3.1. Ядерні реактори на морських суднах

Ядерно-енергетичні установки (ЯЕУ) дозволяють надати морським суднам якості, недосяжної при використанні суднових енергетичних установок, що працюють на викопному паливі. Перш за все це необмежений район плавання при роботі на великій потужності, вища швидкість й тривала автономність. Застосування ЯЕУ підвищує загальну продуктивність вантажних суден всіх типів за рахунок зниження повної маси енергетичної установки, яка включає масу самої енергетичної установки та масу палива для неї. Паливо, яке запасається на рейс, складає 15% маси вантажу, що перевозиться, й рівнозначно 10000 тонн для вантажного судна з потужністю на гвинтах 40–60 МВт.

На морських суднах принципово можуть бути використані ЯЕУ з реактором будь-якого освоєного типу із використанням паротурбінного або газотурбінного циклу. Найбільшого поширення набули двоконтурні ЯЕУ із водоводяними реакторами під тиском, оскільки вони найбільш відпрацьовані, компактні, прості в управлінні, характеризуються стійкістю до качки й диферентів. Такими установками обладнані атомні криголами Росії «Ленін», «Арктика», «Сибір», «Ямал», «Росія», «50 років Перемоги» та зарубіжні транспортні судна «Савана» (США), «Отто Ган» (Німеччина), «Муцу» (Японія). На кораблях військово-морського флоту високорозвинутих країн світу найчастіше використовують ядерні енергетичні реактори на швидких або проміжних нейтронах (з енергією в інтервалі 1–1000 еВ), активна зона яких охолоджується рідким натрієм або рідким свинцем (або його сплавами). Ці реактори при рівній з іншими типами реакторів потужності мають найменші габарити, а висока температура рідкометалевого теплоносія (~600°С) забезпечує ефективність ЯЕУ близько 40%. За даними зарубіжної преси у складі ВМФ США діють близько 130 атомних підводних човнів (АПЧ) й понад 10 надводних кораблів (мал. 3.1).

Мал. 3.1. Американський атомний авіаносець «Рональд Рейган» 

Американський атомний авіаносець «Рональд Рейган» був спущений на воду 4 березня 2001 року і ввійшов до бойового складу флоту 12 липня 2003 року. Потужність його чотирьохвальної ядерної енергетичної установки 205,8 МВт (280000 к.с.) – два водо-водяних реактори A4W/A1G. Авіаносець має такі основні тактико-технічні характеристики: повна водотоннажність 98000 т, довжина 334 м, ширина 40,8 м, осадка 11,9 м, найбільша ширина польотної палуби 78 м, швидкість повного ходу його складає більше 54,5 км/год (30 вузлів).

Розробка високотемпературних газоохолоджуваних реакторів (ВТГР) з температурою газу на виході з активної зони близько 1000 К створює перспективи використання ядерно-енергетичних установок, що працюють по замкнутому або розімкненому газотурбінному циклу. У порівнянні з паротурбінними установками з ядерним реактором вони характеризуються:

• вищим к.к.д. перетворення теплової енергії в механічну;

• меншими масогабаритними параметрами;

• можливістю використання в одноконтурних установках в якості робочого тіла різних газів;

• спрощеним регулюванням потужності зміною тиску в контурі із збереженням високого к.к.д. у широкому інтервалі навантажень;

• незначною потребою в охолоджуючій воді й відсутністю спеціальної водопідготовки;

• легкістю запуску турбоустановки при будь-якій температурі й швидкістю прийняття навантаження.

Таблиця 3.1. Характеристики ядерного реактора МАРС С

Найбільш економічні в тепловому відношенні й безумовно перспективні для використання в могутніх транспортних ядерно-енергетичних установках термодинамічні цикли газотурбінних установок із регенерацією й проміжним охолоджуванням газу. Однією з важливих переваг деяких типів високотемпературних реакторів є можливість завантаження палива на весь період експлуатації судна, тобто приблизно на 25 років. Ядерний реактор з теплоносієм із розплаву солей й паливними елементами на основі мікротвелів МАРС-С (табл. 3.1) у комбінації із газотурбінною установкою (ГТУ), що використовує як робоче тіло атмосферне повітря, забезпечує безпечну високоекономічну експлуатацію криголамів та суден льодового плавання.

Контур циркуляції розплавно-сольового теплоносія включає активну зону реактора, боковий кільцевий і нижній торцевий відбивачі, насоси, теплообмінники сіль–повітря. Матеріалом відбивача є циркулюючий розплавно-сольовий теплоносій (LiF–BeF2).

