Koncepcje wykorzystania napędu nuklearnego powstawały z ogólnego entuzjazmu co do energii atomowej. Od połowy XX wieku elektrownia jądrowa pozostawała: „najbardziej ekologicznym” źródłem energii. Jednocześnie zdecydowanie przewyższała elektrownie słoneczne i wiatrowe pod względem stabilności wytwarzania elektryczności. Wiele rodzajów transportu zostało również przestawionych na energię jądrową.
Pierwszy atomowy okręt podwodny USS Nautilus został zwodowany w USA na początku 1954 r. Pierwszy tego typu lodołamacz Lenin powstał w ZSRR w 1959 r., a w połowie lat pięćdziesiątych w tym samym regionie rozpoczęto prace nad samolotem nuklearnym. Projektu tego nie udało się ukończyć. Jednak w Stanach Zjednoczonych już w 1955 roku odbył się pierwszy wojskowy lot samolotem Convair NB 36-H o napędzie atomowym. Mniej znane są tu projekty lokomotyw, mimo że logicznie wpisują się one w ewolucyjny łańcuch: „maszyna parowa – spalinowa – elektryczna”. W ramach tego artykułu zostanie więc omówiony przypadek lokomotyw nuklearnych.
Aby konkurować z pociągami konwencjonalnymi, lokomotywa o napędzie atomowym musi łączyć w sobie zalety wydajnościowe i ochronę środowiska. Nie miałaby żadnego śladu węglowego, mogłaby pokonać dziesiątki kursów bez tankowania. Korzyść z używania takiego transportu będzie tym większa, im dłuższa jest sieć kolejowa. Szczególnie jeśli na jakimś obszarze istnieje potrzeba stosunkowo rzadkiego przewożenia jednym pociągiem bardzo dużych zasobów (np. w przypadku transportu ładunku na kosmodrom). W latach pięćdziesiątych XX wieku zakładano, że najlepiej byłoby, gdyby taka droga kolejowa przebiegała wzdłuż nierównego i niedostępnego wybrzeża morskiego. W ramach trasy testowej planowano próbę uruchomienia pociągu z Londynu do Szkocji. W kolejnym kroku chciano dokonać adaptacji technologii na Dalekim Wschodzie (Rosja i Chiny), a następnie w Brazylii, Republice Południowej Afryki i innych krajach.
Model X-12
W latach pięćdziesiątych XX wieku niebezpieczeństwa skażenia radiacyjnego i katastrof spowodowanych przez człowieka z udziałem materiałów radioaktywnych były znacznie niedoceniane. Nic dziwnego, że kiedy w 1954 pojawił się okręt podwodny USS Nautilus, dr Lyle Borst z Uniwersytetu w Utah zaproponował projekt lokomotywy X-12, która miałaby działać na reaktorze jądrowym zasilanym uranem-235. Reaktor ten (bardzo kompaktowy, jak na tamte czasy) został zaprojektowany przez firmę Babcock & Wilcox. Pomimo futurystycznego charakteru tego pomysłu, Borst podszedł do niego jak biznesmen, a nie naukowiec i promował go w Stowarzyszeniu Kolei Amerykańskich (AAR) oraz w poszczególnych spółkach kolejowych. Borst podkreślił, że jego lokomotywa może jeździć po trasie miesiącami, zasilana siarczanem uranu-235 w roztworze wodnym. Tego typu urządzenia już istniały, nazywane są reaktorami z roztworem soli (AHR).
Lokomotywa X-12 miała składać się z dwóch bloków (wagonów). W jednym znajdował się reaktor, turbina, skraplacz i generatory, a w drugim system chłodnic i wentylatorów do usuwania ciepła.
W istocie X-12 był gigantycznym spalinowo-elektrycznym odpowiednikiem lokomotywy spalinowej, ale zamiast silnika wysokoprężnego miał reaktor i turbinę. Co więcej, schemat jest tradycyjny: ciepło z reaktora wytwarza parę, ta obraca turbinę, energia mechaniczna zamieniana jest na elektryczną w generatorze, a ten napędza silnik. Blok silnikowy miał 30 metrów długości, wagon z chłodnicą około 20. Całkowita masa X-12 wynosiła blisko 330 ton, z czego prawie połowa przypadała na osłony przeciwpromienne. Lokomotywa ta nigdy nie należała do największych tego typu, ale jak na lata pięćdziesiąte XX wieku była piątą pod względem masy.
