Мобильные атомные станции для армии (7 фото)
Главным разработчиком мобильных атомных станций выбрана «Инжиниринговая компания инновационных проектов» (ИКИП). Генеральный директор компании Юрий Конюшко рассказал, что сейчас проект находится на стадии научно-исследовательских работ, и к концу года Минобороны получит предварительные данные по МАС.
За год-два ИКИП намерена завершить исследовательские работы, а к 2020 году – создать опытный образец атомной станции. По планам разработчиков, МАС будет построена по модульному принципу и сможет устанавливаться на шасси грузовых автомобилей, а для перевозки станций в районах Крайнего Севера будет создан гусеничный или санный транспорт.
Мобильные атомные станции проектируются для работы в течение нескольких лет с привлечением минимального числа обслуживающего персонала. Кроме того, контроль и управление МАС можно будет осуществлять дистанционно с помощью спутниковой связи.
История разработки мобильных атомных станций насчитывает более полувека. Так, в СССР в 1961 году была построена самоходная атомная станция на гусеничном ходу.
Корни этой истории уходят, разумеется, в эпоху атомной романтики — в середину 1950-х. В 1955 году Ефим Павлович Славский — один из корифеев атомной промышленности СССР, будущий глава Минсредмаша, прослуживший на этом посту от Никиты Сергеевича до Михаила Сергеевича, — посетил ленинградский Кировский завод. Именно в беседе с директором ЛКЗ И.М. Синевым впервые прозвучало предложение о разработке мобильной атомной электростанции, которая могла бы питать электроэнергией гражданские и военные объекты, расположенные в отдаленных районах Крайнего Севера и Сибири.
Рельсы и гусеницы
Предложение Славского стало руководством к действию, и уже вскоре ЛКЗ в кооперации с Ярославским паровозостроительным заводом подготовил проекты атомного энергопоезда — передвижной АЭС (ПАЭС) небольшой мощности для транспортировки по железной дороге. Предусматривались два варианта — одноконтурная схема c газотурбинной установкой и схема с использованием паротурбинной установки самого локомотива. Вслед за этим к разработке идеи подключились и другие предприятия. По итогам обсуждения зеленый свет был дан проекту Ю.А. Сергеева и Д.Л. Бродера из обнинского Физико-энергетического института (ныне ФГУП «ГНЦ РФ — ФЭИ»). Видимо посчитав, что рельсовый вариант ограничит ареал действия ПАЭС лишь территориями, охваченными железнодорожной сетью, ученые предложили поставить свою электростанцию на гусеницы, сделав ее практически вездеходной.
Эскизный проект станции появился в 1957 году, а уже два года спустя было произведено специальное оборудование для постройки опытных образцов ТЭС-3 (транспортируемой электростанции).
В те времена практически все в атомной индустрии приходилось делать «с нуля», однако опыт создания ядерных реакторов для транспортных нужд (например, для ледокола «Ленин») уже существовал, и на него можно было бы опереться.
Одним из главных факторов, которые приходилось учитывать авторам проекта при выборе тех или иных инженерных решений, была, разумеется, безопасность. С этой точки зрения оптимальной была признана схема малогабаритного двухконтурного водо-водяного реактора. Вырабатываемое реактором тепло отбиралось водой под давлением 130 атм при температуре на входе в реактор 275 °C и на выходе — 300 °C. Через теплообменник тепло передавалось рабочему телу, в качестве которого также выступала вода. Образовавшийся пар приводил в движение турбину генератора.
Активная зона реактора была спроектирована в виде цилиндра высотой 600 и диаметром 660 мм. Внутри помещались 74 тепловыделяющие сборки. В качестве топливной композиции решили применить интерметаллид (химическое соединение металлов) UAl3, залитый силумином (SiAl). Сборки представляли собой два коаксиальных кольца с этой топливной композицией. Подобная схема была разработана специально для ТЭС-3.
В 1960 году созданное энергетическое оборудование смонтировали на гусеничном шасси, позаимствованном у последнего советского тяжелого танка Т-10, который производился с середины 1950-х до середины 1960-х годов. Правда, для ПАЭС базу пришлось удлинить, так что энергосамоход (так стали называть вездеходы, перевозящие атомную электростанцию) имел десять катков против семи у танка.
Энергосамоходы
Но даже при такой модернизации разместить всю энергоустановку на одной машине было невозможно. ТЭС-3 представляла собой комплекс из четырех энергосамоходов.
