На каком топливе работает подводная лодка

IT News

• Новости науки
• Новости игр
• Новости IT
• Другие новости

• Физика
• Погода и климат
• Человеческое тело
• Подводный мир
• Все о транспорте

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Как работает атомная подводная лодка

• ” onclick=”window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;” rel=”nofollow”> Печать
• E-mail

Дата Категория: Транспорт

Атомные подлодки и прочие суда с ядерными энергоустановками используют радиоактивное топливо — главным образом уран — для превращения воды в пар. Полученный пар вращает турбогенераторы, а те производят электроэнергию для движения судна и питания различного бортового оборудования.

Радиоактивные материалы, подобные урану, выделяют тепловую энергию в процессе ядерного распада, когда неустойчивое ядро атома расщепляется на две части. При этом выделяется огромное количество энергии. На атомной подлодке такой процесс осуществляется в толстостенном реакторе, который непрерывно охлаждается проточной водой, чтобы избежать перегрева, а то и расплавления стенок. Ядерное топливо пользуется особой популярностью у военных на подлодках и авианосцах благодаря своей необычайной эффективности. На одном куске урана размером с мяч для гольфа подлодка может семь раз обогнуть земной шар. Однако ядерная энергия таит в себе опасность не только для экипажа, который может пострадать, если на борту произойдет радиоактивный выброс. В этой энергии заложена потенциальная угроза всей жизни в море, которая может быть отравлена радиоактивными отходами.

Принципиальная схема машинного отсека с ядерным реактором

В типичном двигателе с ядерным реактором (слева) охлажденная вода под давлением попадает внутрь корпуса реактора, содержащего ядерное топливо. Нагретая вода выходит из реактора и используется для превращения другой воды в пар, а затем, остывая, вновь возвращается в реактор. Пар вращает лопасти турбинного двигателя. Редуктор переводит быстрое вращение вала турбины в более медленное вращение вала электродвигателя. Вал электродвигателя при помощи механизма сцепления соединяется с гребным валом. Кроме того, что электродвигатель передает вращение гребному валу, он вырабатывает электроэнергию, которая запасасется в бортовых аккумуляторах.

Ядерная реакция

В полости реактора атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, подвергается удару свободного нейтрона (рисунок ниже). От удара ядро расщепляется, и при этом, в частности, освобождаются нейтроны, которые бомбардируют другие атомы. Так возникает цепная реакция деления ядер. При этом освобождается огромное количество тепловой энергии, то есть тепла.

Атомная подлодка курсирует вдоль побережья в надводном положении. Таким кораблям надо пополнять топливо лишь один раз в два-три года.

Группа управления в боевой рубке наблюдает за прилегающей акваторией в перископ. Радиолокатор, гидролокатор, средства радиосвязи и фотокамеры со сканирующей системой также помогают вождению этого судна.

Как выглядит ядерное топливо для субмарины (11 фото)

Самой первой подводной лодкой, работавшей на атомном топливе, стала американская субмарина “Nautilus”, построенная и начавшая эксплуатацию в 1954 г. Спустя 5 лет, в январе 1959 г. после испытаний в СССР появилась отечественная подлодка АПЛ проекта 627.

Первая отечественная атомная подводная лодка (проект 627 А)

Конечно, по сравнению с предыдущими моделями подлодок, работавших на дизельном топливе, атомные были более автономными и современными. Они могли приближаться к берегу для дозаправки топливом раз в несколько лет, подолгу находиться в подводном положении, быстро двигались и были незаметными.

Ядерное топливо столь эффективно, что небольшого объема, сопоставимого с мячом для гольфа, хватит, чтобы субмарина несколько раз обогнула земной шар.

Принципиальная схема машинного отсека с ядерным реактором

В качестве топлива для таких субмарин используется главным образом уран. Благодаря цепной реакции в процессе ядерного распада этот радиоактивный элемент выделяет тепловую энергию, которая и используется для запуска двигателя.

На подлодке этот процесс осуществляется в толстостенном реакторе. Чтобы избежать его перегрева или даже расплавления стенок, используется система непрерывного охлаждения проточной водой. В двигателе с ядерным реактором вода попадает внутрь корпуса под давлением. Там она в процессе охлаждения реактора нагревается, затем выводится из системы. После остывания она вновь попадает внутрь этого замкнутого круга.

