Ядерная морская двигательная установка — это движение корабля или подводной лодки с использованием тепла, обеспечиваемого ядерным реактором . Электростанция нагревает воду для производства пара для турбины, используемой для вращения гребного винта корабля через коробку передач или через электрический генератор и двигатель. Ядерная двигательная установка используется в основном на военных кораблях, таких как атомные подводные лодки и суперавианосцы . Построено небольшое количество экспериментальных гражданских атомных кораблей. [1]
По сравнению с судами, работающими на нефти или угле, ядерная силовая установка предлагает преимущество очень длительных интервалов работы перед дозаправкой. Все топливо содержится внутри ядерного реактора, поэтому ни груз, ни запасы не занимают место для топлива, а также не занимают места выхлопные трубы или воздухозаборники для горения. [2] Однако низкая стоимость топлива компенсируется высокими эксплуатационными расходами и инвестициями в инфраструктуру, поэтому почти все атомные суда являются военными. [2]
Большинство военно-морских ядерных реакторов относятся к типу водо-водяных реакторов , за исключением нескольких [ количественных ] попыток [ кем? ] при использовании реакторов с жидким натриевым теплоносителем. [2] Первичный водяной контур передает тепло, образующееся в результате ядерного деления топлива, к парогенератору ; эта вода находится под давлением, поэтому она не кипит. Эта схема работает при температуре от 250 до 300 ° C (от 482 до 572 ° F). Любое радиоактивное загрязнение первичной воды локализовано. Вода циркулирует насосами; на более низких уровнях мощности реакторы, предназначенные для подводных лодок, могут полагаться на естественную циркуляцию воды для снижения шума, создаваемого насосами. [ нужна цитата ]
Горячая вода из реактора нагревает отдельный водяной контур парогенератора. Эта вода преобразуется в пар и проходит через паровые сушилки на пути к паровой турбине . Отработанный пар при низком давлении проходит через конденсатор , охлаждаемый морской водой, и возвращается в жидкую форму. Вода перекачивается обратно в парогенератор и продолжает цикл. Любая потеря воды в процессе может быть восполнена за счет добавления опресненной морской воды в питательную воду парогенератора. [3]
В турбине пар расширяется и снижает свое давление, передавая энергию вращающимся лопаткам турбины. Может быть много ступеней с вращающимися лопастями и неподвижными направляющими аппаратами. Выходной вал турбины может быть соединен с редуктором для снижения скорости вращения, затем вал соединяется с гребными винтами судна. В другой форме приводной системы турбина вращает электрический генератор, а вырабатываемая электроэнергия подается на один или несколько приводных двигателей гребных винтов судна. Военно-морские силы России , США и Великобритании полагаются на прямое движение паровой турбины, в то время как французские и китайские корабли используют турбину для выработки электроэнергии для движения ( турбоэлектрическая трансмиссия ). [ нужна цитата ]
Некоторые атомные подводные лодки имеют один реактор, но российские подводные лодки имеют два, как и военный корабль США « Тритон» . Большинство американских авианосцев оснащены двумя реакторами, но у USS Enterprise их было восемь. Большинство морских реакторов относятся к водо-водяному типу, хотя ВМС США и СССР проектировали военные корабли с реакторами с жидкометаллическим охлаждением . [ нужна цитата ]
Реакторы морского типа отличаются от коммерческих энергетических реакторов наземного базирования в нескольких отношениях. [ нужна цитата ]
В то время как наземные реакторы атомных электростанций производят примерно до 1600 мегаватт чистой электроэнергии ( паспортная мощность EPR ), типичный морской двигательный реактор производит не более нескольких сотен мегаватт. Некоторые малые модульные реакторы (ММР) аналогичны морским двигательным реакторам по мощности и некоторым конструктивным соображениям, поэтому ядерные морские двигательные установки (как гражданские, так и военные) иногда предлагаются в качестве дополнительной рыночной ниши для ММР. В отличие от наземных проектов, где сотни гектаров могут быть заняты такими установками, как атомная электростанция Брюса , в морских условиях ограниченное пространство требует, чтобы морской реактор был физически небольшим, поэтому он должен генерировать более высокую мощность на единицу пространства. Это означает, что его компоненты подвергаются большим нагрузкам, чем компоненты наземного реактора. Его механические системы должны безупречно работать в неблагоприятных условиях моря, включая вибрацию, качку и качку корабля, действующего в бурном море. Механизмы остановки реактора не могут полагаться на гравитацию, чтобы поставить стержни управления на место, как в наземном реакторе, который всегда остается в вертикальном положении. Коррозия в соленой воде является дополнительной проблемой, усложняющей техническое обслуживание. [ нужна цитата ]