Активна зона реактора складається з графітових тепловиділяючих збірок (ТВЗ) гексагональної форми розміром під ключ 36 см. У ТВЗ в гексагональній решітці з кроком 3,5 см розміщено 60 каналів діаметром 1,7 см для палива і 31 канал діаметром 4 см для теплоносія. У каналах для палива розташовуються паливні компакти-мікротвели в графітовій матриці, об'ємна частка мікротвелів в паливному компакті складає 33%.
Мал. 3.2. Схема енергетичної установки криголама: 1 – активна зона реактора; 2 – теплообмінник паливо–сіль; 3 – теплообмінник сіль–повітря; 4 – електрогенератор; 5 – газова турбіна; 6 – компресор; 7 – регенеративний підігрівач; 8 – циркуляційний насос

Енергетична установка криголама (мал. 3.2) складається з двох реакторів типу МАРС-С, двох газотурбінних двигунів з генераторами потужністю по 45 МВт. Потужність двох ГТУ при температурі 50°C і -50 °С складає 72,90 й 108 МВт, к.к.д. при цьому дорівнює 24, 30 й 36%. Для підвищення ефективності застосований попередній підігрів повітря за допомогою двох регенераторів, по одному на кожну ГТУ. Атмосферне повітря надходить на вхід компресора 6 газової турбіни, потім з компресора в регенератор 7, де відбувається його попередній нагрів, й далі із регенератора в теплообмінник сіль–повітря 3 реактора. Розплав солі з температурою ~750°С циркулює за допомогою насоса 8. У теплообмінниках повітря нагрівається до ~700°С. Нагріте повітря надходить на вхід газової турбіни 5, яка приводить в обертання електрогенератор 4. З виходу газової турбіни гаряче повітря з температурою 550°С надходить в регенератор 7, де нагріває повітря, що поступає від компресора 5, і потім з нижчою температурою викидається в атмосферу.

У ходовому режимі основним споживачем електроенергії є гребна електрична установка, до складу якої входять три гребних двообмоткових трифазних електродвигуна синхронного типу потужністю по 32 МВт з напругою 10,5 кВ. Такі могутні ядерноенергетичні установки з газовими турбінами знаходять застосування не тільки на криголамах й військових суднах, але і на пасажирських лайнерах.

Теплові схеми діючих і проектованих суднових ЯЕУ підпорядковані головним чином умовам забезпечення різних режимів роботи для маневрування, необхідних ходових якостей, надійності й безпеки роботи.

Як головні суднові двигуни ЯЕУ використовуються багатоступінчаті турбіни. До суднових турбін висуваються жорсткі вимоги щодо масо-габаритних співвідношень. Вони працюють в ширшому діапазоні можливої зміни навантажень. Суднові турбіни працюють на електричний генератор, а далі привід гвинтової групи здійснюється від електродвигунів; можлива передача обертання турбіни через редуктор безпосередньо на рушій–гребні гвинти. У першому випадку, по суті, йдеться про електростанції і умови роботи відрізняються від стаціонарних частими і значними змінами навантаження. При механічній передачі в системі турбина–редуктор–рушій один з елементів повинен бути реверсивним для забезпечення заднього ходу судна. На транспортних суднах, що знаходяться в тривалих рейсах, головна турбіна із гребною установкою зв'язана зазвичай механічною передачею. На криголамах та атомних підводних човнах у зв'язку з великими динамічними навантаженнями застосовується електрична передача. Наприклад, на криголамі «Арктика» змінний струм, що виробляється шістьма генераторами, перетворюється кремнієвими випрямлячами в постійний струм, який надходить на три гребні двигуни постійного струму кожен потужністю 16000 кВт (22000 к.с.).

На всіх побудованих надводних суднах в ЯЕУ застосовується середнє (по корпусу судна) розташування суднової енергетичної установки. Це приводить до кращої стійкості судна і меншої вразливості ЯЕУ при аваріях. Кормове розташування суднових енергетичних установок зустрічається в проектах танкерів, рудовозів тощо.

Для великотоннажних суден з великим радіусом дії перспективні енергетичні установки, що працюють на ядерному паливі. Створення й широке використання таких суден радикально змінить всю організацію й економіку морських перевезень.

«50 років Перемоги» – найбільший у світі атомний криголам 

Цей атомний криголам закладений 4 жовтня 1989 року під назвою «Урал», а в 1995, вже спущений на воду, отримав ім'я «50 років Перемоги». Після успішного проведення державних ходових випробувань атомохід був введений в експлуатацію і 23 березня 2007 року на ньому підняли російський прапор. Атомохід «50 років Перемоги» став унікальним кораблем не тільки російського, але і світового криголамного флоту: довжина – 159 метрів, ширина – 30, водотоннажність – 25 тисяч тонн, швидкість – 32,7 км/год (18 вузлів). Найбільша товщина крижаних полів, яку він може здолати, – 2,8 м (це висота сучасної квартири від підлоги до стелі). Криголам оснащений двома ядерними енергетичними установками, має систему захисту «Антитерор», забезпечений екологічним відсіком з новітнім устаткуванням для збору і утилізації відходів, що утворюються при роботі судна. Потужність трьох валів – 75000 к. с. (55,2 МВт).