Pływające elektrownie jądrowe – historia reaktorów na okrętach. Jak sprawdza się uran na otwartym morzu?

Takim paliwem jest paliwo jądrowe. Daje ono możliwość zasilania statku latami bez potrzeby wymiany paliwa, a kiedy w końcu przychodzi czas na wymianę, jest to zazwyczaj połączone z innymi pracami modernizacyjnymi, które i tak trzeba by było wykonać w tym czasie. Dlatego więc przyjrzyjmy się dokładniej technologii jądrowych napędów na okrętach.

Historia – od Nautilusa do lotniskowców

Prace nad wykorzystaniem napędu jądrowego do zasilania okrętów rozpoczęły się w latach czterdziestych ubiegłego wieku, natomiast w 1953 roku w USA uruchomiono pierwszy testowy reaktor, mający sprawdzić, jak ten rodzaj napędu sprawdzi się w marynarce wojennej.

Pierwszym okrętem z napędem atomowym był okręt podwodny USS Nautilus oznaczony jako SSN-571, który wszedł do służby pod koniec września 1954 roku. Poza byciem pierwszą jednostką o takim napędzie w historii ma ona na swoim koncie ciekawe osiągnięcie – był to pierwszy okręt, który przepłynął pod biegunem północnym.

Jednak napędy jądrowe to nie tylko okręty podwodne. Pierwszą jednostką nawodną wykorzystującą ten rodzaj napędu był radziecki lodołamacz Lenin. Był on nie tylko pierwszym w historii statkiem nawodnym zasilanym reaktorem jądrowym, ale także pierwszą tego typu jednostką cywilną. I niech o skuteczności tego rozwiązania świadczy to, że Rosja do dzisiaj wykorzystuje flotę lodołamaczy o napędzie atomowym.

Amerykanie nie pozostali dłużni i rok później oddali do służby statek NS Savannah. Nie był to jednak lodołamacz, lecz statek pasażersko-towarowy. Okazało się, że w takim zastosowaniu technologia jądrowa nie była zbyt udanym pomysłem. Było to spowodowane drogą obsługą jednostki, jej specyficzną konstrukcją, co utrudniało transport dużych ilości ładunku oraz jego szybkiego ładowania i rozładowywania, a także regulacjami prawnymi, które spowodowały, że statek ten nie mógł cumować w wielu portach.

Jednostki nawodne to nie tylko cywilne statki towarowe i lodołamacze, ale także okręty wojenne. Napęd nuklearny był stosowany w wielu typach jednostek, ale najbardziej znane są lotniskowce o napędzie jądrowym. Są to niesamowite dzieła techniki, które są niemalże pływającymi miastami. Jako pierwszy został wprowadzony do służby USS Enterprise (CVN-65) zwodowany w 1960 roku. Siłownia okrętu była zasilana przez 8 reaktorów A2W, co pozwalało osiągnąć moc 280 000 SHP (koni mechanicznych na wałach). Załoga liczyła 5500 osób, co dobrze świadczy o tym, z jak wielkim okrętem mamy do czynienia.

Rozwiązania techniczne – jakie stosowano technologie?

W zasadzie wszystkie typy jednostek o napędzie jądrowym wykorzystują reaktory wodno-ciśnieniowe PWR, które różnią się nieco od tych używanych w energetyce. Przede wszystkim taki reaktor musi być stosunkowo mały, aby zmieścić się na pokładzie okrętu, co jest szczególnie istotne w przypadku jednostek podwodnych. Z tego powodu, aby osiągnąć wyższą gęstość energetyczną stosuje się paliwo uranowe o wysokim stopniu wzbogacenia. Rosyjskie okręty korzystają z paliwa wzbogaconego do nawet 45%. Jednak prawdziwie imponujące jest wzbogacenie stosowane przez US Navy, które w najnowszych jednostkach wynosi 93%.

Zastosowanie tak wysokiego wzbogacenia nie tylko pozwala na uzyskanie dużej mocy z małego reaktora, ale także zapewnia długi czas pracy na paliwie. Reaktory okrętowe wymagają wymiany paliwa po dziesięciu latach pracy, a zdarza się, że czas ten jest nawet dłuższy. Jest to istotne, ponieważ reaktory są zazwyczaj mocno zabudowane w konstrukcji okrętu, co utrudnia dostęp w celu wymiany paliwa.

