Zelfrijdende kernreactoren - ideeën sterven nooit
NPP op wielen ML-1 Mobile Power System. Bron: wikipedia.org
Verenigde Staten ervaring
Het idee om een kleine kernreactor bij de hand te hebben, is van alle kanten goed. Zo'n eenheid heeft één keer per jaar of zelfs minder vaak brandstoftoevoer nodig, er zijn geen giftige emissies, er zijn geen bijzondere problemen met het organiseren van parallelle warmtetoevoer naar de faciliteit. De veelzijdigheid van een compacte en vooral mobiele kerncentrale maakt het mogelijk om de apparatuur voor civiele doeleinden in te zetten, bijvoorbeeld om ploegenarbeiders in het hoge noorden te voorzien. De hoge eisen aan de kwalificaties van exploitanten en de angst voor de waarschijnlijke gevolgen van een ongeval zijn beperkingen geworden voor de brede verspreiding van kleine kerncentrales. Na Tsjernobyl en Fukushima veroorzaken zelfs stationaire kernreactoren angst bij het publiek, maar hier ging het om voertuigen op wielen en rupsbanden. Toch is de vooruitgang niet te stoppen en vroeg of laat zullen compacte kerncentrales zowel in de civiele sector als in de militaire dienst hun plaats innemen. Bovendien is er in het midden van de vorige eeuw veel ervaring opgedaan op dit gebied.
De belangrijkste spelers in de wereldwijde nucleaire industrie zijn traditioneel Rusland en de Verenigde Staten. Laten we beginnen met de Amerikaanse ervaring met het maken van kleine kernreactoren voor militaire doeleinden. Met het meest uitgebreide netwerk van militaire bases ter wereld hoopte het Pentagon terecht op de creatie van een universele energiebron die een hoge autonomie van de faciliteit zou garanderen.
De eerste was het ML-1 Mobile Power System, ontwikkeld en getest in 1961-1965. Het idee was om een kleine kernreactor te maken die niet alleen de bases van warmte en elektriciteit kon voorzien, maar ook de troepen kon volgen. Ingenieurs probeerden een unieke reactor te bouwen waarin het inerte stikstofgas verantwoordelijk zou zijn voor de warmteoverdracht van splijtstofstaven (TVEL - splijtstofelement). Zelfs nu lijkt het een niet-triviale beslissing, maar voor de jaren 60 leek het buitengewoon riskant.
Het hele idee van gaskoeling van de reactorkern is niet nieuw en werd voor het eerst geïmplementeerd in 1956 in de experimentele kerncentrale Calder Hall in het VK. Het koelmiddel was koolstofdioxide met een druk van 7,8 atmosfeer, dat opwarmde tot 345 graden Celsius bij de uitgang van de kern. Zoals in elke reactor van het klassieke schema, werd het oververhitte gas naar de stoomgenerator gestuurd, waar het zijn energie overdroeg aan vloeibaar water, en op zijn beurt naar de generatorturbine. Kooldioxide is tot op zekere hoogte goed in een reactor. Zodra de temperatuur van de grafietstaven de 500 graden benadert, gaat CO2 gaat er een chemische reactie mee aan. Daarom is het noodzakelijk om zowel het vermogen als de efficiëntie van een kerncentrale te beperken. Om dezelfde reden werd waterstof niet als primair koelmiddel gebruikt - bij temperaturen boven 700 graden vormden zich koolwaterstoffen op het oppervlak van grafietstaven.
Een duur alternatief is het edelgas helium, waarmee je de temperatuur van de hete zone kunt versnellen tot 1000 graden of meer. Maar het is erg moeilijk om het te verkrijgen en te zuiveren van schadelijke onzuiverheden, zoals waterstof, koolmonoxide en kooldioxide, die bij dergelijke temperaturen niet kunnen werken. De eerste kerncentrale met helium als koelgas verscheen in 1966 in de Verenigde Staten bij Peach Bottom.
Pogingen om stikstof te gebruiken om de reactorkern in de mobiele ML-1 te koelen zijn begrijpelijk. In het geval van een groot lek, wat niet te vermijden is, kan de primaire koelvloeistof letterlijk uit de lucht worden gehaald. Om dit te doen, is het vereist om een gasliquefactie- en zuiveringsinstallatie in de kit op te nemen. In het veld is dit veel gemakkelijker dan rommelen met kooldioxide, helium en nog meer met waterstof.
Archiefbeelden van ML-1-testen. Bron: youtube.com
Maar het was alleen glad op papier. De grootste problemen van de ML-1 waren stikstof die door een gesloten systeem circuleerde met een druk van negen atmosfeer. Tegelijkertijd had het gas bij de ingang van de hete zone een temperatuur van ongeveer 420-430 graden en bij de uitgang warmde het op tot 650. De ingenieurs slaagden er niet in om min of meer voldoende dichtheid van het koelcircuit te garanderen. De energierecuperator die achter de gasturbine is geïnstalleerd en is ontworpen om een deel van de ongebruikte energie van oververhitte stoom terug te voeren naar het gaskoelcircuit maakte het ontwerp ernstig ingewikkeld. Dit verhoogde de efficiëntie met een paar procent, maar compliceerde het ontwerp aanzienlijk. En ten slotte was de laatste complicatie het systeem van waterleidingen die door bundels splijtstofelementen drongen. Het water in dit circuit werd onder druk aangevoerd, werd niet warmer dan 120 graden en speelde de rol van reactor-neutronenmoderator. De hele constructie was verpakt in vier zeecontainers met een totaalgewicht van 38 ton. De Amerikanen verwachtten de ML-1 niet alleen op trailers te vervoeren, maar ook in het ruim van een militair transport C-130.
