Атомовозы на железнодорожном транспорте: конструкция и перспективы применения

В железнодорожной транспортной системе теоретически возможно использование атомовозов – локомотивов с ядерной энергетической установкой. Одним из перспективных типов реактора для таких машин рассматривается реактор на быстрых нейтронах, обладающий рядом преимуществ. Однако применительно к локомотивостроению существует множество специфических факторов, без положительного решения которых невозможно прийти к однозначному выводу о создании подобного подвижного состава. К числу этих факторов относятся жесткие массогабаритные ограничения, низкая температура теплоносителя водо-водяных реакторов, вопросы безопасности обслуживания и эксплуатации, а также переменный режим работы ядерной силовой установки.

Использование судовых ядерных установок, широко применяемых на морских судах, на железнодорожном транспорте невозможно из-за их большой массы и габаритов. Масса реактора с надежной биологической защитой должна составлять не более 100–200 тонн, а диаметр, ограниченный габаритом подвижного состава 1-Т, не должен превышать 3200 мм. Низкая температура теплоносителя водо-водяных реакторов (пар с температурой 300–320 °С) не позволяет достичь приемлемого КПД, поэтому необходим теплоноситель с температурой 600–800 °С, например жидкий металл.

Радиационная безопасность при ремонте и эксплуатации атомовоза требует создания эффективной биологической защиты. На локомотиве реактор и все его системы подвергаются динамическим нагрузкам от колебаний обрессоренных и необрессоренных частей, что вызывает необходимость дополнительных мер по герметизации трубопроводов, обеспечению их усталостной и термической прочности. Конструкция атомного реактора должна выдерживать при авариях и крушениях механические нагрузки без разрушения активной зоны.

Переменный режим работы атомовоза существенно усложняет регулирование силовой установки, поскольку для предотвращения перегрева активной зоны отвод теплоты из реактора должен быть непрерывным. Также до сих пор окончательно не определена сфера применения атомовозов: для регионов с развитой железнодорожной сетью и короткими плечами тяги их использование нецелесообразно. Вероятно, такие локомотивы могут создаваться как специальные машины для эксплуатации в отдаленных труднодоступных районах или в качестве передвижных электростанций большой мощности.

Разработана конструктивная схема атомовоза с реактором на быстрых нейтронах типа БОР-60. Проработаны варианты компоновки железнодорожной энергетической установки, которая может использоваться как локомотив (газотурбовоз) или передвижная электростанция. Предлагаемый атомовоз состоит из трех секций: средней реакторной на двух четырехосных тележках и двух крайних тяговых секций на базе экипажной части серийного тепловоза 2ТЭ116 (рис. 2.5.4).

Рис. 2.5.4. Схема атомовоза: 1 - крайние тяговые секции; 2 - секция с атомным реактором; 3 - тепловозные четырехосные тележки; 4 - размещение силовых агрегатов

Реактор на быстрых нейтронах типа БОР-60 эксплуатируется с 1968 года. Проработано применение серийной газотурбинной установки Д-012Т-3, которая в исходном состоянии при температуре газа 820 °С имеет мощность 5 МВт и КПД 24 %. В атомовозе при температуре газов перед газотурбинной установкой 600 °С ее мощность составляет 2,5–3 МВт (в зависимости от степени регенерации), а КПД – около 20 %. Активная зона реактора содержит пакеты с тепловыделяющими элементами, окруженные экранами-отражателями из UO₂, стали и необогащенного урана. Выбранный тип реактора в перспективе позволяет использовать теплоноситель с более высокой температурой (до 800 °С).

Применительно к атомовозу тепловая мощность реактора принята равной 30 МВт, что позволяет получить на ободе колеса касательную мощность 5–6 МВт. Масса реактора с биологической защитой, теплообменниками и системами управления составляет примерно 140 тонн. Размеры газотурбинной установки позволяют вписать ее в габарит подвижного состава 1-Т. Биологическая защита обеспечивает выполнение норм радиационной безопасности для обслуживающего персонала. Требования безопасности для населения могут быть обеспечены регламентацией частоты и скорости прохождения атомовоза по станционным путям, а также снижением в этот период его номинальной мощности.

Проработаны варианты компоновки силовых агрегатов атомовоза. Для сосредоточенной массы реакторной секции предлагается использовать четырехосные тележки тепловоза серии ТЭМ7, при этом осевые нагрузки могут достигать примерно 225 кН. Также возможно создание специальных четырехосных тележек или использование тележек восьмиосного вагона. Каркас кузова состоит из двух сварных продольных балок коробчатого сечения, соединенных стяжными ящиками автосцепок, шкворневыми балками и межрамными элементами. Он воспринимает статические и динамические нагрузки, а также усилия от ядерного реактора с защитно-силовым корпусом. В крайних секциях размещены турбогенераторы, компрессоры, вспомогательный дизель-генератор для передвижения без работы реактора, тормозной компрессор, пусковой электродвигатель и другое оборудование.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Четвергов В.А., Пузанков А.Д. Надежность локомотивов / Под ред. В.А. Четвергова. М.: Маршрут, 2003. 415 с.
2. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава. М.: Транспорт, 1981. 184 с.
3. Надежность тепловозов / В.Н. Вознюк и др. М.: Транспорт, 1991. 159 с.
4. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. М.: Издательство стандартов, 1989. 224 с.
5. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М.: Информэлектро, 1994. 64 с.

6. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте. М.: МПС, 1999. 132 с.
7. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов / А.А. Камаев, Н.Г. Аланович, В.А. Камаев и др.; под ред. А.А. Камаева. М.: Машиностроение, 1981. 351 с.
8. Конструирование и расчет вагонов / В.В. Лукин и др. М.: УМК МПС России, 2000. 731 с.
9. Субоч Н.И. Дизель-поезда и автомотрисы советских железных дорог // Электрическая и тепловозная тяга. 1991. № 6. С. 42–43.
10. Субоч Н.И. Дизель-поезда и автомотрисы советских железных дорог // Электрическая и тепловозная тяга. 1991. № 7. С. 43–45.

11. Быкодоров В.П., Иоффе А.Г. Новые разработки Луганского завода // Локомотив. 2004. №3. С. 10–12.
12. Али Асгар Шафи Надери. Современные дизель-поезда // Железные дороги мира. 2003. № 12. С. 22–33.
13. Новый дизель-поезд серии 628.2/928.2 // ZET+DET Clasers Annalen. 1986. № 3.
14. Ф. Хефнер. Дизель-поезд серии VT610 // Железные дороги мира. 1992. № 9. С. 28–32.
15. Справочник Jaue's Wold Railways. 2003–2004. С. 565–571.

16. Щурин К.В. Дизель-поезда: вчера, сегодня, завтра // Локомотив. 2003. № 12. С. 31–35.
17. Белоконь Н.И. Газотурбинные локомотивы // Железнодорожный транспорт. 1955. №4. С. 10–12.
18. Сен-Желен Е.А. Газотурбинные локомотивы // Железнодорожный транспорт. 1974. №5. С. 8–11.
19. Николаев И.И. Газотурбовозы. М.: Трансжелдориздат, 1955. С. 8–9.
20. Газотурбопоезд Jetrain // Железные дороги мира. 2001. № 5. С. 14–15.
21. Отечественные газотурбовозы / Л.А. Воронков. М.: Машиностроение, 1971. 24 с.
22. Бартош Е.Т. Газотурбовозы и турбопоезда. М.: Транспорт. 1978. 270 с.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.