Применение Ядерной Энергии в работе транспортных средств

      Цели работы: Проследить историю создания транспортных средств, основанных на ядерной энергии, доказать их перспективность и необходимость применения в будущем.

      Задачи: подготовить доклад, исследующий темы:

1. применение атомных реакторов во флоте
2. использование энергии атома в космических программах
3. теоретическое использование атомной энергии в сухопутных средствах

      План:

1. Вступление
2. Атомный Флот

• Атомные ледоколы
• Атомные крейсера

3. Перспективы применения Ядерной энергии в космосе

• Создание Ядерного Ракетного Двигателя
• Ядерная Электродвигательная установка

4. Проекты создания сухопутных транспортных средств

• Атомный танк
• Атомный автомобиль
• Атомовоз – атомный локомотив

5. Заключение
6. Списки литературы

Вступление

    Мы являемся свидетелями активного процесса индустриализации, примерно несколько десятков лет назад получила огромное развитие новая отрасль науки - ядерная физика. В настоящее время многие природные легкодоступные ресурсы планеты исчерпываются. Добывать сырье приходится на большой глубине или на морских шельфах.  Уже в конце 20 века проблема поиска альтернативных источников энергии стала весьма актуальной. Несмотря на то, что наша планета поистине богата природными ископаемыми, такими как нефть, уголь, древесина и т.д., все эти богатства, к сожалению, исчерпаемы. К тому же, потребности человечества растут с каждым днем и приходится искать все более новые и совершенные источники энергии.

    На протяжении долгого времени человечество находило те или иные варианты решения вопроса альтернативных источников энергии, однако настоящим прорывом в истории энергетики стало появление ядерной энергии. Ядерная теория прошла долгий путь развития, прежде чем люди научились применять ее в своих целях. Все началось еще в 1896 году, когда А.Беккерель зарегистрировал невидимые лучи, которые испускала урановая руда, и которые обладали большой проникающей способностью. В дальнейшем это явление получило название радиоактивности. История развития ядерной энергии содержит в себе несколько десятков выдающихся фамилий, в том числе и советских физиков. Завершающим этапом развития можно назвать 1939 год – когда Ю.Б.Харитон и Я.Б.Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235. Далее развитие ядерной энергетики шло семимильными шагами.

   Но из-за начавшейся войны, все исследования были перенаправлены в военную область. Первым примером ядерной энергии, который человек смог продемонстрировать всему миру, стала атомная бомба. Лишь спустя годы научное сообщество обратило свое внимание на более мирные области, где применение ядерной энергии могло бы стать действительно полезным.

   Так начался рассвет самой молодой области энергетики. Стали появляться атомные электростанции (АЭС). Развитие ядерной энергетики происходило невероятно стремительно. Меньше чем за 100 лет она смогла достигнуть сверхвысокого уровня технологического развития. То количество энергии, которое выделяется при делении ядер урана или плутония, несравнимо велико – это сделало возможным создание крупных атомных электростанций промышленного типа. По самым приблизительным подсчетам энергию, которая выделяется при расщеплении 1 килограмма урана, можно сравнить с энергией, которая получается при сжигании 2 500 000 кг каменного угля.

  Перспективы мирного использования атомной энергии огромны. Атомные двигатели могут быть оборудованы на самолетах, локомотивах, автомобилях и пароходах. Применение атомных двигателей позволит, например, самолетам, имея на борту небольшой запас ядерного горючего, совершать беспосадочные полеты на очень большие расстояния и значительно увеличить скорость полета. Именно эта тема и является основной темой моего доклада.

  Как правило, когда говорится о применении ядерной энергии, упоминаются Атомные Электростанции, Атомное оружие, и зачастую в тени остаются транспортные средства, основанные на работе атомного реактора. А ведь с энергией ядра, атомные ледоколы способны преодолевать огромные расстояния без дозаправки топливом, в условиях, когда эта дозаправка невозможна; в России возрождаются проекты ядерного ракетного двигателя для освоения дальнего космоса, когда энергии солнечных батарей недостаточно; наконец, в прошлом предлагались идеи создания атомовоза -локомотива с ядерной энергетической установкой, способного работать в труднодоступных северных регионах страны.

   Эта тема интересна тем, что актуальна как никогда. Освоение ядерной энергии достигает на данный момент своего пика, мы намного ближе к созданию транспортных средств, способных работать автономно, используя энергию атома, чем наши предки, которые когда-то мечтали об этом. Особенно актуальна и перспективна эта тема для нас, ведь в России огромное количество территории находится в холодных, труднодоступных местах – это и Ледовитый Океан, и северные районы страны. Одним из способов их освоения является применение ядерной энергии, в целях добраться до этих регионов затратив как меньше ресурсов.

   Ядерная Энергия может предоставить нам новый взгляд на транспортировку, путешествия, как это когда-то сделали первые поезда, самолеты, машины. Именно поэтому я считаю, что этому разделу науки стоит обратить особое внимание.

Атомный Флот

  Прежде чем начать говорит о средствах транспорта, работающих на атомной энергии, следует сначала упомянуть про Ядерные Силовые Установки. Ядерная силовая установка (ЯСУ) — это силовая установка, работающая на энергии цепной реакции деления ядра. Она состоит из ядерного реактора и паро- или газотурбинной установки, в которой тепловая энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в механическую или электрическую энергию.

  Области применения этой силовой установки многообразны: это и атомные корабли, атомные подводные лодки, различные космические и наземные программы по созданию транспортных средств. Плюсы установки в том, что она предоставляет практически неограниченную автономность передвижения (дальность хода), и большую мощность двигателей: и как следствие, возможность длительно использовать высокую скорость движения, транспортировать более тяжёлые грузы и способность работать в тяжёлых условиях.