Co do ilości reaktorów stosowanych na współczesnych jednostkach, to okręty nawodne oraz rosyjskie okręty podwodne przenoszące rakiety balistyczne są zasilane przez dwa reaktory, natomiast pozostałe okręty podwodne są zasilane przez jeden reaktor. Rosjanie testują obecnie również ciekawe rozwiązanie, jakim jest okręt podwodny o napędzie diesel-elektrycznym, ale mającym na pokładzie mały reaktor jądrowy pracujący w roli generatora.

Wykorzystanie – kto i gdzie wykorzystuje okręty z napędem atomowym?

Obecnie okręty o napędzie jądrowym są wykorzystywane przez sześć państw – USA, Rosję, Chiny, Zjednoczone Królestwo, Francję, a także Indie. Największe znaczenie mają okręty podwodne, szczególnie te przenoszące rakiety balistyczne – SSBN. Są to jednostki bardzo istotne dla państw, które ich używają, ponieważ mogą pozostawać pod wodą miesiącami, przez co stanowią idealne narzędzie odstraszania nuklearnego. Wróg nie wie, gdzie taki okręt się znajduje, a w każdym momencie może przeprowadzić niszczycielski atak. Nie jest to zapewne zaskoczeniem, że głównymi operatorami tych jednostek są USA i Rosja. Amerykanie stosują napęd jądrowy we wszystkich swoich jednostkach podwodnych, natomiast Rosjanie mają również jednostki o napędzie konwencjonalnym.

Innym istotnym typem jednostek są lotniskowce, te o napędzie jądrowym są używane przez tylko dwa państwa – USA i Francję. Amerykanie w 2009 roku wycofali ze służby ostatni lotniskowiec o napędzie konwencjonalnym i od tego czasu operują tylko jednostkami atomowymi. Są to okręty niesamowicie istotne dla doktryny militarnej Stanów Zjednoczonych i zabezpieczania ich interesów międzynarodowych. Dzięki flocie takich lotniskowców USA są w stanie przeprowadzić atak lotniczy w dowolnym miejscu na świecie.

Francuski lotniskowiec Charles de Gaulle jest jedynym lotniskowcem o napędzie jądrowym wykorzystywanym przez kraj inny niż USA. Okręt ten daje Francji duże możliwości działań wojskowych w różnych zakątkach świata, do czego był niejednokrotnie używany (np. do ataków na ISIS).

Rosjanie bez lotniskowca z napędem jądrowym

Na pierwszy rzut oka może dziwić brak Rosji w tym zestawieniu, jednak jest to kraj, który ma problemy z utrzymaniem nawet konwencjonalnego lotniskowca, a także jego doktryna wojenna nie zakłada aż tylu działań wojennych, które wymagałyby użycia tego typu okrętów. Choć zapewne wynika ona właśnie z braku możliwości technicznych. W większości teatrów wojennych Rosjanie polegają na lądowych bazach lotniczych u siebie w kraju, lub w państwach sojuszniczych. Z tego powodu nie zapowiada się, aby w najbliższej przyszłości miało się to zmienić.

Poza okrętami podwodnymi i lotniskowcami są też inne jednostki o napędzie atomowym. Rosja ma w użyciu jeden krążownik klasy Kirow – Piotr Wielikij. Drugi krążownik tego typu Admirał Nachimow jest w trakcie modernizacji i nie zapowiada się, aby wrócił do służby zbyt szybko. USA również dysponowały krążownikami o takim napędzie, choć obecnie żaden z nich nie jest w użyciu. Poza okrętami wojennymi Rosjanie mają wciąż w użyciu flotę atomowych lodołamaczy, które zapewniają możliwość żeglugi w Arktyce. Obecnie nie ma w użyciu jądrowych statków towarowych, jednak w Norwegii są opracowywane koncepcje wykorzystywania małych reaktorów do zasilania statków, więc być może w niedalekiej przyszłości się to zmieni.

Podsumowanie – atomowa przyszłość żeglugi morskiej

Technologia napędów jądrowych zrewolucjonizowała świat statków i okrętów. Mimo że nie znalazła szerokiego zastosowania w jednostkach cywilnych, to idealnie wpisała się w potrzeby marynarki wojennej na całym świecie. Miejmy jednak nadzieję, że w związku ze zmianami mającymi obniżyć emisje z różnych sektorów gospodarki napęd atomowy wróci do łask w marynarce handlowej, która obecnie jest odpowiedzialna za dużą część zanieczyszczeń emitowanych przez sektor transportu.

Źródła: world-nuclear.org, statista.com, nti.org, smartage.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Jakub Denisiuk