroteev, dyrektor generalny projektant NIKIET ** Yu. G. Dragunov i główny wiceprezes Smetannikov, projektant energetyki kosmicznej zakłady w NIKIECIE. Szczególną uwagę zwrócono na konieczność stworzenia stanowiska „Resource” do testowania instalacji reaktora z jednostką konwersji energii.
25 kwietnia 2011 r. Roscosmos ogłosił otwarty przetarg na budowę elektrowni jądrowej, wielofunkcyjnej platformy na orbicie geostacjonarnej i statku kosmicznego międzyplanetarnego. W wyniku konkursu (którego zwycięzcą został NIKIET 25 maja tego samego roku) została podpisana umowa państwowa ważna do 2015 r. o wartości 805 mln rubli na stworzenie próbnej próbki instalacji.
Kontrakt przewiduje opracowanie: propozycji technicznej wykonania stanowiska (z symulatorem termicznym reaktora jądrowego) próbki elektrowni jądrowej; jego projekt projektu; dokumentacja projektowa i technologiczna prototypów podzespołów produktu stanowiska i podstawowych elementów elektrowni jądrowej; procesy technologiczne, a także przygotowanie produkcji do wykonania prototypów elementów składowych produktu stołowego oraz podstawowych elementów instalacji; wykonanie próbki laboratoryjnej i przeprowadzenie jej eksperymentalnego opracowania.
Skład modelu ławkowego elektrowni jądrowej powinien zawierać podstawowe elementy standardowej instalacji, zaprojektowanej w celu zapewnienia późniejszego tworzenia instalacji o różnych mocach na zasadzie modułowej. Próbka na stanowisku powinna generować określoną moc - cieplną i elektryczną, a także wytwarzać impulsy ciągu, które są typowe dla wszystkich etapów pracy elektrowni jądrowej w ramach statku kosmicznego. Do projektu wybrano wysokotemperaturowy reaktor neutronów prędkich chłodzony gazem o mocy cieplnej do 4 MW.
23 sierpnia 2012 roku odbyło się spotkanie przedstawicieli Rosatomu i Roscosmosu poświęcone organizacji prac nad stworzeniem kompleksu testowego do testów wytrzymałościowych niezbędnych do realizacji projektu TEM. Odbyło się to w A. P. Aleksandrov Scientific Research Technological Institute w Sosnovy Bor pod Petersburgiem, gdzie planowane jest stworzenie określonego kompleksu.
Projekt wstępny TEM został ukończony w marcu br. Uzyskane wyniki umożliwiły przejście w 2013 roku do etapu szczegółowego projektowania i produkcji urządzeń oraz próbek do badań autonomicznych. Testy i rozwój technologii chłodziw rozpoczęły się w tym roku w reaktorze badawczym MIR w NIIAR (Dimitrowgrad), gdzie zainstalowano pętlę do testowania chłodziwa helowo-ksenonowego w temperaturach powyżej 1000 °C.
Do 2015 r. ma powstać naziemny prototyp reaktora, a do 2018 r. w Sosnowym Borze ma powstać reaktor do kompletowania jądrowego układu napędowego i rozpocząć jego testy. Pierwszy TEM do testów w locie może pojawić się do 2020 roku.
Kolejne spotkanie w sprawie projektu odbyło się 10 września 2013 roku w państwowej korporacji Rosatom. Szef NIKIET Yu G. Dragunov przedstawił informacje o stanie prac i głównych problemach w realizacji programu. Podkreślił, że obecnie specjaliści Instytutu opracowali dokumentację projektu technicznego elektrowni jądrowej, zidentyfikowali główne rozwiązania projektowe i prowadzą prace zgodnie z „mapą drogową” projektu. Po spotkaniu szef koncernu Rosatom S. V. Kirienko polecił NIKIET przygotowanie propozycji optymalizacji mapy drogowej.
Niektóre szczegóły dotyczące konstrukcji i cech konstrukcyjnych elektrowni jądrowej poznaliśmy podczas rozmowy z przedstawicielami Keldysh Center na pokazach lotniczych MAKS-2013. W szczególności deweloperzy poinformowali, że instalacja zostanie wykonana natychmiast w pełnym zakresie. wersja rozmiarowa, bez wykonywania zredukowanego prototypu.
Elektrownia jądrowa ma wyjątkowo wysokie (jak na swój rodzaj) cechy: przy mocy cieplnej reaktora 4 MW moc elektryczna na generatorze wyniesie 1 MW, to znaczy sprawność osiągnie 25%, co jest uważane za bardzo dobry wskaźnik.
Przetwornica turbomaszynowa jest dwuobwodowa. W pierwszym obwodzie stosowany jest płytowy wymiennik ciepła - rekuperator i rurowy wymiennik ciepła-lodówka. Ten ostatni oddziela główny (pierwszy) obwód odprowadzania ciepła i drugi obwód powrotu ciepła.
Na jedno z najciekawszych rozwiązań opracowywanych w ramach projektu (wybór typu chłodziarek-grzejników drugiego obiegu) udzielono odpowiedzi, że rozważane są zarówno wymienniki kroplowe, jak i płytowe, a jak na razie wybór nie został dokonany. Na zademonstrowanej makiecie i plakatach preferowaną opcją była chłodziarka kroplowa. Równolegle trwają prace nad płytowym wymiennikiem ciepła. Należy zauważyć, że cała konstrukcja TEM jest możliwa do transformacji: w momencie startu moduł mieści się pod owiewką głowicy LV, a na orbicie „rozpościera skrzydła” - pręty rozszerzają się, rozkładając reaktor, silniki i ładunek na dużą odległość.
TEM wykorzysta całą masę ulepszonych, niezwykle potężnych EPE – cztery „płatki” sześciu silników głównych o średnicy 500 mm, plus osiem mniejszych silników do kontroli przechyłów i korekty kursu. W salonie MAKS-2013 pokazano działający silnik, który jest już w trakcie testów (na razie na częściowym ciągu, o mocy elektrycznej do 5 kW). EJE działają na ksenonie. To najlepszy, ale i najdroższy płyn roboczy. Rozważano inne opcje: w szczególności metale - lit i sód. Jednak silniki oparte na takim czynniku roboczym są mniej ekonomiczne i bardzo trudno jest przeprowadzić próby naziemne na takich EJE.
Szacowany zasób elektrowni jądrowej uwzględniony w projekcie to dziesięć lat. Testy zasobów mają być wykonywane bezpośrednio na kompletnej instalacji, a jednostki będą eksploatowane autonomicznie na bazie współpracujących przedsiębiorstw. W szczególności turbosprężarka opracowana w KBHM została już wyprodukowana i jest testowana w komorze próżniowej w Keldysh Center. Wykonano również symulator termiczny reaktora elektroenergetycznego o mocy 1 MW.
