Reactoare nucleare autopropulsate - ideile nu mor niciodată
NPP pe roți ML-1 Mobile Power System. Sursa: wikipedia.org
experiența Statelor Unite
Ideea de a avea la îndemână un reactor nuclear de dimensiuni mici este bună din toate părțile. O astfel de unitate necesită alimentare cu combustibil o dată pe an sau chiar mai rar, nu există emisii toxice, nu există probleme deosebite cu organizarea alimentării paralele cu căldură a instalației. Versatilitatea unei centrale nucleare compacte și, cel mai important, mobilă va face posibilă utilizarea echipamentului în scopuri civile, de exemplu, pentru a oferi lucrători în schimburi în nordul îndepărtat. Cerințele ridicate pentru calificarea operatorilor și temerile cu privire la consecințele probabile ale unui accident au devenit restricții privind distribuția largă a centralelor nucleare de dimensiuni mici. După Cernobîl și Fukushima, chiar și reactoarele nucleare staționare provoacă teamă în rândul publicului, dar aici a fost vorba despre vehicule pe roți și șenile. Cu toate acestea, progresul nu poate fi oprit, iar mai devreme sau mai târziu centralele nucleare compacte își vor lua locul atât în sectorul civil, cât și în serviciul militar. Mai mult, la mijlocul secolului trecut, s-a acumulat o experiență considerabilă în acest domeniu.
Principalii jucători din industria nucleară globală sunt în mod tradițional Rusia și Statele Unite. Să începem cu experiența americană în crearea de reactoare nucleare de dimensiuni mici pentru nevoi militare. Având cea mai extinsă rețea de baze militare din lume, Pentagonul a sperat pe bună dreptate la crearea unei surse universale de energie care să asigure o autonomie ridicată a instalației.
Primul a fost ML-1 Mobile Power System, dezvoltat și testat în 1961-1965. Ideea a fost crearea unui reactor nuclear de dimensiuni mici, care nu numai că ar putea furniza căldură și electricitate bazelor, ci și să urmărească trupele. Inginerii au încercat să construiască un reactor unic în care gazul de azot inert să fie responsabil pentru transferul de căldură de la barele de combustibil (TVEL - element de combustibil). Chiar și acum pare o decizie nebanală, dar pentru anii 60 mi s-a părut extrem de riscantă.
Ideea însăși de răcire cu gaz a miezului reactorului nu este nouă și a fost implementată pentru prima dată în 1956 la centrala nucleară experimentală Calder Hall din Marea Britanie. Agentul de răcire a fost dioxid de carbon la o presiune de 7,8 atmosfere, care s-a încălzit până la 345 de grade Celsius la ieșirea din miez. Ca în orice reactor din schema clasică, gazul supraîncălzit a fost trimis la generatorul de abur, unde și-a transferat energia în apă lichidă și, la rândul său, la turbina generatorului. Dioxidul de carbon este bun într-un reactor până la un punct. De îndată ce temperatura tijelor de grafit se apropie de 500 de grade, CO2 intră într-o reacție chimică cu ei. Prin urmare, este necesar să se limiteze atât puterea, cât și eficiența unei centrale nucleare. Din același motiv, hidrogenul nu a fost folosit ca agent de răcire primar - la temperaturi de peste 700 de grade, hidrocarburile s-au format pe suprafața tijelor de grafit.
O alternativă scumpă este heliul de gaz nobil, care vă permite să accelerați temperatura zonei fierbinți la 1000 de grade sau mai mult. Dar este foarte dificil să îl obțineți și să îl purificați de impuritățile dăunătoare, precum hidrogenul, monoxidul de carbon și dioxidul de carbon, care nu sunt capabili să funcționeze la astfel de temperaturi. Prima centrală nucleară cu heliu ca gaz de răcire a apărut în Statele Unite în 1966 la Peach Bottom.