  Весь Атомный Флот можно разделить на надводный и подводный. Надводный морской флот – это суда военного и гражданского назначения. К военным относятся атомные крейсера и атомные авианосцы, к гражданским – атомные ледоколы, некоторые транспортные суда. К подводным судам относятся атомные подводные лодки.

  Активные подготовки к созданию судов, применяющих ядерную энергию, начались в одно время в СССР и в США, в 50-ых годах ХХ века. Тогда шла гонка вооружений, достигшая своего пика как раз в одно время с разработками по созданию надводных атомных судов. Тяжело сказать, кто более преуспел в этой области: Советский Союз первым спустил атомный ледокол, США первыми произвели атомную подводную лодку и атомный авианосец. Продвижения в создании атомных крейсеров двигались одновременно.

  Атомные ледоколы

  Россия до сих пор сохраняет в особый статус в отрасли атомного ледокольного судостроительства - все десять существующих на сегодняшний день в мире атомных ледоколов принадлежат России, таким образом, наша страна единственная в мире обладающая атомным флотом.

  На сегодняшний день крупнейшим и новейшим атомным ледоколом является атомоход «50 лет Победы».  Он  представляет собой модернизированный проект второй серии атомных ледоколов класса Арктика. «50 лет Победы» на 9 метров длиннее «Арктики». Эти самые 9 метров, обеспечившие мировой рекорд в 159 метров, — дань экологии. Именно столько занимает экологический отсек, который пришлось врезать в базовый корпус. Новый ледокол стал первым, отвечающим мировым нормам по сбросу отходов в океан — они вообще будут не сбрасываться, а утилизироваться в этом самом отсеке.

  «50 лет Победы», как и все атомные ледоколы серии «Арктика», несет на борту два ядерных реактора, каждый мощностью в 171 МВт. Мощности этих двух установок достаточно, чтобы снабжать электричеством город с населением в 2 миллиона человек. Это, впрочем, вовсе не значит, что оба реактора одновременно работают в полном объеме. Как правило, капитаны сначала «выжигают» один реактор и только потом берутся за второй. А сдваивают двигательную установку в том случае, если возникают какие-либо проблемы с одним из реакторов.

  Ядерная силовая установка (о которой я говорил выше) атомного судна состоит из двух автономных атомных паро-производящих установок, паротурбинной и гребной электрической установок. А также двух судовых электростанций, вспомогательных механизмов, обслуживающих систем, судовых устройств и оборудования.

  Через активную зону реактора прокачивается вода I контура (вода высокой степени очистки). Вода нагревается до 317°С, но не превращается в пар, поскольку находится под давлением. Из реактора вода  I контура поступает в парогенератор, омывая трубы, внутри которых протекает вода II контура, превращающаяся в перегретый пар с температурой 3000С.  Далее вода I контура циркуляционным насосом снова подаётся в реактор. Следует заметить, что вода первого контура никогда не попадает в воду второго контура и утечка радиации, соответственно, не происходит.

  Из парогенератора перегретый пар (теплоноситель II контура) поступает на главные турбины производства Кировского завода, каждая из которых, в свою очередь, состоит из трёх турбогенераторов. Пар вращает турбину, а затем конденсируется, вода проходит систему очистки и снова поступает в парогенератор.

  III контур предназначен для охлаждения оборудования, в качестве теплоносителя используется вода высокой чистоты (дистиллят). Теплоноситель III контура имеет незначительную радиоактивность.

  IV контур служит для охлаждения воды в системе III контура, используется морская вода. Также IV контур используется для охлаждения пара II контура при разводке и расхолаживании установки.

  Вернемся назад к пару из второго контура, он поступает на две турбины, мощность каждой из которых составляет 37,5 тысяч лошадиных сил, а в паре они развивают и вовсе чудовищную мощность в 75 тысяч лошадиных сил. Благодаря вращению этих паровых турбин, шесть турбогенераторов вырабатывают электроэнергию. От генераторов электричество подаётся на три мощных электродвигателя постоянного тока, непосредственно вращающих три вала с гребными винтами. Постоянный ток выбран по той причине, что на таких двигателях легче делать реверс — часто используемый при ломке прочных ледовых полей. Пропульсивная мощность ледокола составляет 54 МВт. Общая мощность на винтах - около 75000 лошадиных сил.

  Самым главным оружием ледокола в борьбе со льдом служит его собственный корпус. Полукруглые борта не дают ледовым полям раздавить судно, выталкивая его наверх, а скошенный нос позволяет «заползать» на поля сверху, ломая их своим собственным весом. О том, что ледокол ведет постоянную войну со льдом, говорит и толщина его борта — 100 мм. Это в два раза толще лобовой брони легендарного танка Т-34! Ледоколы серии «Арктика» рассчитаны на движение со скоростью 2—3 узла (4—5,5 км/ч) во льдах толщиной 2,8 метра. Однако в реальных условиях такой лед найти почти нереально, поэтому корпус проверяется на такую нагрузку в специальном бассейне. В Арктике же ледоколы сталкиваются со льдами не толще 2,2 метра. К тому же надо учесть и то, что гладких как стол полей не бывает, обычно это либо поля торосов — нагромождения колотого льда, либо смесь молодого и старого льда, перемежающегося с полыньями. Поэтому ледокол не идет напролом, а выискивает либо чистую воду, либо тонкий молодой лед. Самые проблемные — многослойные старые поля, структура которых напоминает прочную фанеру. Такие поля ледоколы стараются обходить подальше.

  Атомные крейсера

 Однако кроме гражданских атомных ледоколов, атомная энергия применяется и в военных атомных крейсерах. Первые атомные крейсеры появились в 1960-х годах. В связи со значительной сложностью и крайне высокой стоимостью они имелись лишь в ВМС сверхдержав — США и СССР.

