Während der MAKS -2013 präsentierte die Zusammenarbeit einheimischer Firmen aus den Strukturen von Roskosmos und Rosatom ein aktualisiertes Modell eines Transport- und Energiemoduls (TEM) mit einem Weltraum-Kernkraftwerk (KKW) der Megawattklasse (NK Nr. 10, 2013, S. 4). Vor genau vier Jahren, im Oktober 2009, wurde dieses Projekt öffentlich vorgestellt (Steuernummer 12, 2009, S. 40). Was hat sich in dieser Zeit verändert?
Chronik des Projekts
Erinnern Sie sich daran, dass das Ziel des Projekts darin besteht, eine Energieantriebsbasis und auf dieser Grundlage neue Raumfahrzeuge mit einem hohen Leistungsgewicht für die Umsetzung ehrgeiziger Programme zur Erforschung und Erforschung des Weltraums zu schaffen. Diese Mittel ermöglichen die Durchführung von Expeditionen in den Weltraum, eine mehr als 20-fache Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Weltraumtransportoperationen und eine mehr als 10-fache Steigerung der elektrischen Leistung an Bord des Raumfahrzeugs.
Das Kernkraftwerk basiert auf einem Kernreaktor mit einem langlebigen Turbomaschinenumrichter. Die Entwicklung von TEM erfolgt im Auftrag des Präsidenten Russlands vom 22. Juni 2010 Nr. 419-rp. Seine Schaffung ist im staatlichen Programm "Weltraumaktivitäten Russlands für 2013 - 2020" und im Programm des Präsidenten zur Modernisierung der Wirtschaft vorgesehen. Die vertraglichen Arbeiten werden aus dem Bundeshaushalt im Rahmen des Sonderprogramms „Umsetzung der Projekte der Kommission des Präsidenten der Russischen Föderation zur Modernisierung und technologischen Entwicklung der russischen Wirtschaft“* finanziert.
Für die Umsetzung dieses fortgeschrittenen Projekts im Zeitraum von 2010 bis 2018 werden mehr als 17 Milliarden Rubel bereitgestellt. Die genaue Verteilung der Mittel ist wie folgt: 7,245 Milliarden Rubel werden dem staatlichen Konzern Rosatom für die Entwicklung des Reaktors zugewiesen, 3,955 Milliarden Rubel - für das MV Keldysh Research Center für die Errichtung eines Kernkraftwerks und etwa 5,8 Milliarden Rubel - für RSC Energia zur Herstellung von TEM. Die für die Entwicklung des Kernreaktors selbst verantwortliche Hauptorganisation ist das Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Energietechnologien (NIKIET), das Teil des Rosatom-Systems ist. Die Kooperation umfasst auch das Podolsk Scientific Research Technological Institute, das RRC "Kurchatov Institute", das Physics and Power Engineering Institute in Obninsk, das Scientific Research Institute NPO "Luch", das Scientific Research Institute of Atomic Reactors (NIIAR) und eine Reihe von andere Unternehmen und Organisationen. Das Keldysh Center, das Design Bureau for Chemical Engineering und das Design Bureau for Chemical Automation haben viel am Arbeitsflüssigkeitskreislauf getan. Mit der Entwicklung des Generators war das Institut für Elektromechanik verbunden.
Das Projekt setzt erstmals innovative Technologien um, die in vielerlei Hinsicht keine Entsprechung auf der Welt haben:
hocheffiziente Umwandlungsschaltung;
kompakter Hochtemperatur-Neutronenreaktor mit Gaskühlsystemen, der die Nuklear- und Strahlensicherheit in allen Betriebsphasen gewährleistet;
Brennelemente auf Brennstoffbasis mit hoher Dichte;
Cruise Propulsion System basierend auf einem Block leistungsstarker elektrischer Raketentriebwerke (EJE);
Hochtemperaturturbinen und Kompaktwärmetauscher mit zehnjähriger Lebensdauer;
schnelle elektrische Generatoren-Umrichter mit hoher Leistung;
Entfaltung großformatiger Strukturen im Weltraum usw.
In dem vorgeschlagenen Schema erzeugt ein Kernreaktor Strom: Ein gasförmiges Kühlmittel, das durch den Kern getrieben wird, dreht eine Turbine, die einen elektrischen Generator und einen Kompressor dreht, der das Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Die Substanz aus dem Reaktor gelangt nicht in die Umwelt, dh eine radioaktive Kontamination ist ausgeschlossen. Für den Betrieb eines Elektroantriebs wird Strom verbraucht, der im Hinblick auf den Verbrauch des Arbeitsmediums mehr als 20-mal sparsamer ist als chemische Analoga. Die Masse und Abmessungen der Grundelemente des Kernkraftwerks sollten ihre Platzierung in den Weltraumsprengköpfen der bestehenden und zukünftigen russischen Trägerraketen "Proton" und "Angara" gewährleisten.
