Кіріспе
Ядролық электр станциясын пайдаланатын теңіз кемелерінің қозғалтқыш жүйесі. Ядролық теңіз қозғалтқышы – кеме немесе су асты кемесін ядролық реактордан алынған жылумен қозғау. Электр станциясы кеменің винтін айналдыратын турбина үшін бу өндіру үшін суды қыздырады, бұл турбина беріліс қорабы арқылы немесе электр генераторы мен қозғалтқыш арқылы жүзеге асырылады. Ядролық қозғалтқыш негізінен ядролық су асты кемелері және суперкариерлер сияқты әскери-теңіз кемелерінде қолданылады. Эксперименталды азаматтық ядролық кемелердің шағын саны ғана салынған. Мұнай немесе көмірмен жұмыс істейтін кемелермен салыстырғанда, ядролық қозғалтқыш жанармайды қайта толықтырудың алдында өте ұзақ мерзімге жұмыс істеу мүмкіндігін ұсынады. Барлық отын ядролық реактордың ішінде орналасқандықтан, жүк немесе жабдықтау кеңістігі отынға немесе түтін шығару құбырларына немесе жану үшін ауа қабылдауға кетіп жатпайды. Отынның төмен құны жоғары операциялық шығындармен және инфрақұрылымға инвестициялармен өтеледі, сондықтан барлық ядролық кемелердің көбі әскери мақсатта қолданылады.
Nuclear marine propulsion is propulsion of a ship or submarine with heat provided by a nuclear reactor. The power plant heats water to produce steam for a turbine used to turn the ship's propeller through a gearbox or through an electric generator and motor. Nuclear propulsion is used primarily within naval warships such as nuclear submarines and supercarriers. A small number of experimental civil nuclear ships have been built. Compared to oil or coal fuelled ships, nuclear propulsion offers the advantage of very long intervals of operation before refueling. All the fuel is contained within the nuclear reactor, so no cargo or supplies space is taken up by fuel, nor is space taken up by exhaust stacks or combustion air intakes. The low fuel cost is offset by high operating costs and investment in infrastructure however, so nearly all nuclear powered vessels are military.
Әскери кеме немесе су асты кемесімен негізгі жұмыс істеу
Тегіс натриймен салқындатылған реакторларды пайдаланудың бірнеше әрекеттерін қоспағанда, теңіз ядролық реакторларының көпшілігі қысымдағы су түрінде. Судың негізгі контуры отынның ядролық бөлінуінен пайда болған жылуды бу генераторына береді; бұл су қысыммен ұсталады, сондықтан ол қайнамайды. Бұл контур шамамен температурада жұмыс істейді. Суды сорғылар айналдырады; төменгі қуат деңгейлерінде су асты кемелеріне арналған реакторлар сорғылар шығаратын шуды азайту үшін судың табиғи айналуына сүйенуі мүмкін. Реактордан шыққан ыстық су бу генератордағы бөлек су схемасын қыздырады. Бұл су буға айналады және бу турбинасына жету үшін бу кептіргіштерінен өтеді. Төмен қысымдағы бу теңіз суымен салқындатылған конденсатор арқылы өтеді және сұйық күйге қайта оралады. Су бу генераторына қайтарылады және цикл жалғасады. Бұл процесте жоғалған суды бу генераторының қоректену суына қосылған тұщыландырылған теңіз суымен толықтыруға болады. Турбинада бу кеңейіп, қысымын төмендетеді, өйткені ол турбинаның айналатын қанатшаларына энергия береді. Айналатын қанатшалар мен тұрақты бағыттаушы желбезектердің көптеген сатылары болуы мүмкін. Турбинаның шығыс білігі айналу жылдамдығын азайту үшін беріліс қорапқа қосылуы мүмкін, содан кейін білік кеменің винттеріне қосылады. Басқа түрдегі қозғалтқыш жүйеде турбина электр генераторын айналдырады, ал өндірілген электр қуаты кеменің винттеріне арналған бір немесе бірнеше жетекші моторларға беріледі. Ресей, АҚШ және Ұлыбритания әскери-теңіз флоттары тікелей бу турбинасының қозғалтқышына сүйенеді, ал француз және қытай кемелері турбинаны қозғалтқышта электр энергиясын өндіру үшін пайдаланады (турбоэлектрлік беріліс). Кейбір атомдық су асты кемелерінің бір реакторы бар, бірақ ресейлік су асты кемелерінің екеуі бар, ал «Тритон» да солай болған. Американың әуе кемелерінің көбі екі реактормен жұмыс істейді, бірақ «Энтерпрайз» кемесі сегіз реактормен жұмыс істеген. Теңіз реакторларының көпшілігі қысымдағы су түрінде, бірақ АҚШ және Кеңес теңіз күштері сұйық металлмен салқындатылған реакторлармен жұмыс істейтін әскери кемелерді жобалаған.