   В отличие от атомных ледоколов, где применение ядерной энергии открывает очевидные преимущества, выгоды подобной энергетики для надводных кораблей представлялись не столь однозначными. В 1950-х — начале 1960-х годов в США развернулась открытая дискуссия о применении атомных надводных кораблей. Сторонники ядерной энергетики, выдвигали следующие аргументы в пользу ЯСУ:

• Очень большая автономность по дальности плавания;
• Способность практически неограниченно длительного поддержания высокой скорости без влияния на pесуpсы главных механизмов;
• Отсутствие развитых газоходов, упpощающее внутреннее расположение и аpхитектуpу надстpойки.

Противники атомного флота в свою очередь указывали на следующие проблемные моменты:

• Чрезвычайно большая стоимость, что неизбежно приведёт к сокращению численности флота;
• Возможности более традиционных энергетических установок ещё не исчерпаны;
• Пресловутая высокая автономность кораблей с ЯЭУ достигается только по дальности плавания, но отнюдь не по боезапасу, провианту и прочим видам снабжения.

  Следует заметить, что в США не проводилось открытых дискуссий по совершенно очевидной проблеме — боевой живучести атомных кораблей, ведь при повреждении внутренних систем атомного корабля, он мог стать крайне опасным как для экипажа, так и для окружающей среды.

  Первыми на воду спустили атомный ракетный крейсер США, это был ракетный крейсер «Лонг Бич».  Строительство крейсера было начато в декабре 1957 года, а спущен на воду он был в июле 1959 года.

  Применение ЯСУ внесло существенные изменения в архитектуру крейсера, позволив отказаться от дымовых труб и по-новому подойти к проектированию верхних надстроек с целью обеспечения выгоднейших условий работы радиоэлектронных средств. Таким образом,  вытянутая вверх носовая надстройка «Лонг Бич» имеет форму куба благодаря радарам, а так же уникальным радиотехническим системам своего времени. На крейсере «Лонг Бич» установлены два ядерных реактора, сама работа ЯСУ крейсера не отличается от работы ЯСУ на ледоколе. Обобщая, получается, что атомный реактор нагревает воду, которая превращается в пар. Пар в свою очередь раскручивает турбины, которые возбуждают генераторы. Эти генераторы вырабатывают электричество, которое поступает в электромоторы, которые крутят 3 винта.

 Оказалось что «Лонг Бич» имел больше недостатков, чем достоинств: в смешанных боевых группах он терял свои преимущества как автономный крейсер, проект был также не очень удачным из-за того что погрузочный цех был узок для ракет большого калибра. То есть, военная составляющая крейсера, в отличии от его автономности была довольно слаба.

  Как оказалось у атомных крейсеров есть масса недостатков, которые вынудили американцев отказаться от атомного надводного флота:

1. Ядерные энергетические установки имеют колоссальную стоимость, что еще более усугубляется стоимостью ядерного топлива и его дальнейшей утилизации.

2. ЯСУ по размерам значительно превышают обычные силовые установки. Сосредоточенные нагрузки и более значительные размеры энергетических отсеков требуют иного расположения помещений и существенной перепланировки конструкции корпуса, что повышает затраты при проектировании корабля. Помимо самого реактора и паропроизводящей установки, ЯCУ в обязательном порядке требуются несколько контуров со своей биологической защитой, фильтрами и целый завод по опреснению забортной воды. Наконец, нет т смысла увеличивать дальность плавания по топливу, если экипаж имеет ограниченные запасы пресной воды.

3. Обслуживание ЯСУ требует большего количество личного состава, причем более высокой квалификации. Это влечет за собой еще большее увеличение водоизмещения и стоимости эксплуатации.

4. Живучесть атомного крейсера значительно меньше аналогичного крейсера с стандартной силовой установкой. Поврежденная газовая турбина и поврежденный контур реактора – принципиально разные вещи.

5. Автономность корабля по запасам топлива — это явно недостаточно. Существует автономность по провизии, по запасным частям и материалам и по боекомплекту.

  Ввиду всего вышесказанного, постройка классических атомных крейсеров не имеет смысла. Однако в России со времен Советского Союза остались атомные корабли военного предназначения, некоторые из них находятся в процессе модернизации.

Космические программы

Создание Ядерного Ракетного Двигателя

   В 50-е - 60-е годы ХХ века соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию Ядерного Ракетного Двигателя (ЯРД), военные тоже поддержали вначале проект. Поначалу задача казалась простой — нужно только сделать реактор, который нагревает водород, пристроить к нему сопло, и отправиться на Марс. Водород использовался  по той причине,  что в качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большой удельный импульс  тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и только потом вода. Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь достигнут его без ядерных двигателей. Так возник проект ЯРД NERVA.

  Вместо камеры сгорания для сжигания жидкого водорода и жидкого кислорода в обычной ракете в ядерном двигателе имеется реактор с топливной композицией графит - обогащенный уран, который работает как источник тепла. Через каналы реактора прокачивается жидкий водород при высоком давлении, образующий при нагревании мощную истекающую струю. Кислород при этом не требуется. Привлекательность этого двигателя (хотя он более тяжелый и более дорогой) состоит в том, что реактор, действуя как теплообменник, повышает температуру водорода до такого уровня, при котором его удельная энергия возрастает на 70%

 ЯРД «NERVA-1» имел ядерный реактор с активной  зоной диаметром 1м. и высотой 1,8м. состоявшей из 1800 стержневых  шестигранных ТВЭлов (тепловыделяющие элементы, ядерное топливо) (концентрация ядерного горючего 200 – 700 мг/куб.см.).  Реактор имел  кольцевой отражатель  толщиной около 150 мм, из окиси бериллия. Силовой корпус реактора выполнен из алюминиевого сплава, внутренний радиационный защитный экран из композитного материала (карбид бора–алюминий–гидрид титана).  Между реактором и турбонасосными агрегатами может устанавливаться также  дополнительная внешняя защита.

