АҚШ Әскери-теңіз күштерінде қолданылатын ядролық реакторлар

Кіріспе

АҚШ Әскери-теңіз күштері қолданатын ядролық реакторлар түрлері

АҚШ Әскери-теңіз күштерінің ядролық реакторлары – бұл АҚШ Әскери-теңіз флотының белгілі бір кемелерде қозғалыс энергиясын, электр қуатын өндіру, ұшақ тасымалдаушылардағы ұшақтарды катапульттау және басқа да екінші дәрежелі мақсаттар үшін қолданылатын буды жасауға арналған ядролық реакторлар. Мұндай теңіз ядролық реакторларының құрамында толыққанды электр станциясы болады. 1975 жылдан бері салынған АҚШ Әскери-теңіз күштерінің барлық су асты кемелері мен супертасымалдаушылары ядролық қуатпен жұмыс істейді, ал соңғы конвенциялық тасымалдаушы «Китти Хок» 2009 жылдың мамыр айында қызметтен шығарылды. АҚШ Әскери-теңіз күштерінде мұндай реакторлары бар тоғыз ядролық крейсер де болды, бірақ олар да қазірде қызметтен шығарылды. Реакторларды түрлі мердігерлер жобалайды, содан кейін олар Энергетика министрлігіне тиесілі және бас мердігерлер басқаратын бірнеше мекемелерде әзірленеді және сынақтан өтеді: Пенсильвания штатының Батыс Миффлин қаласындағы Беттис атом электр стансасы және Айдахо штатындағы оның Әскери реакторлар құрылысы, Нью-Йорк штатының Нискаюна қаласындағы Ноллс атом электр стансасы және Нью-Йорк штатының Батыс Милтон қаласындағы Кесселринг алаңы, бәрі де Әскери реакторлар кеңсесінің басқаруымен. Кейде ядролық станцияларды сынау үшін Кесселринг және Виндзор (Коннектикут штатында) Әскери реакторлар құрылысында толық көлемді ядролық прототиптік станциялар салынды, олар жылдар бойы ядролық білімі бар теңізшілерді даярлау үшін пайдаланылды.