Құрлықтағы электр станцияларына қарағанда айырмашылықтар
Теңіз типтес реакторлар құрлықтағы коммерциялық электр қуаты реакторларынан бірнеше жағынан ерекшеленеді. Ядролық электр станцияларындағы құрлықтағы реакторлар шамамен 1600 мегаватт таза электр қуатын өндіреді (ЭПР-дің номиналды қуаты), ал әдеттегі теңіздік қозғалтқыш реактор бірнеше жүз мегаватттан аспайды. Кейбір шағын модулді реакторлар (SMR) сыйымдылығы және кейбір конструкциялық ескертулер тұрғысынан теңіздік қозғалтқыш реакторларына ұқсас, сондықтан ядролық теңіздік қозғалтқыш (азаматтық немесе әскери) кейде SMR үшін қосымша нарықтық ниша ретінде ұсынылады. Брюс ядролық электр стансасы сияқты нысандар жүздеген гектар аумақты алып жатқан құрлықтағы қолданыстардан өзгеше, теңіздегі тар кеңістік шектеулері теңіз реакторының физикалық тұрғыдан кішкентай болуын талап етеді, демек, ол кеңістік бірлігіне қатысты жоғары қуатты өндіруі керек. Бұл оның компоненттері құрлықтағы реакторларға қарағанда күшті стреске ұшырайды дегенді білдіреді. Оның механикалық жүйелері теңізде кездесетін қолайсыз жағдайларда, соның ішінде діріл, күшті толқындарда кеменің қозғалысы мен тербелісінде мінсіз жұмыс істеуі тиіс. Реакторды тоқтату механизмдері құрлықтағы реактор сияқты басқару таяқшаларын түсіру үшін гравитацияға сүйене алмайды, себебі құрлықтағы реактор әрқашан тік күйде болады. Тұзды судың коррозиясы – күтіп-ұстауды қиындататын қосымша мәселе. Теңіз реакторының активтік аймағы қуат реакторынан әлдеқайда кішкентай болғандықтан, нейтронның қалқанға қашып кетуден бұрын бөлінуге қабілетті ядромен кездесу ықтималдығы айтарлықтай төмен. Сондықтан, отын әдетте құрлықтағы ядролық электр стансасында қолданылатынына қарағанда жоғары дәрежеде байытылған (яғни, 235U және 238U жоғары концентрациясында) болады, бұл тұрақты реакция жүзеге асуға жеткілікті деңгейде бөліну ықтималдығын арттырады. Кейбір теңіз реакторлары салыстырмалы түрде аз байытылған уранмен жұмыс істейді, бұл жиірек отынды ауыстыруды талап етеді. Басқалары жоғары байытылған уранмен жұмыс істейді, 20% 235U-дан бастап, АҚШ су асты кемелерінде кездесетін 96% астам 235U-ға дейін, ондағы кішкентай активтік аймақ жұмыс кезінде тыныш болады (су асты кемесі үшін маңызды артықшылық). Жоғары байытылған отынды пайдалану реактордың қуат тығыздығын арттырады және ядролық отын жүктемесінің пайдалану мерзімін ұзартады, бірақ ол қымбатқа соғады және аз байытылған отынға қарағанда ядролық қару таралуына қатысты үлкен тәуекел тудырады. Теңіздік ядролық қозғалтқыш станциясы жоғары сенімділікке және дербестікке ие болу үшін жобалануы керек, минималды техникалық қызмет көрсету мен жөндеуді талап етеді, олар үй портынан мыңдаған шақырым қашықтықта жүргізілуі мүмкін. Теңіздегі ядролық реактор үшін отын элементтерін жобалаудағы техникалық қиындықтардың