Однако, несмотря на многие вполне успешные испытания, ядерный ракетный двигатель NERVA, разработанный американскими учеными так и не покинул Землю. Конгресс не счел нужным поддерживать дорогостоящую экспедицию на Марс, которая могла обойтись очень дорого стране, и в 1972 году проект закрыли.

 Параллельно развивалась разработка и советского ракетного двигателя - РД-0410. Он был похож в сборке и по характеристикам на NERVA. Так, РД-0410 хоть и уступал американскому аналогу в тяге, но зато мог намного дольше работать. Однако некоторые отличия все же имелись.

 Первое и главное отличие наших ЯРД от американских — их решено было делать гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель распределены в реакторе равномерно. В отечественном ЯРД ТВЭЛы  были отделены теплоизоляцией от замедлителя, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Следствие этого — отказ от графита и выбор гидрида циркония в качестве основного замедляющего материала. Реактор получался втрое компактнее, чем графитовый (а значит, и намного легче), а модели двигательного реактора можно было отлаживать гораздо быстрее и дешевле. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором.

 Как и NERVA, РД-0410 прошел многие испытания успешно, но Советское руководство свернуло программу.

Ядерная Электродвигательная Установка

 Впрочем, ядерную энергию можно использовать в космосе не только в качестве конструкции Ядерного Ракетного Двигателя.

 Существует, так называемая Ядерная Электродвигательная Установка (ЯЭДУ), это целый комплекс, состоящий из электрического ракетного двигателя (ЭРД), системы электропитания обеспечиваемого ядерным реактором, сам ядерный реактор, система хранения и подачи рабочего тела, система автоматического управления. Именно из-за того, что двигатель электрический, будет некорректно связывать эту установку с ЯРД, ведь в данном случае, реактор служит только для выработки электроэнергии, запуская в действие ЭРД и обеспечивая электричеством космический корабль.

 Ядерная энергодвигательная установка содержит контур ядерного двигателя, состоящий из ядерного реактора с соплом, бак с рабочим телом и турбонасосный агрегат (ТНА). А также замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и систему управления. Вся установка отличается тем, что в нее дополнительно введен контур электрического двигателя, включающий электрические движители с системой хранения и подачи рабочего тела и соединенный с системой управления. Кроме того контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала турбонасосного агрегата (ТНА) и соединен с системой управления.

 Способ работы ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ), обеспечивает работу энергетического режима, заключающийся в получении электрической энергии в замкнутом контуре системы машинного путем преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую. ЯЭДУ обеспечивают введением контура электрического двигателя, запуск которого осуществляют сигналом от системы управления на подачу рабочего тела на электрические движители. Они обеспечивают  тягу. А в энергетическом режиме получают дополнительную электрическую энергию в контуре ядерного двигателя за счет использования части разогретого в ядерном реакторе рабочего тела, поступающего на турбонасосный агрегат (ТНА), и дополнительно введенного электрического генератора, причем используемое при этом рабочее тело после отработки вновь направляется в ядерный реактор.

 Важно отметить, что ядерная энергодвигательная установка будет включать в себя реактор на быстрых нейтронах нового поколения, рабочая температура которого будет на тысячу градусов выше, чем в применяемых сегодня промышленных ядерных реакторах. Во многом это достигнуто благодаря активному применению молибденовых сплавов. Ядерное топливо, которое будет применено в установке, будет иметь значительно более высокую степень обогащения, что даст возможность сделать реактор значительно компактнее современных образцов.

 Огромное преимущество ЯЭДУ в том, что по мере удаления от Солнца интенсивность его излучения слабеет, и возможности солнечных батарей существенно снижаются. Радиоизотопные генераторы, обеспечивают слишком малые мощности, которых хватает только на питание бортовой аппаратуры, но далеко не достаточно для работы электроракетных двигателей. Бортовой же ядерный реактор сможет полностью обеспечивать энергетические потребности корабля на любом удалении от Солнца.

 Разработки в этом направлении ведутся в наше время, и опять их проводят две страны: США и Россия.

 Наследницей космической программы NERVA, стал проект «Прометей». Его реализация началась в октябре 2003г. Этот проект предусматривает создание ядерной двигательной установки для космических аппаратов. Ученым удалось убедить администрацию Джорджа  Буша в перспективности своих разработок, на что в ответ была предложена 5-летняя программа развития Project Prometheus общей стоимостью 3 миллиарда $, из которых 450 миллионов $ выделялись в 2005 году.

 Установка проекта будет состоять из ионного двигателя и компактного атомного реактора, поставляющего электроэнергию для двигателя. Ионный двигатель – разновидность Электрического двигателя, в мире уже существуют подобные прототипы, однако у них есть значительный минус - очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

 Еще один нюанс проекта «Прометей» является разработка компактного ядерного реактора, который бы подходил для установки на автоматические космические аппараты. Требуемая мощность реактора в настоящее время предполагается в пределах 250 кВт, однако в дальнейшем она может измениться. Реактор должен стать источником электроэнергии для ионных электроракетных двигателей (ЭРД) следующего поколения, которые активно проектируются. ЭРД создают реактивную силу, выбрасывая в космическое пространство поток ионов, разогнанных электромагнитными силами.

NASA обосновывает разработку космического ядерного реактора необходимостью иметь в своем распоряжении надежный и мощный источник энергии для космических аппаратов, улетающих на окраину Солнечной системы. Корабли с ядерными силовыми установками дадут возможность значительно сократить продолжительность космических полетов на большие расстояния. Чтобы корабль смог преодолеть земное притяжение и уйти к другим мирам, его скорость должна превысить 11.2 км/с. На практике космические аппараты сначала выводят на околоземную орбиту, а уже с нее отправляют дальше. Термохимический ракетный двигатель способен увеличить орбитальную скорость корабля не больше, чем на 10 км/с. Расчеты показывают, что корабль с ядерным реактором такого типа, который создается по программе «Прометей», сможет при разгоне с орбиты повысить свою скорость более чем на 20 к/с.

