Ядерная морская тяга — это движение корабля или подводной лодки с теплом, вырабатываемым ядерным реактором . Электростанция нагревает воду для производства пара для турбины, которая вращает винт корабля через коробку передач или через электрогенератор и двигатель. Ядерная тяга используется в основном на военных кораблях, таких как атомные подводные лодки и суперавианосцы . Было построено небольшое количество экспериментальных гражданских атомных судов. [1]
По сравнению с судами, работающими на нефти или угле, ядерная тяга имеет преимущество в виде очень длительных интервалов работы до заправки. Все топливо содержится в ядерном реакторе, поэтому топливо не занимает места для груза или поставок, а также не занимает места для выхлопных труб или воздухозаборников для горения. [2] Однако низкая стоимость топлива компенсируется высокими эксплуатационными расходами и инвестициями в инфраструктуру, поэтому почти все суда с ядерной тягой являются военными. [2]
Большинство военно-морских ядерных реакторов — реакторы с водой под давлением , за исключением нескольких [ количественной оценки ] попыток [ кем? ] использования реакторов с жидким натриевым охлаждением. [2] Первичный водяной контур переносит тепло, вырабатываемое при ядерном делении в топливе, в парогенератор ; эта вода находится под давлением, чтобы не закипала. Этот контур работает при температуре около 250–300 °C (482–572 °F). Любое радиоактивное загрязнение в первичной воде ограничено. Вода циркулирует с помощью насосов; на более низких уровнях мощности реакторы, предназначенные для подводных лодок, могут полагаться на естественную циркуляцию воды для снижения шума, создаваемого насосами. [ необходима цитата ]
Горячая вода из реактора нагревает отдельный водяной контур в парогенераторе. 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 закачивается обратно в парогенератор и продолжает цикл. Любая потеря воды в процессе может быть восполнена опресненной морской водой, добавляемой в питательную воду парогенератора. [3]
В турбине пар расширяется и снижает свое давление, передавая энергию вращающимся лопаткам турбины. Может быть много ступеней вращающихся лопаток и неподвижных направляющих лопаток. Выходной вал турбины может быть соединен с коробкой передач для уменьшения скорости вращения, затем вал соединяется с гребными винтами судна. В другой форме системы привода турбина вращает электрический генератор, а вырабатываемая электроэнергия подается на один или несколько приводных двигателей для гребных винтов судна. Российские , американские и британские военно -морские силы полагаются на прямую паровую турбину, в то время как французские и китайские корабли используют турбину для выработки электроэнергии для движения ( турбоэлектрическая трансмиссия ). [ требуется цитата ]
Некоторые атомные подводные лодки имеют один реактор, но российские подводные лодки имеют два, и USS Triton тоже . Большинство американских авианосцев оснащены двумя реакторами, но USS Enterprise имел восемь. Большинство морских реакторов — водонапорного типа , хотя ВМС США и СССР разработали военные корабли с жидкометаллическими реакторами . [ требуется цитата ]
Реакторы морского типа отличаются от наземных коммерческих электроэнергетических реакторов по нескольким параметрам. [ необходима ссылка ]
В то время как наземные реакторы на атомных электростанциях вырабатывают до 1600 мегаватт чистой электроэнергии ( номинальной мощности EPR ), типичный морской пропульсивный реактор вырабатывает не более нескольких сотен мегаватт. Некоторые малые модульные реакторы (SMR) аналогичны морским пропульсивным реакторам по мощности и некоторым конструктивным соображениям, и поэтому ядерный морской пропульсивный реактор (будь то гражданский или военный) иногда предлагается в качестве дополнительной рыночной ниши для SMR . В отличие от наземных применений, где сотни гектаров могут быть заняты установками, такими как ядерная генерирующая станция Bruce , в море ограниченное пространство диктует, что морской реактор должен быть физически небольшим, поэтому он должен вырабатывать более высокую мощность на единицу пространства. Это означает, что его компоненты подвергаются большим нагрузкам, чем у наземного реактора. Его механические системы должны работать безупречно в неблагоприятных условиях, встречающихся в море, включая вибрацию и качку судна, работающего в бурном море. Механизмы отключения реактора не могут полагаться на гравитацию, чтобы сбросить стержни управления на место, как в наземном реакторе, который всегда остается в вертикальном положении. Коррозия соленой водой является дополнительной проблемой, которая усложняет обслуживание. [ необходима цитата ]