бірі – радиациялық зақымданудың үлкен мөлшеріне төзімді отын элементтерін жасау. Отын элементтері уақыт өте келе жарылып, газ көпіршіктері пайда болуы мүмкін. Теңіз реакторларында қолданылатын отын – металл цирконий қорытпасы, құрлықтағы реакторларда жиі қолданылатын керамикалық UO2 (уран диоксиді) емес. Теңіз реакторлары ұзақ өмір сүру мерзіміне арналған, бұл уранның салыстырмалы түрде жоғары байытуымен және отын элементтеріне "жанар уытты" қосу арқылы қамтамасыз етіледі, ол отын элементтері есейгенде және реактивтілігі төмендегенде баяу төмендейді. "Ядролық удың" біртіндеп төмендеуі активтік аймақтың реактивтілігін арттырады, бұл ескірген отын элементтерінің реактивтілігінің төмендеуін өтеуге мүмкіндік береді, осылайша отынның пайдалану мерзімін ұзартады. Шағын реакторлық қысымды ыдыс ішкі нейтронды қалқанмен жабдықталған, бұл тұрақты нейтронды бомбалаудан болаттың зақымдануын азайтады.
Пайдаланудан шығару
Ядролық қуатпен жүретін су асты кемелерін пайдадан шығару АҚШ және Ресей әскери-теңіз күштері үшін маңызды міндетке айналды. Отын сығып алғаннан кейін, АҚШ тәжірибесі бойынша реакторлық бөлігі кемеден кесіліп, төмен деңгейлі қалдық ретінде жерге көміледі (кемелерді қайта өңдеу бағдарламасын қараңыз). Ресейде бүкіл кемелер немесе жабық реакторлық бөліктер әдетте су үстінде сақталады, бірақ Сайда шығанағының жанындағы жаңа нысан Солтүстіктің шалқарына жақын орналасқан кейбір су асты кемелері үшін бетон едені бар құрылымда сақтау мүмкіндігін береді.
Болашақ жобалар
Ресей өзінің алыс шығыс аймақтары үшін жүзбелі ядролық электр стансасын салды. Жобада KLT-40 реакторына негізделген екі 35 МВт қуатты блогы бар, бұл реактор мұзжарғыш кемелерде қолданылады (әр төрт жыл сайын отын толықтырылады). Ресейдің кейбір әскери кемелері алыс шығыс және Сібірдің шалқар елді мекендерінде тұрмыстық және өнеркәсіптік қажеттер үшін электр энергиясын жеткізуге пайдаланылды. 2010 жылы Lloyd's Register азаматтық ядролық теңіздік қозғалтқыштар мүмкіндігін зерттеді және ережелердің жобасын қайта жазды (Сауда кемелері тақырыбындағы мәтінді қараңыз).
Азаматтық жауапкершілік
Ядролық кемелерді сақтандыру, дәстүрлі кемелерді сақтандырудан өзгеше. Апаттың салдары мемлекеттік шекарадан тысқа шығуы мүмкін, ал болуы мүмкін залалдың мөлшері жеке сақтандыру компанияларының қабілетінен асып түседі. 1962 жылы жасалған, Ядролық кемелер операторларының жауапкершілігі туралы Брюссель конвенциясы деп аталатын арнайы халықаралық келісім, қол қойған елдердің үкіметтерін өз туларымен жүзетін ядролық кемелердің салдарынан туған апаттарға жауапкершілікке тартар еді, бірақ конвенцияға соғыс кемелерін қосу мәселесіндегі келіспеушіліктерге байланысты ешқашан ратификацияланбады. АҚШ құзырына бағынатын ядролық реакторлар, Price-Anderson заңының талаптарымен сақтандырылады.
