Алекс (raigap) wrote,
Алекс
raigap

Categories:

Слегка оффтоп. Хотя ... Атомные поезда. Х-12 и другие. (США / ФРГ / СССР).

Тема-то вроде не моя. Но уж больно интересна. Поэтому сегодня решил нарушить свои же правила.

Начало 20-ого века поистине можно назвать временем электричества. За относительно небольшой период оно проникло абсолютно во все аспекты человеческой деятельности, и к концу 30-ых годов представить себе человечество без него уже было невозможно. И имея перед глазами такой пример, во второй половине 40-ых точно такой же победной поступи ждали и от атомной энергии. Атом должен был решить главную проблему электричества – необходимость подключаться к сети или постоянно менять источники питания. Атомная батарейка в кофеварке проработает десятилетия, и вероятнее всего прибор выбросят из-за поломки раньше, чем кончится заряд. К тому же такая батарейка сделает кофеварку мобильной, ей можно будет воспользоваться дома, можно взять её в гости или в путешествие. Но прежде чем дойти до бытовых приборов, атом должен был показать себя в больших вещах – атомных корабля, атомных самолётах, атомных машин и поездах. Именно о последних и хотелось бы поговорить. В русском сегменте интернета немного освещены советские проекты, а об американских работах на эту тему лишь пара слов. И это хотелось бы исправить ...


1




Об атомных поездах заговорили практически сразу после окончания Второй Мировой войны, так в марте 1946 года в журнале Mechanix Illustrated вышла статья "Atomic Engines for Peace", в которой освещалась возможность использования атомного реактора в поездах. Предлагалось при помощи тепла от реактора нагревать воду, приводящую в движение паровые турбины, которые в свою очередь будут питать электрогенераторы. Так же нагретую воду можно использовать для обогрева вагонов. По предварительным расчётам ядерный двигатель будет на 40% легче, чем обычный двигатель внутреннего сгорания тепловоза такой же мощности. Кроме того, подобный атомный локомотив не надо дозаправлять, а значит, его можно не менять на всём протяжении пути. Но пока идеи оставались идеями.

2
Атомный локомотив в представлении Mechanix Illustrated

Впервые по серьёзному занялись созданием атомного двигателя для локомотива в 1952 году, при чём, всё началось со студенческого проекта. Весной 52-ого года профессор Лайл Борст (Lyle Borst) успевший принять участие в Манхэттенском проекте и преподававший в то время ядерные технологи в университете Юты, задумал дать старшей группе студентов максимально сложную задачу для выпускного проекта. После недолгих размышлений он решил, что это будет создание реактора пригодного для использования в локомотивах и двигательной установки для него. По мнению Борста эта задача была достаточно сложной на то время, и он не смог найти ни одного известного исследования на эту тему, а значит, студенты не могли бы смухлевать. В группу были включены уже окончившие институт аспиранты для помощи, а основу составили студенты старших курсов. К лету 1952-ого года они проверили предварительные исследования и предоставили их Борсту – результат был обнадёживающим, создание малого реактора было вполне возможным. И это привлекло интерес и самого профессора, он увидел в атомном локомотиве не только поезд, но и возможность создать достаточно компактные атомные реакторы и тем самым поддержать мирное развитие атомной энергетики. С этого момента Борст лично возглавил группу исследователей и вплотную занялся проектом.

3
Конструкция атомного локомотива в представлении Mechanix Illustrated

Главной сложностью, вставшей перед командой, был размер реактора. Если вес почти не был проблемой, то для установки атомного котла на локомотив требовалось строго соблюсти все габариты – высоту, а главное ширину реактора. Возникали и другие проблемы. Так как первоначальный состав группы почти не разбирался в локомотивостроении, с 1953 года Борст начал активно привлекать для работ сначала своих знакомых инженеров-железнодорожников, а позже и специалистов из таких известных фирм как Commonwealth Edison, Westinghouse и Babcock & Wilcox.

4
Сравнение атомного локомотива Х-12 и других вариантов локомотивов

Это стало возможно после получения федерального гранта на исследования осенью 1953 года. Полученная сумма хоть и была небольшой, но позволила спокойно проектировать ядерный локомотив, хотя об натурных испытаниях пока речи идти и не могло. Именно в этот период проект получил и название - X-12. Создаваемый локомотив предназначался исключительно для грузовых перевозок, поскольку существующие и перспективные технологии помочь в создании атомного пассажирского поезда пока не могли.

