Введение

Двигательная система для морских судов, использующая ядерную энергетическую установку. Ядерная морская двигательная установка – это привод корабля или подводной лодки, в котором тепло вырабатывается ядерным реактором. Энергетическая установка нагревает воду для получения пара, который вращает турбину, приводящую во вращение судовой винт через редуктор или через электрический генератор и электродвигатель. Ядерный привод используется преимущественно на военных кораблях, таких как атомные подводные лодки и авианосцы. Было построено небольшое количество экспериментальных гражданских судов с ядерной установкой. По сравнению с судами, работающими на нефти или угле, ядерный привод обеспечивает очень длительные периоды эксплуатации между заправками. Все топливо содержится внутри ядерного реактора, поэтому не требуется место для хранения топлива, ни для выхлопных труб, ни для воздухозаборников для горения. Несмотря на низкую стоимость топлива, высокие эксплуатационные расходы и необходимость инвестиций в инфраструктуру приводят к тому, что почти все суда с ядерной установкой являются военными.

Основная эксплуатация военно-морского судна или подводной лодки

Большинство морских ядерных реакторов относятся к типу с водой под давлением, за исключением нескольких попыток использования реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, в частности, с жидким натрием. Первичный контур воды передает тепло, выделяющееся при ядерном делении топлива, парогенератору; эта вода поддерживается под давлением, чтобы предотвратить её кипение. Этот контур работает при температуре около… Любое радиоактивное загрязнение первичной воды локализовано. Циркуляция воды осуществляется насосами; на малых мощностях реакторы, предназначенные для подводных лодок, могут использовать естественную циркуляцию воды для снижения шума, создаваемого насосами. Горячая вода из реактора нагревает отдельный контур воды в парогенераторе. Эта вода превращается в пар и проходит через сепараторы пара по пути к паровой турбине. Отработанный пар низкого давления проходит через конденсатор, охлаждаемый морской водой, и возвращается в жидкое состояние. Вода затем возвращается в парогенератор и цикл повторяется. Любые потери воды в процессе могут быть компенсированы опресненной морской водой, добавляемой в питательную воду парогенератора. В турбине пар расширяется и снижает давление, передавая энергию вращающимся лопаткам турбины. Турбина может иметь множество ступеней вращающихся лопаток и неподвижных направляющих аппаратов. Выходной вал турбины может быть соединен с редуктором для снижения скорости вращения, а затем вал соединяется с винтами судна. В другой схеме привода турбина вращает электрический генератор, а вырабатываемая электроэнергия подается на один или несколько двигателей, приводящих в движение винты судна. Российский, американский и британский военно-морские флоты используют прямое паротурбинное движение, в то время как французские и китайские корабли используют турбину для выработки электроэнергии для движения (турбоэлектрическая передача). Некоторые атомные подводные лодки оснащены одним реактором, но российские подводные лодки – двумя, как и подводная лодка "Тритон". Большинство американских авианосцев работают на двух реакторах, а авианосец "Энтерпрайз" – на восьми. Большинство морских реакторов относятся к типу с водой под давлением, хотя военно-морские силы США и Советского Союза разрабатывали боевые корабли, работающие на реакторах с жидкометаллическим теплоносителем.