Первый энергосамоход нес на себе ядерный реактор с транспортируемой биозащитой и специальный воздушный радиатор для снятия остаточного охлаждения. На второй машине монтировались парогенераторы, компенсатор объема, а также циркуляционные насосы для подпитки первого контура. Собственно выработка электроэнергии была функцией третьего энергосамохода, где размещался турбогенератор с оборудованием конденсатно-питательного тракта. Четвертая машина играла роль пункта управления ПАЭС, а также имела резервное энергетическое оборудование. Здесь находились пульт и главный щит со средствами пуска, пусковой дизель-генератор и блок аккумуляторных батарей.
В дизайне энергосамоходов первую скрипку играли лапидарность и прагматизм. Поскольку ТЭС-3 предполагалось эксплуатировать преимущественно в районах Крайнего Севера, оборудование помещалось внутрь утепленных кузовов так называемого вагонного типа. В поперечном сечении они представляли собой шестиугольник неправильной формы, который можно описать как трапецию, поставленную на прямоугольник, что невольно вызывает ассоциацию с гробом.
ПАЭС предназначалась для функционирования только в стационарном режиме, работать «на ходу» она не могла. Чтобы запустить станцию, требовалось расставить энергосамоходы в нужном порядке и соединить их трубопроводами для теплоносителя и рабочего тела, а также электрическими кабелями. И именно на стационарный режим работы была спроектирована биозащита ПАЭС.
Система биозащиты состояла из двух частей: транспортируемой и стационарной. Транспортируемая биозащита перевозилась вместе с реактором. Активная зона реактора помещалась в своего рода свинцовый «стакан», который находился внутри бака. Когда ТЭС-3 работала, бак заливался водой. Слой воды резко снижал активацию нейтронами стенок бака биозащиты, кузова, рамы и прочих металлических частей энергосамохода. После окончания кампании (периода работы электростанции на одной заправке) воду сливали и транспортировка осуществлялась при пустом баке.
Под стационарной биозащитой понимались своего рода боксы из земли или бетона, которые перед пуском ПАЭС требовалось возводить вокруг энергосамоходов, несущих на себе реактор и парогенераторы.
Дела так и не нашлось
В августе 1960 года собранную ПАЭС доставили в Обнинск, на испытательную площадку Физико-энергетического института. Меньше чем через год, 7 июня 1961 года, реактор достиг критичности, а 13 октября состоялся энергетический пуск станции. Испытания продолжались до 1965 года, когда реактор отработал свою первую кампанию. Однако на этом история советской мобильной АЭС фактически закончилась. Дело в том, что параллельно знаменитый обнинский институт разрабатывал еще один проект в области малой атомной энергетики. Им стала плавучая АЭС «Север» с аналогичным реактором. Как и ТЭС-3, «Север» проектировался преимущественно для нужд энергообеспечения военных объектов. И вот в начале 1967 года Министерство обороны СССР решило отказаться от плавучей атомной станции. Заодно были остановлены работы и по наземной мобильной энергоустановке: ПАЭС была переведена в стояночный режим. В конце 1960-х появилась надежда на то, что детищу обнинских ученых все-таки найдется практическое применение. Предполагалось, что атомная станция могла бы использоваться в нефтедобыче в тех случаях, когда в нефтеносные слои требуется закачать большое количество горячей воды, чтобы поднять ископаемое сырье ближе к поверхности. Рассматривали, к примеру, возможность такого использования ПАЭС на скважинах в районе города Грозного. Но даже послужить кипятильником для нужд чеченских нефтяников станции не удалось. Хозяйственная эксплуатация ТЭС-3 была признана нецелесообразной, и в 1969 году энергоустановку полностью законсервировали. Навсегда.
Для экстремальных условий
Как это ни удивительно, но с кончиной обнинской ПАЭС история советских мобильных атомных электростанций не прекратилась. Другой проект, о котором несомненно стоит рассказать, представляет собой весьма курьезный пример советского энергетического долгостроя. Начало ему было положено еще в начале 1960-х, но некий осязаемый результат он принес лишь в горбачевскую эпоху и вскоре был «убит» резко усилившейся после чернобыльской катастрофы радиофобией. Речь идет о белорусском проекте «Памир 630Д».