Нагретая вода тоже не пропадает – она используется перед охлаждением для превращения другой воды в пар, который вращает лопасти турбинного двигателя. Турбогенераторы в свою очередь производят электроэнергию для питания бортового оборудования и работы всех необходимых систем обеспечения внутреннего микроклимата.

Итак, в основе работы ядерной энергетической установки лежит управляемая цепная реакция, которая представляет собой процесс деления изотопов урана под действием элементарных частиц нейтронов. Последние за счет отсутствия электрического заряда легко проникают в атомные ядра. При их делении образуются более легкие ядра, испускаются нейтроны и высвобождается огромное количество энергии. Если говорить языком цифр, то при делении каждого ядра урана-235 образуется 200 мегаэлектроновольт* высовобожденной энергии, примерно 83% из которой приходится на долю кинетической энергии осколков. Именно она после торможения осколков преобразуется в тепловую энергию.

Конструкция ядерного реактора: 1 — корпус; 2 — регулирующие стержни; 3 — отражатель; 4 — замедлитель; 5 — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ); 6 — защита

Если рассмотреть топливо, состоящее из изотопов урана, то цепной реакции подвержены лишь ядра урана-235. Однако известно, что делящихся изотопов в природном уране очень немного – всего 0,7% от общей массы. Остальная доля приходится на уран-238. Чтобы создать условия для цепной реакции, существуют два способа. Первый заключается в использовании тепловых или медленных нейтронов, вероятность деления которых примерно в 300 раз больше, чем у быстрых. Но большинство нейтронов, которые испускаются при делении – именно быстрые. Чтобы замедлить их движение, ядерное горючее в виде стержней разделяют слоями веществ-замедлителей (графит, тяжелая вода, органические жидкости типа дифенила или его смесей, соединения бериллия). Соударяясь с атомами этих веществ, нейтроны движения снижают свою скорость.

Для второго способа используют обогащенное радиоактивное топливо с повышенным числом содержания изотопов урана-235. В этом случае появляется возможность создавать реакторы трех типов: на тепловых (медленных) нейтронах, на промежуточных нейтронах и на быстрых нейтронах (без замедлителя). Для реакторов субмарин используют оба способа – вместе с замедлителями реакций применяют и обогащенный уран.

Расположение ядерного реактора в субмарине

С дизельными-электрическими субмаринами все понятно, а вот как выглядит топливо для ядерной подлодки?

Топливо для подводных лодок, какое оно?! (заходите, интересно)

Приветствую Вас мои дорогие друзья, подписчики и гости сайта

Тема из рубрики ”ИНТЕРЕСНОЕ”

Сегодня специфическая тема статьи, думаю не многие задумывались как выглядит топливо для подводных лодок, об этом и хочу Вам поведать.

Самой первой подводной лодкой, работавшей на атомном топливе, стала американская субмарина “Nautilus”, построенная и начавшая эксплуатацию в 1954 г. Спустя 5 лет, в январе 1959 г. после испытаний в СССР появилась отечественная подлодка АПЛ проекта 627.

Первая отечественная атомная подводная лодка (проект 627 А)

Конечно, по сравнению с предыдущими моделями подлодок, работавших на дизельном топливе, атомные более автономнымы и современны. Они могли приближаться к берегу для дозаправки топливом раз в несколько лет, подолгу находиться в подводном положении, быстро двигались и были незаметными.

Ядерное топливо столь эффективно, что небольшого объема, сопоставимого с мячом для гольфа, хватит, чтобы субмарина несколько раз обогнула земной шар.

Интересно, не правда ли

Принципиальная схема машинного отсека с ядерным реактором.

В качестве топлива для таких субмарин используется главным образом уран. Благодаря цепной реакции в процессе ядерного распада этот радиоактивный элемент выделяет тепловую энергию, которая и используется для запуска двигателя.

На подлодке этот процесс осуществляется в толстостенном реакторе. Чтобы избежать его перегрева или даже расплавления стенок, используется система непрерывного охлаждения проточной водой.

Почти всё как на атомных станциях..

В двигателе с ядерным реактором вода попадает внутрь корпуса под давлением. Там она в процессе охлаждения реактора нагревается, затем выводится из системы. После остывания она вновь попадает внутрь, получается как замкнутый круг.

