Военное образование в России

Общекорабельные системы и корабельные устройства - Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ)

Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ)

Новые перспективы в развитии корабельной энергетики открылись, когда стало известно о возможности получения самоподдерживающейся ядерной реакции с выделением огромного количества тепловой энергии.

Новому источнику энергии сразу же пристальное внимание уделило Морское инженерное управление (ныне управление кораблестроением) США. В декаб­ре 1945 года в этой стране была разработана обширная программа, пре­дусматривающая создание атомных ПЛ и энергетических установок для них, а 18 января 1955 года вышла на ходовые испытания первая атомная под­водная лодка США «Наутилус».

В основе работы ядерной энергетической установки (ЯЭУ) лежит превращение ядерной энергии в механическую путем использования ядерно­го реактора в качестве источника теплоты. Таким образом, уместно про­вести аналогию между реакторной частью ЯЭУ и котельной частью КТУ, но с той огромной разницей, что пар в котле генерируется за счет сжигания органического топлива, в то время как в паропроизводящей части ЯЭУ ге­нерация происходит за счет теплоты, выделяющейся при делении ядер ато­мов ядерного горючего. Принципиальное преимущество ЯЭУ вытекает из ог­ромной концентрации ядерной энергии в веществе по сравнению с концент­рацией химической энергии в органическом топливе. Так, если при сжига­нии 1 кг мазута выделяется 10 тыс. ккал теплоты, то при делении такого же количества ядерного топлива ее выделяется примерно в два миллиона раз больше.

В общем случае работа ядерного реактора водо-водяного типа на тепловых нейтронах происходит следующим образом. В активной зоне раз­мещено делящееся вещество (U235) и замедлитель нейтронов - вода. Снижение скорости нейтронов необходимо, так как эффективность взаимодействия нейтронов с ядрами делящегося ве­щества зависит от их энергии. Вероятность захвата нейтронов ядрами атомов повышается при снижении их энергии и, следовательно, скорости.

Процесс замедления быстрых нейтронов можно сравнить с ударяющими друг друга бильярдными шарами, только в роли встречных шаров выступают легкие ядра водорода, масса которых примерно равна массе нейтронов. При столкновениях нейтроны теряют примерно половину своей энергии и превращаются в тепловые (V=500-600 м/сек), которые легко захватываются ядрами делящегося вещества. После захвата нейтрона и последующего де­ления ядра атома из него вылетают 2-3 нейтрона, которые в свою очередь замедляются и вызывают деление других ядер - возникает цепная реакция деления.

Активная зона реактора окружена оболочкой из материала с высокой отражательной способностью, который не поглощает нейтроны, а отражает их, возвращая в активную зону. В каналы активной зоны погружены тепло­выделяющие элементы (ТВЭЛы), представляющие собой тонкостенные трубки из сплавов алюминия или нержавеющей стали, заполненные таблетками ядерного горючего. Размер активной зоны реактора невелик, но в то же время для отвода большого количества тепловой энергии требуется боль­шая поверхность теплообмена. Это достигается расположением в активной зоне многочисленных каналов, в которые и погружены ТВЭЛы. Отвод тепло­ты достигается прокачкой воды через зазоры между стенками каналов и ТВЭЛами.

В результате реакции деления ТВЭЛы нагреваются. Интенсивность нагрева, а следовательно и тепловая мощность реактора регулируется с помощью специальных стержней, изготовленных из графита, хорошо погло­щающего нейтроны. Степенью погружения этих стержней в активную зону и регулируется энергетический уровень реакции деления. При полном погру­жении стержней реакция прекращается. На случай необходимости в срочном прекращении реакции деления предусмотрена аварийная защита в виде стержней, которые в любой момент могут быть сброшены в активную зону под воздействием пружин и собственной массы.

Корабельная ЯЭУ с реактором водо-водяного типа работает следующим образом. Нагретая в активной зоне реактора вода, являющаяся одновре­менно теплоносителем и замедлителем, отдает в парогенераторе теплоту воде второго контура, превращающая ее в пар, поступающий в турбинную часть установки, мало чем отличающуюся от применяемых в обычных КТЭУ.

Для того, чтобы получить во втором контуре пар заданных парамет­ров, вода первого контура должна иметь достаточно высокую температуру, превышающую таковую производимого пара. Для исключения выкипания воды в первом контуре в нем необходимо поддерживать соответствующее избы­точное давление, обеспечивающее так называемый «недогрев до кипения». Так, в первом контуре зарубежных ЯЭУ поддерживается давление 140-180 кгс/см² , позволяющее нагревать воду до 250-280°С. При этом во втором контуре генерируется насыщенный пар давлением 15-20 кгс/см² при темпе­ратуре 200-250°С.

Для компенсации колебаний объема теплоносителя в 1 контуре при изменении режима работы установки и поддержания в контуре заданного давления предусмотрен компенсатор объема, представляющий собой балло­ны, частично заполненные водой контура, частично инертным газом (па­ром), соединенные с контуром напрямую, в которых постоянно поддержива­ется высокое давление.

В результате ядерной реакции около 23% энергии выделяется в виде излучения нейтронов и гамма-квантов. Будучи нейтральными, эти излуче­ния проникают в вещества на большие расстояния. Чтобы предохранить личный состав от облучения, паропроизводящая часть ЯЭУ окружена биологической защитой, в состав которой входит во­да, сталь, свинец, бетон, карбид бора, графит.

Отработавший в турбинной части пар поступает в главный конденса­тор, где конденсируется, а затем фильтруется, и с помощью питательного насоса снова направляется в паропроизводящую часть ЯЭУ.

По сравнению с другими энергетическими установками ЯЭУ значитель­но увеличивают боевую эффективность кораблей, так как имеют ряд досто­инств: обеспечивают практически неограниченную дальность плавания, не требуют больших запасов топлива, воздуха для работы.

В то же время ЯЭУ имеют высокую стоимость, большие массы и габа­риты (из-за необходимости применения тяжелой биологической защиты).

На сегодняшний день ЯЭУ устанавливаются на ПЛ России, США, Фран­ции, Великобритании и Китая. Кроме того, ряд боевых кораблей ВМС США и ВМФ РФ оснащены установками такого типа. К применению ЯЭУ на надводных кораблях вплотную подошла и Франция.