Aby zmniejszyć wymiary, konieczna stała się rezygnacja z wymiennika ciepła i wtórnego obiegu chłodzenia, dlatego turbinę napędzano parą pochodzącą bezpośrednio z reaktora. Oczywiście okazała się ona niezwykle radioaktywna, w związku z czym cała turbina była skażona promieniowaniem. Rutynowe jej naprawy byłyby śmiertelnie niebezpieczne. Z tego względu idealnie byłoby, gdyby turbina działała bez problemów przez co najmniej 10 lat. Ani w momencie przygotowywania projektu, ani nawet obecnie takowe nie istnieją. Ponadto z uwagi na ograniczenia gabarytowe okazało się, że nie da się obejść z jednym generatorem, dlatego do reaktora podłączono cztery, z których każdy miał generować co najmniej 1,3 megawata energii. Wtedy nie istniały też tak potężne, a jednocześnie kompaktowe reaktory. Projekt ten pokazał zatem, że lądowy transport nuklearny jest znacznie bardziej złożony i niebezpieczny niż atomowy: okręt podwodny, lodołamacz lub samolot; ograniczenia dotyczące szerokości torów kolejowych i ogólnej złożoności konserwacji okazały się nie do pokonania. Jednak w normalnej eksploatacji taka lokomotywa mogła wytwarzać 7000 koni mechanicznych i 10 000 koni mechanicznych mocy szczytowej.
Nadal wydaje się, że to reaktor z roztworem soli można wykonać tak kompaktowo, jak to tylko możliwe, więc przyjrzyjmy się bliżej jego konstrukcji.
Projekt reaktora lokomotywy z wykorzystaniem roztworów soli
Większość nowoczesnych elektrowni jądrowych stosuje reaktory lekkowodne. Do chłodzenia reaktora pracującego na stałych elementach twardych wykorzystują zimną lub wrzącą wodę. Z kolei paliwem dla AHR jest ciekły roztwór siarczanu uranu, który można porównać do bulionu paliwowego. AHR to jeden z najwcześniejszych modeli reaktora jądrowego, który działał w Los Alamos już w 1945 roku.
W wersji mobilnej, AHR pod kilkoma względami ma dużo zalet. Konstrukcja takiego reaktora jest bardzo prosta. Ma on wyraźny ujemny współczynnik temperaturowy i parowy — dlatego wraz ze wzrostem temperatury mieszaniny dynamika reakcji szybko maleje. W rezultacie, nawet jeśli reaktor się zagotuje, reakcja łańcuchowa wygaśnie. Dodatkowo to właśnie AHR pracują na minimalnej liczbie wolnych neutronów. Sprawia to, że reaktor jest nie tylko kompaktowy, ale także pozwala na błyskawiczną i w miarę bezpieczną regulację/zmianę jego mocy.
Najpoważniejszą wadą AHR jest jego szybkie zużycie na skutek ekstremalnej korozji. Siarczan uranylu jest w zasadzie żrący, ale roztwór również jest poddawany stałemu promieniowaniu gamma, które wraz z wytworzonym ciepłem katalizuje reakcję, prowadząc do powstania wolnych jonów wodorowych i osadzania się siarki elementarnej. Tym samym długoterminowa eksploatacja reaktora bez napraw staje się jeszcze mniej realistyczna.
Objętość reaktora można zmniejszyć, zwiększając wykorzystanie uranu-235 w roztworze do prawie 100%. W granulkach nuklearnych reaktora konwencjonalnej elektrowni jądrowej jego udział wynosi około 5%. Tym samym paliwo do lokomotywy atomowej byłoby bardzo drogie. Wreszcie instalacja reaktora lokomotywowego wymagałaby komory do usuwania ksenonu (jednego z produktów reakcji), ponieważ zatrucie nim było jedną z głównych przyczyn awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu.
Pomimo tych wszystkich niedociągnięć model Borsta nie stał się ostatnim w swoim rodzaju. Miniaturyzacja reaktora jądrowego do transportu lądowego okazuje się w praktyce znacznie trudniejsza niż przystosowanie go do łodzi podwodnej, lodołamacza czy (potencjalnie) statku kosmicznego. W trzech ostatnich przypadkach bowiem całkiem możliwe jest zwiększenie kadłuba statku bez obawy, że będzie zbyt ciężki. Jednak, chociaż X-12 jest: „atomową lokomotywą spalinową”, na początku XXI wieku zaproponowano bardziej egzotyczny model: „nuklearnej maszyny parowej”. Planowano używać w nim ciekłego helu zamiast wody, jako płynu chłodzącego.
