Samobieżne reaktory jądrowe - pomysły nigdy nie umierają
NPP na kółkach Mobilny System Zasilania ML-1. Źródło: wikipedia.org
Doświadczenia Stanów Zjednoczonych
Pomysł posiadania pod ręką małego reaktora jądrowego jest dobry ze wszystkich stron. Taka jednostka wymaga zasilania paliwem raz w roku lub nawet rzadziej, nie ma emisji toksycznych, nie ma szczególnych problemów z zorganizowaniem równoległego dostarczania ciepła do obiektu. Uniwersalność kompaktowej i, co najważniejsze, mobilnej elektrowni jądrowej pozwoli na wykorzystanie sprzętu do celów cywilnych, np. do zapewnienia pracownikom zmianowym na Dalekiej Północy. Wysokie wymagania co do kwalifikacji operatorów oraz obawy przed prawdopodobnymi skutkami awarii stały się ograniczeniami w szerokim rozpowszechnieniu małych elektrowni jądrowych. Po Czarnobylu i Fukushimie nawet stacjonarne reaktory jądrowe budzą strach wśród opinii publicznej, ale tutaj chodziło o pojazdy kołowe i gąsienicowe. Postępu jednak nie da się zatrzymać i prędzej czy później ich miejsce zajmą kompaktowe elektrownie jądrowe zarówno w sektorze cywilnym, jak iw służbie wojskowej. Co więcej, w połowie ubiegłego stulecia zgromadzono w tej dziedzinie znaczne doświadczenie.
Głównymi graczami w światowym przemyśle jądrowym są tradycyjnie Rosja i Stany Zjednoczone. Zacznijmy od amerykańskich doświadczeń w tworzeniu małych reaktorów jądrowych dla potrzeb wojskowych. Dysponując najbardziej rozbudowaną siecią baz wojskowych na świecie, Pentagon słusznie liczył na stworzenie uniwersalnego źródła energii, które zapewniłoby placówce dużą autonomię.
Pierwszym był Mobilny System Zasilania ML-1, opracowany i przetestowany w latach 1961-1965. Pomysł polegał na stworzeniu niewielkiego reaktora jądrowego, który mógłby nie tylko dostarczać ciepło i elektryczność do baz, ale także podążać za żołnierzami. Inżynierowie podjęli próbę zbudowania unikalnego reaktora, w którym gaz obojętny azot byłby odpowiedzialny za przenoszenie ciepła z prętów paliwowych (TVEL - fuel element). Nawet teraz wygląda to na niebanalną decyzję, ale jak na lata 60. wydawało się niezwykle ryzykowne.
Sam pomysł chłodzenia rdzenia reaktora gazem nie jest nowy i został po raz pierwszy wdrożony w 1956 roku w eksperymentalnej elektrowni jądrowej Calder Hall w Wielkiej Brytanii. Czynnikiem chłodzącym był dwutlenek węgla pod ciśnieniem 7,8 atmosfery, który na wyjściu z rdzenia nagrzewał się do 345 stopni Celsjusza. Jak w każdym reaktorze o schemacie klasycznym, przegrzany gaz kierowany był do wytwornicy pary, gdzie przekazywał swoją energię wodzie w stanie ciekłym, a ta z kolei trafiała do turbiny generatora. Dwutlenek węgla jest dobry w reaktorze do pewnego momentu. Gdy tylko temperatura prętów grafitowych zbliży się do 500 stopni, CO2 wchodzi z nimi w reakcję chemiczną. Dlatego konieczne jest ograniczenie zarówno mocy, jak i sprawności elektrowni jądrowej. Z tego samego powodu nie stosowano wodoru jako podstawowego chłodziwa - w temperaturach powyżej 700 stopni na powierzchni prętów grafitowych tworzyły się węglowodory.
Drogą alternatywą jest hel z gazem szlachetnym, który pozwala przyspieszyć temperaturę gorącej strefy do 1000 stopni lub więcej. Ale bardzo trudno jest go pozyskać i oczyścić ze szkodliwych zanieczyszczeń, takich jak wodór, tlenek i dwutlenek węgla, które nie są w stanie pracować w takich temperaturach. Pierwsza elektrownia jądrowa z helem jako gazem chłodzącym pojawiła się w Stanach Zjednoczonych w 1966 roku w Peach Bottom.