Нагретая вода тоже не остается без дела и не пропадает, она используется перед охлаждением для превращения другой воды в пар, который вращает лопасти турбинного двигателя. Турбогенераторы в свою очередь производят электроэнергию для питания бортового оборудования и работы всех необходимых систем обеспечения внутреннего микроклимата.

Итак, в основе работы ядерной энергетической установки лежит управляемая цепная реакция, которая представляет собой процесс деления изотопов урана под действием элементарных частиц нейтронов. Последние за счет отсутствия электрического заряда легко проникают в атомные ядра. При их делении образуются более легкие ядра, испускаются нейтроны и высвобождается огромное количество энергии.

Физика ➕ химия, ядрон батон))

Если говорить языком цифр, то при делении каждого ядра урана-235 образуется 200 мегаэлектроновольт высовобожденной энергии, примерно 83% из которой приходится на долю кинетической энергии осколков. Именно она после торможения осколков преобразуется в тепловую энергию.

Конструкция ядерного реактора: 1 — корпус; 2 — регулирующие стержни; 3 — отражатель; 4 — замедлитель; 5 — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ); 6 — защита

Если рассмотреть топливо, состоящее из изотопов урана, то цепной реакции подвержены лишь ядра урана-235. Однако известно, что делящихся изотопов в природном уране очень немного – всего 0,7% от общей массы. Остальная доля приходится на уран-238.

Чтобы создать условия для цепной реакции, существуют два способа.

Первый заключается в использовании тепловых или медленных нейтронов, вероятность деления которых примерно в 300 раз больше, чем у быстрых. Но большинство нейтронов, которые испускаются при делении – именно быстрые. Чтобы замедлить их движение, ядерное горючее в виде стержней разделяют слоями веществ-замедлителей (графит, тяжелая вода, органические жидкости типа дифенила или его смесей, соединения бериллия). Соударяясь с атомами этих веществ, нейтроны движения снижают свою скорость.

Для второго способа используют обогащенное радиоактивное топливо с повышенным числом содержания изотопов урана-235. В этом случае появляется возможность создавать реакторы трех типов: на тепловых (медленных) нейтронах, на промежуточных нейтронах и на быстрых нейтронах (без замедлителя). Для реакторов субмарин используют оба способа – вместе с замедлителями реакций применяют и обогащенный уран.

Расположение ядерного реактора в субмарине..

Ну с дизельными-электрическими субмаринами все понятно, а вот как выглядит топливо для ядерной подлодки?

Вот так выглядит урановая руда, добытая в шахте. Породу высверливают в горизонтальных штреках и вывозят на поверхность. Далее ее измельчают, разбавляют водой и удаляют все лишнее, так как примесей в породе очень много.

После этого в смесь добавляют серную кислоту и за счет выщелачивания получают осадок солей урана. Он имеет ярко-желтый цвет. Наконец уран с примесями очищается на аффинажном производстве и лишь в результате этого длительного процесса образуется закись-окись урана.

Это Вам не плюшки со стола таскать))

Однако и этого недостаточно для получения обогащенного урана, ведь в природном варианте доля нужных изотопов очень мала. Для этих целей используют центрифуги, которые разделяют породу на две фракции.

Более тяжелые молекулы выводятся в “отвал”, а более легкие обогащаются до нужного содержания в массе урана-235 (от 40% до 60%).

После достижения необходимой концентрации диоксид урана прессуется в вот такие “таблетки”. Для этого используют смазочные материалы, которые после удаляются при обжиге в печах. Полученный продукт проверяется на соответствие требованиям, потому как качественное топливо используется для реакторов подлодок.

Таблетки загружаются в так называемые ТВЭЛы (Тепловыделяющие элементы), где и происходит цепная реакция.

Казалось бы проще пареной репы)))

Надеюсь не утомил и Вам понравился эта тема))

Прошу подержать статью 👍

Всего Вам доброго и до новых встреч)) 🤗👌👍🍀🌹🍀

Атомные установки подлодок

На заре подводного судостроения, когда шел поиск оптимальных двигателей для субмарин, конструкторы экспериментировали, в том числе, с паросиловыми установками.