В определенном смысле можно сказать, что ТЭС-3 и «Памир» соединяют родственные связи. Ведь одним из основателей белорусской ядерной энергетики стал А.К. Красин — бывший директор ФЭИ, принимавший непосредственное участие в проектировании первой в мире АЭС в Обнинске, Белоярской АЭС и ТЭС-3. В 1960 году его пригласили в Минск, где ученый вскоре был избран академиком АН БССР и назначен директором отделения атомной энергетики Энергетического института белорусской Академии наук. В 1965 году отделение было преобразовано в Институт ядерной энергетики (ныне Объединенный институт энергетических и ядерных исследований «Сосны» НАН).
В одну из поездок в Москву Красин узнал о существовании государственного заказа на проектирование передвижной атомной электростанции мощностью 500−800 кВт. Наибольший интерес к такого рода энергоустановке проявляли военные: им требовался компактный и автономный источник электричества для объектов, находящихся в отдаленных и отличающихся суровым климатом районах страны — там, где нет ни железных дорог, ни ЛЭП и куда довольно сложно доставить большое количество обычного топлива. Речь могла идти об электропитании радиолокаторных станций или пусковых установок ракет.
С учетом предстоящего использования в экстремальных климатических условиях к проекту предъявлялись особые требования. Станция должна была работать при большом разбросе температур (от -50 до +35°С), а также при высокой влажности. Заказчик требовал, чтобы управление энергоустановкой было максимально автоматизировано. При этом станция должна была вписываться в железнодорожные габариты О-2Т и в габариты грузовых кабин самолетов и вертолетов с размерами 30 х 4,4 х 4,4 м. Продолжительность кампании АЭС определялась в не менее чем 10 000 часов при времени непрерывной работы не более 2000 часов. Время развертывания станции должно было составлять не более шести часов, а демонтаж необходимо было уложить в 30 часов.
Кроме того, проектировщикам следовало придумать, как снизить расходование воды, которая в условиях тундры ненамного доступнее солярки. Именно это последнее требование, практически исключавшее применение водяного реактора, во многом определило судьбу «Памира-630Д».
Оранжевый дым
Генеральным конструктором и главным идейным вдохновителем проекта стал В.Б. Нестеренко, ныне член-корреспондент белорусской Национальной академии наук. Именно ему принадлежит идея использовать в реакторе для «Памира» не воду или расплавленный натрий, а жидкую тетраокись азота (N2O4) — причем одновременно в качестве теплоносителя и рабочего тела, так как реактор мыслился одноконтурным, без теплообменника.
Тетраоксись азота была выбрана, естественно, не случайно, так как это соединение обладает весьма интересными термодинамическими свойствами, такими как высокая теплопроводность и теплоемкость, а также низкая температура испарения. Его переход из жидкого в газообразное состояние сопровождается химической реакцией диссоциации, когда молекула тетраокиси азота распадается сначала на две молекулы диокиси азота (2NO2), а затем на две молекулы окиси азота и одну молекулу кислорода (2NO+O2). При увеличении количества молекул объем газа или его давление резко возрастают.
В реакторе, таким образом, стало возможным реализовать замкнутый газожидкостный цикл, который давал реактору преимущества в эффективности и компактности.
Осенью 1963 года белорусские ученые представили свой проект мобильной атомной станции на рассмотрение научно-технического совета Государственного комитета по использованию атомной энергии СССР. Тогда же на суд членов НТС были вынесены аналогичные проекты ФЭИ, ИАЭ им. Курчатова и ОКБМ (Горький). Предпочтение отдали белорусскому проекту, однако лишь десять лет спустя, в 1973 году, в ИЯЭ АН БССР было создано специальное конструкторское бюро с опытным производством, которое приступило к конструированию и стендовым испытаниям узлов будущего реактора.
Одной из самых главных инженерных задач, которую предстояло решать создателям «Памира-630Д», стала отработка устойчивого термодинамического цикла с участием теплоносителя и рабочего тела нетрадиционного типа. Для этого применялся, например, стенд «Вихрь-2», представлявший собой фактически турбогенераторный блок будущей станции. В нем нагрев тетраоксида азота производился с помощью турбореактивного авиадвигателя ВК-1 с форсажной камерой.