Voor het eerst werkte een compacte AEChS in 1962 echter maar een paar minuten. De volgende lancering vond plaats aan het einde van de winter van 1963. In totaal heeft de reactor zo'n 100 uur gewerkt, maar vanwege veel mankementen en tekortkomingen werd hij stilgelegd. Lasnaden van waterleidingen barsten, stikstof lekte constant onder hoge druk uit het koelcircuit en het maximale vermogen bereikte nog geen 200 kW. De berekende waarde was ongeveer 300 kW. Na een ingrijpende herziening werd de ML-1 in het voorjaar van 1964 opnieuw gelanceerd. De reactor werkte erg onstabiel, kon het vereiste vermogen niet bereiken en vereiste constante aandacht. Maar het project werd niet om deze reden gesloten. Halverwege de jaren 60 begon de oorlog in Vietnam het grootste deel van het defensiebudget op te slokken en werd besloten alle niet-prioritaire projecten te bevriezen. De Atomic Energy Commission wees tijdens de hoorzittingen alleen financiering toe voor de voltooiing van het werk en het behoud van het programma. Het is waarschijnlijk dat de Amerikanen met voldoende financiering aan het project zouden hebben gedacht - het is mogelijk dat met een volledige herstructurering van het concept.
Ervaring van de Sovjet-Unie
In tegenstelling tot de Amerikanen bleek de eerste binnenlandse zelfrijdende kernreactor veel succesvoller te zijn. Het draagt de naam TES-1 en is 's werelds eerste mobiele kerncentrale. Het complex trok helemaal niet voor de rol van een luchttransport, en zo'n taak was er niet. TPP-1 is gemaakt om stroom te leveren aan afgelegen civiele nederzettingen en militaire faciliteiten. Aangenomen werd dat de vier perrons op rupsbanden van het complex per spoor zouden worden aangevoerd en op eigen kracht de plaats van inzet zouden bereiken. Het idee om een mobiele kernreactor te maken ontstond in 1957 binnen de muren van het Obninsk Institute of Physics and Power Engineering, dat op dat moment de gecodeerde naam "Laboratory V" droeg. In totaal waren ten minste zestien gespecialiseerde structuren aan het project verbonden, beginnend bij het Onderzoeksinstituut van het Ministerie van Defensie en eindigend met een wagenbouwfabriek. Zoals hierboven vermeld, was het Sovjetproject niet zo ernstig beperkt door gewichtskenmerken en werd het daarom verstoken van risicovolle innovaties. Als hart van de kerncentrale kozen ze een destijds geteste drukwaterreactor, waarin diep gezuiverd water de splijtstofelementen afkoelt en aan de uitgang energie via een warmtewisselaar overbrengt naar een circuit met een turbine en een generator. De waterdruk in het koelcircuit was 130 atmosfeer, waardoor het mogelijk was om de stroming zelfs bij 300 graden Celsius vloeibaar te houden. Tegelijkertijd was de druk in de stoomgenerator niet hoger dan 20 atmosfeer en ging de oververhitte stoom naar de turbine met een temperatuur van 280 graden.
De bovenste foto toont de werkpositie van de TES-3 rupshoogwerkers met een turbogenerator en een besturingsmodule
Het ontwerp bleek omslachtig en werd op vier langwerpige chassis van een zware geplaatst tank T-10 - het aantal wielen aan elke kant is verhoogd van 7 naar 10. De reactor bevindt zich op één chassis, de stoomgenerator bevindt zich op de tweede, de turbine met de generator bevindt zich op de derde, het controlecentrum staat aan de vierde. Het totale gewicht van de zelfrijdende kerncentrale was 310 ton. Een belangrijke bijdrage aan deze ernst werd geleverd door de ingebouwde biologische bescherming - een loden tank met een dikte van 100-190 mm, die aan het begin van het werk was gevuld met een oplossing van boorzuur. In de ontplooide toestand werd de bediening van het complex aangestuurd door een ploeg van drie personen. Voor een veilige werking van TPP-3 was het onmogelijk om simpelweg vier zelfrijdende voertuigen in de faciliteit te plaatsen, de reactor te starten en verbinding te maken met het netwerk. Een belangrijke eis was de aanleg van een aarden wal of een soort caponnière rond platforms met een reactor en een stoomgenerator. Natuurlijk werkte de reactor alleen in de ontplooide positie, toen alle vier de machines waren verbonden door pijpleidingen en stroomkabels. Maar wat te doen als u de plaats van inzet moet wijzigen en de splijtstofassemblages nog niet zijn afgekoeld? De waterkoelmantel kon niet werken vanwege het uitschakelen van de stoomgenerator in de opgeborgen positie. Hiervoor is op de eerste transportband een luchtkoeler voorzien die de restwarmte van de koelreactor afvoert. De vervanging van verbruikte splijtstofassemblages zou in het veld worden uitgevoerd met behulp van een kraan van 25 ton.
Model van TPP-3. Bron: comfortdrive.ru
De proefoperatie van TPP-3 op het grondgebied van 's werelds eerste stationaire kerncentrale in Obninsk duurde van 1961 tot 1965 en veroorzaakte geen fundamentele klachten. De machine bereikte vol vertrouwen het maximale ontwerpvermogen van 1500 kW en het werk aan één brandstofassemblage duurde 250 dagen.
In Kamtsjatka werd in de jaren tachtig een platform met een turbogenerator getest. De overige drie TES-80-machines bleven in Obninsk
In 1964 werden in het vaktijdschrift "Atomic Energy" de voorlopige resultaten van de proefoperatie van een mobiele reactor samengevat:
informatie