Atomerőmű kerekeken ML-1 Mobile Power System. Forrás: wikipedia.org
Egyesült Államok tapasztalatai
Minden oldalról jó ötlet, hogy legyen kéznél egy kis méretű atomreaktor. Egy ilyen egység évente egyszer vagy még ritkábban tüzelőanyag-ellátást igényel, nincs toxikus kibocsátás, nincs különösebb probléma a létesítmény párhuzamos hőellátásának megszervezésével. A kompakt és legfőképpen mobil atomerőmű sokoldalúsága lehetővé teszi a berendezések polgári célú felhasználását, például műszakmunkások ellátását a távol-északon. Az üzemeltetők magas szintű képesítési követelményei és a balesetek valószínű következményeitől való félelem korlátozóvá vált a kis méretű atomerőművek széles körű elterjedésében. Csernobil és Fukusima után már az álló atomreaktorok is félelmet keltenek a közvéleményben, de itt a kerekes és lánctalpas járművekről volt szó. Ennek ellenére a fejlődést nem lehet megállítani, előbb-utóbb kompakt atomerőművek veszik át a helyüket mind a polgári szektorban, mind a katonai szolgálatban. Sőt, a múlt század közepén jelentős tapasztalatok halmozódtak fel ezen a területen.
A globális nukleáris ipar fő szereplői hagyományosan Oroszország és az Egyesült Államok. Kezdjük az amerikai tapasztalatokkal a kisméretű atomreaktorok katonai szükségletekre való létrehozásában. A világ legkiterjedtebb katonai bázishálózatával rendelkező Pentagon joggal remélte egy univerzális energiaforrás létrehozását, amely biztosítja a létesítmény nagyfokú autonómiáját.
Az első az ML-1 Mobile Power System volt, amelyet 1961 és 1965 között fejlesztettek ki és teszteltek. Az ötlet egy kis méretű atomreaktor létrehozása volt, amely nemcsak a bázisok hő- és áramellátását tudja biztosítani, hanem követni is tudja a csapatokat. A mérnökök olyan egyedi reaktort próbáltak építeni, amelyben az inert nitrogéngáz lenne felelős a fűtőelemrudakból (TVEL - fűtőelem) származó hő átviteléért. Még most is nem triviális döntésnek tűnik, de a 60-as években rendkívül kockázatosnak tűnt.
A reaktormag gázhűtésének ötlete nem új keletű, és először 1956-ban valósították meg az Egyesült Királyságban található Calder Hall kísérleti atomerőműben. A hűtőközeg 7,8 atmoszféra nyomású szén-dioxid volt, amely a magból való kilépésnél 345 Celsius-fokra melegedett fel. Mint a klasszikus séma bármely reaktorában, a túlhevített gázt a gőzgenerátorba küldték, ahol energiáját folyékony vízbe, majd a generátor turbinájába adta át. A szén-dioxid egy bizonyos pontig jó a reaktorban. Amint a grafitrudak hőmérséklete megközelíti az 500 fokot, a CO2 kémiai reakcióba lép velük. Ezért az atomerőmű teljesítményét és hatásfokát egyaránt korlátozni kell. Ugyanezen okból a hidrogént nem használták elsődleges hűtőközegként - 700 fok feletti hőmérsékleten szénhidrogének képződtek a grafitrudak felületén.
Drága alternatíva a nemesgáz hélium, amely lehetővé teszi a forró zóna hőmérsékletének 1000 fokra vagy annál magasabbra történő felgyorsítását. De nagyon nehéz megszerezni és megtisztítani az olyan káros szennyeződésektől, mint a hidrogén, a szén-monoxid és a szén-dioxid, amelyek nem képesek ilyen hőmérsékleten dolgozni. Az első héliumot hűtőgázként működő atomerőmű 1966-ban jelent meg az Egyesült Államokban Peach Bottomban.