Тарих

Ядролық теңіз қозғалтқыштарының тұжырымдық талдауы 1940 жылдары басталды. Әскери-теңіз күштері үшін ядролық реакторларды әзірлеу жөніндегі зерттеулер 1948 жылдан бастап Пенсильвания штатының Батыс Миффлин қаласындағы Беттис атом энергиясы зертханасында жүргізілді. Адмирал Хайман Г. Риковердің ұзақ мерзімді басшылығымен алғашқы сынақ реакторлық орнатылысы, S1W деп аталатын прототип, 1953 жылы Айдаходағы Әскери реакторлар кешенінде АҚШ-та іске қосылды. Беттис зертханасы және Әскери реакторлар кешені бастапқыда және көптеген онжылдықтар бойы Вестингхаус компаниясымен жұмыс істеді. Ядролық энергиямен жұмыс істейтін алғашқы кеме – "Наутилус" су асты кемесі 1955 жылы теңізге шықты. "Наутилус" су асты кемелерінің салыстырмалы түрде баяу және қысқа қашықтықта жүретін конвенциялық су асты кемелерден бірнеше апта бойы су астында қалуға қабілетті кемелерге өтуінің бастауын белгіледі. Әскери реакторларды дамыту жұмыстарының көп бөлігі Айдахо Ұлттық зертханасының (INL, бұрын INEL) кампусындағы Әскери реакторлар кешенінде жүргізілді. USS Nautilus S2W реакторымен жабдықталды, ал экипаж INL-дегі S1W реакторында оқытылды. Екінші ядролық су асты кемесі – "Сиволф", бастапқыда натриймен салқындатылған S2G реакторымен қуатталды және General Electric компаниясы басқаратын Knolls Atomic Power Laboratory-дің Kesselring орналасқан жеріндегі S1G реакторымен қолдау көрсетілді. Қосалқы S2G да жасалды, бірақ ешқашан қолданылмады. USS Seawolf супержылу проблемаларымен күресті, нәтижесінде USS Nautilus әлдеқайда жоғары өнімділік көрсетті. Бұл және теңіздегі апат жағдайында сұйық натрийдің тудыратын қауіптері адмирал Риковерді қысымды су реакторын (PWR) стандартты АҚШ әскери-теңіз реакторының түрі ретінде таңдауға мәжбүр етті. S2G USS Seawolf-тан алынып тасталды және USS Nautilus бағдарламасының бөлігі болған S2W компоненттерін пайдалана отырып, S2Wa реакторымен ауыстырылды. АҚШ-тың барлық келесі әскери реакторлары PWR болды, ал Кеңес теңіз күштері негізінен PWR қолданды, сонымен қатар сегіз су асты кемесінде үш типті қорғасын-висмут салқындатылған сұйық металлмен салқындатылған реакторларды (LMFR) қолданды: Кеңес су асты кемесі K-27 және жеті кеме. USS Nautilus тәжірибесі бір реактормен қуатталатын қосымша су асты кемелерді және 1960 жылы сегіз A2W реакторлық бірліктерімен қуатталатын ұшақ тасымалдаушы "Энтерпрайз" кемесін қатарластыруға әкелді. 1961 жылы "Лонг Бич" крейсері пайда болды және екі C1W реакторлық бірлігімен қуатталды. USS Enterprise 50 жылдан астам қызмет етті және 2012 жылы қолданыстан шығарылды. Айдахо, Нью-Йорк және Коннектикут штаттарындағы толық көлемді құрлықтағы прототиптік орнатылыстар АҚШ әскери-теңіз ядролық реакторларының бірнеше түрінің (ұрпақтарының) дамуына алдын болды, бірақ олардың барлығы емес. Бастапқы құрылыстан кейін инженерлік сынақтар жүргізілді және прототиптер көптеген жылдар бойы ядролық білікті теңізшілерді оқыту үшін пайдаланылды. Мысалы, Әскери реакторлар кешеніндегі A1W прототипі USS Enterprise-те пайдаланылған A2W реакторларын дамытуға әкелді. 1962 жылға қарай АҚШ Әскери-теңіз күштерінде 26 ядролық су асты кемесі жұмыс істеп тұрды және 30 кеме құрылыс кезеңінде болды. Ядролық энергия АҚШ Әскери-теңіз күштерін революцияландырды. Технология Ұлыбританиямен бөлісті, ал Франция, Қытай және Кеңес Одағындағы технологиялық даму жеке жүргізілді. Skate класындағы кемелерден кейін реакторларды дамыту жалғасты, ал АҚШ-та Вестингхаус және General Electric компаниялары стандартталған конструкциялардың бірнеше сериясын жасады, әр кемеге бір реактордан қуат берілді. Rolls Royce Корольдік Әскери-теңіз күштерінің су асты кемелері үшін PWR1 сияқты ұқсас бірліктерді жасады, содан кейін PWR2 дизайнын одан әрі дамытты. S5W реакторлық орнатылымы бар көптеген су асты кемелері салынды. 1989 жылы "суық соғыс" аяқталған кезде 400-ден астам ядролық су асты кемесі жұмыс істеп тұрған немесе салынып жатқан еді. Қазір осы су асты кемелерінің 250-ге жуығы жойылған, ал кейбіреулері қару-жарақтарды азайту бағдарламасына байланысты тоқтатылды. Ресей және АҚШ Әскери-теңіз күштерінің әрқайсысында жүзден астам, Ұлыбритания мен Францияда жиырмадан аз, ал Қытайда алты кеме бар. Бүгінгі таңда барлығы 160-қа жуық. АҚШ ядролық қуатты ұшақ тасымалдаушы кемелеріне ие (10), ал Ресейде ядролық қуатты крейсерлер бар. Ресейде сегіз ядролық мұз бұзатын кеме пайдалануда немесе құрылыс кезеңінде. 1948 жылы басталғаннан бері АҚШ Әскери-теңіз күштерінің ядролық бағдарламасы 27 түрлі орнатылыс жобасын әзірледі, оларды 210 ядролық кемеге орнатты, 500 реакторлық ядроны іске қосты және 5,400 реактор жыл бойы жұмыс істеді және 128,000,000 миль қауіпсіз бумен жүзіп өтті. Сонымен қатар, 98 ядролық су асты кемесі және алты ядролық крейсер қайта өңделді. АҚШ Әскери-теңіз күштері реакторлық апатты жарияламады, бірақ USS Guardfish кемесінде кемінде бір салқындаушы сұйықтық жоғалту оқиғасы болды. АҚШ Әскери-теңіз күштерінің барлық тоғыз ядролық қуатты крейсерлері (CGN) қазір Теңіз кемелерінің тізімінен шығарылды, және олардың қайта өңдемегендері қайта өңдеуге жоспарланған. Реакторлық апаттар АҚШ Әскери-теңіз күштерінің кемелерін немесе су асты кемелерін батырмаған болса да, екі ядролық қуатты су асты кемесі, Thresher және Scorpion теңізде жоғалды. Бұл реакторлардың жағдайы жарияланбады, бірақ екі қираған кеме де Әскери-теңіз күштерінің тапсырмасымен Роберт Баллардтың қатысуымен алыстан басқарылатын аппараттарды (ROV) пайдалана отырып зерттелді. Конгресс АҚШ Әскери-теңіз күштеріне барлық ірі беттік күреске қабілетті кемелерде (крейсерлер, эсминецтер) және десанттық шабуыл кемелерінде ядролық энергияны қарастыруды міндеттеді. Егер алдын ала кеме дизайнының талдау кезеңінде (AoA) өмірлік циклдің құн талдауында тиімділігі дәлелденсе, жаңа кеме кластары (мысалы, CG(X)) ядролық қозғалтқышпен жүруге көшуі мүмкін.