Die Chronik des Projekts zeigt seine rasante Entwicklung in der Neuzeit. Am 30. April 2010 genehmigte der stellvertretende Generaldirektor der staatlichen Atomenergiegesellschaft Rosatom, der Direktor der Direktion für den Kernwaffenkomplex IM Kamenskikh die Aufgabenstellung für die Entwicklung einer Reaktoranlage und TEM im Rahmen des Projekts „Creation eines Transport- und Leistungsmoduls auf Basis eines Megawatt-Kernkraftwerks“. Das Dokument wurde von Roskosmos vereinbart und genehmigt. Am 22. Juni 2010 unterzeichnete der russische Präsident Dmitry A. Medvedev eine Verordnung zur Bestimmung der alleinigen Auftragnehmer für das Projekt.
Am 9. Februar 2011 fand in Moskau auf der Grundlage des Keldysh-Zentrums eine Videokonferenz von Unternehmen - TEM-Entwicklern statt. An ihr nahmen der Chef von Roskosmos A. N. Perminov, Präsident und General Designer (RSC) Energia V. A. Lopota, Direktor des Keldysh Center A. S. Koroteev, Director General Designer NIKIET ** Yu. G. Dragunov und Chief VP Smetannikov, Designer für Weltraumenergie, teil Pflanzen bei NIKIET. Besonderes Augenmerk wurde auf die Notwendigkeit gelegt, einen „Ressource“-Stand zum Testen einer Reaktoranlage mit einer Energieumwandlungseinheit zu schaffen.
Am 25. April 2011 kündigte Roscosmos eine offene Ausschreibung für die Entwicklung eines Kernkraftwerks, einer multifunktionalen Plattform im geostationären Orbit und interplanetarer Raumfahrzeuge an. Als Ergebnis des Wettbewerbs (der Gewinner war NIKIET am 25. Mai desselben Jahres) wurde ein bis 2015 gültiger Staatsvertrag im Wert von 805 Millionen Rubel für die Erstellung eines Bankmusters der Installation unterzeichnet.
Der Vertrag sieht die Entwicklung von: einem technischen Vorschlag für die Erstellung eines Prüfstands (mit einem thermischen Simulator eines Kernreaktors) eines Kernkraftwerks vor; sein Entwurfsentwurf; Entwurf und technologische Dokumentation für Prototypen von Komponenten eines Laborprodukts und Grundelementen eines Kernkraftwerks; technologische Prozesse sowie Vorbereitung der Produktion für die Herstellung von Prototypen der Komponenten des Bankprodukts und der Grundelemente der Anlage; Herstellung eines Prüfstandsmusters und Durchführung seiner experimentellen Entwicklung.
Der Aufbau des Bench-Modells des Kernkraftwerks sollte die Grundelemente einer Standardanlage umfassen, die den späteren Aufbau von Anlagen unterschiedlicher Leistung nach einem Baukastenprinzip gewährleisten soll. Die Prüfstandsprobe sollte eine bestimmte Leistung - thermisch und elektrisch - sowie Schubimpulse erzeugen, die für alle Phasen des Betriebs des Kernkraftwerks als Teil des Raumfahrzeugs typisch sind. Für das Projekt wurde ein gasgekühlter Hochtemperatur-Neutronenreaktor mit einer thermischen Leistung von bis zu 4 MW ausgewählt.
Am 23. August 2012 fand ein Treffen der Vertreter von Rosatom und Roscosmos statt, das der Organisation der Arbeiten zur Schaffung eines Testkomplexes für Dauertests gewidmet war, die für die Durchführung des TEM-Projekts erforderlich sind. Es fand am A. P. Aleksandrov Scientific Research Technological Institute in Sosnovy Bor in der Nähe von St. Petersburg statt, wo geplant ist, den angegebenen Komplex zu schaffen.
Der Vorentwurf des TEM wurde im März dieses Jahres abgeschlossen. Die erzielten Ergebnisse ermöglichten es, 2013 in die Phase der Detailkonstruktion und Herstellung von Geräten und Mustern für autonome Tests überzugehen. Die Erprobung und Entwicklung von Kühlmitteltechnologien begann in diesem Jahr am MIR-Forschungsreaktor am NIIAR (Dimitrovgrad), wo eine Schleife zum Testen des Helium-Xenon-Kühlmittels bei Temperaturen über 1000°C installiert wurde.