A mobil ML-1 reaktormagjának hűtésére nitrogénnel tett kísérletek érthetőek. Nagymértékű szivárgás esetén, amelyet nem lehet elkerülni, az elsődleges hűtőfolyadék szó szerint a levegőből nyerhető. Ehhez gáz cseppfolyósító és tisztító berendezést kell tartalmaznia a készletben. A terepen ezt sokkal könnyebb megtenni, mint szén-dioxiddal, héliummal és még inkább hidrogénnel babrálni.
Archív felvételek az ML-1 teszteléséről. Forrás: youtube.com
De ez csak papíron volt sima. Az ML-1 legnagyobb problémája a zárt rendszerben kilenc atmoszféra nyomáson keringő nitrogén volt. Ugyanakkor a forró zóna bejáratánál a gáz hőmérséklete körülbelül 420-430 fok volt, a kilépésnél 650 fokra melegedett fel. A hűtőkör többé-kevésbé megfelelő tömítettségét a mérnökök nem biztosították. A gázturbina mögé telepített energia-visszanyerő, amely a túlhevített gőz fel nem használt energiájának egy részét visszavezeti a gázhűtőkörbe, súlyosan megnehezítette a tervezést. Ez néhány százalékkal növelte a hatékonyságot, de jelentősen megnehezítette a tervezést. És végül az utolsó bonyodalom a fűtőelem-kötegeken áthatoló vízcsövek rendszere volt. Ebben a körben a vizet nyomás alatt táplálták, nem melegedett fel 120 fok fölé, és a reaktor neutron-moderátoraként játszott. A teljes szerkezetet négy szállítókonténerbe csomagolták, amelyek össztömege 38 tonna. Az amerikaiak arra számítottak, hogy az ML-1-et nem csak pótkocsikon szállítják, hanem egy C-130-as katonai szállító rakterében is.
A kompakt AEChS először 1962-ben működött, azonban csak néhány percig. A következő indításra 1963 telének végén került sor. A reaktor összesen mintegy 100 órát dolgozott, de sok hiba és hiányosság miatt leállították. A vízvezetékek hegesztett varratai megrepedtek, a hűtőkörből nagy nyomás alatt folyamatosan szivárgott a nitrogén, a maximális teljesítmény pedig a 200 kW-ot sem érte el. A számított érték körülbelül 300 kW volt. Jelentős átdolgozás után 1 tavaszán ismét forgalomba került az ML-1964. A reaktor nagyon instabilan működött, nem tudta elérni a szükséges teljesítményt és állandó figyelmet igényelt. A projektet azonban nem emiatt zárták le. A 60-as évek közepére a vietnami háború elkezdte felemészteni a védelmi költségvetés nagy részét, és úgy döntöttek, hogy befagyasztják az összes nem kiemelt projektet. Az Atomenergia Bizottság a meghallgatások során csak a munkálatok befejezésére és a program állagmegóvására különített el támogatást. Valószínű, hogy megfelelő finanszírozás mellett az amerikaiak eszébe jutottak volna a projektnek – lehetséges, hogy a koncepció teljes átalakításával.
A Szovjetunió tapasztalatai
Az amerikaiakkal ellentétben az első hazai önjáró atomreaktor sokkal sikeresebbnek bizonyult. A TES-1 nevet viseli, és a világ első mobil atomerőműve. A komplexum egyáltalán nem húzta a légi szállító szerepét, és nem is volt ilyen feladat. A TPP-1-et távoli polgári települések és katonai létesítmények áramellátására hozták létre. Feltételezések szerint a komplexum négy lánctalpas peronja vasúton kerül kiszállításra, és ezek önállóan érik el a bevetési helyet. A mobil atomreaktor létrehozásának ötlete 1957-ben született az Obninszki Fizikai és Energetikai Intézet falai között, amely akkoriban a "V. laboratórium" titkosított nevet viselte. Összességében legalább tizenhat speciális építményt kapcsoltak a projekthez, kezdve a Honvédelmi Minisztérium Kutatóintézetétől és egy kocsiépítő üzemig. Amint fentebb említettük, a szovjet projektet nem korlátozták olyan komolyan a súlyjellemzők, és ezért megfosztották a kockázatos újításoktól. Az atomerőmű szívének egy akkoriban tesztelt túlnyomásos vizes reaktort választottak, amelyben a mélytisztított víz hűti a fűtőelemeket, a kimeneten pedig hőcserélőn keresztül ad át energiát egy turbinás és generátoros körbe. A hűtőkörben a víznyomás 130 atmoszféra volt, és ez lehetővé tette az áramlás 300 Celsius fokon is folyékony állapotban tartását. Ugyanakkor a gőzfejlesztőben a nyomás nem haladta meg a 20 atmoszférát, és a túlhevített gőz 280 fokos hőmérsékletű turbinába ment.