Поскольку активная зона морского реактора намного меньше энергетического реактора, вероятность пересечения нейтрона с делящимся ядром до того, как он улетит в защиту, намного ниже. Таким образом, топливо обычно более высокообогащено (т. е. содержит более высокую концентрацию 235 U по сравнению с 238 U), чем топливо, используемое на наземной атомной электростанции, что увеличивает вероятность деления до уровня, при котором устойчивая реакция может возникнуть. Некоторые морские реакторы работают на относительно низкообогащенном уране , что требует более частых дозаправок. Другие работают на высокообогащенном уране , содержание которого варьируется от 20% 235 U до более 96% 235 U, обнаруженного на подводных лодках США , [4] в результате чего меньшая активная зона работает тише (большое преимущество для подводной лодки). [5] Использование более высокообогащенного топлива также увеличивает удельную мощность реактора и продлевает срок службы загрузки ядерного топлива, но является более дорогим и представляет больший риск для распространения ядерного оружия, чем менее высокообогащенное топливо. [6]
Морская ядерная двигательная установка должна быть спроектирована так, чтобы быть высоконадежной и самодостаточной, требующей минимального обслуживания и ремонта, которые, возможно, придется проводить за многие тысячи миль от порта приписки. Одной из технических трудностей при проектировании твэлов морского ядерного реактора является создание твэлов, выдерживающих большое количество радиационных повреждений. Топливные элементы со временем могут треснуть, и могут образоваться пузырьки газа. Топливо, используемое в морских реакторах, представляет собой сплав металла и циркония , а не керамический UO 2 ( диоксид урана ), часто используемый в наземных реакторах. Морские реакторы рассчитаны на длительный срок службы активной зоны, что обеспечивается относительно высоким обогащением урана и включением в топливные элементы « выгорающего яда », который медленно истощается по мере старения топливных элементов и становится менее реактивным. Постепенное рассеивание «ядерного яда» увеличивает реактивность активной зоны, чтобы компенсировать снижение реактивности стареющих топливных элементов, тем самым продлевая срок службы топлива. Компактный корпус реактора снабжен внутренней нейтронной защитой, которая снижает повреждение стали от постоянной нейтронной бомбардировки. [ нужна цитата ]
Decommissioning nuclear-powered submarines has become a major task for U.S. and Russian navies. After defuelling, U.S. practice is to cut the reactor section from the vessel for disposal in shallow land burial as low-level waste (see the ship-submarine recycling program). In Russia, whole vessels, or sealed reactor sections, typically remain stored afloat, although a new facility near Sayda Bay is to provide storage in a concrete-floored facility on land for some submarines in the far north.[citation needed]
Russia built a floating nuclear power plant for its far eastern territories. The design has two 35 MWe units based on the KLT-40 reactor used in icebreakers (with refueling every four years). Some Russian naval vessels have been used to supply electricity for domestic and industrial use in remote far eastern and Siberian towns.[citation needed]
In 2010, Lloyd's Register was investigating the possibility of civilian nuclear marine propulsion and rewriting draft rules (see text under Merchant Ships).[7][8][9]
Insurance of nuclear vessels is not like the insurance of conventional ships. The consequences of an accident could span national boundaries, and the magnitude of possible damage is beyond the capacity of private insurers.[10] A special international agreement, the Brussels Convention on the Liability of Operators of Nuclear Ships, developed in 1962, would have made signatory national governments liable for accidents caused by nuclear vessels under their flag[11] but was never ratified owing to disagreement on the inclusion of warships under the convention.[12] Nuclear reactors under United States jurisdiction are insured by the provisions of the Price–Anderson Act.[citation needed]
_with_California_(CGN-36)_and_South_Carolina_(CGN-37)_c1976.jpg/1280px-USS_Nimitz_(CVN-68)_with_California_(CGN-36)_and_South_Carolina_(CGN-37)_c1976.jpg)
By 1990, there were more nuclear reactors powering ships (mostly military) than there were generating electric power in commercial power plants worldwide.[13]
Под руководством капитана ВМС США (впоследствии адмирала) Хаймана Дж. Риковера [14] проектирование, разработка и производство атомных морских двигательных установок началось в США в 1940-х годах. Первый прототип военно-морского реактора был построен и испытан на военно-морском реакторном комплексе Национальной реакторной испытательной станции в Айдахо (ныне Национальная лаборатория Айдахо ) в 1953 году.