Lokomotywa parowa przypominająca nuklearny Eskom
Już na początku XXI wieku zaprojektowano i przetestowano pierwsze kompaktowe reaktory jądrowe, które teoretycznie można było zamontować na lokomotywie. Minireaktor południowoafrykańskiej firmy Eskom do 2002 roku pracował w zakresie od 110 do 120 megawatów i mógł działać bez stawu chłodzącego. Ponadto w 2007 r. NuScale (Portland, Oregon) we współpracy z Oregon State University wprowadziło na rynek pierwszy mały reaktor modułowy, który był rozwijany do końca 2023 r. Ostatecznie jednak został on wycofany; instalacja nie uzyskała certyfikatu ze względów bezpieczeństwa. Gdyby wszak udało się zbudować reaktor typu Eskom, około dziesięciokrotnie słabszy (12 megawatów) i odpowiednio bardziej kompaktowy niż istniejące modele, byłby on w stanie służyć jako jednostka napędowa lokomotyw parowych. Sugeruje to, że maszyna mogłaby być napędzana przez minireaktor i poprawiłoby się bezpieczeństwo konstrukcji poprzez zastosowanie wielu warstw izolacji i użycie ciekłego helu jako płynu chłodzącego zamiast (ciężkiej) wody.
Paliwo do lokomotywy z reaktorem jądrowym, z powodów omówionych powyżej, musi być płynne lub drobnoziarniste. Na podstawie technologii firmy Eskom reaktor można napełnić kulkami grafitowymi wielkości mniej więcej piłki tenisowej, zanurzając je w roztworze soli uranu lub napełniając je sproszkowanym uranem-235. W tym przypadku grafit pełniłby funkcję moderatora neutronów, podobnie jak pręty grafitowe w tradycyjnym reaktorze jądrowym.
Problemy i perspektywy środowiskowe
Oczywiście każdy wypadek z udziałem lokomotywy nuklearnej miałby konsekwencje, jeśli nie katastrofalne, to trudne do wyeliminowania. Oprócz zewnętrznej osłony wielowarstwowej konieczne byłoby umieszczenie samego reaktora w wielopoziomowej konstrukcji zabezpieczającej, ułożonej w formie lalki lęgowej i zapewnienie zewnętrznej warstwy ciężkiej, lepkiej cieczy, która skutecznie pochłaniałaby neutrony, zapobiegała rozlaniu się czynnika chłodniczego, a jednocześnie nie miałaby tendencji do zapalania się.
Źródło:
https://habr.com/ru/articles/802131/
Pierwszy atomowy okręt podwodny USS Nautilus został zwodowany w USA na początku 1954 r. Pierwszy tego typu lodołamacz Lenin powstał w ZSRR w 1959 r., a w połowie lat pięćdziesiątych w tym samym regionie rozpoczęto prace nad samolotem nuklearnym. Projektu tego nie udało się ukończyć. Jednak w Stanach Zjednoczonych już w 1955 roku odbył się pierwszy wojskowy lot samolotem Convair NB 36-H o napędzie atomowym. Mniej znane są tu projekty lokomotyw, mimo że logicznie wpisują się one w ewolucyjny łańcuch: „maszyna parowa – spalinowa – elektryczna”. W ramach tego artykułu zostanie więc omówiony przypadek lokomotyw nuklearnych.
Aby konkurować z pociągami konwencjonalnymi, lokomotywa o napędzie atomowym musi łączyć w sobie zalety wydajnościowe i ochronę środowiska. Nie miałaby żadnego śladu węglowego, mogłaby pokonać dziesiątki kursów bez tankowania. Korzyść z używania takiego transportu będzie tym większa, im dłuższa jest sieć kolejowa. Szczególnie jeśli na jakimś obszarze istnieje potrzeba stosunkowo rzadkiego przewożenia jednym pociągiem bardzo dużych zasobów (np. w przypadku transportu ładunku na kosmodrom). W latach pięćdziesiątych XX wieku zakładano, że najlepiej byłoby, gdyby taka droga kolejowa przebiegała wzdłuż nierównego i niedostępnego wybrzeża morskiego. W ramach trasy testowej planowano próbę uruchomienia pociągu z Londynu do Szkocji. W kolejnym kroku chciano dokonać adaptacji technologii na Dalekim Wschodzie (Rosja i Chiny), a następnie w Brazylii, Republice Południowej Afryki i innych krajach.