Próby wykorzystania azotu do chłodzenia rdzenia reaktora w mobilnym ML-1 są zrozumiałe. W przypadku ogromnego wycieku, którego nie da się uniknąć, chłodziwo pierwotne można uzyskać dosłownie z powietrza. Aby to zrobić, wymagane jest włączenie do zestawu instalacji skraplania i oczyszczania gazu. W terenie jest to o wiele łatwiejsze niż majstrowanie przy dwutlenku węgla, helu, a jeszcze bardziej przy wodorze.
Archiwalne nagranie z testów ML-1. Źródło: youtube.com
Ale było gładko tylko na papierze. Największe problemy ML-1 dotyczyły cyrkulacji azotu w układzie zamkniętym pod ciśnieniem dziewięciu atmosfer. Jednocześnie na wejściu do strefy gorącej gaz miał temperaturę około 420-430 stopni, a na wyjściu rozgrzał się do 650. Inżynierom nie udało się zapewnić mniej więcej odpowiedniej szczelności obwodu chłodzenia. Rekuperator energii zainstalowany za turbiną gazową i mający na celu przekazanie części niewykorzystanej energii pary przegrzanej z powrotem do obiegu chłodzenia gazu poważnie skomplikował konstrukcję. Zwiększyło to wydajność o kilka procent, ale znacznie skomplikowało projekt. I wreszcie ostatnią komplikacją był system rur wodnych przechodzących przez wiązki elementów paliwowych. Woda w tym obwodzie była dostarczana pod ciśnieniem, nie nagrzewała się powyżej 120 stopni i pełniła rolę moderatora neutronów w reaktorze. Cała konstrukcja została zapakowana w cztery kontenery transportowe o łącznej wadze 38 ton. Amerykanie spodziewali się transportować ML-1 nie tylko na przyczepach, ale także w ładowni wojskowego transportera C-130.
Po raz pierwszy kompaktowy AEChS działał w 1962 roku, jednak tylko przez kilka minut. Kolejne uruchomienie miało miejsce pod koniec zimy 1963 roku. W sumie reaktor pracował przez około 100 godzin, ale z powodu wielu usterek i niedociągnięć został wyłączony. Spawane szwy rur wodociągowych pękały, azot stale wyciekał z obwodu chłodzenia pod wysokim ciśnieniem, a maksymalna moc nie sięgała nawet 200 kW. Obliczona wartość wynosiła około 300 kW. Po znacznej rewizji ML-1 został ponownie uruchomiony wiosną 1964 roku. Reaktor pracował bardzo niestabilnie, nie mógł osiągnąć wymaganej mocy i wymagał stałej uwagi. Ale projekt został zamknięty nie z tego powodu. W połowie lat 60. wojna w Wietnamie zaczęła pochłaniać większość budżetu obronnego i postanowiono zamrozić wszystkie projekty niepriorytetowe. Komisja Energii Atomowej podczas przesłuchań przeznaczyła środki jedynie na dokończenie prac i konserwację programu. Jest prawdopodobne, że przy odpowiednim finansowaniu Amerykanie przywołaliby projekt na myśl - możliwe, że z całkowitą przebudową koncepcji.
Doświadczenia Związku Radzieckiego
W przeciwieństwie do Amerykanów pierwszy domowy samobieżny reaktor jądrowy okazał się znacznie większym sukcesem. Nosi nazwę TES-1 i jest pierwszą na świecie mobilną elektrownią jądrową. Kompleks nie ciągnął się wcale do roli transportu lotniczego, a takiego zadania nie było. TPP-1 został stworzony do zasilania odległych osiedli cywilnych i obiektów wojskowych. Założono, że cztery platformy gąsienicowe kompleksu zostaną dostarczone koleją i same dotrą na miejsce rozmieszczenia. Pomysł stworzenia mobilnego reaktora jądrowego narodził się w 1957 roku w murach Obnińskiego Instytutu Fizyki i Energetyki, który wówczas nosił zaszyfrowaną nazwę „Laboratorium V”. W sumie do projektu podłączono co najmniej szesnaście specjalistycznych obiektów, począwszy od Instytutu Badawczego MON, a skończywszy na zakładzie budowy powozów. Jak wspomniano powyżej, radziecki projekt nie był tak poważnie ograniczony cechami masy, a zatem był pozbawiony ryzykownych innowacji. Jako serce elektrowni jądrowej wybrali testowany wówczas reaktor wodny ciśnieniowy, w którym głęboko oczyszczona woda chłodzi elementy paliwowe, a na wyjściu przekazuje energię poprzez wymiennik ciepła do obwodu z turbiną i generatorem. Ciśnienie wody w obiegu chłodzącym wynosiło 130 atmosfer, co umożliwiło utrzymanie przepływu w stanie ciekłym nawet przy 300 stopniach Celsjusza. Jednocześnie ciśnienie w generatorze pary nie przekraczało 20 atmosfer, a para przegrzana trafiała do turbiny o temperaturze 280 stopni.
