История создания
Параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами (смотри Ядерный космический щит страны "БЭС-5") проводились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями, имеющими более высокие технические характеристики.
Работы проводились двумя кооперациями организаций-исполнителей по двум типам установок, отличающихся:
- конструкцией основного элемента ЯЭУ - электрогенерирующего канала (ЭГК);
- конструкцией генератора паров рабочего тела (цезия).
ТОПАЗ-1
ЯЭУ "Топаз-1" разрабатывалась с 1962 г. для космического аппарата (КА) радиолокационной разведки. Головным разработчиком являлся - ГП "Красная Звезда", научным руководителем - ГНЦ "ФЭИ", соисполнителями - НИИ НПО "Луч" и др.
В установке "Топаз-1" (ТЭУ-5) с тепловым реактором-преобразователем и жидкометаллическим теплоносителем (Na-K) имеется 79 ЭГК в каждом из которых скоммутировано 5 термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) (многоэлементный ЭГК), а в ЯЭУ "Топаз-2" (Енисей) - 37 ЭГК, в каждом из которых только один ЭГЭ (моноэлементный ЭГК).
Конструкция одноэлементного ЭГК позволяет не иметь в активной зоне межэлектродной коммутации, а также выводить газообразные продукты деления из катодного объёма, что предопределяет их большую надёжность и ресурсоспособность; используя тепловые имитаторы, контролировать электрические характеристики ЯЭУ перед стартом до загрузки ядерного топлива; отрабатывать полномасштабные ЭГК и системы преобразования термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) в целом с помощью электронагрева, что сокращает затраты средств и времени на экспериментальные работы. Однако одноэлементная конструкция имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при одних и тех же электрических мощностях ток на выходе одноэлементного ЭГК в 2-3 раза больше, чем у многоэлементного, и для снижения омических потерь требуются большие толщины электродов. Этот недостаток ЭГК одноэлементной конструкции в значительной мере определяется удельной электрической мощностью, снимаемой с поверхности катода, и практически в конкретных конструкциях начинает существенно сказываться при удельной электрической мощности выше 2 Вт/см2 для ТРП с замедлителем и более 5 Вт/см2 для ТРП на быстрых нейтронах.
При разработке ЯЭУ "Топаз-1" был выполнен большой комплекс экспериментальных исследований отдельных узлов, агрегатов, теплофизических прототипов ТРП и тепловых имитаторов установки в целом. В ГНЦ "ФЭИ" на реакторе АМ проведены испытания более 50 ЭГК, показавшие их работоспособность в течении заданного ресурса. Первые полномасштабные наземные энергетические испытания ядерного прототипа ЯЭУ "Топаз-1" были проведены на стенде ГНЦ "ФЭИ" в 1970 г. Изделие было выведено на электрическую мощность 10 кВт. Испытания продолжались 150 часов. Всего были испытаны 4 ядерных прототипов ЯЭУ "Топаз-1".
Результаты наземных комплексных испытаний послужили основанием для определения возможного срока проведения лётно-конструкторских испытаний в 1979-1980 г.г. ЯЭУ "Топаз-1" в составе экспериментального КА "Плазма". Однако, отсутствие дублирующей системы радиационной безопасности в составе ЯЭУ привело к необходимости разработки новой модификации КА "Плазма" - КА "Плазма-А" и изменить, сроки и условия проведения ЛКИ: проведение ЛКИ на высокой радиационно-безопасной орбите.
Решением Государственной комиссии при СМ СССР по ВПВ N 58 от 12.02.1986 г. было принято решение о проведении ЛКИ КА "Плазма-А" с ЯЭУ "Топаз-1". К проведению ЛКИ были подготовлены два экземпляра ЯЭУ (N22 и N23), отличающиеся материалом катодов ЭГК: катоды изделия N22 выполнены из молибдена, а N23 - из молибдена, покрытого вольфрамом.
ЯЭУ N22 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 2.02.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" ("Космос-1818") в течении 142 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении заданного трёхмесячного ресурса.