Model X-12
W latach pięćdziesiątych XX wieku niebezpieczeństwa skażenia radiacyjnego i katastrof spowodowanych przez człowieka z udziałem materiałów radioaktywnych były znacznie niedoceniane. Nic dziwnego, że kiedy w 1954 pojawił się okręt podwodny USS Nautilus, dr Lyle Borst z Uniwersytetu w Utah zaproponował projekt lokomotywy X-12, która miałaby działać na reaktorze jądrowym zasilanym uranem-235. Reaktor ten (bardzo kompaktowy, jak na tamte czasy) został zaprojektowany przez firmę Babcock & Wilcox. Pomimo futurystycznego charakteru tego pomysłu, Borst podszedł do niego jak biznesmen, a nie naukowiec i promował go w Stowarzyszeniu Kolei Amerykańskich (AAR) oraz w poszczególnych spółkach kolejowych. Borst podkreślił, że jego lokomotywa może jeździć po trasie miesiącami, zasilana siarczanem uranu-235 w roztworze wodnym. Tego typu urządzenia już istniały, nazywane są reaktorami z roztworem soli (AHR).
Lokomotywa X-12 miała składać się z dwóch bloków (wagonów). W jednym znajdował się reaktor, turbina, skraplacz i generatory, a w drugim system chłodnic i wentylatorów do usuwania ciepła.
W istocie X-12 był gigantycznym spalinowo-elektrycznym odpowiednikiem lokomotywy spalinowej, ale zamiast silnika wysokoprężnego miał reaktor i turbinę. Co więcej, schemat jest tradycyjny: ciepło z reaktora wytwarza parę, ta obraca turbinę, energia mechaniczna zamieniana jest na elektryczną w generatorze, a ten napędza silnik. Blok silnikowy miał 30 metrów długości, wagon z chłodnicą około 20. Całkowita masa X-12 wynosiła blisko 330 ton, z czego prawie połowa przypadała na osłony przeciwpromienne. Lokomotywa ta nigdy nie należała do największych tego typu, ale jak na lata pięćdziesiąte XX wieku była piątą pod względem masy.
Aby zmniejszyć wymiary, konieczna stała się rezygnacja z wymiennika ciepła i wtórnego obiegu chłodzenia, dlatego turbinę napędzano parą pochodzącą bezpośrednio z reaktora. Oczywiście okazała się ona niezwykle radioaktywna, w związku z czym cała turbina była skażona promieniowaniem. Rutynowe jej naprawy byłyby śmiertelnie niebezpieczne. Z tego względu idealnie byłoby, gdyby turbina działała bez problemów przez co najmniej 10 lat. Ani w momencie przygotowywania projektu, ani nawet obecnie takowe nie istnieją. Ponadto z uwagi na ograniczenia gabarytowe okazało się, że nie da się obejść z jednym generatorem, dlatego do reaktora podłączono cztery, z których każdy miał generować co najmniej 1,3 megawata energii. Wtedy nie istniały też tak potężne, a jednocześnie kompaktowe reaktory. Projekt ten pokazał zatem, że lądowy transport nuklearny jest znacznie bardziej złożony i niebezpieczny niż atomowy: okręt podwodny, lodołamacz lub samolot; ograniczenia dotyczące szerokości torów kolejowych i ogólnej złożoności konserwacji okazały się nie do pokonania. Jednak w normalnej eksploatacji taka lokomotywa mogła wytwarzać 7000 koni mechanicznych i 10 000 koni mechanicznych mocy szczytowej.
Nadal wydaje się, że to reaktor z roztworem soli można wykonać tak kompaktowo, jak to tylko możliwe, więc przyjrzyjmy się bliżej jego konstrukcji.
Projekt reaktora lokomotywy z wykorzystaniem roztworów soli
Większość nowoczesnych elektrowni jądrowych stosuje reaktory lekkowodne. Do chłodzenia reaktora pracującego na stałych elementach twardych wykorzystują zimną lub wrzącą wodę. Z kolei paliwem dla AHR jest ciekły roztwór siarczanu uranu, który można porównać do bulionu paliwowego. AHR to jeden z najwcześniejszych modeli reaktora jądrowego, który działał w Los Alamos już w 1945 roku.
W wersji mobilnej, AHR pod kilkoma względami ma dużo zalet. Konstrukcja takiego reaktora jest bardzo prosta. Ma on wyraźny ujemny współczynnik temperaturowy i parowy — dlatego wraz ze wzrostem temperatury mieszaniny dynamika reakcji szybko maleje. W rezultacie, nawet jeśli reaktor się zagotuje, reakcja łańcuchowa wygaśnie. Dodatkowo to właśnie AHR pracują na minimalnej liczbie wolnych neutronów. Sprawia to, że reaktor jest nie tylko kompaktowy, ale także pozwala na błyskawiczną i w miarę bezpieczną regulację/zmianę jego mocy.
