المفاعلات النووية ذاتية الدفع - الأفكار لا تموت أبدًا
NPP على عجلات ML-1 Mobile Power System. المصدر: wikipedia.org
تجربة الولايات المتحدة
فكرة وجود مفاعل نووي صغير الحجم في متناول اليد فكرة جيدة من جميع الجوانب. تتطلب مثل هذه الوحدة إمداد الوقود مرة واحدة في السنة أو حتى أقل من ذلك ، ولا توجد انبعاثات سامة ، ولا توجد مشاكل خاصة في تنظيم إمدادات الحرارة الموازية للمنشأة. إن تعدد استخدامات محطة الطاقة النووية المدمجة ، والأهم من ذلك ، ستجعل من الممكن استخدام المعدات للأغراض المدنية ، على سبيل المثال ، لتوفير عمال مناوبات في أقصى الشمال. أصبحت المتطلبات العالية لمؤهلات المشغلين والمخاوف من العواقب المحتملة للحادث قيودًا على التوزيع الواسع لمحطات الطاقة النووية الصغيرة الحجم. بعد تشرنوبيل وفوكوشيما ، حتى المفاعلات النووية الثابتة تسبب الخوف بين الجمهور ، ولكن هنا كان الأمر يتعلق بالمركبات ذات العجلات والمتعقبة. ومع ذلك ، لا يمكن وقف التقدم ، وستحل محطات الطاقة النووية المدمجة عاجلاً أم آجلاً مكانها في كل من القطاع المدني والخدمة العسكرية. علاوة على ذلك ، في منتصف القرن الماضي ، تراكمت خبرة كبيرة في هذا المجال.
اللاعبون الرئيسيون في الصناعة النووية العالمية هم تقليديًا روسيا والولايات المتحدة. لنبدأ بالتجربة الأمريكية في إنشاء مفاعلات نووية صغيرة الحجم للاحتياجات العسكرية. نظرًا لامتلاكه لأكبر شبكة من القواعد العسكرية في العالم ، فقد أمل البنتاغون بحق في إنشاء مصدر عالمي للطاقة يضمن استقلالية عالية للمنشأة.
الأول هو نظام الطاقة المحمول ML-1 ، الذي تم تطويره واختباره في 1961-1965. كانت الفكرة هي إنشاء مفاعل نووي صغير الحجم لا يمكنه فقط توفير الحرارة والكهرباء للقواعد ، ولكن أيضًا يتبع القوات. حاول المهندسون بناء مفاعل فريد يكون فيه غاز النيتروجين الخامل مسؤولاً عن نقل الحرارة من قضبان الوقود (TVEL - عنصر الوقود). حتى الآن ، يبدو أنه قرار غير تافه ، لكن بالنسبة للستينيات ، بدا الأمر محفوفًا بالمخاطر للغاية.
إن فكرة التبريد بالغاز في قلب المفاعل ليست جديدة ، وقد تم تنفيذها لأول مرة في عام 1956 في محطة كالدر هول التجريبية للطاقة النووية في المملكة المتحدة. كان عامل التبريد عبارة عن ثاني أكسيد الكربون عند ضغط 7,8 من الغلاف الجوي ، والذي تم تسخينه حتى 345 درجة مئوية عند الخروج من القلب. كما هو الحال في أي مفاعل من المخطط الكلاسيكي ، تم إرسال الغاز المسخن إلى مولد البخار ، حيث ينقل طاقته إلى الماء السائل ، ثم يتم إرساله بدوره إلى التوربينات المولد. ثاني أكسيد الكربون جيد في المفاعل إلى حد ما. بمجرد أن تقترب درجة حرارة قضبان الجرافيت من 500 درجة ، يكون ثاني أكسيد الكربون2 يدخل في تفاعل كيميائي معهم. لذلك ، من الضروري الحد من قوة وكفاءة محطة للطاقة النووية. للسبب نفسه ، لم يتم استخدام الهيدروجين كمبرد أولي - عند درجات حرارة أعلى من 700 درجة ، تكونت الهيدروكربونات على سطح قضبان الجرافيت.
بديل مكلف هو غاز الهيليوم النبيل ، والذي يسمح لك بتسريع درجة حرارة المنطقة الساخنة إلى 1000 درجة أو أكثر. لكن من الصعب للغاية الحصول عليها وتنقيتها من الشوائب الضارة ، مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون ، والتي لا تستطيع العمل في مثل هذه درجات الحرارة. ظهرت أول محطة للطاقة النووية باستخدام الهيليوم كغاز تبريد في الولايات المتحدة في عام 1966 في Peach Bottom.
