Локомотивы на атомном ходу
В конце декабря 2023 года я написал текст «Несвоевременная технология подземных лодок и геоходов», весьма положительно воспринятый Хабром. В той статье было рассказано, как в начале и середине XX века проектировались циклопические подземные машины, напоминающие гибрид метростроевского проходческого щита и подводной лодки. Подобные концепты возникали не только по причине обычной инерции мышления, но и из-за всеобщего воодушевления атомной энергией. Атомная электростанция по состоянию на середину XX века оставалась самым «зелёным» источником энергии, но при этом уверенно выигрывает как у солнечных, так и у ветряных электростанций по стабильности генерирования электричества. На атомный ход удалось перевести и многие виды транспорта. Первая атомная подводная лодка USS «Nautilus» была спущена на воду в США в начале 1954 года, первый атомный ледокол «Ленин» создан в СССР в 1959 году, а в середине 1950-х в СССР началась разработка атомного самолёта. Этот проект завершить не удалось, а в США уже в 1955 году совершил первый полёт военный атомный самолёт Convair NB 36-H. Менее известны проекты локомотивов на атомном ходу, притом, что такие машины логично вписываются в эволюционную цепочку «паровоз-тепловоз-электровоз». Именно о таких атомных локомотивах будет рассказано под катом.
Чтобы конкурировать с обычными поездами, локомотив на атомном ходу должен сочетать экологические и ходовые преимущества. Он бы не давал никакого углеродного следа, мог бы делать десятки рейсов без дозаправки и, кстати, переход на подобные локомотивы сильно упрощал бы строительство промежуточных экипировочных устройств. Выгода от использования такого транспорта была бы тем выше, чем протяжённее железнодорожная сеть, особенно, если на некотором участке нужно сравнительно редко перевозить очень большой груз одним составом (например, при подвозе грузов на космодром). В 1950-е годы предполагалось, что в идеале такую железнодорожную линию следовало бы протянуть вдоль изрезанного и труднодоступного морского побережья. В качестве тестового маршрута предполагалось попробовать пустить поезд от Лондона до Шотландии, а затем попробовать адаптировать технологию на Дальнем Востоке (в России и Китае), после этого в Бразилии, ЮАР и других странах.
Модель X-12
В 1950-е годы опасность радиационного загрязнения и техногенных катастроф с радиоактивными материалами была сильно недооценена. Неудивительно, что в том же 1954 году, когда появилась подводная лодка USS «Nautilus», доктор Лайл Борст из университета штата Юта предложил проект локомотива X-12, который бы работал на ядерном реакторе, заправленном ураном-235. Спроектировала этот реактор (очень компактный для своего времени) спроектировала компания Babcock & Wilcox. При всей футуристичности этой идеи, Борст подошёл к ней как бизнесмен, а не как учёный, продвигал её в Ассоциации американских железных дорог (AAR) и в отдельных железнодорожных компаниях. Борст акцентировал, что его локомотив может месяцами курсировать по маршруту и работать на сульфате урана-235 в водном растворе. Устройство такого типа уже существовало, оно называется «реактор на растворах солей» (AHR).
Локомотив X-12 должен был состоять из двух блоков-вагонов. В одном располагались реактор, турбина, конденсатор и генераторы, а во втором — система радиаторов и вентиляторов для теплоотвода. В сущности, X-12 представлял собой гигантский дизель-электрический аналог тепловоза, только вместо дизельного двигателя в нём стояли реактор и турбина. Далее схема традиционная: тепло от реактора даёт пар, пар крутит турбину, механическая энергия преобразуется в электрическую (в генераторе), а генератор запитывает двигатель. Вагон с двигателем имел 30 метров в длину, радиаторный вагон — около 20 метров. Суммарный вес X-12 приближался к 330 тоннам, примерно половина от этого показателя приходилась на экранирующую обшивку. Этот локомотив никогда не был крупнейшим из себе подобных, но по состоянию на 1950-е годы был пятым по массе.
Ради снижения габаритов пришлось отказаться от теплообменника и вторичного охладительного контура, поэтому турбину крутил пар, поступающий непосредственно от реактора. Естественно, этот пар получался крайне радиоактивным, а вслед за ним фонила вся турбина. Заниматься текущим ремонтом такой турбины было бы смертельно опасно, поэтому в идеале турбина должна была не менее 10 лет работать без техобслуживания. Ни на момент подготовки проекта, ни даже сейчас таких турбин не существует. Также из-за ограничения габаритов оказалось, что невозможно обойтись одним генератором, поэтому реактор подключался одновременно к четырём генераторам, каждый из которых должен был вырабатывать не менее 1,3 мегаватт энергии. Таких мощных и при этом компактных реакторов тогда также не существовало. Итак, этот проект продемонстрировал, что наземный ядерный транспорт гораздо сложнее и опаснее, чем атомная подлодка, атомный ледокол и даже атомный самолёт: ограничения по ширине железнодорожной колеи и общая сложность в обслуживании оказались запредельными. Тем не менее, при обычной эксплуатации такой локомотив мог бы развивать мощность в 7000 лошадиных сил и 10 000 лошадиных сил на пике.
До сих пор представляется, что именно реактор на растворах солей можно сделать максимально компактным, поэтому давайте подробнее остановимся на его устройстве.
Устройство локомотивного реактора на растворах солей
На большинстве современных АЭС используются легководные реакторы. В них холодная или кипящая вода используется для охлаждения реактора, работающего на твёрдых тепловыделяющих элементов. В свою очередь, топливом для реактора AHR является жидкий раствор уранилсульфата, который можно сравнить с топливным бульоном. AHR — одна из самых ранних моделей ядерного реактора, такой агрегат работал в Лос-Аламосе ещё в 1945 году.