Первая атомная подводная лодка USS Nautilus (SSN-571) вышла в море в 1955 году (SS был традиционным классификационным обозначением корпуса подводных лодок США, а SSN обозначал первую «атомную» подводную лодку). [15]
Советский Союз также разрабатывал атомные подводные лодки. Первыми разработанными типами были проект 627, класс «Ноябрь» , обозначенный НАТО , с двумя реакторами с водяным охлаждением, первый из которых, К-3 « Ленинский комсомол », разрабатывался на атомной энергетике в 1958 году. [16]
Ядерная энергетика произвела революцию в подводной лодке, сделав ее, наконец, настоящим «подводным» судном, а не «погружаемым» кораблем, который мог оставаться под водой только в течение ограниченного периода времени. Это давало подводной лодке возможность работать под водой на высоких скоростях, сравнимых со скоростями надводных кораблей, в течение неограниченного времени, зависящего только от выносливости ее экипажа. Чтобы продемонстрировать это, USS Triton был первым судном, совершившим подводное кругосветное плавание вокруг Земли ( операция Sandblast ), сделав это в 1960 году. [17]
«Наутилус » с водо-водяным реактором (PWR) привел к параллельной разработке других подводных лодок, таких как уникальный реактор с жидкометаллическим (натриевым) охлаждением на авианосце « Сивулф » или два реактора на « Тритоне» , а затем подводные лодки класса «Скейт », работающие от одной реакторы и крейсер USS Long Beach в 1961 году с двумя реакторами. [ нужна цитата ]
К 1962 году ВМС США имели 26 действующих атомных подводных лодок и еще 30 строящихся. Ядерная энергетика произвела революцию в военно-морском флоте. Соединенные Штаты поделились своими технологиями с Великобританией , в то время как разработки Франции , СССР , Индии и Китая шли отдельно. [ нужна цитата ]
После кораблей класса «Скейт» американские подводные лодки оснащались серией стандартизированных однореакторных установок, построенных компаниями Westinghouse и General Electric . Компания Rolls-Royce plc построила аналогичные агрегаты для подводных лодок Королевского флота , в конечном итоге разработав собственную модифицированную версию PWR2 . [ нужна цитата ]
Крупнейшими атомными подводными лодками, когда-либо построенными, являются российские атомные подводные лодки водоизмещением 26 500 тонн . Самыми маленькими ядерными боевыми кораблями на сегодняшний день являются французские ударные подводные лодки класса «Руби» водоизмещением 2700 тонн . В период с 1969 по 2008 год ВМС США эксплуатировали невооруженную атомную подводную лодку NR-1 Deep Submergence Craft , которая не была боевым кораблем, но была самой маленькой атомной подводной лодкой водоизмещением 400 тонн. [ нужна цитата ]
США и Франция построили атомные авианосцы .
