Ядерные реакторы ВМС США: история и развитие

Введение

Классы ядерных реакторов, используемых ВМС США

Военно-морские ядерные реакторы США – это ядерные реакторы, используемые Военно-морскими силами США на борту определенных кораблей для выработки пара, необходимого для создания тяги, электроэнергии, катапультирования самолетов с авианосцев и нескольких других второстепенных целей. Каждый такой военно-морской ядерный реактор является частью полноценной энергетической установки. Все введенные в эксплуатацию подводные лодки и авианосцы ВМС США, построенные после 1975 года, работают на ядерной энергии, а последний неядерный авианосец, "Китти Хок", был выведен из состава флота в мае 2009 года. В составе ВМС США также было девять атомных крейсеров, оснащенных такими реакторами, но они также были выведены из эксплуатации. Реакторы разрабатываются различными подрядчиками, а затем проходят разработку и испытания на нескольких объектах, принадлежащих Министерству энергетики и управляемых основными подрядчиками: Лаборатория атомной энергии Беттиса в Вест-Миффлине, штат Пенсильвания, и связанный с ней Военно-морской реакторный центр в Айдахо, а также Лаборатория атомной энергии Ноллза в Нискаюне, штат Нью-Йорк, и связанная с ней площадка Кесселринг в Вест-Милтоне, штат Нью-Йорк, все под управлением Управления военно-морских реакторов. В Военно-морском реакторном центре Кесселринг и в Виндзоре (штат Коннектикут) иногда строились полномасштабные прототипы ядерных энергетических установок для испытаний, которые эксплуатировались в течение многих лет для подготовки квалифицированного персонала к работе с ядерными реакторами.

История

Концептуальный анализ ядерной морской энергетической установки начался в 1940-х годах. Исследования по разработке ядерных реакторов для ВМС проводились в Лаборатории атомной энергии Беттиса в Вест-Миффлине, штат Пенсильвания, начиная с 1948 года. Под долгосрочным руководством адмирала Хаймана Г. Риковера, первая испытательная реакторная установка, прототип, известный как S1W, была запущена в США в 1953 году на Военно-морском реакторном комплексе в Айдахо. Лаборатория Беттиса и Военно-морской реакторный комплекс изначально и на протяжении многих десятилетий после этого принадлежали и управлялись компанией Westinghouse. Первое судно с ядерной энергетической установкой, подводная лодка "Наутилус", вышла в море в 1955 году. USS Nautilus ознаменовала начало перехода от относительно медленных и с ограниченным радиусом действия обычных подводных лодок к подводным лодкам, способным оставаться под водой в течение нескольких недель. Большая часть ранних работ по разработке морских реакторов была выполнена на Военно-морском реакторном комплексе на территории Национальной лаборатории Айдахо (INL, ранее INEL). USS Nautilus была оснащена реактором S2W, а экипаж проходил обучение на наземном реакторе S1W в INL. Второй атомной подводной лодкой была Seawolf, которая изначально работала на натриевом охлаждаемом реакторе S2G и поддерживалась наземным реактором S1G на площадке Кесселринг в Лаборатории атомной энергии Knolls, управляемой General Electric. Запасной реактор S2G также был построен, но так и не был использован. USS Seawolf столкнулась с проблемами с перегревателем, в результате чего USS Nautilus продемонстрировала значительно более высокую производительность. Это, а также риски, связанные с жидким натрием в случае аварии в море, привели адмирала Риковера к выбору реактора с водой под давлением (PWR) в качестве стандартного типа военно-морского реактора США. Реактор S2G был удален с USS Seawolf и заменен реактором S2Wa, с использованием компонентов от запасного реактора S2W, который был частью программы USS Nautilus. Все последующие военно-морские реакторы США были PWR, в то время как советский флот использовал в основном PWR, но также использовал жидкометаллические реакторы с охлаждением свинцово-висмутом (LMFR) трех типов на восьми подводных лодках: советская подводная лодка K-27 и семь подводных лодок проекта 675. Опыт, полученный с USS Nautilus, привел к параллельной разработке других подводных лодок, оснащенных одним реактором, и авианосца Enterprise, оснащенного восемью реакторными блоками A2W в 1960 году. В 1961 году последовал крейсер Long Beach, оснащенный двумя реакторными блоками C1W. USS Enterprise оставался в эксплуатации более 50 лет и был выведен из состава флота в 2012 году. Полномасштабные наземные прототипные установки в Айдахо, Нью-Йорке и Коннектикуте предшествовали разработке нескольких типов (поколений) военно-морских ядерных реакторов США, хотя и не всех из них. После первоначального строительства проводились некоторые инженерные испытания, а прототипы использовались для обучения квалифицированных моряков в течение многих лет. Например, прототип A1W на Военно-морском реакторном комплексе привел к разработке реакторов A2W, используемых на USS Enterprise. К 1962 году ВМС США имели 26 атомных подводных лодок в эксплуатации и 30 в стадии строительства. Ядерная энергия произвела революцию в военно-морском флоте США. Технология была передана Соединенному Королевству, в то время как технологическое развитие во Франции, Китае и Советском Союзе шло своим путем. После кораблей класса Skate разработка реакторов продолжилась, и в США была построена единая серия стандартизированных конструкций как Westinghouse, так и General Electric, с одним реактором, питающим каждое судно. Rolls Royce построил аналогичные установки как PWR1 для подводных лодок Королевского флота, а затем усовершенствовал конструкцию до PWR2. Было построено множество подводных лодок с реакторной установкой S5W. К концу холодной войны в 1989 году в эксплуатации или строительстве находилось более 400 атомных подводных лодок. Около 250 из этих подводных лодок были утилизированы, а некоторые заказы отменены в рамках программ сокращения вооружений. В российском и американском флотах было по более ста подводных лодок, в Великобритании и Франции - менее двадцати, а в Китае - шесть. Сегодня их около 160. США являются ведущей страной по количеству атомных авианосцев (10), в то время как Россия располагает атомными крейсерами. В России восемь атомных ледоколов находятся в эксплуатации или строятся. С момента своего создания в 1948 году ядерная программа ВМС США разработала 27 различных конструкций установок, установила их на 210 атомных судов, ввела в эксплуатацию 500 ядерных реакторов и накопила более 5400 реактор-лет эксплуатации и 128 000 000 морских миль безопасного плавания. Кроме того, было утилизировано 98 атомных подводных лодок и шесть атомных крейсеров. ВМС США никогда не сообщали о реакторных авариях, но столкнулись по крайней мере с одной аварией, связанной с потерей теплоносителя, на USS Guardfish. Все девять атомных крейсеров ВМС США (CGN) были исключены из реестра военно-морских судов, и те, которые еще не были утилизированы, подлежат утилизации. Хотя реакторные аварии не привели к затоплению каких-либо кораблей или подводных лодок ВМС США, две атомные подводные лодки, Thresher и Scorpion, были потеряны в море. Информация о состоянии этих реакторов не была опубликована, хотя оба затонувших корабля были обследованы Робертом Баллардом от имени ВМС с использованием дистанционно управляемых аппаратов (ROV). Конгресс обязал ВМС США рассматривать ядерную энергию как вариант для всех крупных надводных боевых кораблей (крейсеров, эсминцев) и десантных кораблей. Если в ходе анализа альтернатив (AoA) на предварительном этапе проектирования корабля будет доказана экономическая эффективность в течение всего жизненного цикла, новые классы кораблей (например, CG(X)) могут перейти к ядерной энергетической установке.

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.