Reaktory jądrowe na okrętach podwodnych

Nowoczesne okręty podwodne są potężnymi maszynami, które potrafią przepłynąć pod powierzchnią wody 740 tys. km przy prędkości 40 – 70 km/h, zużywając zaledwie 5 kg paliwa jądrowego. Mogą nie wynurzać się przez prawie rok, gdyż są samowystarczalne pod względem dostaw tlenu i wody pitnej dla załogi obsługującej łódź. Tylko kilka państw stać na posiadanie własnych okrętów z napędem jądrowym. Aktualnie eksploatuje się około 140 jądrowych łodzi podwodnych, które napędzane są przez 180 reaktorów. Największą flotę posiadają Stany Zjednoczone i Rosja. Inne kraje posiadające łodzie podwodne z napędem jądrowym to Wielka Brytania, Francja, Chiny i Indie. Szacuje się, że od początku historii badań nad napędem jądrowym Stany Zjednoczone Zbudowały około 190 okrętów, a Rosja 250.

Prymitywną koncepcję łodzi podwodnej zaproponował około 1515 roku Leonardo da Vinci. Pierwszą taką łódź prawdopodobnie użyto w 1776 roku w czasie wojny o niepodległość Stanów Zjednoczonych Ameryki. Siłą napędową śruby były mięśnie człowieka. Udane eksperymenty z łodziami podwodnymi zaczęły się na przełomie XIX i XX wieku, kiedy to budowano łodzie  z silnikiem parowym, a później benzynowym. Następnie pojawiły się łodzie napędzane silnikiem diesla oraz elektrycznym.  Przed rozpoczęciem projektu Manhattan, w 1941 roku w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej w Berkley  Philip Abelson, próbował zaadaptować energię jądrową do napędu łodzi. Jednak dopiero 21 stycznia 1954 roku Amerykanie zwodowali pierwszą łódź podwodną z napędem jądrowym. Był to Nautilus, statek nazwany na cześć statku kapitana Nemo, bohatera książki Juliusza Verna „20 tysięcy mil podmorskiej żeglugi”. W ciągu 2 pierwszych lat, pełnych sukcesów, przepłyną 100681km, korzystając z w reaktora typu MARK  II o mocy 11,2 MW bez wymiany paliwa zużywając ilość, którą rozmiarami można porównać do piłeczki tenisowej. Okręt mierzył 97,4 m długości, 8,4 m szerokości, rozwijał prędkość 37 km/h i mógł się zanurzyć na głębokość 200 m. Na statku służyło 105 osób.  W czasie jednej z ważniejszych wypraw 3 sierpnia 1958 roku Nautilus przepłynął jako pierwszy pod lodami bieguna północnego (warstwa lodu wynosiła 16 m). Niestety wiadomość o tym niezwykłym dokonaniu mogła być przekazana dopiero 3 dni później, kiedy to po kilku próbach wynurzenia, okręt przebił się przez lód i nawiązał łączność radiową. W czasie tej tajnej ekspedycji dokonano weryfikacji głębokości Morza Arktycznego – okazało się, że jest o 4 km głębsze niż na początku sądzono. W 1980 roku statek wycofano z eksploatacji, a na chwilę obecną służy jako obiekt muzealny.

W wyścigu o najpotężniejszą flotę łodzi o napędzie jądrowym brała również Rosja. Swój pierwszy okręt zwodowała w 1957 roku. Statek znany pod nazwą Leninskij Komsomoł wyposażony był w dwa reaktory jądrowe i mógł rozwinąć prędkość 47 km/h. Mierzył 109 m długości i 9,8 m szerokości oraz osiągnąć zanurzenie  300 m.

Reaktor jądrowy umieszczony na łodzi podwodnej jest o wiele mniejszy niż ten, który jest stosowanych w elektrowniach wodnych, chociaż zasada działania jest bardzo podobna do reaktora ciśnieniowego PWR. Również tutaj ciepło wydzielone w rdzeniu reaktora jest odbierane przez chłodziwo – np. wodę.  Możliwe jest zastosowanie ciekłego ołowiu, bizmutu lub litu. Następnie gorące medium trafia do wymiennika ciepła, gdzie podgrzewa wodę tworząc parę wodną, która napędza turbinę parową. Ciepło z reaktora jest również wykorzystywane do produkcji wody pitnej oraz tlenu. Typowy napędowy reaktor jądrowy ma średnicę ok. 1 m i wysokość 1,5 m. Sprawność jest niestety mniejsza niż w cywilnych reaktorach jądrowych wynika to z wymaganej dużej elastyczności mocy oraz ograniczoną przestrzenia dla układu parowego. Poza tym nie stosuje się boru jako „trucizny” (substancji pochłaniającej silnie neutrony) w reaktorze, lecz gadolin. Moc reaktora waha się od 70 – 220 MWt, w zależności od zastosowanego wzbogacenia paliwa, które jest kilkakrotnie wyższe niż w paliwie „komercyjnym”. Stopień wzbogacenia paliwa amerykańskiego to 97,3%, brytyjskiego 21-45%, rosyjskiego 90%, francuskie 7,5-17% a chińskiego 3-5%. Właściwe paliwo wygląda inaczej niż to stosowane w elektrowniach jądrowych. Zamiast pastylek z tlenku uranu stosuje się stop uranu z cyrkonem lub uranu z aluminium. Rosyjski okręt podwodny Kursk posiadał paliwo uranowo-aluminiowe, ze wzbogaceniem w U-235 do 20-45% w reaktorze o mocy 200 MW, który ważył około 200 kg. Taka konstrukcja pozwala na wymianę paliwa co 6-10 lat, gdyż jest to proces bardzo skomplikowany i kosztowny. Dla porównania przeładunek paliwa jądrowego elektrowniach może odbywać się na bieżąco, a kampania paliwowa trwa od 1 roku do 2 lat. Skomplikowana operacja wymiany paliwa w zaczyna się od wychłodzenia rdzenia, od momentu wyłączenia napędu i trwa około 90 dni. Następnie wycinany jest właz w poszyciu łodzi i inne prace polegające na umożliwieniu dostępu do rdzenia oraz wyciagnięciu kaseta po kasecie całego paliwa. Proces ten trwa około 30 dni. Następnie załadowywane jest świeże paliwo i prace remontowe związane z zamknięciem reaktora i uszczelnieniem poszycia, co trwa od 60 do 90 dni. Podsumowując cała operacja wymiany paliwa może przebiegać nawet 7 miesięcy, stąd najnowocześniejsze reaktory jądrowe dedykowane dla okrętów podwodnych wymagają wymiany paliwa po 30 – 40 latach, co odpowiada całemu czasowi eksploatacji jednostki. Niestety likwidacja reaktora, po zakończeniu eksploatacji jest bardzo kosztowna i trudna za względu na dużą ilość produktów rozszczepienia. Dodatkowo w rosyjskich okrętach (8 jednostek) problemem jest utrzymywanie odpowiedniego ciepła, przez długi czas po wyłączeniu reaktora, gdyż niektóre były chłodzone ciekłym metalem (ołów, bizmut). Doprowadzenie do sytuacji, kiedy chłodziwo to zastyga powoduje, że odseparowanie i unieszkodliwienie odpadów jądrowych jest praktycznie niewykonalne.