Conceptual analysis of nuclear marine propulsion started in the 1940s. Research on developing nuclear reactors for the Navy was done at Bettis Atomic Power Laboratory in West Mifflin, Pennsylvania starting in 1948. Under the long term leadership of Admiral Hyman G. Rickover, the first test reactor plant, a prototype referred to as S1W, started up in U. S. in 1953 at the Naval Reactors Facility in Idaho. Bettis Laboratory and Naval Reactors Facility were operated initially and for many decades afterwards by Westinghouse. The first nuclear powered vessel, the submarine Nautilus, put to sea in 1955. USS Nautilus marked the beginning of the transition of submarines from relatively slow and short ranged conventional submarines to ones capable of sustaining submerged for weeks on end. Much of the early development work on naval reactors was done at the Naval Reactors Facility on the campus of the Idaho National Laboratory (INL, previously INEL). USS Nautilus was powered by the S2W reactor, and crew were trained on the land based S1W reactor at INL. The second nuclear submarine was Seawolf, which was initially powered by a sodium cooled S2G reactor, and supported by the land based S1G reactor at the Kesselring site under Knolls Atomic Power Laboratory operated by General Electric. A spare S2G was also built but never used. USS Seawolf was plagued by superheater problems, with the result that USS Nautilus delivered far superior performance. This and the risks posed by liquid sodium in the event of an accident at sea led Admiral Rickover to select the pressurized water reactor (PWR) as the standard U. S. naval reactor type. The S2G was removed from USS Seawolf and replaced by the S2Wa reactor, using components from the spare S2W that was part of the USS Nautilus program. All subsequent U. S. naval reactors have been PWRs, while the Soviet Navy used mainly PWRs, but also used lead bismuth cooled liquid metal cooled reactors (LMFR) of three types in eight submarines: Soviet submarine K 27 and the seven member
Experience with USS Nautilus led to the parallel development of further submarines, powered by single reactors, and an aircraft carrier, Enterprise, powered by eight A2W reactor units in 1960. A cruiser, Long Beach, followed in 1961 and was powered by two C1W reactor units. USS Enterprise remained in service for over 50 years, and was inactivated in 2012. Full scale land based prototype plants in Idaho, New York, and Connecticut preceded development of several types (generations) of U. S. naval nuclear reactors, although not all of them. After initial construction, some engineering testing was done and the prototypes were used to train nuclear qualified sailors for many years afterwards. For example, the A1W prototype at Naval Reactors Facility led to development of A2W reactors used in USS Enterprise. By 1962, the US Navy had 26 nuclear submarines operational and 30 under construction. Nuclear power had revolutionized the U. S. Navy. The technology was shared with the United Kingdom, while technological development in France, China and the Soviet Union proceeded separately. After the Skate class vessels, reactor development proceeded and in the U. S. a single series of standardized designs was built by both Westinghouse and General Electric, with one reactor powering each vessel. Rolls Royce built similar units as the PWR1 for Royal Navy submarines and then developed the design further to the PWR2. Numerous submarines with an S5W reactor plant were built. At the end of the Cold War in 1989, there were over 400 nuclear powered submarines operational or being built. Some 250 of these submarines have now been scrapped and some on order canceled, due to weapons reduction programs. The Russian Navy and United States Navy had over one hundred each, with the United Kingdom and France less than twenty each and China six. The total today is about 160. The United States is the main navy with nuclear powered aircraft carriers (10), while Russia has nuclear powered cruisers. Russia has eight nuclear icebreakers in service or building. Since its inception in 1948, the U. S. Navy nuclear program has developed 27 different plant designs, installed them in 210 nuclear powered ships, taken 500 reactor cores into operation, and accumulated over 5,400 reactor years of operation and 128,000,000 miles safely steamed. Additionally, 98 nuclear submarines and six nuclear cruisers have been recycled. The U. S. Navy has never disclosed a reactor accident, but has suffered at least one coolant loss accident, on the USS Guardfish. All nine of the U. S. Navy nuclear powered cruisers (CGN) have now been stricken from the Naval Vessel Register, and those not already scrapped by recycling are scheduled to be recycled. While reactor accidents have not sunk any U. S. Navy ships or submarines, two nuclear powered submarines, Thresher and Scorpion were lost at sea. The condition of these reactors has not been publicly released, although both wrecks have been investigated by Robert Ballard on behalf of the Navy using remotely operated vehicles (ROVs). Congress has mandated that the U. S. Navy consider nuclear power as an option on all large surface combatants (cruisers, destroyers) and amphibious assault ships. If proven cost effective in a life cycle cost analysis during the Analysis of Alternatives (AoA) phase of preliminary ship design, new ship classes (e. g. CG(X)) could proceed with nuclear propulsion.