Петр Хохлов - Атомная энергия и флот

Наиболее перспективны для использования на судах, по нашему мнению, установки по типу так называемых «кипящих» котлов. В отличие от описанных выше ядерное горючее в них применяется в виде смеси порошка окиси урана в обычной или тяжелой воде. Реакторы таких установок имеют сравнительно небольшие габариты и вес, что, конечно, крайне важно для транспортных целей. Они обладают и таким важным качеством, как возможность саморегулирования (с уменьшением потребности в паре их тепловая мощность автоматически сокращается). Преимущества «кипящих» котлов значительно увеличиваются в случае применения схемы с регенерацией (воспроизводством) горючего. Однако по сравнению с другими типами реакторов они нуждаются в горючем с бóльшим содержанием урана 235.

Независимо от того, к какому виду относится судовая атомная силовая установка, она должна иметь три основных отделения — реакторное, теплообменное и машинное. В первом из них, как показывает название, устанавливается атомный реактор, в котором протекает управляемая цепная реакция. В парогенераторе вода, поступившая из реактора, отдает часть своего тепла на парообразование. Образовавшийся здесь пар (или газ — в случае применения в качестве охладителя гелия) направляется в машинное отделение, где приводит в действие паровую (газовую) турбину, вращающую гребной винт.

Теоретические принципы действия всех трех типов реакторов одинаковы. Постепенное освобождение внутриатомной энергии в них основано на использовании различных свойств изотопов урана 235 и урана 238.

Известно, что в обычных силовых установках (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания) топливо сгорает полностью. В атомном реакторе происходит иной процесс: постепенно исчезает уран, но одновременно накапливается плутоний и так называемый радиоактивный шлак — ядра более легких элементов. Эти остатки периодически извлекаются из реактора, а взамен их добавляются свежие порции природного урана. Отходы же атомного горючего перерабатываются на заводах и могут быть вторично использованы в реакторах.

Для охлаждения камеры реактора через нее пропускается вода или газ (например, гелий). Теплоагентами могут быть также расплавленный натрий, углекислый газ. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Для защиты экипажа и пассажиров от вредного влияния радиоактивных излучений в судовой атомной установке обязательно наличие биологической защиты.

Коэффициент полезного действия наиболее удачных атомных установок достигает 35 процентов (при высоких давлении и температуре пара). Энергия, высвобождающаяся при расщеплении одного килограмма урана 235, определяется примерно в 20 000 000 киловатт-часов, а один килограмм антрацита дает при наилучшем использовании всего лишь 8 киловатт-часов. Таким образом, один килограмм урана 235 эквивалентен по теплотворной способности 2500 тоннам антрацита, Для силовых механических установок, работающих на жидком или твердом топливе, необходимы достаточно емкие топливные бункеры, достигающие 30 процентов полезной грузоподъемности судна. У атомоходов же весовая потребность в ядерном горючем будет ничтожно мала.

Как уже указывалось, для транспортных целей громадное значение имеют весовые и габаритные показатели силовых установок. Специалисты считают, что вес атомного двигателя мощностью 15 000 лошадиных сил будет примерно на 20 процентов меньше веса турбинной установки такой же мощности. При этом атомную установку (типа «кипящий» котел) можно разместить на площади не более той, какую занимают в настоящее время обычные судовые машины.

На основе сравнительных технико-экономических расчетов турбоходов и атомоходов грузоподъемностью для сухогрузных судов 10 000–43 000 тонн и танкеров грузоподъемностью 25 000 тонн были получены следующие выводы. Атомоходы становятся экономичнее турбоходов уже при скорости хода 11 узлов. Наивыгоднейшая техническая скорость атомоходов (по минимуму себестоимости перевозок и капиталовложениям) находится в пределах 18–21 узла. При таких скоростях хода они значительно экономичнее, чем суда с обычными силовыми установками. Удельные капиталовложения в обоих случаях (на одну тонну грузоподъемности) почти одинаковы, зато себестоимость перевозок (на одну тонно-милю) у атомоходов на 50 процентов меньше.

Специалистами были выполнены также расчеты возможности применения речных грузовых атомоходов. Оказалось, что по сравнению с грузовыми теплоходами (при одинаковой грузоподъемности в 4500 тонн и почти одинаковых капиталовложениях) себестоимость перевозок на речных атомоходах меньше только на 7 процентов. Однако следует учитывать, что полученные данные относятся к определенным технико-экономическим условиям (существующие цены на реакторы и уран, уровень применяемой техники и т. п.), с изменением которых изменятся также экономические и технические показатели эксплуатации речных атомоходов.

Провозная способность морских атомоходов по сравнению с обычными судами увеличивается примерно на 15 процентов, что объясняется увеличением их грузоподъемности вследствие отсутствия запасов топлива и уменьшения веса силовой установки. В то же время производительность труда на них повысится на 50 процентов, сократится число обслуживающего персонала.

Еще перспективнее в судостроении газовые турбины с атомными силовыми установками. Как известно, в газовых турбинах удачно реализуются преимущества ротационных машин, не имеющих возвратнодвижущихся частей, и теплотехнические качества двигателей внутреннего сгорания. В сочетании с атомными силовыми установками газовые турбины на крупных морских судах обладают еще бóльшими преимуществами. Например, у танкера грузоподъемностью 30 000–32 000 тонн с газотурбинной атомной установкой провозная способность на 22 процента выше, чем у танкера с паровыми турбинами. Расчетная себестоимость перевозок в атомоходе при равных удельных капиталовложениях в 2,3 раза меньше, производительность труда значительно выше, чем на турбоходах, что объясняется сокращением численности судового экипажа.

Большой интерес представляет использование атомных силовых установок на железнодорожном транспорте. Вполне отработанных и построенных локомотивов с такими установками, правда, еще нет. Из отрывочных данных вырисовываются лишь некоторые характеристики атомовозов: их полезная мощность равна примерно 6000–8000 лошадиных сил; вес — около 330 тонн, в том числе 200 тонн весит защита от радиоактивных лучей; нагрузка на ось — более 23 тонн; техническая скорость с составом — 100 и более километров в час.

Крайне важно ответить на вопрос: какова будущность локомотивов с атомными силовыми установками по сравнению с электровозами? На современном этапе техники реакторостроения и техники передачи электроэнергии по проводам преимущества остаются за электровозами. Однако не исключена возможность эксплуатации атомовозов в специальных случаях, в частности на железнодорожной колее шириной 3–4,5 метра. При таком варианте резко увеличиваются весовые нормы поездов и энергетическая мощность атомовозов, что в целом делает применение атомных локомотивов весьма эффективным.