5
Атомный локомотив Х-12Внутреннее устройство Х-12

К середине 1954 года проект стал принимать видимые очертания. Локомотив Х-12 должен был состоять из двух секций. В первой располагался реактор, турбина, конденсаторы и генераторы. Кроме того, в первой секцией располагалась и кабина машинистов, потому реактор был хорошо экранирован. Всё это весило 326 тонн, потому первая секция размещалась на трёх трёхосных тележках. Так же реактор выделял слишком много лишнего тепла, и вся вторая секция была занята радиаторами, утилизирующими это тепло. Она имела две тележки - первую с тремя осями и вторую с двумя. Общая длина двух секций составляла 49 метров – тем самым хоть Х-12 не был самым большим локомотивом на тот момент, он явно входил в первую пятёрку. Борст и его группа решили не мудрить и использовали в локомотиве уже отработанную схему тепловоза, только заменив дизельный двигатель реактором и турбиной. Реактор генерирует пар, который раскручивает турбины, которые приводят в действия генераторы. В локомотиве располагалась одна турбина, питавшая четыре генератора, каждый мощностью 1,3 Мвт. Ведущими являются все 9 осей первой секции и три оси первой тележки второй секции. В итоге локомотив выдавал 8000 лошадиных сил в обычном режиме и мог форсироваться до 10000 лошадиных сил на небольшое время. К сожалению, в ограниченном объёме так и не удалось поместить двухконтурную систему передачи тепла, и в турбину поступала радиоактивная вода прямо из реактора, загрязняла её. Потому предполагалось турбину сделать без возможности обслуживания – каждые полтора года загрязнённая турбина вынималась бы из локомотива и заменялась на новую. Это хоть и привело бы к увеличению эксплуатационных расходов, но выгода от использования атомного реактора их всё равно бы перекрывала.

6
Конструкция турбины Х-12

Сердцем Х-12 должен был стать водяной ядерный реактор с гомогенной активной зоной. В этом варианте активная зона реактора представляет собой гомогенную смесь ядерного горючего с замедлителем, тепловыделяющие элементы отсутствовали. Выбор в пользу такой схемы был обусловлен тем, что данный тип реактора на тот момент был наименее секретен и достаточно прост для создания. Кроме того, он был прост и в обслуживании, а в случае перегрева реактора и его закипания благодаря малому паровому коэффициенту реактивности реакция самостоятельно прерывалась. Так же эта схема отличалась небольшим расходом ядерного топлива и возможностью оперативно изменять выходную мощность. Основной же минус подобной конструкции - быстрый износ конструкции реактора предлагалось преодолеть, используя новые материалы, в том числе и ещё находящиеся в разработке.

7
Внутреннее устройство Х-12


В итоге размер реактора составил 1 метр высоты и 1 метр ширины и 0,4 метра длинны. В реакторе находилось 19,8 килограмм высокообогащённого урана (с 80-типроцентным содержанием урана-235) растворённого в 357 литрах воды. Выбор в пользу оружейного урана был сделан из-за крайне малого объёма реактора. Средняя температура смеси в рабочем режиме - 237 градусов по Цельсию. Постоянную циркуляцию смеси во избежание осаждения урана и для поддержания постоянной температуры обеспечивали два насоса в верхней части реактора. Для контроля реакции имелись отражатели и стержни из бора и стали. В обычном режиме реактор производил 30 МВт тепловой энергии. Для передачи этой энергии через рабочую зону реактора проходило 10000 трубок с водой. Вода в них превращалась в пар, который поступал в турбину, раскручивая её до 6000 оборотов в минуту. После пар попадал в конденсаторную секцию, где снова превращался в воду и отправлялся обратно к реактору.


