Reactores nucleares autopropulsados: las ideas nunca mueren
Central nuclear sobre ruedas ML-1 Sistema de energía móvil. Fuente: wikipedia.org
experiencia de estados unidos
La idea de tener a mano un reactor nuclear de pequeño tamaño es buena por todos lados. Tal unidad requiere suministro de combustible una vez al año o incluso con menos frecuencia, no hay emisiones tóxicas, no hay problemas particulares para organizar el suministro de calor paralelo a la instalación. La versatilidad de una central nuclear compacta y, lo que es más importante, móvil, permitirá utilizar el equipo con fines civiles, por ejemplo, para proporcionar trabajadores por turnos en el extremo norte. Los elevados requisitos de cualificación de los operadores y los temores a las posibles consecuencias de un accidente se han convertido en restricciones a la amplia distribución de las centrales nucleares de pequeño tamaño. Después de Chernobyl y Fukushima, incluso los reactores nucleares estacionarios causan miedo entre el público, pero aquí se trataba de vehículos con ruedas y orugas. Sin embargo, el progreso no se puede detener y, tarde o temprano, las centrales nucleares compactas ocuparán su lugar tanto en el sector civil como en el servicio militar. Además, a mediados del siglo pasado se ha acumulado una experiencia considerable en esta área.
Los principales actores de la industria nuclear mundial son tradicionalmente Rusia y Estados Unidos. Comencemos con la experiencia estadounidense en la creación de reactores nucleares de pequeño tamaño para necesidades militares. Al tener la red de bases militares más extensa del mundo, el Pentágono esperaba con razón la creación de una fuente de energía universal que garantizara una alta autonomía de la instalación.
El primero fue el Sistema de energía móvil ML-1, desarrollado y probado en 1961-1965. La idea era crear un reactor nuclear de pequeño tamaño que no solo pudiera proporcionar calor y electricidad a las bases, sino también seguir a las tropas. Los ingenieros intentaron construir un reactor único en el que el gas nitrógeno inerte sería responsable de la transferencia de calor de las barras de combustible (TVEL - elemento combustible). Incluso ahora parece una decisión no trivial, pero para los años 60 parecía extremadamente arriesgado.
La idea misma de la refrigeración por gas del núcleo del reactor no es nueva y se implementó por primera vez en 1956 en la central nuclear experimental de Calder Hall en el Reino Unido. El agente refrigerante era dióxido de carbono a una presión de 7,8 atmósferas, que se calentaba hasta los 345 grados centígrados a la salida del núcleo. Como en todo reactor de esquema clásico, el gas sobrecalentado se enviaba al generador de vapor, donde cedía su energía al agua líquida, y ésta, a su vez, a la turbina del generador. El dióxido de carbono es bueno en un reactor hasta cierto punto. Tan pronto como la temperatura de las varillas de grafito se acerca a los 500 grados, el CO2 entra en una reacción química con ellos. Por tanto, es necesario limitar tanto la potencia como la eficiencia de una central nuclear. Por la misma razón, el hidrógeno no se usó como refrigerante principal: a temperaturas superiores a 700 grados, se formaron hidrocarburos en la superficie de las varillas de grafito.
Una alternativa costosa es el gas noble helio, que te permite acelerar la temperatura de la zona caliente a 1000 grados o más. Pero es muy difícil obtenerlo y purificarlo de impurezas nocivas, como el hidrógeno, el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, que no son capaces de trabajar a tales temperaturas. La primera planta de energía nuclear con helio como gas refrigerante apareció en los Estados Unidos en 1966 en Peach Bottom.
Los intentos de usar nitrógeno para enfriar el núcleo del reactor en el ML-1 móvil son comprensibles. En caso de una fuga masiva, que no se puede evitar, el refrigerante principal se puede obtener literalmente del aire. Para ello, se requiere incluir en el kit una planta de licuefacción y depuración de gases. En el campo, esto es mucho más fácil de hacer que jugar con dióxido de carbono, helio y aún más con hidrógeno.
Imágenes de archivo de las pruebas de ML-1. Fuente: youtube.com
Pero fue suave sólo en el papel. Los mayores problemas del ML-1 eran que el nitrógeno circulaba a través de un sistema cerrado a una presión de nueve atmósferas. Al mismo tiempo, a la entrada de la zona caliente, el gas tenía una temperatura de unos 420-430 grados, ya la salida se calentaba hasta los 650. Los ingenieros no lograron garantizar la estanqueidad más o menos adecuada del circuito de refrigeración. El recuperador de energía instalado detrás de la turbina de gas y diseñado para transferir parte de la energía no utilizada del vapor sobrecalentado de vuelta al circuito de refrigeración del gas complicaba seriamente el diseño. Esto aumentó la eficiencia en un par de por ciento, pero complicó significativamente el diseño. Y, finalmente, la última complicación fue el sistema de tuberías de agua que penetran en haces de elementos combustibles. El agua en este circuito se suministró bajo presión, no se calentó por encima de los 120 grados y desempeñó el papel de moderador de neutrones del reactor. Toda la estructura se embaló en cuatro contenedores marítimos con un peso total de 38 toneladas. Los estadounidenses esperaban transportar el ML-1 no solo en remolques, sino también en la bodega de un transporte militar C-130.