 Однако на данный момент финансирование проекта приостановлено. Зато активные разработки по созданию ЯЭДУ ведутся в нашей стране: В 2010 году в России начались работы над проектом ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем. 3 декабря 2010 года глава госкорпорации «Росатом» Сергей Кириенко сообщил журналистам о том что работы по проекту проходят по графику. Процесс создания ЯЭДУ происходит, буквально на наших глазах:  4 июля 2014 года было объявлено о сборке первого в мире тепловыделяющего элемента штатной конструкции для ЯЭДУ.

 По словам главы Роскосмоса Владимира Поповкина, опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для межпланетных миссий, появится в России в 2017 году. А уже через год в Сосновом Бору (У нас в городе!) могут начаться стендовые испытания ядерного реактора для этих целей.

 У отечественного ЯЭДУ есть ряд отличительных черт, так, выходящая из нового двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре. Кроме того, нет необходимости при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов.

 Таким образом, наука активно изучает способы применения ядерной энергии в космосе, уже есть результаты, благодаря которым ясно: ядерная энергетика найдет свое место в интенсивном изучении космоса, и человек не оставит попыток использовать энергию атома для освоения новых пространств.

Проекты атомных наземных транспортных средств

Атомный Танк

 В отличии от космических кораблей, и атомных судов, наземные транспортные средства, работающие на основе ядерной энергии практического применения не получили. Существовали различные проекты, такие как атомный танк, атомный локомотив (атомовоз), даже атомный автомобиль, однако пока это все нереализованные программы.

 Первоначально проводились разработки по Атомному танку в 50-е годы XX века. Они проходили в США, в СССР проекты атомных танков не разрабатывались. Впервые концепция атомного танка в США прорабатывалась в ходе конференции, посвящённой перспективам развития бронетехники в июне 1954 года. Помимо проекта, предлагавшего использование ядерного реактора на мобильном бронированном шасси для питания колонн техники во время марш-бросков, были представлены и концепции танка с индивидуальной ядерной энергетической установкой.

 Первый проект, получивший обозначение TV-1 (Track Vehicle 1 – «Гусеничная машина-1») представлял собой 70-тонную боевую машину, вооружённую 105-мм пушкой и защищённую 350-мм лобовой бронёй. Особый интерес представляла компоновка бронекорпуса предлагаемого танка. Так, за лобовой броней должен был располагаться малогабаритный атомный реактор. Для него предусмотрели объем в передней части бронекорпуса. За реактором и его защитой, расположили рабочее место механика-водителя, в средней и задней частях корпуса поместили боевое отделение, укладки боеприпасов и т.п., а также несколько агрегатов силовой установки. Реактор позволял приводившей в движение танк турбине, работавшей на перегретом атмосферном воздухе, работать на полной мощности в течение 500 часов без замены топлива.

 Однако проект TV1 не рекомендовали к продолжению разработки. За 500 часов работы реактор с открытым контуром охлаждения мог заразить несколько десятков или даже сотен тысяч кубометров воздуха. Кроме того, во внутренние объемы танка никак не удавалось вписать достаточную защиту реактора. В целом, боевая машина TV1 получалась гораздо более опасной для своих войск, нежели для противника.

 Ко времени следующей конференции, проводившейся в августе 1955 года, развитие атомных реакторов позволило значительно уменьшить их размер, а, следовательно, и массу танка. Представленный на конференции проект под обозначением R32 предполагал создание уже 50-тонного танка, вооружённого 90-мм гладкоствольной пушкой и защищённого в лобовой проекции 120-мм бронёй, расположенной под наклоном в 60° к вертикали, что примерно соответствовало уровню защиты обычных средних танков того периода. Реактор обеспечивал танку расчётный запас хода более 4 000 миль. Кроме того, предлагалось отказаться от использования газовой турбины, приводимой в движение перегретым атмосферным воздухом и применить новые системы защиты менее крупного реактора.

 R32 был сочтён более перспективным, чем первоначальный вариант атомного танка, и рассматривался даже в качестве возможной замены для находившегося в производстве танка M48, несмотря на очевидные недостатки, такие как крайне высокая стоимость машины и необходимость регулярной замены экипажей, чтобы исключить получение ими опасной дозы радиационного облучения. Однако и R32 не вышел за стадию эскизного проекта. Постепенно интерес армии к атомным танкам угас, однако работы в этом направлении продолжались, по меньшей мере, до 1959 года. Ни один из проектов атомных танков не дошёл даже до стадии постройки опытного образца – все они остались на бумаге.

 Последний американский проект танка с ядерной силовой установкой, который смог продвинуться дальше стадии технического предложения, был выполнен фирмой Chrysler. Пентагон заказал танк, предназначенный для армии следующих десятилетий, и специалисты «Крайслера» решили дать еще одну попытку танковому реактору. Кроме того, новый танк TV8 должен был олицетворять новую концепцию компоновки. Бронированное шасси с электромоторами и ядерным реактором представляло собой типичный корпус танка с гусеничной ходовой частью. Однако на нем предлагалось установить башню оригинальной конструкции.

 Крупногабаритный агрегат сложной обтекаемо-граненой формы предполагалось сделать немного длиннее шасси. Внутри такой оригинальной башни предлагалось поместить рабочие места всех четырех членов экипажа, все вооружения, в т.ч. 90-мм орудие на жесткой безоткатной подвесной системе, а также боекомплект. Кроме того, в поздних версиях проекта предполагалось поместить в кормовой части башни дизельный двигатель или малогабаритный ядерный реактор. В таком случае реактор или двигатель давали бы энергию для работы генератора, питающего ходовые электромоторы и прочие системы. Согласно некоторым источникам, до самого закрытия проекта TV8 шли споры о наиболее удобном размещении реактора: в шасси или в башне. Оба варианта имели свои плюсы и минусы, но установка всех агрегатов энергоустановки в шасси была выгоднее, хотя и сложнее в техническом плане.