ЯЭУ N23 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 10.07.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" (Космос-1867) в течении 343 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении полугода работы. В дальнейшем в течении последующего полугода мощность ЯЭУ плавно снижалась вследствие деградационных процессов в РП, но была достаточна для питания всех систем КА (в конце стационарной работы составила 2,73 кВт).
Прекращение работы ЯЭУ в обоих случаях было вызвано, в основном, окончанием запасов рабочего тела (цезия) и выделением водорода из полости замедлителя, явившегося катализатором деградационных процессов в РП. Замена комплекта ЭГК с эмиттерными узлами из монокристаллического молибдена в ЯЭУ N22 на комплект ЭГК с вольфрамовыми покрытиями в ЯЭУ N23 привело к увеличению к.п.д. ЯЭУ в 1,05-1,07 раза.
ТОПАЗ - 2
ЯЭУ "Топаз-2" разрабатывалась с 1967 г. для космического аппарата (КА) системы непосредственного телевизионного вещания из космоса. Головным разработчиком являлся - "Энерговак-ЦКБМ", научным руководителем - РНЦ "Курчатовский институт", соисполнители - НИИ НПО "Луч" и др. ЯЭУ "Топаз-2" предназначена для использования только на радиационно-безопасных орбитах так как не имела системы ликвидации и доработка её под дублирующую систему обеспечения радиационной безопасности не представлялась возможной.
В ходе работ было изготовлено и испытано более 18 полномасштабных головных блоков энергоустановки, 7 из которых (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24, Я-81, Я-82, Э-38) прошли ядерные энергетические испытания. Ресурсные ядерно-энергетические испытания первых опытных образцов (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24) показали, что выбранная конструкция ЭГК не обеспечивает требований по ресурсу. Обнаружилось увеличение диаметра катодов ЭГК вследствие распухания тепловыделяющих сердечников под действием осколков деления, что привело к коротким замыканиям отдельных ЭГК в процессе испытаний и падению суммарной электрической мощности РП. Было также установлено, что вследствие поверхностных изменений свойств электродной пары катод-анод и увеличения приведенного коэффициента черноты ресурсное уменьшение электрической мощности ЭГК составило 3% за 1000 часов.
Для устранения перечисленных конструктивных недостатков НИИ НПО "Луч" был разработан и испытан усовершенствованный ЭГК, в котором были реализованы следующие конструктивные и технологические решения:
- в МЭЗ введены новые фиксаторы из окиси скандия, обладающие большей стойкостью в парах цезия по сравнению с фиксаторами из окиси алюминия;
- улучшена технология нанесения вольфрамового покрытия на эмиттер для предотвращения отслоения покрытия (переход на хлоридную технологию нанесения монокристалического покрытия);
- увеличено отверстие в топливе на всю длину активной зоны и увеличен диаметр отверстия для снижения распухания топлива;
- увеличен МЭЗ;
- в эмиттер введён монокристалл молибдена, легированного ниобием.
В процессе проведения тепловых испытаний с электронагревом одного из образцов усовершенствованного ЭГК достигнут ресурс более 22500 часов.
Кроме того, с целью доведения ресурса работы установки до 1,5 лет, была создана новая модернизированная конструкция реактора с увеличенным числом ЭГК в активной зоне (с 31 до 37). Было изготовлено 10 экземпляров головных блоков такой ЯЭУ (В-71 - для холодных и динамических испытаний с последующими электроэнергетическими испытаниями на комплексном стенде "Байкал-1"; Я-81, Э-37, Я-82 - для ЯЭИ продолжительностью до 1,5 лет; Э-39, Э-40, Э-41- для ЛКИ, Э-38-как резервный; Э-43, Э-44). При испытаниях образца Я-24 был достигнут небывалый в отечественной и зарубежной практике ресурс проведения ЯЭИ полномасштабного опытного образца космической ЯЭУ - 12500 часов.
В связи с прекращением работ по КА, для которого предназначалась ЯЭУ "Топаз-2", работы по ЯЭУ были прекращены на стадии наземных испытаний.
