Lò phản ứng hạt nhân tự hành - ý tưởng không bao giờ chết
NPP trên bánh xe Hệ thống điện di động ML-1. Nguồn: wikipedia.org
kinh nghiệm Hoa Kỳ
Ý tưởng có một lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ trong tầm tay là tốt từ mọi phía. Một đơn vị như vậy yêu cầu cung cấp nhiên liệu mỗi năm một lần hoặc thậm chí ít thường xuyên hơn, không có khí thải độc hại, không có vấn đề cụ thể nào với việc tổ chức cung cấp nhiệt song song cho cơ sở. Tính linh hoạt của một nhà máy điện hạt nhân nhỏ gọn và quan trọng nhất là di động sẽ cho phép sử dụng thiết bị cho mục đích dân sự, chẳng hạn như cung cấp cho công nhân làm việc theo ca ở vùng Viễn Bắc. Yêu cầu cao về trình độ của người vận hành và lo ngại về hậu quả có thể xảy ra của sự cố đã trở thành những hạn chế đối với việc phân phối rộng rãi các nhà máy điện hạt nhân quy mô nhỏ. Sau Chernobyl và Fukushima, ngay cả những lò phản ứng hạt nhân đứng yên cũng khiến công chúng sợ hãi, nhưng ở đây là về các phương tiện có bánh và bánh xích. Tuy nhiên, tiến độ không thể bị dừng lại, và sớm hay muộn các nhà máy điện hạt nhân nhỏ gọn sẽ thay thế chúng cả trong lĩnh vực dân sự và nghĩa vụ quân sự. Hơn nữa, vào giữa thế kỷ trước, kinh nghiệm đáng kể đã được tích lũy trong lĩnh vực này.
Những người chơi chính trong ngành công nghiệp hạt nhân toàn cầu theo truyền thống là Nga và Hoa Kỳ. Hãy bắt đầu với kinh nghiệm của Mỹ trong việc tạo ra các lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ phục vụ nhu cầu quân sự. Sở hữu mạng lưới căn cứ quân sự rộng lớn nhất trên thế giới, Lầu Năm Góc có quyền hy vọng vào việc tạo ra một nguồn năng lượng toàn cầu đảm bảo quyền tự chủ cao của cơ sở.
Đầu tiên là Hệ thống điện di động ML-1, được phát triển và thử nghiệm vào năm 1961-1965. Ý tưởng là tạo ra một lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ, không chỉ có thể cung cấp nhiệt và điện cho các căn cứ mà còn theo sát quân đội. Các kỹ sư đã cố gắng xây dựng một lò phản ứng độc đáo, trong đó khí nitơ trơ sẽ chịu trách nhiệm truyền nhiệt từ các thanh nhiên liệu (TVEL - nguyên tố nhiên liệu). Ngay cả bây giờ nó có vẻ là một quyết định không tầm thường, nhưng đối với những năm 60, nó có vẻ cực kỳ rủi ro.
Ý tưởng làm mát lõi lò phản ứng bằng khí không phải là mới và lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1956 tại nhà máy điện hạt nhân thử nghiệm Calder Hall ở Anh. Chất làm mát là carbon dioxide ở áp suất 7,8 atm, làm nóng lên tới 345 độ C khi thoát ra khỏi lõi. Như trong bất kỳ lò phản ứng nào của sơ đồ cổ điển, khí quá nhiệt được gửi đến máy tạo hơi nước, nơi nó truyền năng lượng của nó thành nước lỏng, và đến lượt nó, đến tuabin máy phát điện. Carbon dioxide là tốt trong một lò phản ứng cho đến một điểm. Ngay khi nhiệt độ của các thanh than chì đạt tới 500 độ, CO2 tham gia vào một phản ứng hóa học với chúng. Do đó, cần phải hạn chế cả công suất và hiệu suất của nhà máy điện hạt nhân. Vì lý do tương tự, hydro không được sử dụng làm chất làm mát chính - ở nhiệt độ trên 700 độ, hydrocacbon hình thành trên bề mặt của các thanh than chì.
Một giải pháp thay thế đắt tiền là khí hiếm helium, cho phép bạn tăng tốc độ của vùng nóng lên 1000 độ trở lên. Nhưng rất khó để thu được và tinh chế nó khỏi các tạp chất có hại, chẳng hạn như hydro, carbon monoxide và carbon dioxide, những chất không thể hoạt động ở nhiệt độ như vậy. Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên sử dụng helium làm khí làm mát xuất hiện ở Hoa Kỳ vào năm 1966 tại Peach Bottom.
