«Техника-молодежи» 1991 г. №7, с.31-35
Василий МАЛИКОВ,
доктор технических наук
Каждые пять лет стандартный энергоблок-«миллионник» атомной электростанции выбрасывает 300 т отработанного топлива. В этом не было бы ничего особенного, если бы оно не содержало не менее 12 т радиоактивных отходов, которые пока ни у нас, ни за рубежом не научились обезвреживать. Серьезность ситуации усугубляется еще и тем, что в последние годы именно наша страна постепенно стала превращаться в «могильник» подобных веществ, причем не только собственных, но и импортных. Оказывается, никто, кроме нас, не «экспортирует» электроэнергию, в том числе вырабатываемую на отечественных АЭС, охотно принимая заграничную радиоактивную «грязь». Поразительно, но подобная практика не прекращается и после чернобыльской трагедии...
Между тем в США и других странах, располагающих АЭС, не первый год разрабатываются всевозможные проекты удаления таких шлаков, но не в «могильники», упрятанные в землю или под воду, а куда-нибудь подальше, скажем, в космическое пространство и даже за пределы Солнечной системы.
Однако транспортировка контейнеров с ними на сверхмощных ракетоносителях одноразового использования или в грузовых отсеках кораблей многоразового применения типа «спейс шаттл» обходится недешево, а для экипажей последних наверняка окажется небезопасной. Поэтому специалисты многих иностранных компаний уже занимаются проектированием электромагнитных метательных установок и стартовых комплексов, достаточно рентабельных и безопасных как для обслуживающего персонала, так и для окружающей их среды на Земле и в космосе.
Какими же будут сооружения, разгружающие планету от радиоактивного мусора? Метательная установка представляет собою лишь коммерческий вариант электромагнитной пушки. Как известно, идею такой сверхдальнобойной артсистемы предложили в 1915 году российские инженеры Подольский и Ямпольский, использовав принцип линейного электродвигателя, изобретенного еще в XIX столетии русским физиком Б.Якоби (см. «ТМ» № 3 за 1984 г., № 5 за 1987г.). Они создали проект магнитно-фугальной пушки с 50-метровым стволом, обвитым катушками индуктивности. Предполагалось, что разгоняемый электротоком снаряд достигнет начальной скорости 915 м/с и улетит на 300 км. Проект отвергли как несвоевременный.
В следующем году французы Фашон и Виллепле предложили аналогичную артсистему, причем на испытаниях ее модели 50-граммовый снарядик разгонялся до 200 м/с. Изобретатели подчеркивали, что электромагнитные пушки окажутся дальнобойнее обычных, кроме того, их стволы не будут перегреваться при длительной стрельбе и не станут разрушаться от воздействия раскаленных пороховых газов и стремительно движущегося по ним увесистого нарезного снаряда. Однако скептики подметили, что для такой установки потребуется ствол длиной не менее 200 м, который придется удерживать несколькими стационарными фермами, лишь незначительно меняя угол его наклона, а о наводке по горизонтали говорить не придется. Да и для обеспечения энергией подобной артсистемы рядом с ней требовалось соорудить солидную электростанцию...
По этим и другим причинам от электромагнитных пушек отказались, и в 1917-1918 годах немцы изготовили для обстрела Парижа с дистанции 120 км обычную пушку весом... 750 т с 34-метровым стволом, из которого 104-120-килограммовые снаряды вылетали с начальной скоростью 1200 м/с. Французы ответили 210-мм пушкой с 24-метровым стволом, выпускавшей на ту же дистанцию снаряды весом по 108 кг.
Эксперименты с электромагнитными метательными системами были вновь продолжены только после второй мировой войны. Скажем, американцы не так давно разместили близ города Альбукерк экспериментальное электромагнитное устройство, спроектированное сотрудниками Национальной лаборатории. Удлиненный ствол расположили под углом 30 градусов относительно горизонта, под ним смонтировали амортизаторы. Пока шестиступенчатый электромагнитный ускоритель рассчитан на разгон полезной нагрузки массой 4 кг и диаметром 139 мм. Позже появится десятиступенчатый, предназначенный для запуска 400-килограммовых снарядов калибром 750 мм. Как и в артиллерии, им придадут выгодную с точки зрения аэродинамики форму. Однако это будет не боеприпас, а искусственный спутник, отправка которого на орбиту обойдется намного дешевле, чем на ракете или корабле многоразового использования.
