Улучшение экономической эффективности морских транспортных судов нуждается в создании энергетических установок повышенной мощности, при этом требуется сократить или сохранить долю водоизмещения судна, отводимой для размещения установок с запасом топлива. Реализация оптимальных решений проявляется не только в усовершенствовании традиционных типов судов, но и в создании новых, специализированных судов, с новыми принципами движения и новыми энергетическими установками.
Широкое использование ядерной энергии на судах объясняется преимуществами ядерных установок перед установками, работающими на органическом топливе. Теплотворная способность ядерного топлива примерно в два миллиона раз больше, чем органического. Ядерным установкам не нужен кислород. При нормальной работе они значительно меньше загрязняют атмосферу, чем установки на органическом топливе. [1] Благодаря этому на судне с судовой ядерной энергетической установкой (СЯЭУ) практически отсутствует запас горючего и освободившийся объем и водоизмещение судна могут быть использованы для перевозки дополнительных грузов, или для размещения вспомогательного оборудования, повышающего безопасность плавания судна и обеспечивающего комфорт личному составу.
Судовые ЯЭУ могут эксплуатироваться с большим коэффициентом нагрузки при практически неограниченной дальности плавания.
Особенностью СЯЭУ является процесс получения тепла в ядерных реакторах, который сопровождается мощным ионизирующим излучением и образованием радиоактивных продуктов деления ядерного горючего. Поэтому при создании ЯЭУ специфичной проблемой является обеспечение безопасности установки для экипажа судна и окружающей акватории как при нормальных условиях эксплуатации, так и при возможных авариях. Для этого предусматриваются необходимая биологическая защита и специальная система контроля радиационной обстановки. [5]
Рис. 1. Состав судовой ЯЭУ
Выработка ядерной энергии и ее преобразование в теплоту осуществляется в реакторной установке [1, 3].Преобразование теплоты в механическую, а затем и в электрическую энергию осуществляется в паротурбинной установке (ПТУ), в общесудовых системах и механизмах (ОССиМ). Электроэнергетическая установка (ЭЭУ) предназначена для выработки и обеспечения электроэнергией потребителей СЯЭУ и общесудовых потребителей. Передача энергии на винты производится через гребную электрическую установку (ГЭУ).
Ядерная паропроизводящая установка (ЯППУ) предназначена для выработки пара нужных параметров. Источником тепловой энергии служит ядерный реактор. По числу контуров, с помощью которых происходит передача энергии от активной зоны реактора к рабочему телу, паропроизводящие установки (ППУ) подразделяются на одно-, двух-, и трехконтурные. В судовых установках применяются в основном двухконтурные ППУ. [1]
Далее рассмотрим двухконтурную пароэнергетическую установку, в состав которой входит реактор с водяным теплоносителем.
Рис. 2. Схема двухконтурной ЯППУ
Двухконтурная ЯППУ, представленная на рисунке 2, включает в себя ядерный реактор 3, генератор 1, циркуляционный насос 2 и компенсатор объема 5, соединенные трубопроводами, в которых находится теплоноситель. Основные элементы ППУ окружены биологической защитой 4.
Первый контур является замкнутым, герметичным. По нему циркулирует теплоноситель, отводящий тепло от активной зоны реактора и подающий его в парогенератор воде второго контура. Движение воды в первом контуре осуществляется за счет напора, который обеспечивает циркуляционный насос (ЦН). Вода в первом контуре находится под высоким давлением, что поддерживается благодаря компенсаторам объема. Компенсатор объема представляет собой сосуд, частично заполненный теплоносителем, соединяется с первым контуром трубопроводом. Необходимость в компенсаторе связанна с изменением температуры теплоносителя, что в свою очередь влечет изменение его объема. При этом часть теплоносителя перетекает из контура в компенсатор или обратно.
Полученный в ЯППУ перегретый или насыщенный пар поступает в турбину, вращение от которой далее идет или на движитель (винт), или на электрический генератор.
Благодаря данному принципу действия суда с подобным типом энергоустановки обладают следующими преимуществами:
1) исключительно высокая концентрация энергии;
2) отсутствие специального окислителя, например воздуха, для осуществления реакции;
3) отсутствие значительных по объему газообразных продуктов реакции.
4) более высокая скорость и длительная автономность плавания.
Вышеперечисленные качества послужили причиной того, что в конце 1950-х — начале 1960-х годов в мире началось проектирование различных атомных кораблей: крейсеров, авианосцев, подводных лодок, а также атомных гражданских судов — контейнеровозов, супертанкеров, ледоколов, грузовых, пассажирских, исследовательских.
Первым советским атомным судном является ледокол «Ленин», который был спроектирован специалистами ЦКБ «Айсберг», построен на Адмиралтейском заводе в Ленинграде и введен в эксплуатацию в 1959 г. Завершившаяся успехом эксплуатация данного судна указывает на оптимальность принятых решений, к которым прибегали инженеры при создании флагмана отечественного арктического флота. Эксплуатация данного ледокола позволила не только увеличить дальность плавания в арктических морях, но и показала высокую экономическую эффективность ядерного гражданского судна, что послужило основанием для постройки ледоколов типа «Арктика». «50 лет Победы» — восьмой по счету атомный ледокол, построенный на Балтийском заводе. В настоящее же время российские предприятия создают универсальные атомные ледоколы нового поколения, оснащенные реакторной установкой (РУ) РИТМ-200.
Принципиальным отличием данной РУ является парогенерирующий блок (ПГБ) интегрированного типа с принудительной циркуляцией, расположением кассет парогенератора (ПГ) внутри корпуса, а циркуляционных насосов первого контура (ЦНПК) — в отдельных выносных гидрокамерах и активной зоной с увеличенным энергоресурсом.
Таким типом установки обладает головной ледокол «Арктика» проекта 22220, который был спущен на воду 16 июня 2016 года. Благодаря своей универсальности, атомный ледокол сможет одинаково эффективно работать в устьях сибирских рек и на трассах Северного морского пути. Кроме того, атомоход проекта 22220 станет самым большим и мощным в мире.
Литература:
- Шаманов Н. П., Пейч Н. Н., Дядик А. Н. Судовые ядерные паропроизводящие установки: Учеб. для вузов. — Л.: Судостроение, 1990. — 368 с.
- Теплотехника: учебник для втузов/А. М. Архаров, И. А. Архаров, В. Н. Афанасьев и др. — М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 712с
- Дядик А. Н., Сурин С. Н. Энергетика атомных судов. — СПб: Судостроение, 2014. — 477 с
- Дядик А. Н., Федотов П. А. Физические процессы в элементах судового главного оборудования. — СПб.: ОАО»ЦКБ МТ «РУБИН»",2015–176с.
- Кузнецова В. А. Судовые ядерные энергетические установки. –М.: Атомиздат, 1976. –372 с.