После того как в 1930-х годах дизель-электрические подлодки уже перешагнули 20-узловой рубеж, казалось, эра «паровых» субмарин завершилась навсегда. Но прошло всего полтора десятилетия, и о них вновь вспомнили. Разница состояла лишь в том, что пар для турбины должен вырабатывать не привычный котел, сжигающий органическое топливо, а котел атомный.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

В основе работы ядерной энергетической установки лежит управляемая цепная ядерная реакция. Эта реакция представляет собой самоподдерживающийся процесс деления ядер изотопов урана (или делящихся изотопов других элементов) под действием элементарных частиц – нейтронов, которые благодаря отсутствию электрического заряда легко проникают в атомные ядра. При делении ядер образуются новые, более легкие ядра – осколки деления, испускаются нейтроны и освобождается большое количество энергии. Так, деление каждого ядра урана-235 сопровождается освобождением приблизительно 200 мегаэлектроновольт энергии. Из них примерно 83 % приходится на долю кинетической энергии осколков деления, которая в результате торможения осколков преобразуется в основном в тепловую энергию. Остальные 17 % ядерной энергии освобождаются в виде энергии свободных нейтронов и различных видов радиоактивного излучения. Вновь образованные нейтроны в свою очередь участвуют в делении других ядер.

ПЕРВЫЕ ШАГИ

Проработка вопросов создания ядерных силовых установок для подводных лодок началась в США в 1944 году, а уже через четыре года первая из них была спроектирована. Там же в июне 1952 года состоялась закладка первой атомной подводной лодки, получившей имя «Наутилус». На первый взгляд она была само воплощение человеческой мечты об истинной подводной лодке. Действительно, где, как только не в мечтах, можно было себе представить подводный корабль длиной почти 100 м способный более месяца, не всплывая, ходить скоростью более 20 узлов. Но, как это часто бывает, ощутимый качественный скачок в одной области технического прогресса повлек за собой целый букет сопутствующих проблем в смежных. Применительно к атомным силовым установкам – это прежде всего вопросы, связанные с ядерной безопасностью их эксплуатации и последующей утилизацией. Но в начале 1950-х годов об этом просто никто не задумывался.

ОБЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Основной элемент ядерных энергетических установок – ядерный реактор – специальное устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция. В его состав входят активная зона, отражатель нейтронов, стержни управления и защиты, биологическая защита реактора. Активная зона реактора содержит в себе ядерное горючее и замедлитель нейтронов. В ней протекает управляемая реакция цепного деления ядерного горючего. Ядерное топливо размещается внутри так называемых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), которые имеют форму цилиндров, стержней, пластин или трубчатых конструкций. Эти элементы образуют решетку, свободное пространство которой заполняется замедлителем. Основными материалами для оболочек тепловыделяющих элементов служат алюминий и цирконий. Нержавеющая сталь применяется в ограниченных количествах и только в реакторах на обогащенном уране, так как сильно поглощает тепловые нейтроны. Для отвода тепла через активную зону прокачивается жидкий теплоноситель.

В энергетических реакторах водо-водяного типа как замедлителем, так и теплоносителем систем является бидистиллят (дважды дистиллированная вода).

Чтобы сделать цепную реакцию возможной, размеры активной зоны реактора должны быть не меньше так называемых критических размеров, при которых эффективный коэффициент размножения равен единице. Критические размеры активной зоны зависят от изотопного состава делящегося вещества (уменьшаются с увеличением обогащения ядерного топлива ураном-235), от количества материалов, поглощающих нейтроны, вида и количества замедлителя, формы активной зоны и т. д. На практике размеры активной зоны назначаются больше критических, чтобы реактор располагал необходимым для нормальной работы запасом реактивности, который постоянно уменьшается и к концу кампании реактора становится равным нулю. Отражатель нейтронов, окружающий активную зону, должен сокращать утечку нейтронов. Он уменьшает критические размеры активной зоны, повышает равномерность нейтронного потока, увеличивает удельную мощность реактора, следовательно, уменьшает размеры реактора и обеспечивает экономию делящихся материалов. Обычно отражатель выполняется из графита, тяжелой воды или бериллия. Стержни управления и защиты содержат в себе материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (например, бор, кадмий, гафний). К стержням управления и защиты относятся компенсирующие, регулирующие и аварийные стержни.

ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ

«Наутилус» имел силовую установку с водо-водяным реактором под давлением. Такие реакторы применены и на подавляющем большинстве других атомных субмарин.

В современных атомных установках ядерная энергия превращается в механическую только посредством тепловых циклов. Во всех механических установках атомных подводных лодок рабочим телом цикла является пар. Паровой цикл с промежуточным теплоносителем, передающим теплоту из активной зоны рабочему телу в парогенераторах, приводит к двухконтурной тепловой схеме энергетической установки. Такая тепловая схема с водо-водяным реактором получила самое широкое распространение на атомных подводных лодках. Первому контуру необходима защита, так как при прокачке теплоносителя через активную зону реактора содержащийся в воде кислород становится радиоактивным. Весь второй контур нерадиоактивен.

Для того чтобы получить во втором контуре пар заданных параметров, вода первого контура должна иметь достаточно высокую температуру, превышающую таковую производимого пара. Для исключения вскипания воды в первом контуре в нем необходимо поддерживать соответствующее избыточное давление, обеспечивающее так называемый «недогрев до кипения». Так, в первом контуре зарубежных корабельных ядерных силовых установок поддерживается давление 140-180 атмосфер, которое позволяет нагревать воду контура до 250-280° С. При этом во втором контуре генерируется насыщенный пар давлением 15-20 атмосфер при температуре 200-250° С. На советских подводных лодках первого поколения температура воды в первом контуре составляла 200° С, а параметры пара – 36 атмосфер и 335° С.

С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

В 1957 году в состав ВМС США вошла вторая атомная подводная лодка «Сивулф». Ее принципиальное отличие от «Наутилуса» заключалось в ядерной силовой установке, где применялся реактор с натрием в качестве теплоносителя. Теоретически это должно было снизить удельную массу установки за счет снижения веса биологической защиты, а главное – повышения параметров пара. Температура плавления натрия, составляющая всего 98° С, и высокая температура кипения – более 800° С, а также отличная теплопроводность, в которой натрий уступает только серебру, меди, золоту и алюминию, делает его очень привлекательным для использования в качестве теплоносителя. Нагревая жидкий натрий в реакторе до высокой температуры, при относительно небольшом давлении в первом контуре – порядка 6 атмосфер, во втором контуре получали пар давлением 40-48 атмосфер с температурой перегрева 410-420°С.

Практика показала, что, несмотря на все преимущества, ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем обладает рядом существенных недостатков. Чтобы сохранить натрий в расплавленном состоянии, в том числе и в период бездействия установки, на корабле необходимо иметь специальную постоянно действующую систему подогрева жидкометаллического теплоносителя и обеспечения его циркуляции. В противном случае натрий и сплав промежуточного контура «замерзнут» и энергетическая установка будет выведена из строя. В ходе эксплуатации «Сивулфа» обнаружилось, что жидкий натрий химически чрезмерно агрессивен, в результате чего трубопроводы первого контура и парогенератор быстро коррозировали, вплоть до появления свищей. А это очень опасно, так как натрий или его сплав с калием бурно реагируют с водой вплоть до теплового взрыва. Утечка радиоактивного натрия из контура вынудила сначала отключить пароперегревательные секции парогенератора, что привело к снижению мощности установки до 80 %, а потом, через год с небольшим после вступления в строй, и вообще вывести корабль из состава флота. Опыт «Сивулфа» заставил американских военных моряков окончательно сделать выбор в пользу водо-водяных реакторов. А вот в СССР эксперименты с жидкометаллическим теплоносителем продолжались гораздо дольше. Вместо натрия применялся сплав свинца с висмутом – гораздо менее пожаро- и взрывоопасный. В 1963 году вступает в строй подлодка проекта 645 с таким реактором (по сути – модификация первых советских атомных субмарин проекта 627, на которых применялись водо-водяные реакторы).

А в 1970-е годы состав флота пополнили семь подлодок проекта 705 с ядерной силовой установкой на жидкометаллическим носителе и титановым корпусом. Эти субмарины обладали уникальными характеристиками – они могли развивать скорость до 41 узла и погружаться на глубину 700 м. Но эксплуатация их была чрезвычайно дорогой, из-за чего лодки этого проекта прозвали «золотыми рыбками». В дальнейшем ни в СССР, ни в других странах реакторы с жидкометаллическим теплоносителем не применялись, а повсеместно принятыми стали водо-водяные реакторы.