Общекорабельные системы и корабельные устройства - Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ)
- Details
- Parent Category: Лекции
- Published: 24 July 2014
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.