Nỗ lực sử dụng nitơ để làm mát lõi lò phản ứng trong ML-1 di động là điều dễ hiểu. Trong trường hợp không thể tránh được rò rỉ lớn, chất làm mát sơ cấp có thể được lấy từ không khí theo đúng nghĩa đen. Để làm điều này, cần phải bao gồm một nhà máy lọc và hóa lỏng khí trong bộ. Trong lĩnh vực này, điều này dễ thực hiện hơn nhiều so với việc loay hoay với carbon dioxide, helium và thậm chí còn hơn thế với hydro.
Đoạn phim lưu trữ về thử nghiệm ML-1. Nguồn: youtube.com
Nhưng nó chỉ trơn tru trên giấy. Vấn đề lớn nhất của ML-1 là nitơ lưu thông qua một hệ thống kín ở áp suất 420 atm. Đồng thời, ở lối vào vùng nóng, khí có nhiệt độ khoảng 430-650 độ, ở lối ra nhiệt độ lên đến 120. Các kỹ sư đã không đảm bảo ít nhiều đủ độ kín của mạch làm mát. Bộ thu hồi năng lượng được lắp đặt phía sau tuabin khí và được thiết kế để chuyển một phần năng lượng chưa sử dụng của hơi quá nhiệt trở lại mạch làm mát khí khiến thiết kế trở nên phức tạp nghiêm trọng. Điều này làm tăng hiệu quả lên vài phần trăm, nhưng thiết kế phức tạp hơn đáng kể. Và cuối cùng, sự phức tạp cuối cùng là hệ thống ống nước xuyên qua các bó nguyên tố nhiên liệu. Nước trong mạch này được cung cấp dưới áp suất, không nóng lên trên 38 độ và đóng vai trò điều tiết neutron của lò phản ứng. Toàn bộ cấu trúc được đóng gói trong bốn container vận chuyển với tổng trọng lượng 1 tấn. Người Mỹ dự kiến sẽ vận chuyển ML-130 không chỉ trên các xe kéo mà còn trên một chiếc vận tải quân sự C-XNUMX.
Tuy nhiên, lần đầu tiên một AEChS nhỏ gọn hoạt động vào năm 1962, tuy nhiên, chỉ trong vài phút. Lần phóng tiếp theo diễn ra vào cuối mùa đông năm 1963. Tổng cộng, lò phản ứng đã hoạt động trong khoảng 100 giờ, nhưng do có nhiều khiếm khuyết và thiếu sót nên nó đã phải ngừng hoạt động. Các mối hàn của ống nước bị nứt, nitơ liên tục rò rỉ từ mạch làm mát dưới áp suất cao và công suất tối đa thậm chí không đạt tới 200 kW. Giá trị tính toán là khoảng 300 kW. Sau một lần sửa đổi quan trọng, ML-1 lại được tung ra thị trường vào mùa xuân năm 1964. Lò phản ứng hoạt động rất không ổn định, không thể đạt được công suất cần thiết và cần được chú ý liên tục. Nhưng dự án đã bị đóng cửa không phải vì lý do này. Đến giữa những năm 60, Chiến tranh Việt Nam bắt đầu ngốn phần lớn ngân sách quốc phòng và người ta quyết định đóng băng tất cả các dự án không ưu tiên. Ủy ban Năng lượng Nguyên tử, trong các phiên điều trần, chỉ phân bổ kinh phí để hoàn thành công việc và bảo tồn chương trình. Có khả năng là với nguồn tài chính đầy đủ, người Mỹ sẽ nghĩ đến dự án - có thể là với việc tái cấu trúc hoàn toàn khái niệm này.
Kinh nghiệm của Liên Xô
Không giống như người Mỹ, lò phản ứng hạt nhân tự hành nội địa đầu tiên hóa ra lại thành công hơn nhiều. Nó mang tên TES-1 và là nhà máy điện hạt nhân di động đầu tiên trên thế giới. Khu phức hợp hoàn toàn không phù hợp với vai trò vận tải hàng không, và không có nhiệm vụ nào như vậy. TPP-1 được tạo ra để cung cấp điện cho các khu định cư dân sự và cơ sở quân sự ở xa. Người ta cho rằng bốn nền tảng được theo dõi của khu phức hợp sẽ được vận chuyển bằng đường sắt và chúng sẽ tự đến nơi triển khai. Ý tưởng tạo ra một lò phản ứng hạt nhân di động ra đời vào năm 1957 trong các bức tường của Viện Vật lý và Kỹ thuật Điện Obninsk, lúc đó mang tên mã hóa "Phòng thí nghiệm V". Tổng cộng, ít nhất mười sáu cấu trúc chuyên dụng đã được kết nối với dự án, bắt đầu từ Viện nghiên cứu của Bộ Quốc phòng và kết thúc bằng một nhà máy chế tạo xe ngựa. Như đã đề cập ở trên, dự án của Liên Xô không bị hạn chế quá nghiêm trọng bởi đặc điểm trọng lượng và do đó, đã bị tước đi những đổi mới rủi ro. Là trái tim của nhà máy điện hạt nhân, họ đã chọn một lò phản ứng nước áp suất được thử nghiệm vào thời điểm đó, trong đó nước tinh khiết sâu làm mát các nguyên tố nhiên liệu và ở đầu ra, năng lượng được truyền qua bộ trao đổi nhiệt đến một mạch có tuabin và máy phát điện. Áp suất nước trong mạch làm mát là 130 atm và điều này giúp có thể giữ dòng chảy ở trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ 300 độ C. Đồng thời, áp suất trong máy tạo hơi nước không vượt quá 20 atm và hơi quá nhiệt đi đến tuabin với nhiệt độ 280 độ.
