Вместо сердца плазменный мотор

18 октября 2010

В прошлом месяце РФЯЦ ВНИИЭФ поставил в НИКИЭТ им. Доллежаля суперкомпьютер производительностью 1 терафлопс. Новая машина необходима для расчёта и компоновки космического ядерного реактора 

Об этом уникальном изделии нашему обозревателю рассказал главный конструктор космических ядерных энергодвигательных установок НИКИЭТ Владимир Сметанников. А встреча состоялась в стенах знаменитого института.

ИГРУШКА ДЛЯ СЕРЬЕЗНЫХ ЛЮДЕЙ 

— А вы знаете, кто изобрёл Интернет? — с вопроса начал главный по «мегаваттнику», энергичный и импульсивный Владимир Сметанников.
— Слышал, что американцы, в Калифорнийском университете.
— Да, так считается, — кивнул учёный. — А на самом деле Сеть изобрел Тим Бернерс Ли. И сделал это в ЦЕРНе — Европейском центре ядерных исследований, чтобы передавать информацию о процессах взаимодействия частиц высокой энергии в любую точку земного шара. Американцы только первыми почуяли грандиозность изобретения и перехватили инициативу. Это я к тому, что в нашем реакторе, как и в проекте World Wide Web, используется ряд совершенно новых разработок. И чтобы привилегию их открытия не приписал себе кто-нибудь другой, мы пока оставляем их принципы коммерческой тайной. Итак, реактор на быстрых нейтронах тепловой мощностью 3,5 МВт будет маленьким, если не сказать игрушечным. Высота — 2 м, вес — 2,7 т вместе с защитой. Активная зона с корпусом и отражателем всего 60 см в диаметре. В качестве топлива будут использоваться твэлы на основе высокообогащённого и высокоплотного урана, в качестве охладителя — газ (смесь гелия и ксенона). Тепловая энергия первого контура сразу пойдёт на четыре турбогенераторных блока (замкнутый газотурбинный цикл Брайтона), которые превратят тепло в электричество. Прокачивать газ по контуру будут компрессоры, находящиеся в газотурбинных установках. Избыточное тепло из контура заберёт холодильник-излучатель. Дальше просто — электричество поступит в плазменный «мотор», с которым, в принципе, космический аппарат сможет достичь любой точки Солнечной системы. Правда, в космос полетит другой реактор, гораздо большей мощности. А задача этого — послужить основой для своего космического последователя. Он будет смонтирован, запущен и испытан на Земле, в небольшом городе Обнинске. Опытный образец здесь пропишется навсегда, так и не побывав на межпланетных просторах.

МАЛЕНЬКИЙ, ДА УДАЛЕНЬКИЙ

— Учитывая строжайшие требования к надёжности и ряд принципиально новых идей, отпущенные на реализацию проекта сроки очень жёсткие, — продолжал Владимир Сметанников. — Поэтому нам потребовался суперкомпьютер. То есть вычислительная машина, позволяющая быстро и точно производить расчёты и нейтроники, и прочности, и теплогидравлики, причём всё это при условии одновременного создания конструкции. Также нужно было сделать грамотную компоновку всего комплекса, включающего реактор, защиту, турбогенераторные блоки и так далее. Ведь это же не просто реактор, а космический реактор, и значит необходимо распределить веса по оси, вычислить моменты инерции, найти центр тяжести каждого агрегата, соединить их в систему. Задачи настолько сложные, что решать мы их будем здесь, в НИКИЭТе, рабочей группой, собранной из ведущих специалистов каждого участника проекта: РКК «Энергия», Исследовательского центра им. Келдыша, Конструкторского бюро химического машиностроения, нашего института, «Красной звезды» и РНЦ ФЭИ. А суперкомпьютер позволит свести решения каждой отдельной проблемы воедино: состыковать требования специалистов и скомпоновать блоки между собой. Для наглядности представьте себе автомобильное ателье, делающее новый родстер. На такую работу у группы дизайнеров и конструкторов ведущих концернов раньше уходило более пяти лет. Теперь, с появлением суперкомпьютеров, задача упростилась.