Încercările de a utiliza azot pentru a răci miezul reactorului din ML-1 mobil sunt de înțeles. În cazul unei scurgeri masive, care nu poate fi evitată, lichidul de răcire primar poate fi obținut literalmente din aer. Pentru a face acest lucru, este necesar să includeți o instalație de lichefiere și purificare a gazelor în kit. Pe teren, acest lucru este mult mai ușor de făcut decât să te joci cu dioxid de carbon, heliu și cu atât mai mult cu hidrogen.
Imagini de arhivă ale testării ML-1. Sursa: youtube.com
Dar era netedă doar pe hârtie. Cele mai mari probleme ale lui ML-1 au fost cu azotul care circula printr-un sistem închis la o presiune de nouă atmosfere. Totodată, la intrarea în zona fierbinte, gazul avea o temperatură de aproximativ 420-430 de grade, iar la ieșire s-a încălzit până la 650. Inginerii nu au reușit să asigure etanșeitatea mai mult sau mai puțin adecvată a circuitului de răcire. Recuperătorul de energie instalat în spatele turbinei cu gaz și conceput pentru a transfera o parte din energia neutilizată a aburului supraîncălzit înapoi în circuitul de răcire cu gaz a complicat serios proiectarea. Acest lucru a crescut eficiența cu câteva procente, dar a complicat semnificativ designul. Și, în cele din urmă, ultima complicație a fost sistemul de conducte de apă care pătrunde în mănunchiuri de elemente de combustibil. Apa din acest circuit a fost furnizată sub presiune, nu s-a încălzit peste 120 de grade și a jucat rolul unui moderator de neutroni în reactor. Întreaga structură a fost ambalată în patru containere de transport cu o greutate totală de 38 de tone. Americanii se așteptau să transporte ML-1 nu numai pe remorci, ci și în cala unui transport militar C-130.
Pentru prima dată, un AEChS compact a funcționat în 1962, însă, doar pentru câteva minute. Următoarea lansare a avut loc la sfârșitul iernii anului 1963. În total, reactorul a funcționat aproximativ 100 de ore, dar din cauza multor defecte și neajunsuri, a fost oprit. Cusăturile sudate ale țevilor de apă s-au crăpat, azotul s-a scurs constant din circuitul de răcire la presiune ridicată, iar puterea maximă nici măcar nu a ajuns la 200 kW. Valoarea calculată a fost de aproximativ 300 kW. După o revizuire semnificativă, ML-1 a fost lansat din nou în primăvara anului 1964. Reactorul a funcționat foarte instabil și nu a putut atinge puterea necesară și a necesitat o atenție constantă. Dar proiectul a fost închis nu din acest motiv. Pe la mijlocul anilor '60, războiul din Vietnam a început să consume cea mai mare parte din bugetul apărării și s-a decis înghețarea tuturor proiectelor neprioritare. Comisia pentru Energie Atomică, în cadrul audierilor, a alocat fonduri doar pentru finalizarea lucrărilor și conservarea programului. Probabil că, cu o finanțare adecvată, americanii și-ar fi adus în minte proiectul - este posibil ca cu o restructurare completă a conceptului.
Experiența Uniunii Sovietice
Spre deosebire de americani, primul reactor nuclear autopropulsat intern s-a dovedit a fi mult mai de succes. Poartă numele TES-1 și este prima centrală nucleară mobilă din lume. Complexul nu a tras deloc pentru rolul de transport aerian și nu a existat o astfel de sarcină. TPP-1 a fost creat pentru a furniza energie așezărilor civile îndepărtate și instalațiilor militare. S-a presupus că cele patru platforme pe șenile ale complexului vor fi livrate pe calea ferată, iar acestea vor ajunge singure la locul de desfășurare. Ideea creării unui reactor nuclear mobil a luat naștere în 1957 în interiorul zidurilor Institutului de Fizică și Inginerie Energetică Obninsk, care la acea vreme purta numele criptat „Laboratorul V”. În total, la proiect au fost conectate cel puțin șaisprezece structuri specializate, începând de la Institutul de Cercetare al Ministerului Apărării și terminând cu o fabrică de construcție de trăsuri. După cum am menționat mai sus, proiectul sovietic nu a fost limitat atât de serios de caracteristicile de greutate și, prin urmare, a fost privat de inovații riscante. Ca inima centralei nucleare, au ales un reactor cu apă sub presiune testat la acea vreme, în care apa purificată profund răcește elementele de combustibil, iar la ieșire transferă energie printr-un schimbător de căldură către un circuit cu o turbină și un generator. Presiunea apei în circuitul de răcire a fost de 130 de atmosfere, iar acest lucru a făcut posibilă menținerea fluxului în stare lichidă chiar și la 300 de grade Celsius. În același timp, presiunea din generatorul de abur nu a depășit 20 de atmosfere, iar aburul supraîncălzit a mers la turbină cu o temperatură de 280 de grade.