Ảnh trên cùng cho thấy vị trí làm việc của các nền tảng được theo dõi TES-3 với máy phát điện tuabin và mô-đun điều khiển
Thiết kế trở nên cồng kềnh và được đặt trên bốn khung xe dài nặng nề xe tăng T-10 - số lượng bánh xe chạy trên mỗi bên đã tăng từ 7 lên 10. Lò phản ứng nằm trên một khung gầm, máy tạo hơi nước nằm trên khung thứ hai, tuabin với máy phát điện nằm trên khung thứ ba, trung tâm điều khiển được bật thứ tư. Tổng trọng lượng của nhà máy điện hạt nhân tự hành là 310 tấn. Một đóng góp đáng kể cho mức độ nghiêm trọng này là do bảo vệ sinh học tích hợp - một bể chì dày 100-190 mm, được đổ đầy dung dịch axit boric khi bắt đầu làm việc. Ở trạng thái được triển khai, hoạt động của tổ hợp được điều khiển bởi một ca gồm ba người. Để vận hành an toàn TPP-3, không thể chỉ đưa bốn xe tự hành vào cơ sở, khởi động lò phản ứng và kết nối với mạng. Một yêu cầu quan trọng là xây dựng một thành lũy bằng đất hoặc một loại caponier xung quanh các nền tảng với lò phản ứng và máy tạo hơi nước. Tất nhiên, lò phản ứng chỉ vận hành ở vị trí đã triển khai, khi cả 25 máy được kết nối với nhau bằng đường ống và cáp điện. Nhưng phải làm gì khi bạn cần thay đổi nơi triển khai và cụm nhiên liệu vẫn chưa hạ nhiệt? Áo giải nhiệt nước không hoạt động được do bộ tạo hơi nước ở vị trí xếp gọn bị tắt. Để làm điều này, một bộ làm mát không khí đã được cung cấp trên băng tải đầu tiên, làm tiêu tan nhiệt dư từ lò phản ứng làm mát. Việc thay đổi các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng được cho là được thực hiện tại hiện trường bằng cần cẩu XNUMX tấn.
Mô hình của TPP-3. Nguồn: thoải mái.ru
Hoạt động thử nghiệm TPP-3 trên lãnh thổ của nhà máy điện hạt nhân cố định đầu tiên trên thế giới ở Obninsk kéo dài từ năm 1961 đến năm 1965 và không gây ra bất kỳ khiếu nại cơ bản nào. Máy tự tin đạt công suất thiết kế tối đa 1500 mã lực và thời gian hoàn thành một cụm nhiên liệu là 250 ngày.
Một nền tảng với máy phát điện tua-bin đã được thử nghiệm ở Kamchatka vào những năm 80. Ba máy TES-3 còn lại vẫn ở Obninsk
Năm 1964, trên tạp chí công nghiệp "Năng lượng nguyên tử", kết quả sơ bộ của việc vận hành thí điểm lò phản ứng di động đã được tóm tắt:
“Việc xây dựng và vận hành nhà máy TPP-3 cho thấy kinh nghiệm tạo ra một trạm vận chuyển khối lớn với lò phản ứng nước áp suất đã khá thành công. Quá trình vận hành lâu dài của TPP-3 đã khẳng định độ tin cậy, khả năng điều khiển tốt và dễ bảo dưỡng của loại trạm này. Đồng thời, hoạt động của TPP-3 cho thấy có những cơ hội để cải thiện hơn nữa, đặc biệt là tự động hóa hoàn toàn hơn, tăng thời gian của chiến dịch lên 2-3 năm, chuyển sang lưu thông tự nhiên của chất làm mát khi lò phản ứng nguội đi, v.v.”
tin tức