 

Не надо изготавливать концепт, каждый раз продувать его в аэродинамической трубе и устраивать краш-тесты, чтобы потом снова и снова вносить изменения. Достаточно чуть исправить в макете, например, наклон крышки багажника, и на мониторе появятся новые показатели расхода топлива, максимальной скорости, динамики разгона, параметров срыва в занос, управляемости, устойчивости при ударе сзади и степени загрязнения заднего стекла. Похожую работу будет выполнять и суперкомпьютер в НИКИЭТ, только предметом «обмеров» станет реактор. Кстати, суперкомпьютер, собранный в Сарове, даже отдалённо не напоминает своего прототипа 80‑х, построенного в Московском институте проблем управления и занимавшего целый этаж. Он маленький. Маленький до разочарования. Корпус чуть крупнее, чем у домашнего ПК. Высотой ровно с письменный стол. Правда, размер в нашем случае не главное. Производительность в 1 терафлопс означает, что компьютер способен производить одну тысячу миллиардов операций в секунду. Не плохо для малыша, не правда ли? Для сравнения, ПК на основе четрёхъядерного процессора с частотой 2400 МГц обеспечивает производительность 38 млрд. операций в секунду, то есть он в 26 раз медленнее саровской ЭВМ. Невнушительные габариты также извиняет тот факт, что компьютер в НИКИЭТ хотя и достаточен для расчёта «мегаваттника», далеко не самая мощная машина на свете. Так, в нашей стране лидер по производительности МВС‑100K работает в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН — высотке за площадью Гагарина, более известной москвичам под именем «дом-мозг». Его показатель равняется 95,04 терафлопса. Ну а мировой гигант — IBM Roadrunner, что в американской Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Характеристики: 1026 терафлопс, 225 т веса, потребляет 4 МВт. И занимает помещение в 1,1 тыс. кв. м.

КТО НА СМЕНУ?

Сегодня над созданием космического реактора трудится рабочая группа из 300 человек, из них половина — сотрудники НИКИЭТ. Через два года команда увеличится более чем втрое. Присоединятся собственные производства, материаловедческие лаборатории и так далее. Чтобы это произошло, необходимо найти кандидатов среди лучших умов. Потом подготовить их к решению проблем конкретного проекта. Но это не всё. Из работающих сейчас над «мегаваттником» специалистов почти треть — бойцы старой гвардии. Ещё два-три года, и многие уйдут на давно просроченный заслуженный отдых. За короткое время требуется подготовить им достойную замену. Недаром Сметанников называет кадровую проблему главной на текущем этапе работы.

— Мы сейчас платим сотрудникам не меньше, чем коммерческие фирмы, — говорит он. — К нам идёт молодёжь. И работают не за страх, а за совесть, по 10–12 часов в сутки. Подобных амбициозных и новаторских проектов в мире раз-два и обчёлся. Конечно, в подборе специалистов помогает седьмая кафедра энергомашиностроительного факультета МГТУ им. Баумана, где готовят конструкторов‑реакторщиков. Это наша родная кафедра, и мы можем отслеживать и брать из её выпускников лучших. Что не всегда можно сделать в остальных институтах. Да есть и другие сложности. К примеру, я пару лет назад присмотрелся к одному специалисту, выпускнику МФТИ. Он за два года защитил кандидатскую диссертацию, тут же получил приглашение в Льюисовский центр и уехал на стажировку. Проблема утечки мозгов вообще одна из острейших. Я с уверенностью могу сказать, что нашим вузам, в первую очередь МФТИ, МГТУ и МИФИ, нет равных в мире. Поэтому лучших наших выпускников отслеживают и переманивают на Запад. И больше всего — в банковскую систему, которая как минимум, ничего не создаёт. А мы, я имею в виду Россию, должны создавать. Высокие технологии и инновации для страны сегодня так же важны, как бомба в 1949‑ом. Ведь мы для конкурентов слишком лакомый кусок: углеводороды, питьевая вода, руда. Пока Россия остаётся только «истопником» для развитых государств, с нами не будут считаться — так колонизаторам Америки не приходило в голову принимать во внимание мнение индейцев. Нужно возвращать «мозги», удерживать здесь специалистов — и создавать. Только теперь предметом созидания окажется не оружие, а объекты индустриального мира. Мы должны быть на уровне Японии, Германии, США и так далее. Скажете, не сможем? А вот сейчас два лауреата Нобелевской премии не из МФТИ ли выходцы? Да взять те же памперсы: если верить рекламе, их Проктер и Гембл придумали. А на самом деле памперсы изобрели в России, для лётчиков‑высотников.

