Поезд светлого будущего. Локомотив с ядерным двигателем Х-12
Данный материал выкладывается на сайт из жж коллеги youroker-а.
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 кораблях, атомных самолётах, атомных машинах 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 мне хотелось бы это исправить.
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. Также 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.
Атомный локомотив в представлении Mechanix Illustrated
Конструкция атомного локомотива в представлении Mechanix Illustrated
Впервые по-серьёзному занялись созданием атомного двигателя для локомотива в 1952 году, причём 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 технологии 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 52-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.
Сравнение атомного локомотива Х-12 и других вариантов локомотивов
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. 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.
Атомный локомотив 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 секции располагалась и кабина машинистов, потому реактор был хорошо экранирован. Всё это весило 326 тонн, потому первая секция размещалась на трёх трёхосных тележках. Также 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 действие генераторы.
Конструкция турбины Х-12
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 10 000 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, загрязняя 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.
Внутреннее устройство Х-12. Кликабельно
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. Также 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.
Ранняя конструкция ядерного реактора 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-процентным 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 10 000 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.
Поздняя 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 также 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, чтобы погасить удар (подобная конструкция используется в современных автомобилях). Кроме того, защитная оболочка также 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. Также имелась максимально простая и надёжная система охлаждения реактора, которая могла бы функционировать и после удара и предотвратить расплавление реактора до прибытия аварийных команд.
Схема локомотива Х-12
В январе 1954 года Борст развернул рекламную кампанию Х-12 в научно-популярной прессе – за зиму и весну об атомном локомотиве написало практически каждое научно-популярное издание в Америке и многие в мире. Основной целью этой кампании 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 20 000 тонн при скорости в 80 километров в час.
Иллюстрация локомотива Х-12. Кликабельно
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. Разрабатывались 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.
Модель 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.
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.
Продолжение неизбежно следует.
Источники:
- An Atomic Locomotive: A Feasibility Study.
- Popular Science. 04-1954.
- Nuclear Reactor Development: Proceedings of the Atomic Industrial Forum. Atomic Powered Locomotive.
- Nuclear-powered Locomotive's Economic Feasibility Questioned by Railroad Men.
- Railway History, No. 175.
- Патент US3127321 A.
- Mechanix Illustrated. 03-1946.
