Samohybné jadrové reaktory – nápady neumierajú
Myšlienka mať možnosť využívať malý jadrový reaktor je dobrá, povedzme si prečo. Takáto jednotka vyžaduje dodávku paliva raz ročne alebo ešte menej často, nevznikajú žiadne toxické emisie a neexistujú žiadne špeciálne problémy s organizáciou paralelného zásobovania teplom zariadenia. Všestrannosť kompaktnej a hlavne mobilnej jadrovej elektrárne umožní využitie zariadenia na civilné účely, napríklad na zásobovanie dedín pracujúcich na zmeny na Ďalekom severe. Obmedzeniami rozšíreného používania malých jadrových elektrární sú vysoké požiadavky na kvalifikáciu operátorov a obavy z pravdepodobných následkov havárie. Po Černobyle a Fukušime vyvolávajú strach medzi verejnosťou aj stacionárne jadrové reaktory, no tu sme hovorili o kolesových a pásových vozidlách. Napriek tomu pokrok nemožno zastaviť a kompaktné jadrové elektrárne skôr, či neskôr zaujmú svoje miesto v civilnom sektore aj vo vojenskej službe. Navyše v polovici minulého storočia sa v tejto oblasti nazbierali značné skúsenosti.
Hlavnými hráčmi globálneho jadrového priemyslu sú už tradične Rusko a Spojené štáty americké. Začnime s americkými skúsenosťami s vytváraním malých jadrových reaktorov pre vojenské potreby. S najrozsiahlejšou sieťou vojenských základní na svete Pentagon správne dúfal, že vytvorí univerzálny zdroj energie, ktorý by zabezpečil vysokú autonómiu zariadenia.
Prvým bol ML-1 Mobile Power System, vyvinutý a testovaný v rokoch 1961-1965. Myšlienkou bolo vytvoriť malý jadrový reaktor, ktorý by mohol nielen poskytovať teplo a elektrinu základniam, ale aj systém premiestniť podľa potrieb jednotiek. Inžinieri sa pokúsili postaviť unikátny reaktor, v ktorom by bol inertný plyn dusík zodpovedný za prenos tepla z palivových článkov. Aj teraz sa to zdá ako netriviálne rozhodnutie, ale v 60. rokoch sa to zdalo mimoriadne riskantné. Samotná myšlienka plynového chladenia jadra reaktora nie je nová a prvýkrát bola implementovaná už v roku 1956 v experimentálnej jadrovej elektrárni Calder Hall vo Veľkej Británii. Chladiacim činidlom bol oxid uhličitý pod tlakom 7,8 atmosféry, ktorý sa na výstupe z aktívnej zóny zahrieval až na 345 stupňov Celzia. Ako v každom klasickom reaktore, prehriaty plyn sa posielal do parogenerátora, kde preniesol svoju energiu na kvapalnú vodu a tá zase do turbíny generátora. Oxid uhličitý je dobrý v reaktore do určitej hranice. Akonáhle sa teplota grafitových tyčí priblíži k 500 stupňom, CO 2 s nimi vstupuje do chemickej reakcie. Preto je potrebné obmedziť výkon aj účinnosť jadrovej elektrárne. Z rovnakého dôvodu sa ako primárne chladivo nepoužíval vodík – pri teplotách nad 700 stupňov sa na povrchu grafitových tyčí tvorili uhľovodíky.