«Контейнер с полезным грузом отправится верхом на электромагнитной волне, удерживаясь на ее вершине, как серфер», — образно сказал руководитель проекта У.Коуэн. Для того чтобы он вышел на околоземную орбиту, достаточно придать ему скорость 7,5 км/с.
Разумеется, для этого потребуется изрядная энергия, а значит, и накопители, способные неторопливо заряжаться и в считанные секунды выдавать напряжение на катушки индуктивности, окружающие ствол. Подобными аккумуляторами начали заниматься еще в 60-е годы, в частности, их разрабатывал «отец» нацистского чудо-оружия Фау-2 и американской космической программы В. фон Браун. Применение новейшей технологии и материалов привело к значительному прогрессу в этом направлении. Скажем, если в 1985 году конденсатору электроэнергии в 5 МДж требовалось помещение объемом 8.5 куб.м., то теперь он легко размещается в полукубовом отсеке. Да и сам процесс накопления энергии стал намного дешевле.
Так что нет оснований сомневаться в том, что в недалеком будущем искусственные спутники будут выстреливаться на орбиты с электромагнитных метательных установок даже очередями. Тогда удастся разнообразить их начинку — от всевозможных приборов до самых необычных грузов, скажем, контейнеров с радиоактивными отходами.
Специалисты американского научно-исследовательского центра имени Льюиса разработали проект стартового комплекса, включающего несколько технических и пусковых площадок, помещений для подготовки снарядов-контейнеров, подземных хранилищ, центра управления «стрельбой», станций радиолокационного слежения, хранилищ топлива, воды, жидких азота и водорода, а также установок для их получения. Предусмотрена и производственная зона — инженерно-технические и административные здания, аэродром, железнодорожная станция и другие объекты. В общем, сооружение достаточно сложное и дорогостоящее. Оправдаются ли расходы на его строительство и содержание?
Видимо, да — судя по анализу перспектив развития ядерной энергетики, в 2020 — 2050 годы в одних только Соединенных Штатах предстоит выводить на орбиты до 3 т разных грузов, в том числе полтонны радиоактивных отходов, причем ежедневно. А это означает не менее десяти «пусков» в сутки!
Схема устройства, содержащего радиоактивные отходы и запускаемого в космическое пространство с помощью электромагнитной пушки. Буквами обозначены: А — общий вид транспортного контейнера; Б — внешний вид снаряда; В — размещение снаряда в контейнере; Г— размещение полезной нагрузки, силовой установки и топлива в орбитальном снаряде. | Структурная схема электронного блока мощности, управляющего напряжением, подаваемым на катушки рельсотрона. Цифрами обозначены: 1 — блок отклонения; 2 — усилитель мощности, необходимый для парирования ветра; 3 — компенсатор боковых смещений; 4 — блок определения начального участка траектории; 5 — запоминающее устройство для данных о положении снаряда (емкостью 10 кбит), 6 — правая и 7 — левая камеры; 8 — правый и 9 -левый усилители; 10 — экран; 11 — приборы управления наведением ствола по вертикали и горизонтали; 12 — серводвигатель качающейся и вращающейся частей установки; 13 — счетчик предварительного выбора; 14 — счетная катушка; 15 — пульт ручного наведения; 16 — батарея напряжением 60 В при емкости 3 кА/ч; 17 — электрогенератор, служащий для зарядки батареи; 18 — катушки и 19 — питающий их генератор; 20 — мультиплексор; 21 — фотоэлектрический переключатель; 22 — генератор трехфазного тока. |
|
По данным сотрудников центра имени Льюиса, затраты на сооружение подобного объекта могут достигнуть 6,4 млрд. долларов, а ежегодные эксплуатационные расходы 58 млн., и это без учета стоимости снарядов и нагрузки. С другой стороны, судя по предварительным данным, удаление килограмма радиоактивных отходов за пределы Земли электромагнитными пушками хоть и дорого, но значительно дешевле, чем, скажем, использовать для тех же целей ракетные системы или «спейс шаттлы» и «бураны».
Для полного и всестороннего исследования проблемы НАСА спланировало пятилетнюю фундаментальную программу. Для ее теоретического обоснования и конструктивной проработки правительство США уже выделило свыше 3 млн. долларов.
Кстати, авторы этой программы подчеркивали, что ни одна здравомыслящая нация не должна идти на заведомое самоубийство, добровольно утопая в отходах собственной ядерной энергетики. Никто не считает, что существует некий магический способ достижения противоречивых целей — с одной стороны, развивать и дальше атомную энергетику, без которой уже в нынешних условиях невозможно обойтись, и с другой — медленно и верно уничтожать ее отходами все живое...