Поскольку ядро морского реактора намного меньше, чем энергетического, вероятность пересечения нейтрона с делящимся ядром до того, как он попадет в защиту, намного ниже. Таким образом, топливо обычно более высокообогащенное (т. е. содержит более высокую концентрацию 235 U по сравнению с 238 U), чем то, которое используется на наземной атомной электростанции, что увеличивает вероятность деления до уровня, при котором может произойти устойчивая реакция. Некоторые морские реакторы работают на относительно низкообогащенном уране , что требует более частой дозаправки. Другие работают на высокообогащенном уране , варьирующемся от 20% 235 U до более 96% 235 U, обнаруженного в подводных лодках США , [4] , в которых полученное меньшее ядро работает тише (большое преимущество для подводной лодки). [5] Использование более высокообогащенного топлива также увеличивает плотность мощности реактора и продлевает срок службы ядерного топлива, но оно более затратно и представляет больший риск для ядерного распространения, чем менее высокообогащенное топливо. [6]
Морская ядерная силовая установка должна быть спроектирована так, чтобы быть высоконадежной и самодостаточной, требующей минимального обслуживания и ремонта, которые, возможно, придется проводить за много тысяч миль от ее порта базирования. Одной из технических трудностей при проектировании топливных элементов для морского ядерного реактора является создание топливных элементов, которые будут выдерживать большое количество радиационных повреждений. Топливные элементы могут со временем трескаться, и могут образовываться пузырьки газа. Топливо, используемое в морских реакторах, представляет собой сплав металла и циркония , а не керамический UO2 ( 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 снижения их реактивности. Постепенное рассеивание «ядерного яда» увеличивает реактивность активной зоны, чтобы компенсировать снижение реактивности стареющих топливных элементов, тем самым продлевая срок службы топлива. Компактный корпус реактора высокого давления снабжен внутренней нейтронной защитой, которая снижает повреждение стали от постоянной нейтронной бомбардировки. [ необходима цитата ]
Вывод из эксплуатации атомных подводных лодок стал важной задачей для ВМС США и России. [7] После выгрузки топлива, согласно американской практике, реакторная секция отрезается от судна для утилизации в мелководном захоронении в качестве низкоактивных отходов (см. программу утилизации судов и подводных лодок ). [8] В России целые суда или запечатанные реакторные секции обычно хранятся на плаву, хотя новый объект около губы Сайда должен обеспечить хранение в бетонном хранилище на суше для некоторых подводных лодок на Крайнем Севере. [ требуется ссылка ]
Россия построила плавучую атомную электростанцию для своих дальневосточных территорий. Проект имеет два блока по 35 МВт на основе реактора КЛТ-40, используемого в ледоколах (с перезарядкой каждые четыре года). Некоторые российские военные суда использовались для поставок электроэнергии для бытового и промышленного использования в отдаленных дальневосточных и сибирских городах. [ необходима цитата ]
В 2010 году Регистр Ллойда исследовал возможность использования гражданских ядерных морских двигателей и переписывал проект правил (см. текст в разделе «Торговые суда» ). [9] [10] [11]
Страхование ядерных судов не похоже на страхование обычных судов. Последствия аварии могут выходить за пределы национальных границ, а масштаб возможного ущерба выходит за рамки возможностей частных страховщиков. [12] Специальное международное соглашение, Брюссельская конвенция об ответственности операторов ядерных судов , разработанная в 1962 году, сделала бы подписавшие ее национальные правительства ответственными за аварии, вызванные ядерными судами под их флагом [13], но так и не была ратифицирована из-за разногласий по поводу включения военных кораблей в конвенцию. [14] Ядерные реакторы, находящиеся под юрисдикцией Соединенных Штатов, застрахованы в соответствии с положениями Закона Прайса-Андерсона . [ необходима ссылка ]
_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)
К 1990 году во всем мире число ядерных реакторов, приводящих в действие корабли (в основном военные), превысило количество электроэнергии, вырабатываемой на коммерческих электростанциях. [15]
Под руководством капитана ВМС США (позднее адмирала) Хаймана Г. Риковера [ 16] проектирование, разработка и производство ядерных судовых энергетических установок началось в Соединенных Штатах в 1940-х годах. Первый прототип морского реактора был построен и испытан на военно-морском реакторном заводе на Национальной испытательной станции реакторов в Айдахо (теперь именуемой Национальной лабораторией Айдахо ) в 1953 году.