КОСМИЧЕСКАЯ ГРАДИРНЯ

Второй по важности Владимир Сметанников называет проблему холодильника-излучателя.
— В космосе чрезвычайно остро стоит вопрос сброса тепла термодинамического цикла. Поэтому разрабатываются сразу два варианта холодильника, которые считаются равнозначными. Разве что один будет немного проще реализовать. Сложнее создать холодильник капельного типа, потому что принцип его работы относительно новый. Проще — твердотельный, потому что технология испытана временем. Капельный холодильник проверялся на МКС «Мир». Но не целиком — в элементах. Его смысл в том, что форсунка будет разбрызгивать жидкость, обладающую высокой способностью отдавать энергию, в специальную прозрачную камеру, очень похожую на градирню. Только в отличие от земных градирен охлаждать мельчайшие капли будет не поток встречного воздуха, а их собственная способность светиться. Площадь поверхности жидкости в мелкодисперсном состоянии максимальна, а значит и тепла она успеет высветить за время пребывания в градирне максимальное количество. На выходе из ёмкости специальное устройство превратит остывший туман обратно в жидкость и вернёт в контур, а неиспользованное на корабле тепло уйдёт во внешнее пространство в виде излучения. Твердотельные холодильники, в отличие от капельных, широко известны. Всё, что летает в космосе по воле человека, использует именно их. Они построены на принципе, отдалённо напоминающем радиатор домашнего «собрата».

ЗАЧЕМ СТОЛЬКО ЭНЕРГИИ

Третьей главный конструктор называет проблему поиска идеальной топливной композиции. Четвёртой — создание конструкционных материалов, которые проработают 10 лет в условиях температуры 1,5 тыс. градусов. Пятой — оптимальный выбор системы тестирования реактора в наземных условиях. То есть надо построить комплекс, обезопасить его в соответствии со всеми нормативами, провести ресурсные испытания продолжительностью хотя бы два года. И последняя, шестая проблема технически не сложна, зато способна доставить больше всего мороки — это необходимость подготовки нормативной базы, которой пока практически нет.

— Скажите, зачем космическому кораблю такое большое количество энергии? — поинтересовался я.
— Чтобы летать быстро, осуществлять связь с Землей, изучать планеты Солнечной системы, в том числе запускать зонды и спутники, — не задумываясь ответил Сметанников. — А в случае околоземных станций, чтобы решать задачи GPS и телефонии, а также производить лекарства и оборудование, которые можно производить только в невесомости. От Солнца энергии уже не достаточно. Да и дорого её получать, неэффективно. Чтобы долететь до Марса за три года, нужна солнечная батарея площадью в десятки футбольных полей. И при этом энергии будет хватать еле-еле. А вы представляете, сколько потребуется энергии, чтобы основать на Марсе поселение и прожить в нём хотя бы месяц? Масштабы мощностей, которыми оперировали в космонавтике 20–30 лет назад, выросли на порядок, потому что во столько же раз увеличилось техническая вооружённость объектов. Например, удельный импульс двигателей марсолёта будет 9–15 и более тысяч секунд против 900 секунд у ядерного ракетного двигателя. Температура плазмы в электрореактивных движках, тех самых плазменных моторах, составит тысячи градусов. Топливные отсеки корабля будут загружены десятками тонн топлива, и такую массу требуется разогнать. Для всего этого нужно очень много энергии. Дело в том, что лететь-то мы будем на ксеноне. Смотрите, вы подаёте электроэнергию в электрореактивный движок, он нагревает до очень высокой температуры ксенон и выбрасывает получившуюся плазму. Вот за счёт этого и происходит движение. Кстати, для полёта на Марс потребуется более сотни тонн ксенона. Его стоимость на сегодняшний день доходит до 35 долларов за литр, то есть на заправку марсолёта нужно потратить десятки миллионов долларов. Чтобы сэкономить деньги своей страны, команда специалистов из НИКИЭТ под руководством Владимира Сметанникова разработала новый, дешёвый способ получения ксенона, секретом которого с нами первыми обещали поделиться в ближайшее время. Но об этом пойдёт речь при следующей встрече.

Павел ОРЛОВ, "Страна РОСАТОМ"