8
Ранняя конструкция ядерного реактора Х-12

Для защиты от радиации реактор был окружён водой и экранирован защитой из стали с промежутками парафина и гипса. Кроме того, предполагалось применить подобный материал и в конструкции генераторов, тем самым, использовав их так же в качестве защиты. Управлять реактором должны были два специально обученных инженера, находящиеся в предельной близости к зоне реактора. По расчётам максимальный срок безопасной работы для них составлял год, сменами через три дня. После во избежание накопления вреда от радиации предлагалось переводить этих инженеров на другие должности. Серьёзное внимание было уделено экстренной остановке реактора в случае аварии локомотива. Конструкция локомотива была специально просчитана, что бы погасить удар (подобная конструкция используется в современных автомобилях). Кроме того, защитная оболочка так же была рассчитана на дополнительную амортизацию удара. В конструкцию управляющих стержней был заложен механизм, освобождающий все стержни при резком изменении скорости, тем самым в случае аварии реактор будет остановлен. Так же имелась максимально простая и надёжная система охлаждения реактора, которая могла бы функционировать и после удара и предотвратить расплавление реактора до прибытия аварийных команд. В январе 1954 года Борст развернул рекламную компанию Х-12 в научно-популярной прессе – за зиму и весну об атомном локомотиве написала практически каждое научно-популярное издание в Америке и многие в мире. Основной целью этой компании было нахождение инвестора для дальнейшего развития проекта. По расчётам для постройки первого испытательного локомотива команде Борста требовалось 4 миллиона долларов на исследования и 1,2 миллиона долларов на саму постройку (разумеется, все цены по курсу 1954 года). Кроме того, необходим был доступ к мощностям крупного железнодорожного завода. Подобные траты компенсировались выгодой от отсутствия необходимости постоянно заправлять локомотив, возможности его непрерывного использования в течение дней, а то недель. В итоге один локомотив окупал бы себя за 10 лет работы, а при постройке 5 локомотивов все затраты будут окуплены за 12 лет. Основную выгоду давало использование Х-12 на дальних и сверхдальних маршрутах. Так команда Борста предлагала использование Х-12 на проектируемой в то время панамериканской магистрали, проходящей через всю Северную и Южную Америку. Средний грузовой состав для Х-12 оценивался в 120 вагонов весом до 20000 тонн при скорости в 80 километров в час.

9
Поздняя конструкция ядерного реактора Х-12

Забавной особенностью было то, что реактор запускался исключительно на заводе при выпуске локомотива из цехов и после доступ к нему был практически невозможен. Предполагалось, что реактор данного типа спокойно прослужит 3 года, после чего локомотив снова придёт на завод, где произойдёт замена реактора. Как уже говорилось выше, каждые полтора года заменялась турбина, но это могло выполняться и на специально созданной станции обслуживания. Каждые полгода на этой же станции в реактор добавлялось 50 литров водно-урановой смеси для дозаправки. В этом моменте команда Борста допустила ошибку или сознательно схитрила – поскольку стоимость оружейного урана на тот момент была секретна, Борст указал её в 20 долларов за грамм, в то время как в реальности на тот период оружейный уран стоил до 120 долларов за грамм. При использовании реальной цифры экономичность Х-12 серьёзно снизилась бы. Разрабатывалась два варианта локомотива с экипажем в 2 и 4 человека. В первом случае отсутствовали инженеры, наблюдающие за реактором, и поскольку команда Борста была уверена в надёжности своего атомного котла, именно этот вариант был выбран основным.

10
Схема локомотива Х-12

К 1955 году Борст представил проект своей группы на нескольких конференциях и выставках, но при высоком интересе публики у потенциальных заказчиков было много вопросов. Практически сразу от проекта отказались военные – они признали, что в будущем атомные поезда возможно займут своё место на железных дорогах, но пока все их требования удовлетворяли и обычные локомотивы. У частных фирм интереса была куда больше, наибольшую заинтересованность проявили в Babcock & Wilcox, где в 1955 году была собрана комиссия для анализа проекта. После 2 месяцев исследований выводы были неутешительны – Х-12 был признан хоть и перспективным, но чрезмерно опасным, в случае аварии убытки были бы настолько большими, что перекрыли бы всю возможную выгоду.

11
Иллюстрация локомотива Х-12

Многие изобретатели зацикливаются на своём детище, годами, а то и десятилетиями, пытаясь протолкнуть его в жизнь. Лайл Борст был не таким. Поскольку у проекта в ближайшее время не было перспектив, он принял решение о его закрытии. Вся команда получила неоценимый опыт работы и теперь могла спокойно двигаться дальше как по науке, так и по карьере. Продолжил научную деятельность и сам Борст, без сомнений оставив Х-12 позади. Позже он вспоминал, что возможно прояви он большую настойчивость, возможно, мог бы проложить Х-12 дорогу в жизнь хотя бы в качестве прототипа. Но шансы на это были откровенно маленькие и, потому Борст никогда не сомневался в правильности решения закрыть проект атомного локомотива. На этом история Х-12 заканчивается, но история атомных поездов только начинается.

До появления Х-12 о поездах с ядерными реакторами писали только фантасты и журналисты, но создание настолько проработанного проекта показало, что атомный локомотив вполне возможно создать и случится это может уже скоро. И многие инженеры решили или обогнать команду профессора Борста, или хотя бы стать вторыми. О последовавших за Х-12 проектах мы и поговорим.