Первая атомная подводная лодка , USS Nautilus (SSN-571) , вышла в море в 1955 году (SS был традиционным обозначением классификации корпусов американских подводных лодок, в то время как SSN обозначал первую «атомную» подводную лодку). [17]
Советский Союз также разрабатывал атомные подводные лодки. Первыми разработанными типами были проект 627, обозначенный НАТО как «Ноябрьский» класс с двумя водоохлаждаемыми реакторами, первый из которых, К-3 «Ленинский комсомол» , был запущен в эксплуатацию на ядерной тяге в 1958 году. [18]
Ядерная энергия произвела революцию в подводной лодке, наконец, сделав ее настоящим «подводным» судном, а не «погружаемым» судном, которое могло оставаться под водой только ограниченное время. Это дало подводной лодке возможность работать под водой на высоких скоростях, сопоставимых со скоростями надводных судов, в течение неограниченного времени, в зависимости только от выносливости ее экипажа. Чтобы продемонстрировать это, USS Triton стал первым судном, совершившим подводное кругосветное плавание вокруг Земли ( операция Sandblast ), сделав это в 1960 году. [19]
Nautilus с реактором, охлаждаемым водой под давлением (PWR), привел к параллельной разработке других подводных лодок, таких как уникальный реактор с жидкометаллическим (натриевым) охлаждением на USS Seawolf или два реактора на Triton , а затем подводные лодки класса Skate , оснащенные одним реактором, и крейсер USS Long Beach , в 1961 году, оснащенный двумя реакторами. [ требуется ссылка ]
К 1962 году ВМС США имели 26 действующих атомных подводных лодок и еще 30 в стадии строительства. Ядерная энергия произвела революцию в ВМС. Соединенные Штаты поделились своими технологиями с Соединенным Королевством , в то время как французские , советские , индийские и китайские разработки шли отдельно. [ необходима цитата ]
После кораблей класса Skate американские подводные лодки были оснащены серией стандартизированных однореакторных конструкций, разработанных Westinghouse и General Electric . Rolls-Royce plc построила аналогичные агрегаты для подводных лодок Королевского флота , в конечном итоге разработав модифицированную версию своей собственной, PWR2 . [ необходима цитата ]
Крупнейшие атомные подводные лодки, когда-либо построенные, — это 26 500-тонные российские подводные лодки класса «Тайфун» . Наименьшие атомные военные корабли на сегодняшний день — это 2700-тонные французские ударные подводные лодки класса «Рубис» . ВМС США эксплуатировали невооруженную атомную подводную лодку NR-1 Deep Submergence Craft в период с 1969 по 2008 год, которая не была боевым судном, но была наименьшей атомной подводной лодкой водоизмещением 400 тонн. [ требуется ссылка ]
США и Франция построили атомные авианосцы .