Drahou alternatívou je hélium vzácneho plynu, ktoré umožňuje zrýchliť teplotu horúcej zóny na 1000 stupňov alebo viac. Ale je veľmi ťažké ho získať a vyčistiť od škodlivých nečistôt, ako je vodík, oxid uhoľnatý a oxid uhličitý, ktoré nie sú schopné pracovať pri takýchto teplotách. Prvá jadrová elektráreň využívajúca hélium ako chladiaci plyn sa objavila v USA v roku 1966 v Peach Bottom. Pokusy použiť dusík na chladenie aktívnej zóny reaktora v mobilnom ML-1 sú pochopiteľné. V prípade masívneho úniku, ktorému sa nedá vyhnúť, dokážete primárne chladivo dostať doslova zo vzduchu. K tomu je potrebné zahrnúť do súpravy jednotku na skvapalňovanie a čistenie plynov. V teréne je to oveľa jednoduchšie ako hranie sa s oxidom uhličitým, héliom a ešte viac s vodíkom.    Archívne zábery z testovania ML-1. Zdroj: youtube.com
Hladké to však bolo len na papieri. Najväčšie problémy ML-1 boli s dusíkom, ktorý cirkuloval cez uzavretý systém pod tlakom deväť atmosfér. Zároveň na vstupe do horúcej zóny mal plyn teplotu asi 420-430 stupňov a na výstupe sa oteplil až na 650. Inžinieri nedokázali zabezpečiť viac-menej dostatočnú tesnosť chladiaceho okruhu.
Konštrukciu vážne skomplikoval rekuperátor energie inštalovaný za plynovou turbínou a určený na odovzdanie časti nevyužitej energie prehriatej pary späť do okruhu chladenia plynu. To zvýšilo účinnosť o niekoľko percent, ale výrazne skomplikovalo dizajn. A napokon poslednou komplikáciou bol systém vodovodných potrubí obkolesujúcich zväzky palivových tyčí. Voda v tomto okruhu bola dodávaná pod tlakom, nezohrievala sa nad 120 stupňov a fungovala ako moderátor neutrónov pre reaktor. Celá konštrukcia bola zabalená do štyroch prepravných kontajnerov s celkovou hmotnosťou 38 ton. Američania očakávali prepravu ML-1 nielen na prívesoch, ale aj v nákladnom priestore vojenského transportéra C-130.
Prvýkrát kompaktný AES fungoval v roku 1962, hoci len na pár minút. Ďalšie spustenie sa uskutočnilo koncom zimy 1963. Celkovo reaktor fungoval asi 100 hodín, no pre mnohé závady a nedostatky bol odstavený. Zvary vodovodného potrubia praskali, z chladiaceho okruhu pod vysokým tlakom neustále unikal dusík a maximálny výkon nedosahoval ani 200 kW. Vypočítaná hodnota bola asi 300 kW. Po výrazných úpravách bol ML-1 na jar 1964 opäť deaktivovaný . Reaktor fungoval veľmi nestabilne, nikdy nebol schopný dosiahnuť požadovaný výkon a vyžadoval si neustálu pozornosť. Ale projekt nebol z tohto dôvodu uzavretý. V polovici 60. rokov začala vojna vo Vietname pohlcovať väčšinu obranného rozpočtu a bolo rozhodnuté zmraziť všetky neprioritné projekty. Počas vypočutí Komisia pre atómovú energiu pridelila finančné prostriedky len na dokončenie práce a zastavenie programu. Je pravdepodobné, že s primeraným financovaním by Američania projekt dokončili – možno s úplnou reštrukturalizáciou konceptu.