Rys. Rosyjski atomowy lodołamacz w porcie w Murmańsku (zdjęcie: fotolia.pl)

Rys. Rosyjski atomowy lodołamacz w porcie w Murmańsku (zdjęcie: fotolia.pl)

W pierwszych latach, kiedy budowano łodzie podwodne z napędem jądrowym, zdarzały się incydenty, szczególnie w Rosji, w 1961 roku na K-19 w skutek awarii i zaniedbania norm bezpieczeństwa przez załogę doszło do poważnego narażenia na promieniowanie, czego skutkiem była śmierć na przestrzeni kliku lat około 20 osób, które brały bezpośredni udział w naprawianiu szkód. Jednak od lat 70-tych to bezpieczeństwo załogi stało się priorytetem podczas projektowania, a dopiero na drugim miejscu osiągi samego okrętu. Obudowa reaktora jest szczelnie zamknięta i obsługa nie możliwości bezpośredniej kontroli tego co się dzieje w reaktorze lub też tasowania paliwa, w przeciwieństwie do reaktorów cywilnych w elektrowniach jądrowych. Obecnie na okrętach instaluje się osłony ołowiowe o łącznej masie  około 100 ton. Wzorem jest doświadczenie US Navy, liczone w 6200 reaktorolat (na 12000 reaktorolat ze wszystkich łodzi na świecie) podczas eksploatacji przez 50 lat 526 rektorów bez ani jednego incydentu.

Dzięki zastosowaniu wydajnego napędu jądrowego możliwe było dokonanie czynów, niemożliwych do osiągnięcia przez łodzie podwodne z innym napędem. Można tu przytoczyć opłynięcie przez amerykański okręt Triton między 16 lutym a 10 maja 1960 roku całej kuli ziemskiej bez wynurzania się. Najbardziej spektakularne statki zbudowano w Rosji. Wśród nich należy wymienić K-278 znany jako Komsomolec.

Dzięki kadłubowi wykonanemu ze stopu tytanu, maksymalna głębokość zanurzenia wynosiła 1000 m. Dla porównania inne łodzie mogą zanurzyć się na głębokość 300- 400 m. Największy do tej pory zbudowany w 1981 roku okręt z napędem nuklearnym to rosyjski Akula. Dwa reaktory OK.-650 o mocy 190 MWt napędzały dwie śruby okrętowe, dzięki którym możliwe było osiągnięcie prędkości 50 km/h. Mierzył on 175 m długości i szerokości 22,5 m.

Łodzie podwodne z napędem jądrowym, są również wykorzystywane w innych celach niż militarne. Stany Zjednoczone dysponują unikalnym okrętem zwanym NR1 służącym do badania dna morskiego, zanurzając się na głębokość 725 m. Okręt mierzy 45,7 m długości i 4,18 m szerokości, a obsługuje go 7 osób. Również Rosjanie wybudowali okręt badawczy, AS-11, będący jednocześnie najmniejszym z napędem jądrowym, z reaktorem o mocy 10 MWt.

Wykorzystanie w przyszłości rektorów jądrowego na statkach, jest całkiem realne. Już teraz niektóre lodołamacze wyposażone są w ten napęd (6 rosyjskich lodołamaczy i 1 frachtowiec). Nieuchronność wprowadzenia limitów emisji CO2 przez jednostki pływające, szczególnie w rejonach Arktyki może tylko przyspieszyć ten proces implementacji.


Bibliografia:
[1] Energia jądrowa wczoraj i dziś, Grzegorz Jezierski, ISBN 832043038
[2] Najsłynniejsze okręty podwodne – od CSS Hunleya przez USS Nautilusa po Kursk, Antony Preston, ISBN 8372455147
[3] http://www.world-nuclear.org/info/Non-Power-Nuclear-Applications/Transport/Nuclear-Powered-Ships/#.UlL2g9LGqSp
[4] http://science.howstuffworks.com/nuclear-submarine.htm

Anna Przybyszewska

mgr inż. Anna Przybyszewska – absolwentka Energetyki Jądrowej, na Wydziale Energetyki i Paliw, na Akademii Górniczo – Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie. Aktualnie studentka studiów doktoranckich na tym samym Wydziale.

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *