Атомный локомотив
АТОМНЫЙ ЛОКОМОТИВ, атомовоз - локомотив с ядерной силовой установкой (ЯСУ), которая используется в качества независимого источника энергии. Атомовоз получает тепловую энергию атомного реактора, преобразует ее в электрическую с помощью турбогенератора, далее через электродвигатель, – в механическую работу и силу тяги колесных пар.
Возможность применения
В ж.-д. транспортной системе, частью которой является атомовоз, возможно использование реактора на быстрых нейтронах. Применительно к локомотивостроению есть ряд специфических факторов, без положительного разрешения которых нельзя прийти к однозначному выводу о создании локомотива с ЯСУ. К числу этих вопросов относятся следующие: весогабаритные ограничения, низкая температура теплоносителя водо-водяных реакторов; безопасность обслуживания, ремонта, эксплуатации; переменный режим работы ЯСУ. Использование судовых ЯСУ, широко применяемых на кораблях, невозможно из-за их большой массы и габаритов. Масса реактора с надежной защитой должна составлять не более 100-120 т; габарит 1-Т ограничивает максимальный размер реактора (диаметр не более 3200 мм). Низкая температура теплоносителя водо-водяных реакторов (пар с температурой 300-320 °С) не позволяет применять их на транспорте из-за низкого кпд, необходим другой теплоноситель с температурой 600-800 “С (жидкий металл). Радиационная защита требуется при ремонте и эксплуатации локомотива. На подвижном составе реактор и все его системы испытывают динамические нагрузки, связанные с колебаниями надрессорного строения и необрессоренных частей, что требует дополнительных мер по герметизации трубопроводов, обеспечению их усталостной и термической прочности. Атомный реактор локомотива должен выдерживать при аварии механические нагрузки без разрушения активной зоны. Переменный режим работы локомотива усложняет регулирование силовой установки, т.к., во избежание перегрева активной зоны, отвод тепла из реактора должен быть непрерывным. Не определена и сфера применения атомовоза: для районов с развитой ж.-д. сетью с короткими плечами применение его нецелесообразно. Возможно, атомовоз должен создаваться как локомотив специального назначения: для эксплуатации в первую очередь в отдаленных, труднодоступных районах, или как передвижная электростанция.
Прототипы
В 1983-1985 гг. Тепловозный н.-и. институт (ВНИТИ), Коломенский завод и ряд других организаций разработали конструктивную схему атомовоза с реактором на быстрых нейтронах типа БОР-60. Проработаны варианты компоновки ж.-д. энергетической установки, которая может быть использована в качестве локомотива (газотурбовоза) или передвижной электростанции. Локомотив состоит из трех секций: средняя – реакторная на двух четырехосных тележках, две крайние секции – тяговые на базе экипажной части серийных тепловозов 2ТЭ116 (рис. 5.30).
Реактор
Реактор на быстрых нейтронах типа БОР-60 эксплуатируется с 1968 г. Техническая характеристика реактора: тепловая мощность – 60 мВт; ядерное топливо – UO2; теплоноситель первого и второго контуров – натрий-калий (Na-K); температура натрия первого контура на входе в реактор 360-480 “С, на выходе из реактора более 600 “С; диаметр активной зоны 400 мм. Схема установки БОР-60 трехконтурная: два контура с натриевым теплоносителем, третий – воздушный. В теплообменнике третьего контура (Na-K – воздух) воздух нагревается до 600 “С (для газотурбинной установки – ГТУ). Проработано применение серийной ГТУ типа Д-012Т-3, которая в исходном состоянии при температуре газа перед ГТУ 820 °С имеет мощность 5 МВт и кпд 24%. В атомовозе при температуре газов перед ГТУ 600 °С ее мощность равна 2,5-3 МВт (в зависимости от степени регенерации) и кпд ок. 20%. Активная зона, где размещены пакеты с теплоэлементами, окружена экранами-отражателями из UO2, стали и необогащенного урана. Выбранный тип реактора позволяет в перспективе иметь теплоноситель, обеспечивающий более высокую температуру – до 800 “С.
Применительно к локомотиву тепловая мощность реактора принята равной 30 МВт, что позволяет получить на ободе колес касательную мощность локомотива 5,0-6,0 МВт. Масса реактора с биологической защитой, теплообменниками и системами управления – ок. 140 т. Размеры установки позволяют вписать ее в габарит подвижного состава 1-Т. Биологическая защита реактора обеспечивает выполнение норм радиационной безопасности (НРБ-76) для обслуживающего персонала. Требования по безопасности для населения могут быть надежно обеспечены путем регламентации частоты и скорости прохождения атомного локомотива по станционным путям, а также изменения в этот период его номинальной мощности.
Прочие узлы
Проработаны варианты компоновки силовых агрегатов атомного локомотива. Для сосредоточенной массы реакторной секции можно использовать 4-осные тележки тепловоза ТЭМ7, при этом осевые нагрузки могут быть получены в пределах 225 кН. Возможно создание специальных 4-осных тележек или использование тележек 8-осных вагонов. Каркас кузова воспринимает статические и динамические нагрузки, нагрузку от ядерного реактора с защитно-силовым корпусом. Каркас состоит из двух сварных продольных балок коробчатого сечения, соединенных стяжными ящиками автосцепок, шкворневыми балками и рядом межрамных креплений.
В крайних секциях расположены силовые агрегаты: турбогенераторы, компрессоры, вспомогательный дизель-генератор для перемещения локомотива без атомного реактора, тормозной компрессор, пусковой электродвигатель и др.