_underway_2009.jpg/1280px-Charles_De_Gaulle_(R91)_underway_2009.jpg)
Единственный образец французского атомного авианосца — «Шарль де Голль» , вошедший в строй в 2001 году (планируется преемник). [18]
Французский авианосец оснащен катапультами и аэрофинишерами . « Шарль де Голль» водоизмещением 42 000 тонн является флагманом ВМС Франции (Marine Nationale). Корабль несет на борту самолеты Dassault Rafale M и E‑2C Hawkeye , вертолеты EC725 Caracal и AS532 Cougar для боевого поиска и спасения , а также современную электронику и ракеты Aster . [19]
ВМС США имеют 11 авианосцев, все с атомными двигателями: [20]
Класс «Киров» , советское обозначение «Проект 1144 Орлан» (« Орлан» ) — класс атомных ракетных крейсеров ВМФ СССР и ВМФ России , крупнейших и тяжёлых надводных боевых кораблей (т.е. не авианосцев и не десантных кораблей ). десантный корабль ) в эксплуатации в мире. Среди современных военных кораблей они уступают по размеру только крупным авианосцам и сопоставимы по размеру с линкорами времен Второй мировой войны . Советская классификация этого корабля — «тяжёлый атомный ракетный крейсер » . Западные обозреватели обороны часто называют эти корабли линейными крейсерами из-за их размеров и общего внешнего вида. [22]
ВМС США одно время имели в составе своего флота атомные крейсеры . Первым таким кораблем стал USS Long Beach (CGN-9) . Введенный в строй в 1961 году, он был первым в мире надводным боевым кораблем с ядерной установкой . [23] Год спустя за ней последовал военный корабль США «Бейнбридж» (DLGN-25) . В то время как Лонг-Бич был спроектирован и построен как крейсер, [24] Бейнбридж начал свою жизнь как фрегат , хотя в то время ВМФ использовал код корпуса «DLGN» для « лидера эсминца , управляемой ракеты , ядерного оружия ». [25]
Последними атомными крейсерами, которые построят американцы, будет четырехкорабельный крейсер класса «Вирджиния» . USS Virginia (CGN-38) был введен в строй в 1976 году, за ним последовал USS Texas (CGN-39) в 1977 году, USS Mississippi (CGN-40) в 1978 году и, наконец, USS Arkansas (CGN-41) в 1980 году. В конечном итоге все эти корабли содержание оказалось слишком дорогостоящим [26] , и все они были выведены из эксплуатации в период с 1993 по 1999 год .
ССВ-33 Урал ( ССВ-33 Урал ; кодовое название НАТО : Капуста [ по -русски « капуста »)) — военный корабль управления и контроля, находившийся на вооружении ВМФ СССР . Корпус SSV-33 был заимствован у атомных линейных крейсеров типа «Киров» с ядерной морской силовой установкой. [27] SSV-33 выполнял функции электронной разведки , слежения за ракетами, космического слежения и ретранслятора связи. Из-за высоких эксплуатационных расходов SSV-33 был поставлен на прикол. [27]
ССВ-33 нес только легкое оборонительное вооружение. Это были две 76-мм пушки АК-176, четыре 30-мм пушки АК-630 и четыре счетверенные ракетные установки «Игла». [ нужна цитата ]
« Посейдон» ( русский : Посейдон , « Посейдон », кодовое название НАТО «Каньон »), ранее известный под российским кодовым названием Статус-6 ( русский : Статус-6 ), — это беспилотный подводный аппарат с ядерной силовой установкой и ядерным вооружением, разрабатываемый компанией Rubin Design. Бюро , способное доставлять как обычные, так и ядерные полезные нагрузки . По данным российского государственного телевидения, он способен доставить термоядерную кобальтовую бомбу мощностью до 200 мегатонн (в четыре раза мощнее, чем самое мощное устройство, когда-либо взорванное, « Царь-бомба» , и в два раза превышает максимальную теоретическую мощность) по военно-морским портам противника и прибрежные города. [28]
Ниже приведены корабли , которые используются или находились в коммерческом или гражданском использовании и имеют ядерную морскую двигательную установку.