Отдельную проблему представляла собой высокая коррозионная агрессивность тетраоксида азота, особенно в местах фазовых переходов — кипения и конденсации. Если же в контур турбогенератора попала бы вода, N2O4, прореагировав с ней, немедленно дала бы азотную кислоту со всеми ее известными свойствами. Противники проекта так и говорили порой, что, дескать, белорусские ядерщики намерены растворить в кислоте активную зону реактора. Частично проблема высокой агрессивности тетраоксида азота была решена добавлением в теплоноситель 10% обычной моноокиси азота. Этот раствор получил название «нитрин».
Тем не менее применение тетраоксида азота увеличивало опасность использования всего ядерного реактора, особенно если вспомнить, что речь идет о мобильном варианте АЭС. Подтверждением тому стала гибель одного из сотрудников КБ. Во время опыта из разорвавшегося трубопровода вырвалось оранжевое облачко. Находившийся поблизости человек ненамеренно вдохнул ядовитый газ, который, прореагировав с водой в легких, превратился в азотную кислоту. Спасти несчастного не удалось.
Зачем снимать колеса?
Впрочем, проектировщики «Памира-630Д» внедрили в свой проект ряд конструктивных решений, которые были призваны повысить безопасность всей системы. Во-первых, все процессы внутри установки, начиная от пуска реактора, управлялись и контролировались с помощью бортовых ЭВМ. Два компьютера работали параллельно, а третий находился в «горячем» резерве. Во-вторых, была реализована система аварийного охлаждения реактора за счет пассивного перетекания пара через реактор из части высокого давления в часть конденсатора. Наличие большого количества жидкого теплоносителя в технологическом контуре позволяло в случае, например, обесточивания эффективно отводить тепло от реактора. В-третьих, важным «страховочным» элементом конструкции стал материал замедлителя, в качестве которого был выбран гидрид циркония. При аварийном повышении температуры гидрид циркония разлагается, и выделяемый водород переводит реактор в глубоко подкритичное состояние. Реакция деления прекращается.
За экспериментами и испытаниями шли годы, и те, кто задумывал «Памир» в начале 1960-х годов, смогли увидеть свое детище в металле лишь в первой половине 1980-х. Как и в случае с ТЭС-3, белорусским конструкторам понадобилось несколько машин для размещения на них своей ПАЭС. Реакторный блок монтировался на трехосном полуприцепе МАЗ-9994 грузоподъемностью 65 т, в роли тягача для которого выступал МАЗ-796. Кроме реактора с биозащитой в этом блоке размещались система аварийного расхолаживания, шкаф распределительного устройства собственных нужд и два автономных дизель-генератора по 16 кВт. Такая же связка МАЗ-767 — МАЗ-994 везла на себе и турбогенераторный блок с оборудованием электростанции.
Дополнительно в кузовах КРАЗов передвигались элементы системы автоматизированного управления защиты и контроля. Еще один такой грузовик перевозил вспомогательный энергоблок с двумя стокиловаттными дизель-генераторами. Итого пять машин.
«Памир-630Д», как и ТЭС-3, был рассчитан на стационарную работу. По прибытии на место дислокации монтажные бригады устанавливали рядом реакторный и турбогенераторный блоки и соединяли их трубопроводами с герметичными сочленениями. Блоки управления и резервная энергоустановка ставились не ближе 150 м от реактора, чтобы обеспечить радиационную безопасность персонала. С реакторного и турбогенераторного блока снимали колеса (прицепы устанавливались на домкратах) и отвозили их в безопасную зону. Все это, конечно, в проекте, ибо реальность оказалась иной.
Реактор, которого испугались
Электрический пуск первого реактора состоялся 24 ноября 1985 года, а спустя пять месяцев случился Чернобыль. Нет, проект не был немедленно закрыт, и в общей сложности экспериментальный образец ПАЭС отработал на разных режимах нагрузки 2975 часов. Однако, когда на волне охватившей страну и мир радиофобии вдруг стало известно, что в 6 км от Минска стоит ядерный реактор экспериментальной конструкции, случился масштабный скандал. Совмин СССР тут же создал комиссию, которой предстояло изучить вопрос о целесообразности дальнейших работ по «Памиру-630Д». В том же 1986 году Горбачевым был отправлен в отставку легендарный глава Средмаша 88-летний Е.П. Славский, покровительствовавший проектам мобильных АЭС. И нет ничего удивительного в том, что в феврале 1988 года согласно решению Совмина СССР и АН БССР проект «Памир-630Д» прекратил свое существование. Одним из главных мотивов, как значилось в документе, стала «недостаточная научная обоснованность выбора теплоносителя».