В мобильном исполнении жидкостный реактор AHR выигрывает у других моделей сразу в нескольких отношениях. Конструкция такого реактора очень проста, у него ярко выражен отрицательный температурный и паровой коэффициент — таким образом, при повышении температуры смеси скорость реакции быстро падает. Следовательно, даже, если реактор вскипит, цепная реакция затухнет. Кроме того, именно реакторы модели AHR работает на минимальном количестве свободных нейтронов, именно это располагает не только к компактности реактора, но и к быстрому и сравнительно безопасному регулированию/изменению его мощности.
Наиболее серьёзный недостаток AHR-реактора — его быстрый износ из-за чрезвычайной коррозии. Уранилсульфат в принципе едкий, но раствор вдобавок находится под постоянным гамма-излучением, которое вместе с выделяющимся теплом катализирует реакцию, приводит к образованию свободных ионов водорода и отложению элементарной серы. Таким образом, длительная работа реактора без ремонта становится ещё менее реалистичной.
Объём реактора можно уменьшать за счёт повышения доли урана-235 в растворе почти до 100%. В ядерных таблетках для реактора на обычной АЭС доля урана-235 составляет около 5%. Таким образом, топливо для ядерного локомотива было бы очень дорогим. Наконец, для локомотивной реакторной установки требовалась бы камера для отвода ксенона (одного из продуктов реакции), так как именно ксеноновое отравление было одной из главных причин аварии на Чернобыльской АЭС.
Несмотря на все указанные недостатки, модель Борста была не последней в своём роде. Миниатюризация ядерного реактора для наземного транспорта на практике оказывается гораздо сложнее, чем адаптация ядерного реактора для подводной лодки, ледокола или (потенциально) космического корабля, поскольку в последних трёх случаях вполне можно увеличивать корпус судна, не опасаясь чрезмерно его утяжелить. Но, тогда как X-12 представляет собой «ядерный тепловоз», в начале XXI века предлагалась и более экзотическая модель «ядерного паровоза», где в качестве хладагента задумывалось использовать не воду, а жидкий гелий.
Ядерный Eskom-подобный паровоз
В начале XXI века уже были спроектированы и испытаны первые компактные ядерные реакторы, которые теоретически можно было бы установить на локомотив. Мини-реактор южноафриканской компании Eskom к 2002 году работал в диапазоне от 110 до 120 мегаватт и при этом мог эксплуатироваться без охладительного пруда. Более того, в 2007 году компания NuScale (Портленд, штат Орегон) в коллаборации с Университетом штата Орегон представила первый малый модульный реактор, доработка которого велась до конца 2023 года, но в итоге была свёрнута; установка не прошла сертификацию из-за проблем с безопасностью. Подробнее о развитии и закрытии этого проекта рассказано здесь. Тем не менее, если бы удалось сконструировать Eskom-подобный реактор, примерно вдесятеро слабее (12 мегаватт) и, соответственно, компактнее имеющихся образцов, он мог бы послужить тяговой установкой для локомотива. В 2001 году Гарри Валентайн, британский энтузиаст возрождения паровозов, предположил, что локомотив можно было бы запитать от мини-реактора и повысить безопасность конструкции, если применить несколько слоёв изоляции, а вместо (тяжёлой) воды применить в качестве хладагента жидкий гелий.
Топливо для локомотивного реактора, по рассмотренным выше причинам, должно быть жидким или мелкозернистым. Если опираться на технологию Eskom, то реактор можно было бы заполнять графитовыми шариками размером примерно с теннисный мяч, пропитывая эти шарики раствором урановых солей или заправляя порошкообразным ураном-235. В таком случае графит выступал бы в качестве замедлителя нейтронов, как в составе графитовых стержней в традиционном ядерном реакторе.
Экологические проблемы и перспективы
Очевидно, любая авария с участием атомного локомотива имела бы если не катастрофические, то трудноустранимые последствия. Не считая внешней экранирующей обшивки состава, требовалось бы помещать сам реактор в многоуровневую защитную конструкцию, устроенную в виде матрёшки, и предусматривать внешний слой тяжёлой вязкой жидкости, которая бы эффективно поглощала нейтроны, не давала разлиться хладагенту и при этом не воспламенялась.
Парадоксальным образом такие во многом взаимоисключающие условия наводят на мысль, что ядерный локомотив — вероятно, жизнеспособный транспорт для освоения Марса. В случае, если нам доведётся транспортировать грузы на Марсе, многие из описанных выше недостатков ядерного локомотива сглаживаются. Во-первых, на Марсе практически невозможен открытый пожар, так как на углекислый газ и аргон там приходится почти 97% атмосферы, а на кислород — 0,13%. Во-вторых, в силу низкого тяготения локомотив даже с миниатюрным реактором «земной» мощности обеспечивал бы на Марсе достаточную тягу, чтобы быстро доставлять массивные или сборные грузы. В-третьих, на Марсе вряд ли найдутся доступные источники углеводородного горючего (если верна современная биогенная концепция образования нефти, то их там не будет вообще), а доставить на Марс небольшой объём урана значительно проще, чем нефтепродукты. Наконец, на Марсе слишком тусклое солнце, поэтому крупный транспорт, такой, как локомотив, нельзя будет запитать солнечной энергией. Марсианский поезд было бы выгодно делать беспилотным, поскольку в таком случае не требовалось бы предусматривать на борту системы жизнеобеспечения и держать запасы кислорода. Те же соображения с небольшими вариациями, несомненно, окажутся актуальны и при колонизации Титана.
Поэтому возьмусь предположить, что локомотивы на атомном ходу — это не мертворождённый прожект времён хайпа новообретённой ядерной энергии, а задел на будущее и, возможно, ключевая транспортная технология при освоении ближних скалистых планет.