В последние годы появилось немало проектов электромагнитных метательных установок для вывода всевозможных объектов на околоземные орбиты. Они отличаются деталями, но общим у них остается «предок»: та самая электромагнитная пушка, которую еще восемь десятилетий назад предложили русские и французские инженеры. А теперь проследим, каким образом контейнеры с радиоактивными отходами будут убираться с нашей планеты (см. рисунок на центральном развороте журнала).
Отработавшие на АЭС стержни привезут на стартовый комплекс и направят в пункт переработки. Там их разделят на две части. Одну, менее опасную, опустят в глубокое, подземное хранилище, другую — в помещение предварительного хранения и технической проверки. Там отходы перегрузят из транспортных контейнеров в экранированные капсулы, представляющие собой части орбитального снаряда.
Его устройство будет зависеть от назначения и вида «полезной нагрузки» (если такой термин применим к радиоактивным отходам). В любом случае корпус должен обладать минимальным аэродинамическим сопротивлением, для движения по рельсотрону-стволу потребуются сбрасываемые после выстрела башмаки, а для стабилизации при полете в атмосфере — стабилизаторы. Поскольку снаряд станет неизбежно испытывать значительные перегрузки, его изготовят из прочнейшего, тугоплавкого вольфрама, а в будущем — из новых легированных сталей и керамических материалов. Калибр будет определяться толщиной защитных экранов, за которыми расположатся сами контейнеры.
Для того чтобы запущенный снаряд десятилетиями «висел» на заданной орбите, его оснастят силовой установкой, которая, включаясь автоматически, обеспечит маневр по высоте и курсу. Топливо и другие рабочие жидкости заправят на технических площадках, размещенных рядом с метательными установками. В качестве топлива пока намечена комбинация гидрозина-трифторида хлора, обладающая большой плотностью и достаточным удельным импульсом. Вместе с тем специалисты трудятся и над другими компонентами горючего и окислителя, в том числе и над высокоэнергетическими твердыми.
...Незадолго перед пуском смонтированный снаряд переместят в магазин, оттуда в зарядное устройство. За ним расположен газодинамический участок доускорения, переходящий в ствол-рельсотрон, изготовленный из меди. Сначала предлагали ствол квадратного сечения, однако после опытов, проведенных в Ливерморской лаборатории, предпочли круглый в сечении, «пушечный», окруженный множеством соленоидных катушек, объединенных в блоки. Они-то и взаимодействуют с движущимся по стволу снарядом.
Перед «выстрелом» катушки возбуждаются переменным током с возрастающей частотой. Так, на одном из опытных образцов метательной установки на первый блок подавали напряжение с частотой 4,4 кГц, на второй — до 8,8 кГц, на третьем она возрастала до 13,2 кГц и так далее.
Каждый блок катушек, взаимодействуя с несущимся по рельсотрону снарядом, как бы подхватывал и разгонял его до тех пор, пока скорость не достигала расчетной. При этом блоки оснащались собственными генераторами с фотоэлектрическими переключателями, срабатывавшими при приближении снаряда к фиксированным точкам в стволе. Кроме того, генераторы связывались с мультиплексором, подключенным к усилителям мощности соленоидов. Такова, разумеется, в общих чертах, типовая электромагнитная метательная установка для стрельбы радиоактивными отходами.
Если же контейнеры с ними вознамерятся отправить не в околоземное пространство, а в дальний космос, то рельсотроны предпочтительнее размещать в шахтах, благо накоплен изрядный опыт их сооружения для баллистических боевых ракет. При этом для снижения энергозатрат их предлагают устраивать в горах, на высотах 2,5 — 3 тыс. м — поближе к стратосфере...
В любом случае для вывода снаряда на околоземную орбиту будет достаточно скорости 7 км/с, а дополнительный импульс в 2,1 км/с позволит ему достичь высоты 500 км.
Наведение ствола по вертикали и азимуту будет осуществляться синхронными, гидравлическими следящими приводами, а по обе его стороны установят телекамеры и пьезоэлектрические зонды, служащие для замера скорости ветра и определения его направления. Знать то и другое необходимо, чтобы нацелить рельсотрон так, чтобы энергетические затраты при запуске оказались минимальными (речь, естественно, идет о наземных установках).