A felső kép a TES-3 lánctalpas platformok munkahelyzetét mutatja turbógenerátorral és vezérlőmodullal
A tervezés nehézkesnek bizonyult, és négy hosszúkás, nehéz alvázra helyezték tartály T-10 - a kerekek száma mindkét oldalon 7-ről 10-re nőtt. A reaktor az egyik alvázon van, a gőzfejlesztő a másodikon, a turbina a generátorral a harmadikon, a vezérlőközpont be van kapcsolva a negyedik. Az önjáró atomerőmű össztömege 310 tonna volt. Ehhez a súlyossághoz jelentősen hozzájárult a beépített biológiai védelem - egy 100-190 mm vastag ólomtartály, amelyet a munka megkezdéséig bórsavoldattal töltöttek fel. A kihelyezett állapotban a komplexum működését három fős műszak irányította. A TPP-3 biztonságos működése érdekében lehetetlen volt egyszerűen négy önjáró járművet a létesítménybe illeszteni, a reaktort beindítani és a hálózatra csatlakozni. Fontos követelmény volt a peronok köré földsánc vagy egyfajta kaponier építése reaktorral és gőzfejlesztővel. Természetesen a reaktor csak kihelyezett helyzetben működött, amikor mind a négy gépet csővezetékek és tápkábelek kötötték össze. De mi a teendő, ha módosítani kell a telepítési helyet, és az üzemanyag-kazetták még nem hűltek le? A vízhűtő köpeny nem működhetett, mert a gőzfejlesztő berakott helyzetben leállt. Ehhez az első szállítószalagon léghűtőt helyeztek el, amely elvezeti a hűtőreaktorból a maradék hőt. A kiégett fűtőelem-kazetták cseréjét a terepen, 25 tonnás daruval kellett volna elvégezni.
A TPP-3 modellje. Forrás: comfortdrive.ru
A TPP-3 próbaüzeme a világ első helyhez kötött obninszki atomerőművének területén 1961-től 1965-ig tartott, és nem okozott alapvető panaszokat. A gép magabiztosan elérte az 1500 kW-os maximális tervezési teljesítményt, és egy üzemanyag-kazettán végzett munka 250 nap volt.
Az 80-as években Kamcsatkán egy turbógenerátorral felszerelt platformot teszteltek. A maradék három TES-3 gép Obnyinszkban maradt
1964-ben az "Atomic Energy" ipari magazinban összegezték a mobil reaktor kísérleti üzemének előzetes eredményeit:
„A TPP-3-as erőmű építése és üzemeltetése megmutatta, hogy a nagyblokkos, nyomottvizes reaktorral felszerelt szállítható állomás létrehozásának tapasztalata igen sikeresnek bizonyult. A TPP-3 hosszú távú működése megerősítette az ilyen típusú állomások megbízhatóságát, jó irányíthatóságát és egyszerű karbantartását. Ugyanakkor a TPP-3 működése megmutatta, hogy van lehetőség további javítására, különösen a teljesebb automatizálásra, a kampány időtartamának 2-3 évre történő növelésére, a természetes keringésre való átállásra. hűtőfolyadék, amikor a reaktor lehűl stb.