 Надо сказать, что TV8 оказался самым удачливым из всех американских атомных танков. Во второй половине пятидесятых на одном из заводов компании Chrysler даже построили макет перспективной бронемашины. Но дальше макета дело не пошло. Революционно новая компоновка танка в сочетании с ее технической сложностью не давала никаких преимуществ перед существующими и разрабатываемыми бронемашинами. В результате проект TV8 закрыли за бесперспективностью.

 После TV8 ни один американский проект атомного танка не вышел из стадии технического предложения. Главной проблемой концепции танка с атомным двигателем было то, что большой запас хода не означал высокой автономности машины. Лимитирующим фактором становился запас боеприпасов, смазочных материалов для механических частей, ресурс гусеничных лент. В результате, как таковая элиминация из состава танковых частей машин-заправщиков и упрощение снабжения атомных танков горючими материалами на практике не приводила к сколь-нибудь существенному повышению автономности. В то же время, стоимость танков с атомным двигателем была бы значительно выше обычных. Для их обслуживания и ремонта требовался бы специально обученный персонал и особые ремонтные машины и оборудование.

 Во-вторых, реактор, пригодный для монтажа на танке, по определению не может иметь достаточную защиту. В результате экипаж и окружающие люди или объекты будут подвергаться воздействию радиации. А в случае повреждения энергоустановки – а вероятность такого развития событий очень велика – атомный танк становится настоящей бомбой. Шансы экипажа выжить в момент аварии слишком малы, а выжившие станут жертвами острой лучевой болезни. В результате танки на атомном ходу так и остались оригинальной технической задумкой, возникшей на волне всеобщей «ядерной эйфории», но не давшей никаких практических результатов.

 Атомный автомобиль

 После освоения военного применения атомной энергии естественным стало стремление её гражданского использования. Гражданские конструкторы из Детройта пошли гораздо дальше своих коллег, они принялись за непосредственную разработку автомобиля, использующего энергию атома. За разработку атомного автомобиля инженеры Ford взялись в 1957 г., а уже год спустя широкой общественности был представлен первый атомный концепт автомобиля – атомобиль Ford Nucleon.

Принцип действия состоял в следующем: используя реакцию ядерного распада, происходил нагрев теплоносителя, который влиял на работу комплекса турбин. Основная турбина приводила автомобиль в движение, а вспомогательная использовалась для обеспечения приборов электроэнергией. После того, как теплоноситель передавал свою энергию турбинам, он конденсировался в жидкость, поступал в реактор, таким образом, замыкая цикл.

 Кассета с ядерным топливом, ТВЭЛ (Тепловыделяющий Элемент), как и сам ядерный реактор у этого необычного авто располагались сзади. Реакторный отсек был защищён двойным дном и мощным слоем биологической защиты. Кассета быта легкосъёмной и после того, как ядерное топливо отрабатывало свой ресурс, менялась на новую. Предполагалось, что менять их будут на специальных автозаправках. Сам процесс замены должен был занимать не больше получаса. Учитывая, что на одной «заправке» машина должна была проходить от 8000 км и больше (предполагались кассеты разных ёмкостей - «эконом», «стандарт» и «супер») - время более чем приемлемое.

 Кабина водителя была вынесена далеко вперёд, аж за переднюю ось. Причин тому было две. Во-первых, таким образом, экипаж машины максимально отдалялся от потенциально опасного ядерного отсека. И, во-вторых, кабина в этом случае уравновешивала установленную сзади тяжёлую биологическую защиту. Сама же кабина представляла почти сплошной стеклянный колпак с панорамным обзором. По бокам от неё были смонтированы воздухозаборники, предназначенные для охлаждения ядерного реактора.

 Концепт атомобиля был выполнен в одну восьмую натуральной величины, однако производители клятвенно заверяли общественность, что они готовы хоть сейчас соорудить его в нормальном размере. Что все детали и узлы просчитаны, продуманы и прочерчены, и дело остаётся за самым малым. А именно - за малым ядерным реактором, который пока не создан, но будет создан вот-вот, буквально лет через пять. Однако по прошествии пяти лет ядерный реактор малых размеров так и не родился. Зато родился новый концепт атомобиля. Ещё более революционный и значительно более реальный. Уже хотя бы потому, что был сделан в натуральную величину.

 Ford Seattle-ite был представлен на Всемирной ярмарке 1963 г. Это уже был поистине автомобиль будущего, имевший довольно мало общего с другими машинами. Одной из главных его фишек, кроме ядерной начинки, конечно, была сменная силовая установка. Она была смонтирована в легкосъёмной передней части автомобиля. По желанию можно было ездить либо в экономичном режиме, либо используя все ресурсы автомобиля по максимуму. Все органы управления подключались через шарнирные передачи за считанные минуты. В машине предусматривалось некое подобие современной GPS, только без использования спутников. Именно Seattle-ite начала 1960-х имел самый настоящий бортовой компьютер, который получал с приборов данные о пройденном километраже, поворотах и откладывал маршрут на «вшитой» в память карте, которая отображалась на цветном экране. Машина имела шестиколёсную схему, четыре передних колеса были ведущими и управляемыми. Такая конструкция резко улучшала манёвренность машины, да и тормозила она более эффективно, чем её четырёхколёсные братья. Лучше всего эффект четырёх ведущих ощущался на мокрой дороге, когда передняя пара фактически «осушала» своими покрышками дорогу для пары «ведомой».

 Кабина машины была оснащена стёклами с переменной прозрачностью, вентиляционными жалюзи, а почти всё управление осуществлялось буквально кончиками пальцев. Дизайн автомобиля и сейчас вызывает у людей неподдельное восхищение.