Отличия от наземных электростанций

Морские реакторы отличаются от наземных реакторов, используемых для выработки электроэнергии, по ряду параметров. В то время как наземные реакторы на атомных электростанциях производят до 1600 мегаватт чистой электрической мощности (номинальная мощность EPR), типичный реактор для морского транспорта не вырабатывает более нескольких сотен мегаватт. Некоторые малые модульные реакторы (SMR) по мощности и некоторым конструктивным особенностям схожи с реакторами для морского транспорта, поэтому ядерная морская энергетика (как гражданская, так и военная) иногда рассматривается как дополнительная ниша для SMR. В отличие от наземных установок, таких как атомная электростанция Брюс, которые могут занимать сотни гектаров, ограниченное пространство на море диктует, что морской реактор должен быть физически небольшим, а значит, генерировать больше мощности на единицу объема. Это означает, что его компоненты подвергаются большим нагрузкам, чем компоненты наземного реактора. Его механические системы должны работать безупречно в сложных морских условиях, включая вибрацию, бортовую качку и крен судна в шторм. Механизмы аварийной остановки реактора не могут полагаться на гравитацию для опускания управляющих стержней, как в наземном реакторе, который всегда находится в вертикальном положении. Коррозия от соленой воды – дополнительная проблема, усложняющая обслуживание. Поскольку активная зона морского реактора значительно меньше, чем у энергетического, вероятность столкновения нейтрона с делящимся ядром до того, как он покинет активную зону, гораздо ниже. Поэтому топливо обычно имеет более высокую степень обогащения (то есть содержит более высокую концентрацию 235U по сравнению с 238U), чем топливо, используемое на наземных атомных электростанциях, что повышает вероятность деления и обеспечивает возможность поддержания цепной реакции. Некоторые морские реакторы работают на уране с относительно низким обогащением, что требует более частой загрузки топлива. Другие работают на высокообогащенном уране, содержание 235U в котором варьируется от 20% до более 96%, как в американских подводных лодках, где меньшая активная зона обеспечивает более тихую работу (важное преимущество для подводной лодки). Использование более высокообогащенного топлива также увеличивает объемную мощность реактора и продлевает срок службы ядерного топлива, но оно дороже и представляет больший риск распространения ядерных материалов, чем менее обогащенное топливо. Морская ядерная энергетическая установка должна быть спроектирована с высокой надежностью и самодостаточностью, требуя минимального обслуживания и ремонта, которые могут потребоваться в тысячах миль от домашнего порта. Одной из технических сложностей при проектировании топливных элементов для морского ядерного реактора является создание элементов, способных выдерживать значительное радиационное повреждение. Со временем топливные элементы могут трескаться и в них могут образовываться газовые пузыри. Топливо, используемое в морских реакторах, представляет собой металлический сплав циркония, а не керамический диоксид урана (UO2), который часто используется в наземных реакторах. Морские реакторы проектируются с длительным сроком службы активной зоны, что обеспечивается относительно высоким обогащением урана и добавлением в топливные элементы "поглотителя нейтронов", который постепенно выгорает по мере старения топливных элементов и снижения их реактивности. Постепенное уменьшение концентрации "поглотителя нейтронов" увеличивает реактивность активной зоны, компенсируя снижение реактивности стареющего топлива, тем самым продлевая срок службы топлива. Компактный корпус реактора оснащен внутренним нейтронным экраном, который снижает повреждение стали от постоянного нейтронного облучения.

Вывод из эксплуатации

Снятие с вооружения атомных подводных лодок стало одной из важнейших задач для военно-морских сил США и России. После извлечения ядерного топлива в США принято вырезать реакторный отсек из корпуса для захоронения на небольшой глубине в качестве низкоактивных отходов (см. программу переработки подводных лодок). В России целые подводные лодки или герметично закрытые реакторные отсеки, как правило, остаются на хранении на плаву, хотя новый комплекс в районе бухты Сайда должен обеспечить наземное хранение в бетонном ангаре для некоторых подводных лодок в северных районах.

Будущие проекты

Россия построила плавучую атомную электростанцию для своих дальневосточных территорий. В её конструкции два энергоблока мощностью по 35 МВт, основанные на реакторе КЛТ-40, используемом на ледоколах (с перезагрузкой топлива каждые четыре года). Некоторые российские военные корабли использовались для электроснабжения бытовых и промышленных нужд в удаленных городах Дальнего Востока и Сибири. В 2010 году Lloyd's Register изучал возможность применения ядерной двигательной установки в гражданском морском флоте и разрабатывал проекты новых правил (см. текст в разделе "Коммерческие суда").

Гражданская ответственность

Страхование ядерных судов существенно отличается от страхования обычных судов. Последствия аварии могут выходить за национальные границы, а возможный масштаб ущерба превышает возможности частных страховых компаний. Специальное международное соглашение, Брюссельская конвенция об ответственности операторов ядерных судов, разработанная в 1962 году, предусматривала возложение ответственности за аварии, вызванные ядерными судами под флагом государств-участников, на эти самые государства, но так и не была ратифицирована из-за разногласий относительно включения в нее военных кораблей. Ядерные реакторы, находящиеся под юрисдикцией Соединенных Штатов, застрахованы в соответствии с положениями Закона Прайса-Андерсона.

Военные ядерные корабли

К 1990 году количество ядерных реакторов, используемых для привода судов (в основном военных кораблей), превышало количество реакторов, вырабатывающих электроэнергию на коммерческих электростанциях во всем мире. Под руководством капитана ВМС США (впоследствии адмирала) Хаймана Г. Риковера, в Соединенных Штатах в 1940-х годах начались проектирование, разработка и производство ядерных энергетических установок для морского транспорта. Первый прототип военно-морского реактора был построен и испытан в 1953 году на Морском реакторном комплексе Национальной испытательной станции реакторов в Айдахо (ныне известной как Национальная лаборатория Айдахо).