Górne zdjęcie przedstawia stanowisko robocze platform gąsienicowych TES-3 z turbogeneratorem i modułem sterującym
Konstrukcja okazała się nieporęczna i została umieszczona na czterech podłużnych podwoziach czołgu ciężkiego czołg T-10 - liczba kół jezdnych po każdej stronie została zwiększona z 7 do 10. Reaktor jest na jednym podwoziu, generator pary na drugim, turbina z generatorem na trzecim, centrum sterowania jest włączone czwarty. Całkowita waga samobieżnej elektrowni jądrowej wynosiła 310 ton. Znaczący udział w tej surowości miała wbudowana ochrona biologiczna - ołowiany zbiornik o grubości 100-190 mm, który na początku pracy został wypełniony roztworem kwasu borowego. W stanie rozlokowanym pracą kompleksu kierowała zmiana trzech osób. Dla bezpiecznej eksploatacji TPP-3 nie było możliwości prostego zamontowania na obiekcie czterech pojazdów samojezdnych, uruchomienia reaktora i podłączenia do sieci. Ważnym wymogiem było zbudowanie wału ziemnego lub swoistej kaponiery wokół platform z reaktorem i wytwornicą pary. Oczywiście reaktor działał tylko w pozycji rozłożonej, gdy wszystkie cztery maszyny były połączone rurociągami i kablami zasilającymi. Ale co zrobić, gdy trzeba zmienić miejsce rozmieszczenia, a zespoły paliwowe jeszcze nie ostygły? Płaszcz chłodzący wodą nie mógł działać z powodu wyłączenia generatora pary w pozycji złożonej. W tym celu na pierwszym przenośniku zainstalowano chłodnicę powietrza, odprowadzającą ciepło resztkowe z reaktora chłodzącego. Wymiana zespołów wypalonego paliwa miała być przeprowadzona w terenie za pomocą 25-tonowego dźwigu.
Model TPP-3. źródło: comfortdrive.ru
Próbna eksploatacja TPP-3 na terenie pierwszej na świecie stacjonarnej elektrowni jądrowej w Obnińsku trwała od 1961 do 1965 roku i nie spowodowała żadnych zasadniczych skarg. Maszyna pewnie osiągnęła maksymalną moc projektową 1500 kW, a praca na jednym zespole paliwowym wyniosła 250 dni.
W latach 80. na Kamczatce testowano platformę z turbogeneratorem. Pozostałe trzy maszyny TES-3 pozostały w Obnińsku
W 1964 roku w czasopiśmie branżowym „Energia Atomowa” podsumowano wstępne wyniki pilotażowej eksploatacji ruchomego reaktora:
„Budowa i eksploatacja elektrowni TPP-3 pokazały, że doświadczenia związane z tworzeniem wielkoblokowej stacji przewoźnej z ciśnieniowym reaktorem wodnym okazały się całkiem udane. Wieloletnia eksploatacja TPP-3 potwierdziła niezawodność, dobrą sterowność i łatwość obsługi tego typu stacji. Jednocześnie działanie TPP-3 pokazało, że istnieją możliwości jego dalszego doskonalenia, w szczególności pełniejszej automatyzacji, wydłużenia czasu trwania kampanii do 2-3 lat, przejścia do naturalnego obiegu chłodziwo, gdy reaktor ostygnie itp.
informacja