 Однако, дело опять упиралось в компактный ядерный реактор. Впрочем, в данном конкретном случае конструкторы перестраховались: машина могла работать и на топливных элементах. Однако тогда и нормальных топливных элементов, преобразующих органическое химическое топливо непосредственно в электричество, не существовало. Они появились лишь спустя два десятилетия. Ядерный реактор, компактный настолько, чтобы его можно было поместить в машину тоже был по тем временам нереализуем. Таким образом, атомобили так и остались концепт-карами и макетами.

 Получив два концепта и ни одного атомобиля, человечество на некоторое время забыло про свою ядерную авто-мечту. Страсти по атомобилю несколько улеглись, но в 2009-м был получен третий атомный концепт автомобиля. На этот раз постаралась уже компания General Motors. А помог ей нью-йоркский дизайнер и изобретатель Лорен Кулесус. Свой прототип для марки Cadillac он назвал World Thorium Fuel Vehicle - «всемирный автомобиль на ториевом топливе». И это далеко не самая главная особенность нового атомобиля. Его можно назвать «вечмобилем», ибо запас его прочности и выносливости превосходит все мыслимые пределы.

 Во-первых, на одной заправке Cadillac WTF будет ходить не 8 000, и даже не 80 000 км. Запас хода в Cadillac WTF вообще считается не в километрах, а в годах! Так вот, на одной заправке «вечмобиль» будет колесить не менее 100 лет. Во-вторых, все детали и узлы у авто многократно задублированы, поэтому никакая поломка не выведет его из строя. Одних только колёс предусмотрено 24, по формуле 4х6. Причём у каждого колеса - свой собственный электромотор. Заменять колёса не нужно, ни полностью, ни частично, требуется лишь их регулировать один раз в пять лет. В-третьих, машина имеет гибкую конструкцию. В зависимости от условий и от ситуации она может «льнуть» к дороге или, напротив, «вздыбиться». Конечно, не сильно, но на динамике и управляемости это отразится существенно. Ядерный реактор расположен в задней части машины. Работать он будет постоянно, а излишки энергии, например, на стоянке, вполне можно продавать в городские энергосети через специальные принимающие розетки. Но, к сожалению, и для этого авто маленький ториевый реактор ещё не построен.

 Следует учитывать принципиальные особенности ядерного двигателя - это агрегат высокой технологии, дорогой и имеющий специфическую ядерную и радиационную опасность. Насколько целесообразно его использование в областях массового применения и широкой доступности: автотранспорте, железной дороге, других областях наземного транспорта, авиации? Сегодня, по-видимому, нет. Зато, может быть в будущем применение атомобилей уже не будет чем-то необычным, возможно, автомобиль использующий энергию атому войдет в наш обиход. Ведь в своё время ядерные двигатели продемонстрировали свою востребованность в судостроении и по-прежнему остаются привлекательными для освоения космического пространства.

 Атомовоз – атомный локомотив

 В СССР проекты атомных автомобилей или же атомных танков не рассматривали, считая их бесперспективными. Зато в Советском Союзе разрабатывался атомовоз – автономный локомотив, приводимый в движение за счёт использования атомной энергии. Связанно это было с тем, что в нашей стране, огромное количество земли находится в холодных, малодоступных местах, лишенных поступления различной энергии. Перед атомным поездом тогда ставился целый ряд задач: от работы в удаленных районах Крайнего Севера до питания электричеством небольших поселков в глуши. Кроме того, согласно советскому проекту, атомный поезд должен был обеспечивать неслыханные по объемам грузоперевозки.

 Если говорить о реальности история проектирования атомных мегапоездов зашла не так далеко. Не были построены ни экспериментальные образцы локомотивов, ни соответствующие замыслу пути. Все остановилось на уровне эскизных проектов. При этом, в отличие от глубоко засекреченных работ по созданию того же самолета на атомной тяге, идея тепловозов, питающихся от реакторов, пропагандировалась в газетах, книгах и научно-популярных журналах. В газете «Гудок» — печатном органе Министерства путей сообщения СССР — в 1956 году писали: «В условиях Севера, Дальнего Востока и пустынь Центральной Азии не всегда целесообразно электрифицировать вновь строящиеся железнодорожные линии. В этих условиях лучше применять атомные локомотивы, которые могли бы работать автономно, без подвоза больших количеств топлива или других материалов… Конечно, атомный локомотив будет значительно тяжелее паровоза или тепловоза той же мощности. Но если такой локомотив направить на отдаленную магистраль, например, в Арктику, то он будет работать там с перерывами в течение целого зимнего сезона без дополнительного снабжения. Его очень легко превратить в подвижную электростанцию. Кроме того, он сможет снабжать энергией бани, прачечные, парники для выращивания овощей».

 Куда более масштабно и пафосно выглядела идея мегапоездов. Они должны были состоять из могучего атомного локомотива и гигантских вагонов, поставленных на сверхширокую колею, которая в 2,5−3 раза превышала бы по ширине принятый в нашей стране стандарт — 1520 мм. При этом грузовместимость товарных вагонов этого класса могла бы быть сравнима с аналогичным показателем речного грузового судна, а двухэтажные пассажирские вагоны предложили бы путникам небывалый простор и комфорт.

  В качестве привода для колес планировалось использовать электродвигатели, которые в свою очередь подпитывались бы от находящейся внутри локомотива атомной электростанции, построенной по классической схеме. В результате ядерной реакции вырабатывается тепло, которое передается теплоносителю, а он отдает тепло воде в парогенераторе. Образующийся пар поступает по трубам к турбине, а турбина в свою очередь приводит во вращение вал электрогенератора.