Әскери ядролық кемелер
1990 жылға қарай кемелерді (көбінесе әскери кемелерді) қуаттандыратын ядролық реакторлар саны бүкіл әлемдегі коммерциялық электр станцияларында электр энергиясын өндіретін реакторлар санынан асып түсті. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің капитаны (кейін адмирал) Хайман Г. Риковердің жетекшілігімен ядролық теңіз қозғалтқыштарын жобалау, дамыту және өндіру 1940 жылдары АҚШ-та басталды. Алғашқы теңіз реакторының прототипі 1953 жылы Айдахо штатындағы Ұлттық реакторды сынау станциясындағы (қазір Айдахо Ұлттық зертханасы деп аталады) Теңіз реакторы құрылғысында салынды және сынақтан өтті.
Су асты кемелері
Бірінші ядролық су асты кемесі – «Наутилус» 1955 жылы теңізге шықты (SS – АҚШ-тың су асты кемелерінің дәстүрлі корпус жіктелу белгісі, ал SSN – алғашқы «ядролық» су асты кемесі). КСРО да ядролық су асты кемелерін жасады. Алғашқы әзірленген типтер – 627 жобасы, НАТО екі сумен салқындатылған реакторлы деп белгіледі, олардың біріншісі, К-3 «Ленинский комсомол» 1958 жылы ядролық қуатпен жүріп өтті. Ядролық қуат су асты кемесін революциялық түрде өзгертті, оны толыққанды «су асты» кемесіне айналдырды, бұрынғы «бату кемесінен» айырмашылығы, ол тек шектеулі уақытқа ғана су астында қала алатын. Ол су асты кемесіне экипаж төзімділігіне байланысты, су бетіндегі кемелермен салыстыруға болатын жоғары жылдамдықпен шексіз уақыт бойы су астында жұмыс істеу қабілетін берді. Осыны көрсету үшін «Тритон» 1960 жылы Жерді су астынан айналып өтуді (Operation Sandblast) алғаш рет іске асырған кеме болды. Қысымды су реакторымен (PWR) жабдықталған «Наутилус» басқа су асты кемелерінің параллельдік дамуына әкелді, мысалы, «Сиволф» та сұйық металлмен (натриймен) салқындатылған ерекше реакторға, ал «Тритон» екі реакторға ие болды, содан кейін бір реактормен жұмыс істейтін кемелер, және 1961 жылы екі реактормен қуаттандырылған «Лонг-Бич» крейсері пайда болды. 1962 жылға қарай АҚШ Әскери-теңіз күштерінде 26 операциялық ядролық су асты кемесі болды, ал тағы 30 кеме құрылыс кезеңінде еді. Ядролық қуат Әскери-теңіз күштерін революциялық түрде өзгертті. АҚШ өз технологиясын Ұлыбританиямен бөлісті, ал француз, совет, үнді және қытайлық әзірлемелер жеке-жеке жүргізілді. «Скейт» класындағы кемелерден кейін АҚШ су асты кемелері «Westinghouse» және «General Electric» компаниялары жасаған стандартталған, бір реакторлы конструкциялардың сериясымен қуат алды. «Rolls Royce plc» Корольдік Әскери-теңіз күштерінің су асты кемелері үшін ұқсас агрегаттарды жасады, соңында олардың өзгертілген нұсқасын – PWR2-ні жасады. Ең үлкен ядролық су асты кемелері – 26 500 тонналық ресейлік, ал ең кішкентай ядролық әскери кемелері – 2700 тонналық француздық шабуылдық су асты кемелері. АҚШ Әскери-теңіз күштері 1969-2008 жылдар аралығында қаруланбаған ядролық су асты кемесі NR 1 Deep Submergence Craft-ты пайдаланды, ол жауынгерлік кеме емес, бірақ 400 тонналық ең кішкентай ядролық су асты кемесі болды.