محاولات استخدام النيتروجين لتبريد قلب المفاعل في ML-1 المحمول مفهومة. في حالة حدوث تسرب هائل ، والذي لا يمكن تجنبه ، يمكن الحصول على المبرد الأساسي حرفيًا من الهواء. للقيام بذلك ، يلزم تضمين مصنع تسييل وتنقية الغاز في المجموعة. في هذا المجال ، هذا أسهل بكثير من العبث بثاني أكسيد الكربون والهيليوم وحتى مع الهيدروجين.
لقطات أرشيفية لاختبار ML-1. المصدر: youtube.com
لكنها كانت سلسة فقط على الورق. كانت أكبر مشاكل ML-1 هي دوران النيتروجين عبر نظام مغلق تحت ضغط تسعة أجواء. في نفس الوقت ، عند مدخل المنطقة الساخنة ، كانت درجة حرارة الغاز حوالي 420-430 درجة ، وعند الخروج ارتفعت درجة حرارته إلى 650. فشل المهندسون في ضمان إحكام أكثر أو أقل من دائرة التبريد. تم تركيب جهاز استرداد الطاقة خلف التوربين الغازي والمصمم لنقل جزء من الطاقة غير المستخدمة للبخار شديد السخونة إلى دائرة تبريد الغاز مما أدى إلى تعقيد التصميم بشكل خطير. أدى هذا إلى زيادة الكفاءة بنسبة اثنين في المائة ، ولكنه أدى إلى تعقيد التصميم بشكل كبير. وأخيرًا ، كان التعقيد الأخير هو اختراق نظام أنابيب المياه لحزم عناصر الوقود. تم توفير الماء في هذه الدائرة تحت ضغط ، ولم يسخن فوق 120 درجة ولعب دور وسيط نيوترون في المفاعل. تم تعبئة الهيكل بأكمله في أربع حاويات شحن بوزن إجمالي 38 طنًا. توقع الأمريكيون نقل ML-1 ليس فقط على المقطورات ، ولكن أيضًا في عنبر النقل العسكري C-130.
لأول مرة ، عملت AEChS المدمجة في عام 1962 ، ولكن لبضع دقائق فقط. تم الإطلاق التالي في نهاية شتاء عام 1963. في المجموع ، عمل المفاعل حوالي 100 ساعة ، ولكن بسبب العديد من العيوب والعيوب ، تم إغلاقه. تم تصدع اللحامات الملحومة لأنابيب المياه ، وتسرب النيتروجين باستمرار من دائرة التبريد تحت ضغط عالٍ ، ولم تصل الطاقة القصوى حتى إلى 200 كيلو واط. كانت القيمة المحسوبة حوالي 300 كيلو واط. بعد مراجعة كبيرة ، تم إطلاق ML-1 مرة أخرى في ربيع عام 1964. كان المفاعل يعمل بشكل غير مستقر للغاية ، ولم يتمكن من الوصول إلى الطاقة المطلوبة وتطلب اهتمامًا مستمرًا. لكن تم إغلاق المشروع ليس لهذا السبب. بحلول منتصف الستينيات ، بدأت حرب فيتنام تلتهم معظم ميزانية الدفاع ، وتقرر تجميد جميع المشاريع غير ذات الأولوية. خصصت هيئة الطاقة الذرية ، خلال جلسات الاستماع ، التمويل فقط لإنجاز العمل والحفاظ على البرنامج. من المحتمل أنه مع التمويل الكافي ، كان الأمريكيون سيضعون في اعتبارهم المشروع - من الممكن أن يتم ذلك مع إعادة هيكلة كاملة للمفهوم.
تجربة الاتحاد السوفيتي
على عكس الأمريكيين ، تبين أن أول مفاعل نووي محلي ذاتي الدفع كان أكثر نجاحًا. وهي تحمل اسم TES-1 وهي أول محطة طاقة نووية متنقلة في العالم. لم يسحب المجمع على الإطلاق دور النقل الجوي ، ولم يكن هناك مثل هذه المهمة. تم إنشاء TPP-1 لتزويد المستوطنات المدنية البعيدة والمنشآت العسكرية بالطاقة. كان من المفترض أن يتم تسليم المنصات الأربعة المتعقبة للمجمع عن طريق السكك الحديدية ، وستصل إلى مكان النشر بمفردها. ولدت فكرة إنشاء مفاعل نووي متحرك في عام 1957 داخل جدران معهد أوبنينسك للفيزياء وهندسة الطاقة ، والذي كان يحمل في ذلك الوقت الاسم المشفر "المختبر الخامس". في المجموع ، تم ربط ما لا يقل عن ستة عشر مبنى متخصصًا بالمشروع ، بدءًا من معهد الأبحاث التابع لوزارة الدفاع وانتهاءً بمصنع بناء العربات. كما ذكرنا سابقًا ، لم يكن المشروع السوفيتي مقيدًا بشكل خطير بخصائص الوزن ، وبالتالي فقد تم حرمانه من الابتكارات المحفوفة بالمخاطر. باعتباره قلب محطة الطاقة النووية ، اختاروا مفاعل الماء المضغوط الذي تم اختباره في ذلك الوقت ، حيث تقوم المياه النقية بعمق بتبريد عناصر الوقود ، وعند الخرج تنقل الطاقة من خلال مبادل حراري إلى دائرة بها توربين ومولد. كان ضغط الماء في دائرة التبريد 130 ضغطًا جويًا ، وهذا جعل من الممكن الحفاظ على التدفق في حالة سائلة حتى عند 300 درجة مئوية. في الوقت نفسه ، لم يتجاوز الضغط في مولد البخار 20 جوًا ، وذهب البخار المحمص إلى التوربينات بدرجة حرارة 280 درجة.