Гражданские торговые суда с атомными двигателями так и не развились дальше нескольких экспериментальных судов. Построенное в США судно « Саванна» , построенное в 1962 году, представляло собой в первую очередь демонстрацию гражданской ядерной энергетики и было слишком маленьким и дорогим для экономичной эксплуатации в качестве торгового судна. Конструкция представляла собой слишком компромиссный вариант: он не был ни эффективным грузовым судном, ни жизнеспособным пассажирским лайнером. Построенный в Германии грузовой корабль и исследовательский центр «Отто Хан» , построенный в 1968 году, прошёл около 650 000 морских миль (1 200 000 км) в 126 рейсах за 10 лет без каких-либо технических проблем. [ нужна цитата ] Он оказался слишком дорогим в эксплуатации и был переоборудован на дизельное топливо. Японский Муцу , построенный в 1972 году, столкнулся с техническими и политическими проблемами. В его реакторе произошла значительная утечка радиации, и рыбаки протестовали против эксплуатации судна. Все эти три корабля использовали низкообогащенный уран. «Севморпуть », советский, а затем российский авианосец ледокольного класса LASH, успешно работает на Северном морском пути с момента его ввода в эксплуатацию в 1988 году [update]. По состоянию на 2021 год это единственное атомное торговое судно, находящееся в эксплуатации. [ нужна цитата ]
Гражданские атомные корабли страдают от затрат на специализированную инфраструктуру. Эксплуатация « Саванны» была дорогостоящей, поскольку это было единственное судно, использовавшее специализированный береговой персонал и средства технического обслуживания. Более крупный флот может разделить фиксированные затраты между большим количеством эксплуатируемых судов, что снизит эксплуатационные расходы.
Despite this, there is still interest in nuclear propulsion. In November 2010 British Maritime Technology and Lloyd's Register embarked upon a two-year study with U.S.-based Hyperion Power Generation (now Gen4 Energy), and the Greek ship operator Enterprises Shipping and Trading SA to investigate the practical maritime applications for small modular reactors. The research intended to produce a concept tanker-ship design, based on a 70 MWt reactor such as Hyperion's. In response to its members' interest in nuclear propulsion, Lloyd's Register has also re-written its 'rules' for nuclear ships, which concern the integration of a reactor certified by a land-based regulator with the rest of the ship. The overall rationale of the rule-making process assumes that in contrast to the current marine industry practice where the designer/builder typically demonstrates compliance with regulatory requirements, in the future the nuclear regulators will wish to ensure that it is the operator of the nuclear plant that demonstrates safety in operation, in addition to the safety through design and construction. Nuclear ships are currently the responsibility of their own countries, but none are involved in international trade. As a result of this work in 2014 two papers on commercial nuclear marine propulsion were published by Lloyd's Register and the other members of this consortium.[8][9] These publications review past and recent work in the area of marine nuclear propulsion and describe a preliminary concept design study for a 155,000 DWT Suezmax tanker that is based on a conventional hull form with alternative arrangements for accommodating a 70 MWt nuclear propulsion plant delivering up to 23.5 MW shaft power at maximum continuous rating (average: 9.75 MW). The Gen4Energy power module is considered. This is a small fast-neutron reactor using lead–bismuth eutectic cooling and able to operate for ten full-power years before refueling, and in service last for a 25-year operational life of the vessel. They conclude that the concept is feasible, but further maturity of nuclear technology and the development and harmonisation of the regulatory framework would be necessary before the concept would be viable.[citation needed]
Nuclear propulsion has been proposed again on the wave of decarbonization of marine shipping, which accounts for 3–4% of global greenhouse gas emissions.[29]
In December 5, 2023, the Jiangnan Shipyard under the China State Shipbuilding Corporation officially released a design of a 24000 TEU-class container ship — known as the KUN-24AP — at Marintec China 2023, a premier maritime industry exhibition held in Shanghai. The container ship is reported to be powered by a thorium-based molten salt reactor, making it a first thorium-powered container ship and, if completed, the largest nuclear-powered container ship in the world.[30]
Nuclear propulsion has proven both technically and economically feasible for nuclear-powered icebreakers in the Soviet, and later Russian, Arctic. Nuclear-fuelled ships operate for years without refueling, and the vessels have powerful engines, well-suited to the task of icebreaking.[citation needed]
The Soviet icebreaker Lenin was the world's first nuclear-powered surface vessel in 1959 and remained in service for 30 years (new reactors were fitted in 1970). It led to a series of larger icebreakers, the 23,500 ton Arktika class of six vessels, launched beginning in 1975. These vessels have two reactors and are used in deep Arctic waters. NS Arktika was the first surface vessel to reach the North Pole.[citation needed]
For use in shallow waters such as estuaries and rivers, shallow-draft, Taymyr-class icebreakers were built in Finland and then fitted with their single-reactor nuclear propulsion system in Russia. They were built to conform to international safety standards for nuclear vessels.[31]
All nuclear-powered icebreakers have been commissioned by the Soviet Union or Russia.[citation needed]