Reaktory jądrowe jako napęd okrętów

Samoloty oraz pociągi o napędzie jądrowym pobudzały wyobraźnię konstruktorów, szczególnie w latach 50. XX wieku, gdy uruchomiono pierwsze elektrownie jądrowe. Niestety tych pomysłów nigdy nie udało się zrealizować. Okazało się jednak, że energia jądrowa może mieć zastosowanie do napędzania potężnych statków i okrętów podwodnych, które muszą znajdować się na morzu przez długi czas bez tankowania.

Prace nad jądrowym napędem do okrętów rozpoczęto już w latach czterdziestych XX wieku, a pierwszy reaktor testowy uruchomiono w Stanach Zjednoczonych w 1953 roku. Pierwszym okrętem podwodnym o napędzie jądrowym był USS Nautilus, który wypłynął w morze w 1955 roku. Tym samym rozpoczęła się era jądrowa na morzach i ocenach, która trwa do dziś. W 1960 roku na wody wypłynął lotniskowiec USS Enterprise, napędzany ośmioma reaktorami wodno-ciśnieniowymi (PWR), który wycofano ze służby dopiero w 2012 roku.

Rys. Wodowanie okrętu USS Nautilus, źródło: Wikimedia Commons

Rys. Prototyp rdzenia reaktora okrętu USS Nautilus w Idaho, źródło: Wikimedia Commons

Okręty podwodne

Do 1962 roku Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych dysponowała 26 jądrowymi okrętami podwodnymi, będącymi w służbie, a 30 było w budowie. Technologia amerykańska została udostępniona Wielkiej Brytanii, podczas gdy we Francji, Rosji i w Chinach rozwój technologii przebiegał oddzielnie. Rosja opracowała projekty reaktorów chłodzonych zarówno wodą, jak i eutektyką ołowiowo-bizmutową. Największe okręty podwodne to rosyjskie okręty typu Typhoon o masie 26 500 ton, napędzane dwoma reaktorami PWR o mocy 190 MWt. Zostały one zastąpione przez okręty o masie 24 000 ton typu Oscar-II (np. Kursk) z tą samą elektrownią.

W latach 1950-2003 Rosja zbudowała 248 jądrowych okrętów podwodnych i pięć okrętów nawodnych napędzanych przez 468 reaktorów. Około 60 z tych okrętów nadal działa. Pod koniec zimnej wojny, w 1989 roku, w eksploatacji lub w budowie było ponad 400 okrętów podwodnych o napędzie jądrowym. Około 250 z tych okrętów zostało już zezłomowanych, a niektóre zamówienia anulowano z powodu programów redukcji broni. Liczba okrętów podwodnych o napędzie jądrowym pod koniec 2019 roku wynosiła: USA - 70, Rosja - 40, Chiny - 19, Wielka Brytania - 10, Francja - 9, Indie - 3.

Stany Zjednoczone posiadają także flotę lotniskowców o napędzie jądrowym oraz, podobnie jak Rosja, dysponują krążownikami o napędzie jądrowym. Ich liczba wynosi odpowiednio USA: 9, Rosja: 4.

Statki cywilne

Napęd jądrowy okazał się technicznie i ekonomicznie niezbędny w rosyjskiej Arktyce, gdzie warunki operacyjne są poza możliwościami konwencjonalnych lodołamaczy. Istotnymi czynnikami są poziomy mocy wymagane do rozbijania lodu o grubości do 3 m, w połączeniu z trudnościami w tankowaniu innych typów statków. Flota jądrowa pozwoliła wydłużyć czas prowadzonej żeglugi w Arktyce z 2 do 10 miesięcy rocznie, a w Arktyce Zachodniej jest ona całoroczna.

Lodołamacz Lenin był pierwszym na świecie okrętem nawodnym o napędzie jądrowym i pozostawał w służbie przez 30 lat, chociaż w 1970 roku zamontowano nowe reaktory. Doprowadziło to do powstania serii większych lodołamaczy typu Arktika, wodowanych od 1975 roku. Te potężne statki mają dwa reaktory o mocy 56 MW na śrubach napędowych i są używane na głębokich wodach arktycznych. Arktika jako pierwszy statek nawodny dotarł do bieguna północnego w 1977 roku.

Rozwój jądrowych statków handlowych rozpoczął się w latach 50. XX wieku, ale ogólnie nie odniósł sukcesu komercyjnego. Zbudowany w USA statek NS Savannah o wyporności 22 000 ton został oddany do użytku w 1962 roku, a wycofany ze służby osiem lat później. To był sukces techniczny, ale nieopłacalny ekonomicznie.

Z kolei zbudowany w Niemczech statek towarowy i jednocześnie ośrodek badawczy Otto Hahn o wyporności 15 000 ton przepłynął około 650 000 mil morskich podczas 126 rejsów w ciągu 10 lat bez żadnych problemów technicznych. Jednak okazał się zbyt drogi w eksploatacji i w 1982 roku przerobiono zasilanie na silniki diesla.

W 1988 roku w Rosji został oddany do użytku statek NS Sevmorput, głównie do obsługi portów północnej Syberii. Jest to barkowiec o wyporności 61 900 ton i kontenerowiec z dziobem-lodołamaczem. Jest zasilany tym samym reaktorem KLT-40, który jest używany w większych lodołamaczach. Do 2003 roku wymagał tylko jednej wymiany paliwa w reaktorze.

Rys. Lodołamacz Lenin zacumowany w Murmańsku, źródło: Wikimedia Commons

Charakterystyka reaktorów jądrowych do statków i okrętów podwodnych

Reaktory wodne ciśnieniowe, które wykorzystuje się w okrętach i statkach różnią się od reaktorów komercyjnych wytwarzających energię elektryczną tym, że:

• dostarczają dużo mocy z bardzo małej objętości i dlatego pracują na wysokowzbogaconym uranie (pierwotnie ok. 97%, a obecnie 93% w najnowszych amerykańskich okrętach podwodnych, ok. 20-25% w niektórych zachodnich statkach i do 45% w późniejszych rosyjskich);
• paliwem nie jest dwutlenek uranu (UO₂), ale stop uranowo-cyrkonowy lub uranowo-aluminiowy;
• rdzeń pracuje bardzo długo bez przeładowania paliwa. Ładowanie świeżego paliwa jądrowego potrzebne jest dopiero po 10 lub więcej latach. Rdzenie tych reaktorów projektowane są na 50 lat w przypadku lotniskowców i na 30-40 lat w przypadku okrętów podwodnych.

---

Warto wiedzieć!

Przy coraz większej uwadze poświęcanej emisjom gazów cieplarnianych powstających w wyniku spalania paliw kopalnych w międzynarodowym transporcie powietrznym i morskim oraz doskonałym wynikom w zakresie bezpieczeństwa statków o napędzie jądrowym, można przypuszczać, że już w niedalekiej przyszłości uwaga inżynierów i konstruktorów zostanie zwrócona na morski napęd jądrowy.