Подводные лодки

Первая атомная подводная лодка, Nautilus, вышла в море в 1955 году (SS был традиционным обозначением класса корпуса для подводных лодок США, а SSN обозначал первую "ядерную" подводную лодку). Советский Союз также разработал атомные подводные лодки. Первыми разработанными типами стали корабли проекта 627, получившие обозначение НАТО, с двумя реакторами с водяным охлаждением, первым из которых, K-3 "Ленинский комсомол", в 1958 году был произведен выход в море под ядерной энергией. Ядерная энергия произвела революцию в подводном судостроении, превратив подводную лодку, наконец, в полноценное "подводное" судно, а не "погружаемое", которое могло оставаться под водой лишь ограниченное время. Это дало подводным лодкам возможность действовать под водой на высоких скоростях, сопоставимых со скоростями надводных кораблей, неограниченно долго, завися только от выносливости экипажа. В качестве демонстрации этого "Тритон" стал первым судном, совершившим подводный кругосветный переход (операция "Песчаная буря") в 1960 году. "Наутилус" с реактором с водой под давлением (PWR) послужил основой для параллельной разработки других подводных лодок, таких как уникальный реактор с жидким металлом (натрием) на "Сивольфе" или два реактора на "Тритоне", а затем, в 1960-х годах, подводные лодки, оснащенные одним реактором, и крейсер "Лонг-Бич" в 1961 году, работавший на двух реакторах. К 1962 году ВМС США располагали 26 атомными подводными лодками, находящимися в эксплуатации, и еще 30 строящимися. Ядерная энергия произвела революцию в военно-морском флоте. Соединенные Штаты поделились своими технологиями с Соединенным Королевством, в то время как французская, советская, индийская и китайская разработки шли своим путем. После кораблей класса "Скейт" американские подводные лодки оснащались серией стандартизированных однореакторных установок, построенных компаниями Westinghouse и General Electric. Rolls Royce plc построила аналогичные установки для подводных лодок Королевского флота, в конечном итоге разработав модифицированную версию собственной конструкции – PWR2. Самые большие атомные подводные лодки, когда-либо построенные, – это 26 500-тонные российские. Самые маленькие атомные военные корабли на сегодняшний день – это 2700-тонные французские ударные подводные лодки. ВМС США эксплуатировали безоружную атомную подводную лодку NR 1 Deep Submergence Craft с 1969 по 2008 год, которая не являлась боевой единицей, но была самой маленькой атомной подводной лодкой, водоизмещением 400 тонн.

Авианосцы

Соединенные Штаты и Франция построили ядерные авианосцы.

Французский флот

Единственный французский ядерный авианосец – французский авианосец «Шарль де Голль», вступивший в строй в 2001 году (планируется постройка преемника). Авианосец оснащен катапультами и аэрофинишерами. Французский авианосец «Шарль де Голль» водоизмещением 42 000 тонн является флагманом французского флота (Marine Nationale). На борту корабля базируются самолеты Dassault Rafale M и E-2C Hawkeye, вертолеты EC725 Caracal и AS532 Cougar для боевого поисково-спасательного обеспечения, а также современное электронное оборудование и ракеты Aster.

Российский флот

Кировский класс, советское обозначение «Проект 1144 Орлан» (морской орёл), — это класс ядерных ракетных крейсеров Военно-Морского Флота Советского Союза и Российской Федерации, крупнейшие и самые тяжелые надводные боевые корабли (то есть, не авианосцы или десантные корабли), находящиеся в эксплуатации в мире. Среди современных военных кораблей они уступают по размерам только крупным авианосцам и сопоставимы по габаритам с линкорами времён Второй мировой войны. Советская классификация данного типа кораблей — «тяжёлый атомный ракетный крейсер». Западные военные эксперты часто относят эти корабли к классу линейных крейсеров из-за их размеров и общего внешнего вида.