Fotografia de sus arată poziția de lucru a platformelor pe șenile TES-3 cu un turbogenerator și un modul de control
Designul s-a dovedit a fi greoi și a fost plasat pe patru șasiuri alungite de un greu rezervor T-10 - numărul de roți de drum pe fiecare parte a crescut de la 7 la 10. Reactorul este pe un șasiu, generatorul de abur este pe al doilea, turbina cu generatorul este pe a treia, centrul de control este pornit al patrulea. Greutatea totală a centralei nucleare autopropulsate a fost de 310 tone. O contribuție semnificativă la această severitate a avut-o protecția biologică încorporată - un rezervor de plumb de 100-190 mm grosime, care a fost umplut cu o soluție de acid boric la începutul lucrărilor. În starea desfășurată, funcționarea complexului a fost controlată de un schimb de trei persoane. Pentru funcționarea în siguranță a TPP-3, a fost imposibil să montați pur și simplu patru vehicule autopropulsate în instalație, să porniți reactorul și să vă conectați la rețea. O cerință importantă a fost construirea unui metereze de pământ sau a unui fel de caponier în jurul platformelor cu un reactor și un generator de abur. Desigur, reactorul a funcționat doar în poziția de desfășurare, când toate cele patru mașini erau conectate prin conducte și cabluri de alimentare. Dar ce să faci când trebuie să schimbi locul de desfășurare, iar ansamblurile de combustibil nu s-au răcit încă? Mantaua de răcire cu apă nu a putut funcționa din cauza opririi generatorului de abur în poziția de depozitare. Pentru a face acest lucru, pe primul transportor a fost prevăzut un răcitor de aer, disipând căldura reziduală din reactorul de răcire. Schimbarea ansamblurilor de combustibil uzat trebuia efectuată pe teren cu ajutorul unei macarale de 25 de tone.
Modelul TPP-3. Sursa: comfortdrive.ru
Operarea de probă a TPP-3 pe teritoriul primei centrale nucleare staționare din lume din Obninsk a durat din 1961 până în 1965 și nu a provocat nicio plângere fundamentală. Mașina a atins cu încredere puterea maximă de proiectare de 1500 kW, iar munca la un ansamblu de combustibil a fost de 250 de zile.
O platformă cu un turbogenerator a fost testată în Kamchatka în anii 80. Cele trei mașini TES-3 rămase au rămas în Obninsk
În 1964, în revista de industrie „Energia atomică”, rezultatele preliminare ale exploatării pilot a unui reactor mobil au fost rezumate:
„Construcția și exploatarea centralei TPP-3 au arătat că experiența creării unei stații transportabile de bloc mare cu un reactor cu apă sub presiune s-a dovedit a fi destul de reușită. Funcționarea pe termen lung a TPP-3 a confirmat fiabilitatea, controlabilitatea bună și ușurința de întreținere a acestui tip de stație. În același timp, funcționarea TPP-3 a arătat că există oportunități pentru îmbunătățirea sa în continuare, în special, o automatizare mai completă, o creștere a duratei campaniei de până la 2-3 ani, o tranziție la circulația naturală a lichid de răcire când reactorul se răcește etc.”
informații