Skúsenosti zo Sovietskeho zväzu
Na rozdiel od Američanov sa prvý Sovietsky jadrový reaktor s vlastným pohonom ukázal byť oveľa úspešnejší. Nesie názov TPP-1 a je prvou mobilnou jadrovou elektrárňou na svete. Komplex vôbec nevyhovoval úlohe leteckého transportovateľného komplexu a takáto úloha ani neexistovala. TPP-1 bol vytvorený na dodávku energie do vzdialených civilných osád a vojenských zariadení. Predpokladalo sa, že štyri vozidlá komplexu budú prepravované po železnici a na miesto určenia sa dostanú vlastným pasovým pohonom. Myšlienka vytvorenia mobilného jadrového reaktora sa zrodila v roku 1957 v stenách Obninského inštitútu fyziky a energetiky, ktorý v tom čase niesol zašifrovaný názov “Laboratórium B”. Celkovo bolo do projektu zapojených najmenej šestnásť špecializovaných závodov od Výskumného ústavu Ministerstva obrany až po závod na výrobu vozov. Ako už bolo spomenuté vyššie, sovietsky projekt nebol tak vážne obmedzený hmotnostnými charakteristikami, a preto bol zbavený riskantných inovácií. Ako srdce jadrovej elektrárne zvolili vodou chladený reaktor, v tej dobe osvedčený, v ktorom hlboko vyčistená voda ochladzuje palivové tyče a na výstupe odovzdáva energiu cez výmenník do okruhu s turbínou a generátorom. . Tlak vody v chladiacom okruhu bol 130 atmosfér a to umožnilo udržať prietok v kvapalnom stave aj pri 300 stupňoch °C. Tlak v parogenerátore zároveň nepresiahol 20 atmosfér a prehriata para išla do turbíny s teplotou 280 stupňov.
Konštrukcia sa ukázala ako objemná a bola umiestnená na štyroch predĺžených podvozkoch ťažkého tanku T-10 – počet cestných kolies na každej strane sa zvýšil zo 7 na 10. Na jednom podvozku bol reaktor, na druhom – parný generátor, na treťom – turbína s generátorom, na štvrtom – riadiace centrum. Celková hmotnosť samohybnej jadrovej elektrárne bola 310 ton. K tejto náročnosti výrazne prispela zabudovaná biologická ochrana – olovená nádrž s hrúbkou 100-190 mm, ktorá bola na začiatku prác naplnená roztokom kyseliny boritej. Pri nasadení bola prevádzka areálu riadená turnusom troch ľudí. Pre bezpečnú prevádzku TPP-3 nebolo možné jednoducho doviezť štyri samohybné vozidlá do zariadenia, spustiť reaktor a pripojiť sa k sieti.
Dôležitou požiadavkou bolo vybudovanie zemného valu alebo akejsi kaponiéry okolo plošín s reaktorom a parogenerátorom. Reaktor samozrejme fungoval len v nasadenej polohe, keď boli všetky štyri stroje prepojené potrubím a napájacími káblami. Čo však robiť, keď potrebujete zmeniť miesto, no palivové články ešte nevychladli? Plášť chladiacej vody nemohol fungovať, pretože parný generátor bol vypnutý v zloženej polohe. Na tento účel bol na prvý dopravník nainštalovaný vzduchový radiátor na odvádzanie zvyškového tepla z chladiaceho reaktora. Výmena vyhorených palivových článkov mala byť vykonaná v teréne pomocou 25-tonového žeriavu.
Skúšobná prevádzka TPP-3 na území prvej stacionárnej jadrovej elektrárne sveta v Obninsku trvala od roku 1961 do roku 1965 a nevyvolala žiadne zásadné problémy Stroj suverénne dosiahol maximálny konštrukčný výkon 1500 kW a prevádzka na jedn palivový článok bola 250 dní.
Platforma s turbogenerátorom bola testovaná na Kamčatke v 80. rokoch. Zvyšné tri stroje TPP-3 zostali v Obninsku V roku 1964 priemyselný časopis Atomic Energy zhrnul predbežné výsledky skúšobnej prevádzky mobilného reaktora: „Konštrukcia a prevádzka zariadenia TPP-3 ukázali, že skúsenosti s vytvorením veľkoblokovej prepravnej stanice s tlakovodným reaktorom sa ukázali ako celkom úspešné. Dlhodobá prevádzka TPP-3 potvrdila spoľahlivosť, dobrú ovládateľnosť a jednoduchosť údržby zariadenia tohto typu. Prevádzka TPP-3 zároveň ukázala, že existujú možnosti na jej ďalšie zlepšenie, najmä úplnejšia automatizácia, predĺženie prevádzky na 2-3 roky, prechod na prirodzenú cirkuláciu chladiva, keď je reaktor vypnutý.”