Najpoważniejszą wadą AHR jest jego szybkie zużycie na skutek ekstremalnej korozji. Siarczan uranylu jest w zasadzie żrący, ale roztwór również jest poddawany stałemu promieniowaniu gamma, które wraz z wytworzonym ciepłem katalizuje reakcję, prowadząc do powstania wolnych jonów wodorowych i osadzania się siarki elementarnej. Tym samym długoterminowa eksploatacja reaktora bez napraw staje się jeszcze mniej realistyczna.
Objętość reaktora można zmniejszyć, zwiększając wykorzystanie uranu-235 w roztworze do prawie 100%. W granulkach nuklearnych reaktora konwencjonalnej elektrowni jądrowej jego udział wynosi około 5%. Tym samym paliwo do lokomotywy atomowej byłoby bardzo drogie. Wreszcie instalacja reaktora lokomotywowego wymagałaby komory do usuwania ksenonu (jednego z produktów reakcji), ponieważ zatrucie nim było jedną z głównych przyczyn awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu.
Pomimo tych wszystkich niedociągnięć model Borsta nie stał się ostatnim w swoim rodzaju. Miniaturyzacja reaktora jądrowego do transportu lądowego okazuje się w praktyce znacznie trudniejsza niż przystosowanie go do łodzi podwodnej, lodołamacza czy (potencjalnie) statku kosmicznego. W trzech ostatnich przypadkach bowiem całkiem możliwe jest zwiększenie kadłuba statku bez obawy, że będzie zbyt ciężki. Jednak, chociaż X-12 jest: „atomową lokomotywą spalinową”, na początku XXI wieku zaproponowano bardziej egzotyczny model: „nuklearnej maszyny parowej”. Planowano używać w nim ciekłego helu zamiast wody, jako płynu chłodzącego.
Lokomotywa parowa przypominająca nuklearny Eskom
Już na początku XXI wieku zaprojektowano i przetestowano pierwsze kompaktowe reaktory jądrowe, które teoretycznie można było zamontować na lokomotywie. Minireaktor południowoafrykańskiej firmy Eskom do 2002 roku pracował w zakresie od 110 do 120 megawatów i mógł działać bez stawu chłodzącego. Ponadto w 2007 r. NuScale (Portland, Oregon) we współpracy z Oregon State University wprowadziło na rynek pierwszy mały reaktor modułowy, który był rozwijany do końca 2023 r. Ostatecznie jednak został on wycofany; instalacja nie uzyskała certyfikatu ze względów bezpieczeństwa. Gdyby wszak udało się zbudować reaktor typu Eskom, około dziesięciokrotnie słabszy (12 megawatów) i odpowiednio bardziej kompaktowy niż istniejące modele, byłby on w stanie służyć jako jednostka napędowa lokomotyw parowych. Sugeruje to, że maszyna mogłaby być napędzana przez minireaktor i poprawiłoby się bezpieczeństwo konstrukcji poprzez zastosowanie wielu warstw izolacji i użycie ciekłego helu jako płynu chłodzącego zamiast (ciężkiej) wody.
Paliwo do lokomotywy z reaktorem jądrowym, z powodów omówionych powyżej, musi być płynne lub drobnoziarniste. Na podstawie technologii firmy Eskom reaktor można napełnić kulkami grafitowymi wielkości mniej więcej piłki tenisowej, zanurzając je w roztworze soli uranu lub napełniając je sproszkowanym uranem-235. W tym przypadku grafit pełniłby funkcję moderatora neutronów, podobnie jak pręty grafitowe w tradycyjnym reaktorze jądrowym.
Problemy i perspektywy środowiskowe
Oczywiście każdy wypadek z udziałem lokomotywy nuklearnej miałby konsekwencje, jeśli nie katastrofalne, to trudne do wyeliminowania. Oprócz zewnętrznej osłony wielowarstwowej konieczne byłoby umieszczenie samego reaktora w wielopoziomowej konstrukcji zabezpieczającej, ułożonej w formie lalki lęgowej i zapewnienie zewnętrznej warstwy ciężkiej, lepkiej cieczy, która skutecznie pochłaniałaby neutrony, zapobiegała rozlaniu się czynnika chłodniczego, a jednocześnie nie miałaby tendencji do zapalania się.
Źródło:
https://habr.com/ru/articles/802131/
Fajne? Ranking DIY