Әуе кемелері
АҚШ және Франция атомдық авиациялық тасымалдағыш кемелер салды.
Француз теңіз флоты
Франциядағы жалғыз ядролық авианосец – француз авианосецы «Шарль де Голль», ол 2001 жылы қолданысқа енгізілді (жаңасы жоспарлануда). Француз авианосецы катапульттармен және тоқтату құрылғыларымен жабдықталған. «Шарль де Голль» француз авианосецы 42 000 тонна салмаққа ие және Франция теңіз күштерінің (Marine Nationale) бас флагманы болып табылады. Кемеде Dassault Rafale M және E-2C Hawkeye ұшақтары, сондай-ақ жауынгерлік іздеу-құтқару операциялары үшін EC725 Caracal және AS532 Cougar тікұшақтары, қазіргі заманғы электроника және Aster зымырандары орналасқан.
Ресей теңіз флоты
Киров класы, советтік белгілемесі "1144 Орлан жобасы" (теңіз бүркіті), – Кеңес Әскери-теңіз күштерінің және Ресей Әскери-теңіз күштерінің ядролық қуатпен жүретін басқарылатын зымырандық крейсерлері. Бұл әлемдегі қолданыстағы ең ірі және ең ауыр су үстіндегі жауынгерлік кемелер (яғни, әуе кемесі немесе десанттық кеме емес). Қазіргі заманғы әскери кемелердің арасында олардың өлшемі ірі әуе тасымалдаушылардан кейін екінші орында тұр, ал көлемі Екінші дүниежүзілік соғыс кезеңінің линкорларымен шамалас. Кеме түрінің советтік жіктемесі – "ауыр ядролық қуатты басқарылатын зымырандық крейсер" (тяжёлый атомный ракетный крейсер). Батыстық қорғаныс сарапшылары оларды көлемі мен жалпы сыртқы түріне байланысты жиі шайқас крейсерлері деп атайды.
АҚШ Әскери-теңіз флоты
Бір кезде АҚШ Әскери-теңіз күштерінің құрамында ядролық қуатпен жұмыс істейтін крейсерлер болды. Мұндай алғашқы кеме USS Long Beach (CGN 9) болды. 1961 жылы қолданысқа енгізілген ол әлемдегі бірінші ядролық қуатты су үстіндегі жауынгер кемесі еді. Бір жылдан кейін USS Bainbridge (DLGN 25) кемесі одан кейін пайда болды. Long Beach крейсер ретінде жобаланып, салынса, Bainbridge фрегат ретінде өмірге келді, бірақ сол кезде Әскери-теңіз күштері "DLGN" корпус кодын "басқарылатын зымыранмен жабдықталған эсминец жетекшісі, ядролық" мағынасында қолданды. Американдықтардың ядролық қуатпен жұмыс істейтін соңғы крейсерлері – 1976 жылы қолданысқа енгізілген "Вирджиния", одан кейін 1977 жылы "Техас", 1978 жылы "Миссисипи" және, ақырында, 1980 жылы "Арканзас" болды. Нәтижесінде, бұл кемелердің барлығын күтіп ұстау тым қымбатқа түсті және олардың барлығы 1993 және 1999 жылдар аралығында қызметтен шығарылды.
Байланыс және басқару кемелері
ССВ 33 Урал (ССВ 33 Урал; НАТО-ның атауы: Капуста) – Кеңес Әскери-теңіз флотындағы басқару және байланыс кемесі. ССВ 33-тің корпусы ядролық қуатпен жұмыс істейтін кемелердің корпусынан алынған, ядролық теңіз қозғалтқыштарымен жабдықталған. ССВ 33 электрондық барлау, зымырандарды іздеу, ғарыш объектілерін бақылау және байланыс релесі ретінде қызмет етті. Жоғары операциялық шығындарға байланысты ССВ 33 қызметтен шығарылды.