_underway_2009.jpg/1280px-Charles_De_Gaulle_(R91)_underway_2009.jpg)
Единственный французский атомный авианосец — «Шарль де Голль» , введенный в эксплуатацию в 2001 году (планируется его преемник). [20]
Французский авианосец оснащен катапультами и аэрофинишерами . Charles de Gaulle имеет водоизмещение 42 000 тонн и является флагманом французских ВМС (Marine Nationale). На борту корабля находятся самолеты Dassault Rafale M и E‑2C Hawkeye , вертолеты EC725 Caracal и AS532 Cougar для поиска и спасения , а также современная электроника и ракеты Aster . [21]
В составе ВМС США имеется 11 авианосцев, все с ядерными двигателями: [22]
Класс «Киров », советское обозначение «Проект 1144 Орлан» ( морской орел ), — класс атомных ракетных крейсеров ВМФ СССР и ВМФ России , самые большие и тяжёлые надводные боевые корабли (то есть не авианосцы и не десантные корабли ) в мире. Среди современных военных кораблей они уступают по размеру только большим авианосцам и имеют такие же размеры, как линкоры времён Второй мировой войны . Советская классификация типа корабля — «тяжёлый атомный ракетный крейсер» . Западные военные комментаторы часто называют эти корабли линейными крейсерами из-за их размера и общего вида. [ 24]
В свое время в составе флота ВМС США были атомные крейсеры. Первым таким кораблём был USS Long Beach ( CGN - 9) . Введённый в эксплуатацию в 1961 году, он стал первым в мире надводным боевым кораблем с атомной энергетической установкой . [25] Год спустя за ним последовал USS Bainbridge (DLGN-25) . В то время как Long Beach был спроектирован и построен как крейсер, [26] Bainbridge начал свою жизнь как фрегат , хотя в то время ВМС использовали код корпуса «DLGN» для « лидера эсминцев , управляемых ракет , ядерных ». [27]
Последними атомными крейсерами, которые построят американцы, станут четыре корабля класса Virginia . USS Virginia (CGN-38) был введен в эксплуатацию в 1976 году, за ним последовали 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 оказались слишком дорогими в обслуживании [28] , и все они были выведены из эксплуатации в период с 1993 по 1999 год. [ необходима цитата ]
SSV-33 Урал ( ССВ-33 Урал ; кодовое название НАТО : Kapusta [ русское название « капуста »]) был командно-штабным военно-морским кораблём, эксплуатируемым ВМФ СССР . Корпус SSV-33 был заимствован у атомных линейных крейсеров класса «Киров» с ядерной морской силовой установкой. [29] SSV-33 служил в радиоэлектронной разведке , слежении за ракетами, космическом слежении и ретрансляции связи. Из-за высоких эксплуатационных расходов SSV-33 был поставлен на прикол. [29]
ССВ-33 несла только легкое оборонительное вооружение. Это были две 76-мм пушки АК-176, четыре 30-мм пушки АК-630 и четыре счетверенные ракетные установки «Игла». [ требуется цитата ]
« Посейдон» ( русский : Посейдон , « Посейдон », кодовое название НАТО « Каньон » ), ранее известный под российским кодовым названием «Статус-6» ( русский : Статус-6 ), — это атомный и вооружённый ядерным оружием беспилотный подводный аппарат, разрабатываемый конструкторским бюро «Рубин» , способный доставлять как обычные, так и ядерные полезные нагрузки . По данным российского государственного телевидения, он способен доставлять термоядерную кобальтовую бомбу мощностью до 200 мегатонн (в четыре раза мощнее самого мощного из когда-либо взорванных устройств, « Царь-бомбы» , и в два раза больше её максимальной теоретической мощности) против военно-морских портов и прибрежных городов противника. [30]
Ниже перечислены суда , которые используются или использовались в коммерческих или гражданских целях и имеют ядерную морскую двигательную установку.
Гражданские торговые суда с ядерной установкой не развились дальше нескольких экспериментальных судов. Построенное в США судно NS Savannah , построенное в 1962 году, было в первую очередь демонстрацией гражданской ядерной энергетики и было слишком маленьким и дорогим, чтобы экономически эффективно эксплуатироваться в качестве торгового судна. Конструкция была слишком компромиссной, не будучи ни эффективным грузовым судном, ни жизнеспособным пассажирским лайнером. Построенное в Германии судно Otto Hahn , построенное в 1968 году, грузовое судно и исследовательский центр, прошло около 650 000 морских миль (1 200 000 км) в 126 рейсах за 10 лет без каких-либо технических проблем. [ требуется ссылка ] Оно оказалось слишком дорогим в эксплуатации и было переоборудовано на дизельное топливо. Японское судно Mutsu , построенное в 1972 году, преследовали технические и политические проблемы. Его реактор имел значительную утечку радиации, и рыбаки протестовали против эксплуатации судна. Все эти три судна использовали низкообогащенный уран. «Севморпуть» , советский, а позднее российский лихтеровоз с ледокольным потенциалом, успешно работал на Северном морском пути с момента ввода в эксплуатацию в 1988 году. По состоянию на 2021 год [обновлять]это единственное атомное торговое судно, находящееся в эксплуатации. [ необходима цитата ]
Гражданские атомные суда страдают от расходов на специализированную инфраструктуру. Savannah было дорого эксплуатировать, поскольку это было единственное судно, использующее свой специализированный ядерный береговой персонал и сервисное оборудование. Более крупный флот мог бы разделить фиксированные издержки между большим количеством работающих судов, что снизило бы эксплуатационные расходы.