Военно-морской флот США

В составе флота США в своё время были крейсера с ядерной энергетической установкой. Первым таким кораблём был USS Long Beach (CGN 9). Вступивший в строй в 1961 году, он стал первым в мире надводным боевым кораблем на ядерной тяге. Годом позже за ним последовал USS Bainbridge (DLGN 25). В то время как Long Beach был спроектирован и построен как крейсер, Bainbridge первоначально классифицировался как фрегат, хотя в то время ВМС использовали бортовой номер "DLGN" для обозначения "лидера эсминцев, управляемых ракетным оружием, ядерных". Последними атомными крейсерами, построенными американцами, стали четыре корабля типа "Вирджиния": "Вирджиния", вступившая в строй в 1976 году, затем "Техас" в 1977 году, "Миссисипи" в 1978 году и, наконец, "Арканзас" в 1980 году. В конечном итоге, содержание всех этих кораблей оказалось слишком затратным, и все они были выведены из состава флота в период с 1993 по 1999 год.

Корабли связи и управления

ССВ 33 Урал (ССВ 33 Урал; кодовое название НАТО: Капуста) — корабль управления и связи, состоявший на вооружении Советского ВМФ. Корпус ССВ 33 был разработан на базе корпуса атомных кораблей с ядерной энергетической установкой. ССВ 33 использовался для ведения электронной разведки, отслеживания ракет, отслеживания космических объектов и ретрансляции связи. В связи с высокими эксплуатационными расходами ССВ 33 был выведен из состава флота.

Гражданские ядерные корабли

Ниже перечислены суда, которые находятся или находились в коммерческой или гражданской эксплуатации и оснащены ядерной энергетической установкой.

Торговые суда

Гражданские торговые суда с ядерной энергетической установкой не получили развития за пределами нескольких экспериментальных кораблей. Построенный в США корабль NS Savannah, завершенный в 1962 году, был прежде всего демонстрацией гражданской ядерной энергетики и оказался слишком мал и дорог для экономически эффективной эксплуатации в качестве торгового судна. Его конструкция была слишком компромиссной, не являясь ни эффективным грузовым судном, ни жизнеспособным пассажирским лайнером. Немецкий корабль Otto Hahn, построенный в 1968 году, представлял собой грузовое судно и плавучую исследовательскую базу, совершил 126 рейсов за 10 лет без каких-либо технических проблем. Однако его эксплуатация оказалась слишком дорогой, и он был переоборудован для работы на дизельном топливе. Японский корабль Mutsu, завершенный в 1972 году, столкнулся с техническими и политическими проблемами. Его реактор демонстрировал значительную утечку радиации, и рыбаки протестовали против эксплуатации судна. Все три корабля использовали низкообогащенный уран. "Севморпуть", советский, а затем и российский ледокольный сухогруз типа LASH, успешно эксплуатируется на Северном морском пути с момента ввода в эксплуатацию в 1988 году и в настоящее время является единственным действующим торговым судном с ядерной энергетической установкой. Гражданские ядерные суда сталкиваются с высокими затратами на специализированную инфраструктуру. Эксплуатация "Саванны" была дорогостоящей, поскольку это было единственное судно, использующее специализированный береговой персонал и сервисную базу. Более крупный флот мог бы разделить постоянные затраты между большим количеством эксплуатируемых судов, снизив операционные расходы. Несмотря на это, интерес к ядерной энергетике сохраняется. В ноябре 2010 года British Maritime Technology и Lloyd's Register начали двухлетнее исследование совместно с американской компанией Hyperion Power Generation (ныне Gen4 Energy) и греческим судоходным оператором Enterprises Shipping and Trading SA для изучения практических морских применений небольших модульных реакторов. Исследование было направлено на разработку концепции танкера, основанной на реакторе мощностью 70 МВт, таком как реактор Hyperion. В ответ на интерес своих членов к ядерной энергетике Lloyd's Register также пересмотрел свои "правила" для ядерных судов, касающиеся интеграции реактора, сертифицированного наземным регулирующим органом, с остальной частью судна. Общая логика процесса разработки правил исходит из того, что в отличие от текущей практики в морской отрасли, где проектировщик/строитель обычно демонстрирует соответствие нормативным требованиям, в будущем ядерные регулирующие органы захотят обеспечить, чтобы именно оператор ядерной установки демонстрировал безопасность эксплуатации, в дополнение к безопасности, обеспечиваемой проектированием и строительством. В настоящее время ответственность за ядерные суда несут их собственные страны, но ни одно из них не участвует в международной торговле. В результате этой работы в 2014 году Lloyd's Register и другие члены консорциума опубликовали два доклада о коммерческой ядерной морской энергетике.