Идея поезда с ядерным реактором проста, и для ее реализации нет никаких препятствий фундаментального характера. Но почему же тогда мы до сих пор не покоряем арктические просторы на атомных локомотивах? Очевидно, что вопрос о целесообразности строительства гигантских поездов на атомной тяге распадается на два: о возможности применения ядерной энергии в пассажирском транспорте и о технико-экономической оправданности значительного расширения колеи железнодорожного пути.

 Собственно, ничто не мешает использовать энергию распада атомного ядра в транспортной индустрии, и более того, она активно используется. Примерно 75% электроэнергии во Франции вырабатывается на АЭС, так что знаменитые высокоскоростные поезда TGV, питающиеся электричеством из контактной сети, можно в каком-то смысле считать «атомными поездами». Однако совсем другое дело это перевозка электростанции с место на место. Единственный довод за — это возможность долговременной эксплуатации транспортного средства без дозаправки там, где нет топлива и подходящей инфраструктуры. Для ледоколов, совершающих длинные вояжи в арктических водах, или подводных лодок, находящихся на боевом дежурстве в другом полушарии, долговременная энергетическая автономность крайне важна.

 Ядерный реактор локомотива пришлось бы изолировать толстым слоем свинца или бетона, причем со всех сторон. Ограничиться стенкой между реактором и кабиной машинистов нельзя — ведь в таком случае убийственное излучение будет поражать все, что находится по сторонам от колеи, под мостами и на проходящих над путями эстакадах. Общий вес такой биологической защиты составил бы сотни тонн, к тому же она занимала бы значительный объем. Если же учесть, что ядерные реакторы, создававшиеся в 1950-х, сами по себе отличались большими габаритами, то размеры и вес атомного локомотива оказались бы просто титаническими.

 Возможно, именно по этой причине проектировщики сразу стали задумываться о том, что стандартную колею придется заменить сверхшироким путем. Очевидно, что для атомного мегапоезда пришлось бы не просто прокладывать более широкую колею, но заново просчитывать и создавать всю инфраструктуру, а это ставит под вопрос экономическую выгодность проекта. 

Таким образом разработки постепенно прекратились и ни один атомовоз так и не был построен, окончательно проектирование прекратилось в 1985 году.

 В заключение, об истории создания атомного транспортного средства хочется сказать еще пару слов. В последнее время в разных странах мира ведутся разработки новых типов ядерных реакторов — компактных и более безопасных, чем ныне существующие. Несколько лет назад южноафриканская государственная компания Escom объявляла о намерении построить так называемый модульный реактор с шариковой засыпкой. В нем не будет привычных стержней с ТВЭЛ. PMBR относится к типу высокотемпературных реакторов, и разогретый газ обладает достаточной энергией, чтобы непосредственно приводить в движение турбину низкого давления или передавать тепло другому теплоносителю через теплообменник. Это значительно повышает КПД всей системы.

 Но главное в таком реакторе - высокая пассивная безопасность. Никакого перегрева со взрывом по сценарию чернобыльской аварии в нем не может быть в принципе, так как в конструкцию встроена система естественной обратной связи. Даже если поступление охлаждающего газа прекратится, и температура начнет расти, то при достижении определенного ее значения реакция остановится сама собой.

Если этот, а также многие другие подобные проекты будут доведены до заявленных параметров, можно будет подумать и об использовании менее габаритных и более безопасных ядерных устройств в транспорте. И в таком случае идея атомных наземных транспортов обретет второе дыхание.

Заключение

Роль атомной энергии в нашей сегодняшней жизни трудно переоценить. Мы движемся большими темпами к освоению, по-настоящему «мирного атома» в разных сферах нашей жизни. Одна из этих сфер – транспортная.

Уже сейчас воды Северного Ледовитого Океана рассекают атомные ледоколы, во всю идут разработки космических средств, основанных на использовании ядерной энергии – они уже стали частью нашей жизни, современной науки. Возможно в будущем нас ожидают атомные машины и поезда, оснащенные ядерными реакторами. А вместе с тем – освоение новых пространств и территорий.

 Атомная энергия дает автономность транспорту - ту самостоятельность, за которой гонятся с создания самого первого средства передвижения. Создание компактных и безопасных ядерных реакторов делает возможным и создание компактных средств передвижения.

 Хоть, многих и пугает сама мысль о том, что где-то рядом с человеческими жилищами будут разъезжать атомные поезда, машины или другие средства передвижения и как бы ни был велик был страх перед радиацией, человечество все больше и больше волнуют перспективы глобального энергетического кризиса, связанного с дефицитом ископаемого топлива. А также проблемы окружающей среды, которые усугубляются загрязнением атмосферы в результате сжигания углеводородов. Поэтому нельзя исключить, что прогресс в области ядерных технологий (в первую очередь в вопросах обеспечения их большей безопасности) станет в недалеком будущем причиной возрождения интереса к атомному транспорту, который открывает совершенно новые перспективы в сфере путешествий и транспортировки.

 Применение ядерной энергии в транспорте, будет служить доказательством того, что атомную энергию можно направить в том направлении, которое необходимо самому человеку, причем, не обязательно в военном. Атомный транспорт открывает человеку совершенно новые перспективы, которыми не стоит пренебрегать. Именно поэтому, я считаю, что применение атомной энергии в транспорте является актуальным и многообещающим направлением, которое достойно развития и изучения.

Списки литературы

• Сайт Википедия

https://ru.wikipedia.org/wiki/

• Корабельный портал

http://korabley.net/

• Журнал «Популярная механика»

http://www.popmech.ru/

• Аналитический Сайт «Военное обозрение»

http://topwar.ru/

• Сайт Объектив – Х

http://www.objectiv-x.ru/

• Сайт «Альянс. Венчурный Бизнес»

http://venture-biz.ru/

• Сайт «Космопорт»

http://www.cosmoport.com/

• Сайт, посвященный атомной энергетике

http://atomas.ru/