Bis 2015 soll ein bodengebundener Prototyp der Reaktoranlage entstehen, bis 2018 soll eine Reaktoranlage zur Vervollständigung des Kernkraftantriebssystems hergestellt und in Sosnovy Bor mit den Tests begonnen werden. Das erste TEM für Flugtests könnte 2020 erscheinen.
Das nächste Treffen zu dem Projekt fand am 10. September 2013 bei der Landesgesellschaft Rosatom statt. Der Leiter von NIKIET Yu G. Dragunov informierte über den Stand der Arbeiten und die Hauptprobleme bei der Umsetzung des Programms. Er betonte, dass die Spezialisten des Instituts derzeit die Dokumentation des technischen Entwurfs des Kernkraftwerks entwickelt, die wichtigsten Entwurfslösungen identifiziert und die Arbeiten gemäß der "Roadmap" des Projekts durchgeführt haben. Im Anschluss an das Treffen beauftragte der Chef des Rosatom-Konzerns S. V. Kirienko NIKIET, Vorschläge zur Optimierung der Roadmap auszuarbeiten.
Einige Details der Konstruktion und Konstruktionsmerkmale des Kernkraftwerks wurden während eines Gesprächs mit Vertretern des Keldysh Centers auf der Flugschau MAKS-2013 herausgefunden, insbesondere berichteten die Entwickler, dass die Installation sofort in voller Größenversion, ohne einen verkleinerten Prototyp zu machen.
Das Kernkraftwerk hat (für seinen Typ) extrem hohe Eigenschaften: Bei einer thermischen Leistung des Reaktors von 4 MW beträgt die elektrische Leistung des Generators 1 MW, dh der Wirkungsgrad erreicht 25%, was als a. gilt sehr guter Indikator.
Der Turbomaschinen-Umrichter ist ein Zweikreis-Umrichter. Im ersten Kreislauf wird ein Plattenwärmetauscher verwendet - ein Rekuperator und ein Röhrenwärmetauscher-Kühler. Letzterer trennt den (ersten) Hauptwärmeabfuhrkreislauf und den zweiten Wärmerücklaufkreislauf.
In Bezug auf eine der interessantesten Lösungen, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden (die Wahl des Kühler-Heizkörper-Typs des zweiten Kreislaufs), wurde die Antwort gegeben, dass sowohl Tropfen- als auch Plattenwärmetauscher in Betracht gezogen werden, und bisher die Wahl wurde nicht getroffen. Auf dem demonstrierten Modell und den Postern wurde die bevorzugte Option mit einem Tropfkühlschrank-Heizkörper präsentiert. Parallel dazu wird am Plattenwärmetauscher gearbeitet. Beachten Sie, dass die gesamte Struktur des TEM transformierbar ist: Beim Start passt das Modul unter die LV-Kopfverkleidung und im Orbit „spreizt es seine Flügel“- die Stäbe dehnen sich aus und verteilen den Reaktor, die Triebwerke und die Nutzlast über eine lange Distanz.
Das TEM wird eine ganze Reihe verbesserter extrem leistungsstarker EPEs verwenden - vier "Blütenblätter" von sechs Haupttriebwerken mit einem Durchmesser von 500 mm, plus acht kleinere Triebwerke für die Wanksteuerung und Kurskorrektur. Im Ausstellungsraum MAKS-2013 wurde ein funktionsfähiger Motor gezeigt, der bereits in der Erprobung ist (bisher im Teilschub, mit einer elektrischen Leistung von bis zu 5 kW). EJEs arbeiten mit Xenon. Dies ist die beste, aber auch teuerste Arbeitsflüssigkeit. Andere Optionen wurden in Betracht gezogen: insbesondere Metalle - Lithium und Natrium. Motoren auf Basis eines solchen Arbeitsmediums sind jedoch weniger wirtschaftlich und Bodentests an solchen EJEs sind sehr schwierig.
Die geschätzte Ressource des Kernkraftwerks, die im Projekt enthalten ist, beträgt zehn Jahre. Ressourcentests sollen direkt an der Gesamtanlage durchgeführt werden und die Einheiten sollen autark auf der Benchbase von Kooperationsunternehmen betrieben werden. Insbesondere der bei KBHM entwickelte Turbolader wurde bereits hergestellt und wird im Keldysh Center in einer Vakuumkammer getestet. Es wurde auch ein thermischer Simulator eines 1-MW-Stromreaktors hergestellt.