Por primera vez, un AEChS compacto funcionó en 1962, sin embargo, solo durante unos minutos. El siguiente lanzamiento tuvo lugar a finales del invierno de 1963. En total, el reactor funcionó durante unas 100 horas, pero debido a muchos defectos y deficiencias, se cerró. Las costuras soldadas de las tuberías de agua se agrietaron, el nitrógeno se filtraba constantemente del circuito de enfriamiento a alta presión y la potencia máxima ni siquiera alcanzaba los 200 kW. El valor calculado fue de unos 300 kW. Después de una importante revisión, el ML-1 se lanzó de nuevo en la primavera de 1964. El reactor funcionaba muy inestable, no podía alcanzar la potencia requerida y requería atención constante. Pero el proyecto se cerró no por esta razón. A mediados de los años 60, la guerra de Vietnam comenzó a devorar la mayor parte del presupuesto de defensa y se decidió congelar todos los proyectos no prioritarios. La Comisión de Energía Atómica, durante las audiencias, asignó fondos solo para la finalización de los trabajos y la conservación del programa. Es probable que con la financiación adecuada, los estadounidenses hubieran recordado el proyecto; es posible que con una reestructuración completa del concepto.
Experiencia de la Unión Soviética
A diferencia de los estadounidenses, el primer reactor nuclear autopropulsado doméstico resultó ser mucho más exitoso. Lleva el nombre de TES-1 y es la primera central nuclear móvil del mundo. El complejo no atraía en absoluto el papel de un transporte aéreo, y no existía tal tarea. TPP-1 fue creado para suministrar energía a asentamientos civiles remotos e instalaciones militares. Se asumió que las cuatro plataformas con orugas del complejo se entregarían por ferrocarril y llegarían al lugar de despliegue por sí mismas. La idea de crear un reactor nuclear móvil nació en 1957 dentro de los muros del Instituto de Física e Ingeniería Energética de Obninsk, que en ese momento llevaba el nombre encriptado de "Laboratorio V". En total, al menos dieciséis estructuras especializadas se conectaron al proyecto, comenzando desde el Instituto de Investigación del Ministerio de Defensa y terminando con una planta de construcción de carruajes. Como se mencionó anteriormente, el proyecto soviético no estaba tan seriamente limitado por las características de peso y, por lo tanto, estaba privado de innovaciones arriesgadas. Como corazón de la central nuclear, eligieron un reactor de agua a presión probado en ese momento, en el que agua profundamente purificada enfría los elementos combustibles y, a la salida, transfiere energía a través de un intercambiador de calor a un circuito con una turbina y un generador. La presión del agua en el circuito de refrigeración era de 130 atmósferas, lo que permitía mantener el caudal en estado líquido incluso a 300 grados centígrados. Al mismo tiempo, la presión en el generador de vapor no superaba las 20 atmósferas y el vapor sobrecalentado llegaba a la turbina con una temperatura de 280 grados.
La foto superior muestra la posición de trabajo de las plataformas sobre orugas TES-3 con un turbogenerador y un módulo de control
El diseño resultó engorroso y se colocó sobre cuatro chasis alargados de un pesado tanque T-10: el número de ruedas de carretera en cada lado se ha aumentado de 7 a 10. El reactor está en un chasis, el generador de vapor está en el segundo, la turbina con el generador está en el tercero, el centro de control está en el cuarto. El peso total de la central nuclear autopropulsada fue de 310 toneladas. La protección biológica incorporada hizo una contribución significativa a esta gravedad: un tanque de plomo de 100-190 mm de espesor, que se llenó con una solución de ácido bórico al comienzo del trabajo. En el estado desplegado, la operación del complejo fue controlada por un turno de tres personas. Para la operación segura de TPP-3, era imposible simplemente instalar cuatro vehículos autopropulsados en la instalación, arrancar el reactor y conectarse a la red. Un requisito importante fue la construcción de una muralla de tierra o una especie de caponier alrededor de plataformas con un reactor y un generador de vapor. Por supuesto, el reactor operaba solo en la posición desplegada, cuando las cuatro máquinas estaban conectadas por tuberías y cables eléctricos. Pero, ¿qué hacer cuando necesita cambiar el lugar de implementación y los conjuntos de combustible aún no se han enfriado? La camisa de refrigeración por agua no pudo funcionar debido a que el generador de vapor se apagó en la posición replegada. Para ello, se dispuso un enfriador de aire en el primer transportador, disipando el calor residual del reactor de enfriamiento. Se suponía que el cambio de los conjuntos de combustible gastado se llevaría a cabo en el campo utilizando una grúa de 25 toneladas.
Modelo de TPP-3. Fuente: comfortdrive.ru
La operación de prueba de TPP-3 en el territorio de la primera central nuclear estacionaria del mundo en Obninsk duró de 1961 a 1965 y no causó quejas fundamentales. La máquina alcanzó con confianza la potencia máxima de diseño de 1500 kW, y el trabajo en un conjunto de combustible fue de 250 días.
En la década de 80 se probó una plataforma con un turbogenerador en Kamchatka. Las tres máquinas TES-3 restantes permanecieron en Obninsk.
En 1964, en la revista de la industria "Energía atómica", se resumieron los resultados preliminares de la operación piloto de un reactor móvil:
“La construcción y operación de la planta TPP-3 demostró que la experiencia de crear una estación transportable de gran bloque con un reactor de agua a presión resultó ser bastante exitosa. La operación a largo plazo de TPP-3 ha confirmado la confiabilidad, la buena capacidad de control y la facilidad de mantenimiento de este tipo de estación. Al mismo tiempo, la operación de TPP-3 mostró que existen oportunidades para su mejora adicional, en particular, una automatización más completa, un aumento en la duración de la campaña hasta 2-3 años, una transición a la circulación natural del refrigerante cuando el reactor se enfría, etc.”
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