Несмотря на это, интерес к ядерной тяге все еще существует. В ноябре 2010 года British Maritime Technology и Lloyd's Register приступили к двухлетнему исследованию совместно с американской Hyperion Power Generation (теперь Gen4 Energy ) и греческим судоходным оператором Enterprises Shipping and Trading SA с целью изучения практических морских применений малых модульных реакторов. Исследование было направлено на создание концептуального проекта танкера-судна на основе реактора мощностью 70 МВт, такого как у Hyperion. В ответ на интерес своих членов к ядерной тяге Lloyd's Register также переписал свои «правила» для ядерных судов, которые касаются интеграции реактора, сертифицированного наземным регулятором, с остальной частью судна. Общая логика процесса разработки правил предполагает, что в отличие от текущей практики морской отрасли, где проектировщик/строитель обычно демонстрирует соответствие нормативным требованиям, в будущем ядерные регуляторы захотят гарантировать, что именно оператор ядерной установки демонстрирует безопасность эксплуатации, в дополнение к безопасности посредством проектирования и строительства. В настоящее время атомные суда находятся под ответственностью своих стран, но ни одно из них не участвует в международной торговле. В результате этой работы в 2014 году Lloyd's Register и другие члены этого консорциума опубликовали две статьи о коммерческих атомных судовых двигателях. [10] [11] В этих публикациях рассматриваются прошлые и недавние работы в области морских атомных двигателей и описывается предварительное концептуальное проектное исследование для танкера Suezmax водоизмещением 155 000 DWT , который основан на обычной форме корпуса с альтернативными компоновками для размещения атомной силовой установки мощностью 70 МВт, обеспечивающей мощность на валу до 23,5 МВт при максимальной непрерывной мощности (в среднем: 9,75 МВт). Рассматривается энергетический модуль Gen4Energy. Это небольшой реактор на быстрых нейтронах, использующий свинцово-висмутовое эвтектическое охлаждение и способный работать в течение десяти лет на полной мощности до перезарядки, а в эксплуатации в течение 25 лет срока службы судна. Они пришли к выводу, что концепция осуществима, но для того, чтобы концепция стала жизнеспособной, потребуется дальнейшее совершенствование ядерных технологий, а также разработка и гармонизация нормативно-правовой базы. [ необходима цитата ]
Ядерные двигатели снова были предложены на волне декарбонизации морского судоходства, на долю которого приходится 3–4% мировых выбросов парниковых газов. [31]
5 декабря 2023 года верфь Jiangnan Shipyard, входящая в состав Китайской государственной судостроительной корпорации, официально представила проект контейнеровоза класса 24000 TEU , известного как KUN-24AP, на выставке Marintec China 2023, ведущей выставке морской промышленности, проходящей в Шанхае . Сообщается, что контейнеровоз будет работать на основе ториевого реактора на расплавленной соли , что сделает его первым контейнеровозом, работающим на тории, и, если строительство будет завершено, крупнейшим в мире контейнеровозом с атомной установкой. [32]
Ядерная тяга оказалась технически и экономически осуществимой для атомных ледоколов в советской , а затем и российской Арктике . Атомные суда работают годами без дозаправки, и суда имеют мощные двигатели, хорошо подходящие для ледокольной задачи. [ необходима цитата ]
Советский ледокол «Ленин» был первым в мире надводным судном с атомной энергетической установкой в 1959 году и оставался в эксплуатации в течение 30 лет (новые реакторы были установлены в 1970 году). Это привело к появлению серии более крупных ледоколов, класса «Арктика» водоизмещением 23 500 тонн из шести судов, спущенных на воду в 1975 году. Эти суда имеют два реактора и используются в глубоких водах Арктики. « Арктика » был первым надводным судном, достигшим Северного полюса . [ требуется цитата ]
Для использования в мелководных водах, таких как эстуарии и реки, в Финляндии были построены мелкосидящие ледоколы класса «Таймыр» , которые затем были оснащены их однореакторной ядерной двигательной установкой в России . Они были построены в соответствии с международными стандартами безопасности для атомных судов. [33]
Все атомные ледоколы были введены в эксплуатацию Советским Союзом или Россией. [ необходима цитата ]