12

Х-12 Борста и команды вызвал немалый интерес на Атомном промышленном форуме в 1954 году. Многие фирмы, хоть и не были готовы финансировать разработку профессора, но были не прочь провести свои собственные исследования. Так Американская Ассоциация Железных дорог (Association of American Railroads) сразу после окончания форума поручила своему члену Брюсу Ганнелу (Bruce Gunnel) проработать проект атомного поезда. Ганнел был железнодорожным инженером, а не физиком, и его работа позволила бы взглянуть на вопрос локомотива с атомным реактором со стороны железнодорожников. Брюс работал в одиночку, привлекая специалистов-атомщиков лишь для консультаций, и поскольку проект необходимо было подготовить к следующему Атомному промышленному форуму, он был куда менее проработан, чем Х-12.

13
Атомный локомотив Брюса Ганнела

Основным отличием проекта Ганнела от Х-12 стало использование не паровой турбины с реактором, а газотурбинного ядерного двигателя прямого цикла. Вместо воды через реактор пропускался забираемый воздух, который и раскручивал вал турбины. Интересно отметить, что никакой очистки воздуха после прохождения турбины не предполагалось. Двигатель такого типа занимал куда меньше места, чем предложенный Борстом и весил всего лишь 38 тонн вместе с экранированием, расчётная мощность – 3000 лошадиных сил. Реактор, турбину и генераторы предполагалось разместить в одной секции на двух трёхосных тележках. Общий вес локомотива – 170 тонн, длинна 21 метр. В отличие от Х-12 сам реактор подробно не прорабатывался, кроме того, что он был твердотопливным и с воздушным охлаждением. Кроме того, Ганнел провёл экономическую оценку проекта – общая стоимость всей программы составила бы 20 миллионов долларов, стоимость одного локомотива – 1 миллион долларов. Так же расчёты показывали, что стоимость эксплуатации ядерного локомотива будет в 2,58 раз выше, чем у тепловоза аналогичной мощности. Из этого Ганнел сделал вывод, что экономически в тот момент постройка атомного локомотива абсолютно не имеет смысла, а так же любая авария может повлечь настоящую катастрофу, ведь зона заражения может распространиться на сотни метров. Но по мере исчерпания запасов ископаемого топлива подобные проекты будут крайне нужны, потому необходимо уже сейчас начать работу над ними. Брюс Ганнел предполагал, что оптимальным будет постройка таких локомотивов военными, для использования в специальных зонах (зоны военных конфликтов или тому подобное).

14
Один из проектов атомных локомотивов Американской Ассоциации Железных дорог - А-100

В 1955 году проект был представлен на Атомном промышленном форуме, но интереса не вызвал. В последствие на его основе в Американской Ассоциации Железных дорог были проработаны ещё несколько проектов с 1956 год по 1959. Эти проекты даже получили поддержку от политиков – так сенатор Джон Батлер активно продвигал возможность постройки испытательного поезда с атомным реактором в комиссии по атомной энергетике, и даже предлагал использовать его для своей рекламной кампании как "Поезд свободы", который будет нести "свет прогресса в самые отдалённые уголки Америки". Но выполнить свои обещания ему не удалось, не удалось найти и крупных фирм, готовых финансировать подобный проект. Так же с 1955 по 1962 год на средства фирмы "Западные железные дороги" (Western Railroad) проходила работа по созданию поршневого атомного двигателя. Предполагалось, что такой двигатель будет куда меньше чем в схеме реактор плюс турбина. Кроме того изучалась возможность добавления в дизельное топливо облучённого гамма-лучами порошка угля. На проект было потрачено 100000 долларов, но приемлемые результаты получены не были.

15
Проект атомного локомотива, разработанного в Западной Германии

После активной рекламы Х-12 в прессе, подобными проектами заинтересовались и в других странах. В 1956 году правительство Западной Германии профинансировало разработку атомного локомотива мощностью 6000 лошадиных сил, весом 175 тонн и длинной 35 метров. Локомотив состоял из одной секции на четырёх двухосных тележках. Предполагалось использование гелиевого ядерного реакторам стоимостью 500000 долларов. Но из-за не лучшей финансовой ситуации в стране, проект не был реализован. К сожалению других подробностей по проекту мне найти не удалось.