Азаматтық ядролық кемелер
Келесі кемелер коммерциялық немесе азаматтық қолданыста болған немесе қазірде қолданылып жатқан және ядролық теңіз қозғалтқышымен жабдықталған кемелер.
Сауда кемелері
Ядролық қуатпен жүретін азаматтық сауда кемелері бірнеше тәжірибелік кемелерден асып өткен жоқ. 1962 жылы құрылған АҚШ-тың NS Savannah кемесі негізінен азаматтық ядролық энергияның мүмкіндіктерін көрсету мақсатында салынды және сауда кемесі ретінде экономикалық тұрғыдан тиімді жұмыс істеу үшін тым кішкентай да, қымбат та болды. Оның жобасы тиімді жүк тасымалдаушы немесе толыққанды жолаушылар кемесі болуға жеткіліксіз, көптеген шарттылықтарға толы болды. 1968 жылы құрылған неміс жасаған Otto Hahn, жүк тасымалдау және зерттеу кемесі ретінде 10 жыл ішінде 126 сапар жасады, техникалық ақауларсыз. Бірақ оны пайдалану өте қымбат болғандықтан дизельдік жүйеге ауыстырылды. 1972 жылы аяқталған жапондық Mutsu кемесі техникалық және саяси қиындықтарға тап болды. Оның реакторынан радиация ағып, балықшылар кеменің жұмысына қарсылық білдірді. Осы үш кеме де төмен байытылған уранды пайдаланды. 1988 жылы пайдалануға берілген кеңестік және кейіннен ресейлік Sevmorput мұзды суды бұзуға қабілетті LASH тасымалдаушысы Солтүстік теңіз жолында сәтті жұмыс істеп келеді. Қазіргі таңдағы тоқтаусыз жұмыс істеп тұрған жалғыз ядролық қуатпен жүретін сауда кемесі осы кеме. Азаматтық ядролық кемелер арнайы инфрақұрылымды құруға байланысты шығындарға ұшырайды. Savannah кемесін пайдалану қымбатқа түсті, себебі ол арнайы ядролық персонал мен жағалаудағы сервистік қызметтерді пайдаланатын жалғыз кеме болды. Кемелер паркі үлкен болғанда, тұрақты шығындар көптеген кемелер арасында бөлісіліп, пайдалану шығындарын төмендетуге болар еді. Бұл факторларға қарамастан, ядролық қуатқа деген қызығушылық жойылған жоқ. 2010 жылдың қараша айында British Maritime Technology және Lloyd's Register АҚШ-тағы Hyperion Power Generation (қазір Gen4 Energy) және грек кеме операторы Enterprises Shipping and Trading SA компанияларымен бірлесіп, шағын модульді реакторларды теңізде қолдану мүмкіндіктерін зерттеу үшін екі жылдық зерттеуге кірісті. Зерттеудің мақсаты Hyperion сияқты 70 МВт реакторға негізделген tanker кемесінің жобалық концепциясын жасау болды. Lloyd's Register өз мүшелерінің ядролық қуатқа деген қызығушылығын ескере отырып, ядролық кемелерге қатысты "ережелерін" қайта жазды, бұл ережелер құрлықтағы реттеуші органның сертификатын алған реакторды кеменің қалған бөлігімен үйлестіруге қатысты. Ережелерді әзірлеу процесінің негізгі мақсаты – қазіргі теңіз өнеркәсібінде жобалаушы/құрылысшы реттелік талаптарға сәйкестігін дәлелдейтін практикадан өзгеше, болашақта ядролық реттеушілердің реакторды пайдаланушының қауіпсіздікті қамтамасыз етуін, сондай-ақ жобалау және құрылыс арқылы қауіпсіздікті де қамтамасыз етуін қадағалауын қамтамасыз ету болып табылады. Қазіргі уақытта ядролық кемелерге өз елдері жауапты, бірақ олардың ешқайсысы халықаралық саудаға қатыспайды. Осы жұмыстың нәтижесінде 2014 жылы Lloyd's Register және консорциумның басқа мүшелері коммерциялық ядролық теңіз қуаты туралы екі мақала жариялады.