تُظهر الصورة العلوية موضع عمل المنصات المتعقبة TES-3 مع مولد توربيني ووحدة تحكم
اتضح أن التصميم مرهق وتم وضعه على أربعة هياكل ممدودة لهيكل ثقيل خزان T-10 - تمت زيادة عدد عجلات الطرق على كل جانب من 7 إلى 10. يوجد المفاعل على هيكل واحد ، ومولد البخار في الثاني ، والتوربين مع المولد في الثالث ، ومركز التحكم قيد التشغيل الرابع. بلغ الوزن الإجمالي لمحطة الطاقة النووية ذاتية الدفع 310 أطنان. تم تقديم مساهمة كبيرة في هذه الشدة من خلال الحماية البيولوجية المدمجة - خزان الرصاص بسمك 100-190 مم ، والذي تم ملؤه بمحلول حمض البوريك مع بداية العمل. في حالة الانتشار ، تم التحكم في تشغيل المجمع من خلال نوبة من ثلاثة أشخاص. من أجل التشغيل الآمن لـ TPP-3 ، كان من المستحيل ببساطة تركيب أربع مركبات ذاتية الدفع في المنشأة ، وبدء تشغيل المفاعل والاتصال بالشبكة. كان أحد المتطلبات المهمة هو بناء حاجز ترابي أو نوع من كابونيير حول منصات مع مفاعل ومولد بخار. بالطبع ، كان المفاعل يعمل فقط في وضع النشر ، عندما تم توصيل جميع الآلات الأربع بواسطة خطوط الأنابيب وكابلات الطاقة. ولكن ماذا تفعل عندما تحتاج إلى تغيير مكان النشر ، ولم يتم تبريد مجموعات الوقود بعد؟ لا يمكن لغطاء التبريد المائي العمل بسبب إيقاف تشغيل مولد البخار في وضع التخزين. للقيام بذلك ، تم توفير مبرد هواء على الناقل الأول ، مما أدى إلى تبديد الحرارة المتبقية من مفاعل التبريد. كان من المفترض أن يتم تغيير مجموعات الوقود المستهلك في الميدان باستخدام رافعة 25 طنًا.
نموذج TPP-3. المصدر: Comfortdrive.ru
استمر التشغيل التجريبي لـ TPP-3 على أراضي أول محطة للطاقة النووية الثابتة في العالم في Obninsk من عام 1961 إلى عام 1965 ولم يتسبب في أي شكاوى أساسية. وصلت الماكينة بثقة إلى أقصى قوة تصميم تبلغ 1500 كيلو وات ، واستغرقت عملية تجميع الوقود الواحدة 250 يومًا.
تم اختبار منصة مع مولد توربيني في كامتشاتكا في الثمانينيات. بقيت الآلات الثلاث المتبقية TES-80 في Obninsk
في عام 1964 ، تم تلخيص النتائج الأولية للتشغيل التجريبي لمفاعل متنقل في مجلة الصناعة "Atomic Energy":
"أظهر بناء وتشغيل محطة TPP-3 أن تجربة إنشاء محطة نقل كبيرة الحجم مع مفاعل ماء مضغوط كانت ناجحة تمامًا. أكد التشغيل طويل الأمد لـ TPP-3 الموثوقية وإمكانية التحكم الجيدة وسهولة الصيانة لهذا النوع من المحطات. في الوقت نفسه ، أظهر تشغيل TPP-3 أن هناك فرصًا لمزيد من التحسين ، على وجه الخصوص ، أتمتة أكثر اكتمالاً ، وزيادة مدة الحملة حتى 2-3 سنوات ، والانتقال إلى التداول الطبيعي للحملة. المبرد عندما يبرد المفاعل ، وما إلى ذلك "
معلومات