Не прошло увлечение ядерными поездами и мимо СССР. В 1956 году группа студентов Технического университета имени Баумана подготовила свой собственный проект атомного локомотива. Проект во многом напоминал Х-12, в нём так же использовалось две секции, в одной размещался реактор, в другой паровая турбина мощностью 5500 лошадиных сил и генераторы. Вес локомотива 450 тонн, длина 50 метров, 12 осей в первой секции и шесть во второй. Особое внимание в проекте было уделено конструкции ядерного реактора – через рабочую зону реактора проводится жидкий натрий, нагреваемый до 450 градусов, который в свою очередь в теплообменнике кипятит воду второго контура. Мощность с турбины передаётся на двенадцать генераторов, для каждой оси первой секции локомотива – один генератор. Реактор занимает цилиндр шириной 1,5 метра и высотой 2 метра и несёт в себе полторы тонны урана. Такой размер был выбран из-за желания использовать в проекте не оружейный уран, а низкообогащённый, для экономии.

16
Схема атомного реактора "баумоновского" атомного локомотива

Ещё ранее, в процессе разработки, было предложено установить подобный реактор не на обычный локомотив, а использовать его на разрабатываемом в то же время проекте сверхширокой железной дороги (дальнейшее развитие немецкой Breitspurbahn на основе трофейной документации). Предполагалось связать сверхширокой колеёй все республики СССР уже к 1980 году. Так могла быть решена проблема с ограниченными размерами реактора и размещением должного уровня защиты от радиации. Эта идея была освещенная в мартовском номере Техники молодёжи за 1955 год, но, поскольку сам проект сверхширокой колеи в 1956 году был признан неподъёмным для СССР, не было смысла начинать проработку атомных локомотив для неё. "Финальный" проект хоть и был защищён на отлично, но его реализация была бесперспективной, поскольку атомный локомотив не имел экономических преимуществ перед обычным тепловозом.

17
Атомный локомотив со сверхширокой колеёй

Позже идея постройки атомных поездов всплывала в прессе не раз. Атомные поезда предлагалось пускать по специальным стеклянным трубам, тем самым уменьшая шанс столкновения. Выдвигалась идея оснастить ядерным двигателем поезд на воздушной подушке. Неизвестно велись ли серьёзные работы над подобными проектами или это были простые фантазии.

18
Атомный локомотив на воздушной подушке

В последний раз атомные поезда вернулись в СССР в 80-ых годах. К тому времени на западе увлечение атомом давно прошло, и наоборот крепчало движения борцов со всем атомным, от ядерного оружия до атомных электростанций. Представить в то время разработку на Западе проекта локомотива с реактором почти невозможно. Но вот в СССР со всем эти было проще. С 1983 по 1986 год ВНИТИ и Коломенский завод совместно разработали проект атомного локомотива (атомовоза) с реактором на быстрых нейтронах типа БОР-60. Локомотив предполагалось создать на основе серийного тепловоза 2ТЭ116. Атомовоз состоял из трёх секций – две крайние базировались на узлах 2ТЭ116, в них размещалась газотурбинная установка Д-012Т-3, в центральной секции размещался реактор. Схема установки трёхконтурная, теплоноситель первого и второго контура - натрий-калий, третий контур - воздух. Тепловая мощность реактора - 30 Мвт, итоговая касательная мощность локомотива на ободе колёс - 6 МВт.

19
Проект атомного локомотива (атомовоза) от ВНИТИ и Коломенского завода

Особое внимание в проекте уделено безопасности – большая часть центральной секции занимает биологическая защита, которая обеспечивает выполнение всех норм радиационной безопасности. Каркас центральной секции разработан специально, чтобы гасить удар и не допускать деформации реакторной секции. Кроме того, атомовоз имеет вспомогательный дизель-генератор для перемещения без использования атомного реактора. Предполагалось использовать этот локомотив не только для дальних перевозок, но и как мобильную атомную станцию для строительных работ или обеспечения электроэнергией небольших населённых пунктов. Этот проект можно назвать наиболее проработанным из всех вышеперечисленных и его создание вполне было бы возможно. Неизвестно, почему он так и не нашёл путь в реальность, но по некоторым упоминанием в этом можно винить Чернобыльскую катастрофу.

На этом история атомных локомотивов пока заканчивается. В прессе иногда всплывает информация о подобных проектах, но сказать о них что-то конкретное нельзя.

Источник - https://youroker.livejournal.com/
Tags: СССР, США, ФРГ, железнодорожная техника, транспортный
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments