Самоходные ядерные реакторы – идеи не умирают
АЭС на колесах ML-1 Mobile Power System. Источник: wikipedia.org
Опыт Соединенных Штатов
Идея иметь под боком малогабаритный атомный реактор хороша со всех сторон. Подвоз топлива такой агрегат требует раз в год или даже реже, отсутствуют токсичные выбросы, нет особых проблем с организацией параллельной подачи тепла на объект. Универсальность компактной и, главное, мобильной АЭС позволит использовать оборудование и в гражданских целях, например, для обеспечения посёлков вахтовиков на Крайнем Севере. Ограничениями широкого распространения малогабаритных АЭС стали высокие требования к квалификации операторов и опасения перед вероятными последствиями аварии. После Чернобыля и Фукусимы даже стационарные атомные реакторы вызывают страх у общественности, а здесь речь шла о машинах на колесном и гусеничном ходу. Тем не менее прогресс не остановить, и компактные АЭС рано или поздно займут своё место как в гражданском секторе, так и на военной службе. Тем более что в середине прошлого века накоплен немалый опыт в этой сфере.
Главными игроками в мировой атомной отрасли традиционно являются Россия и Соединенные Штаты. Начнём с американского опыта создания малогабаритных атомных реакторов для армейских нужд. Имея самую разветвлённую в мире сеть военных баз, Пентагон справедливо надеялся на создание универсального источника энергии, обеспечивающего высокую автономность объекта.
Первым стала ML-1 Mobile Power System, разработанная и испытанная в 1961-1965 годах. Задумка была в создании малогабаритного ядерного реактора, который мог бы не только обеспечивать теплом и электроэнергией пункты базирования, но и следовать за войсками. Инженеры попытались соорудить уникальный реактор, в котором за передачу тепла от ТВЭЛов (ТВЭЛ – тепловыделительный элемент) отвечал бы инертный газ азот. Даже сейчас это выглядит нетривиальным решением, а для 60-х казалось крайне рискованным.
Сама идея газового охлаждения активной зоны реактора не нова и впервые была реализована ещё в 1956 году на экспериментальной АЭС Колдер-Холл в Великобритании. Охлаждающим агентом выступал углекислый газ под давлением в 7,8 атмосфер, нагревающийся на выходе из активной зоны до 345 градусов Цельсия. Как и в любом реакторе классической схемы, перегретый газ отправлялся в парогенератор, где передавал свою энергию жидкой воде, а она, в свою очередь, турбине генератора. Углекислый газ хорош в реакторе до определённого предела. Как только температура графитовых стержней приближается к 500 градусам, CO2 вступает с ними в химическую реакцию. Поэтому приходится ограничивать как мощность, так и КПД атомной электростанции. По этой же причине не нашёл применение водород в качестве первичного теплоносителя – при температурах выше 700 градусов на поверхности графитовых стержней образовывались углеводороды.
Дорогой альтернативой выступает благородный газ гелий, позволяющий разгонять температуру горячей зоны до 1000 градусов и более. Но его очень сложно получать и очищать от вредных примесей, наподобие водорода, угарного и углекислого газов, которые не способны работать при таких температурах. Первая АЭС с гелием в качестве охлаждающего газа появилась в США в 1966 году в Пич-Боттоме.
Попытки использовать азот для охлаждения активной зоны реактора в мобильном ML-1 вполне объяснимы. В случае массированной утечки, которых никак не избежать, получить первичный теплоноситель можно буквально из воздуха. Для этого требуется включить в комплект установку для сжижения и очистки газов. В полевых условиях это провернуть гораздо проще, чем возиться с углекислым газом, гелием и тем более с водородом.
Архивные кадры испытаний ML-1. Источник: youtube.com
Но гладко было только на бумаге. Самые главные проблемы ML-1 были с азотом, циркулирующим по замкнутой системе под давлением в девять атмосфер. При этом на входе в горячую зону газ имел температуру около 420-430 градусов, а на выходе разогревался до 650. Инженерам так и не удалось обеспечить более или менее адекватную герметичность охлаждающего контура. Серьёзно усложнил конструкцию рекуператор энергии, установленный позади газовой турбины и призванный передать часть неиспользованной энергии перегретого пара обратно в газовый контур охлаждения. Это повысило КПД на пару процентов, но значительно усложнило конструкцию. И, наконец, последним усложнением стала система водопроводных труб, пронизывающих пучки ТВЭЛов. Вода в этом контуре подавалась под давлением, не нагревалась выше 120 градусов и исполняла роль замедлителя нейтронов реактора. Вся конструкция упаковывалась в четыре транспортных контейнера общим весом в 38 тонн. Американцы рассчитывали перевозить ML-1 не только на трейлерах, но и в трюме военно-транспортного С-130.
Впервые компактная АЭЧС заработала в 1962 году, правда, всего на несколько минут. Следующий пуск состоялся в конце зимы 1963 года. В общей сложности реактор отработал около 100 часов, но по причине множества дефектов и недоработок был заглушён. Растрескивались сварные швы водяных труб, под большим давлением постоянно просачивался азот из охлаждающего контура, а максимальная мощность не дотягивала даже до 200 кВт. Расчётная составляла порядка 300 кВт. После значительной доработки ML-1 снова запустили весной 1964 года. Работал реактор очень нестабильно, так и не смог выйти на требуемую мощность и требовал постоянного внимания. Но закрыли проект не по этой причине. К середине 60-х годов большую часть оборонного бюджета стала съедать Вьетнамская война и все неприоритетные проекты решено было заморозить. Комиссия по атомной энергии в ходе слушаний выделила финансирование лишь на завершение работ и консервацию программы. Вполне вероятно, что при адекватном финансировании американцы довели бы до ума проект – не исключено, что с полной перестройкой концепции.
Опыт Советского Союза
В отличие от американцев, первый отечественный самоходный атомный реактор получился гораздо удачнее. Он носит имя ТЭС-1 и является первой в мире мобильной АЭС. На роль аэротранспортабельного комплекс совсем не тянул, да и не было такой задачи. ТЭС-1 создавался для энергопитания удалённых гражданских посёлков и военных объектов. Предполагалось, что четыре гусеничные платформы комплекса будут доставляться по железной дороге, а к месту дислокации дойдут своим ходом. Идея создания передвижного атомного реактора родилась в 1957 году в стенах обнинского Физико-энергетического института, который на тот момент носил шифрованное имя «Лаборатория В». В общей сложности к проекту подключили не менее шестнадцати профильных структур, начиная от НИИ Министерства обороны и заканчивая вагоностроительным заводом. Как уже говорилось выше, советский проект не был столь серьёзно ограничен весовыми характеристиками и поэтому рискованных инноваций был лишён. В качестве сердца АЭС выбрали проверенный на тот момент водо-водяной реактор, в котором глубоко очищенная вода охлаждает ТВЭЛы, а на выходе передаёт энергию через теплообменник контуру с турбиной и генератором. Давление воды в контуре охлаждения составляло 130 атмосфер, и это позволяло держать поток в жидком состоянии даже на 300 градусах Цельсия. В то же время в парогенераторе давление не превышало 20 атмосфер, а перегретый пар уходил к турбине с температурой под 280 градусов.
На верхнем фото показано рабочее положение гусеничных платформ ТЭС-3 с турбогенератором и модулем управления
Конструкция получилась громоздкой и размещалась на четырех удлинённых шасси тяжелого танка Т-10 – количество опорных катков с каждого борта увеличено с 7 до 10. На одном шасси реактор, на втором – парогенератор, на третьем – турбина с генератором, на четвертом – центр управления. Общий вес самоходной АЭС составлял 310 тонн. Немалую лепту в такую тяжесть внесла встроенная биологическая защита – бак из свинца толщиной 100-190 мм, который к началу работы заполнялся раствором борной кислоты. В развернутом состоянии с эксплуатацией комплекса управлялась смена из трех человек. Для безопасной работы ТЭС-3 нельзя было просто подогнать четыре самохода к объекту, запустить реактор и подключиться к сети. Важным требованием стало сооружение земляного вала или своеобразного капонира вокруг платформ с реактором и парогенератором. Разумеется, реактор работал только в развернутом положении, когда все четыре машины соединялись трубопроводами и силовыми кабелями. Но что делать, когда надо менять место дислокации, а топливные сборки ещё не остыли? Водяная рубашка охлаждения из-за отключения парогенератора в походном положении работать не могла. Для этого на первом транспортере предусмотрели воздушный радиатор, рассеивающий остаточное тепло от остывающего реактора. Смену отработанных топливных сборок предполагалось производить в полевых условиях с помощью 25-тонного крана.
Макет ТЭС-3. Источник: comfortdrive.ru
Опытная эксплуатация ТЭС-3 на территории Первой в мире стационарной АЭС в Обнинске длилась с 1961 по 1965 год и не вызвала никаких принципиальных нареканий. Машина уверенно выходила на максимальную расчётную мощность в 1500 кВт, а работа на одной топливной сборке составляла 250 дней.
Платформу с турбогенератором в 80-е годы испытывали на Камчатке. Остальные три машины ТЭС-3 остались в Обнинске
В 1964 году в отраслевом журнале «Атомная энергия» были подведены предварительные итоги опытной эксплуатации мобильного реактора:
«Строительство и эксплуатация установки ТЭС-3 показали, что опыт создания крупноблочной транспортируемой станции с водо-водяным реактором оказался вполне удачным. Длительная эксплуатация ТЭС-3 подтвердила надежность, хорошую управляемость и удобство обслуживания станции такого типа. Вместе с тем эксплуатация ТЭС-3 показала, что имеются возможности её дальнейшего усовершенствования, в частности более полной автоматизации, увеличения длительности кампании до 2-3 лет, перехода на естественную циркуляцию теплоносителя при расхолаживании реактора и т.д.»
Информация