Plavidla na jaderný pohon: pohled do podpalubí

Využití jaderného pohonu pro plavidla je záležitost v mnoha ohledech specifická. Na jednu stranu se kladou stejné nároky na bezpečnost, na straně druhé je nutné aby zařízení byla co nejmenší a plnila další požadavky, jako například možnost regulace výkonu či co nejdelší možný provoz na jednu palivovou vsázku v případě ponorek. Převážná většina námořních reaktorů jsou tlakovodního typu a od těch civilních energetických se liší v následujících ohledech:

• Dodávají velké množství energie při velmi malých rozměrech. Obohacení uranu tak musí být mnohem vyšší (více než 20 % U-235). Původní plavidla 97 %, pozdější ponorky 93 %, cca 20-25 % u některých západních plavidel, 20 % u první a druhé generace ruských reaktorů (období 1957-81), později od 21 % do 45 % ve třetí generaci (40 % u indické ponorky Arihant).
• Palivo není ve formě UO2 ale slitina U₃ZrH_1.6 (Uranium–zirconium hydride) nebo UAl₂ (uranium-aluminium) či směs kov-keramika. Ponorka Kursk jako palivo využívala směs uranu a hliníku. Obohacení paliva bylo 20-45 %. Pokrytí paliva zircaloy (zirkonium min. 95 % s příměsí dalších kovů).
• Jsou schopny pracovat velmi dlouho na jednu palivovou vsázku. Výměna paliva je tak nutná až po 10 a více letech. Nové reaktory pro nákladní lodě jsou navrženy až na 50 let nepřetržitého provozu a reaktory pro ponorky na dobu 30-40 let (více než 1,5 miliónu kilometrů). Jejich provozní čas je však mnohem nižší než u běžných jaderných elektráren.
• Návrh umožňuje použití malé reaktorové nádoby s vysoce obohaceným palivem při zachování velmi vysoké úrovně bezpečnosti a stínění.
• Tepelná účinnost cyklu je nižší než u elektráren, protože zde dochází k častým změnám výkonu a dostupné rozměry neumožňují využití účinnějšího parního systému.
• Nenachází se zde rozpuštěný bór pro řízení reaktivity.

Dlouhý provoz na jednu palivovou vsázku je umožněn díky vysokému obohacení paliva s příměsí pomalu vyhořívajících absorbátorů (např. gadolinium) – tento absorbátor v průběhu provozu reaktoru snižuje svoji koncentraci v palivu a tím vnáší do procesu kladnou reaktivitu (snižuje množství pohlcených neutronů = zvyšuje se účinnost paliva). Tím je umožněn dlouhodobý provoz reaktoru na konstantním výkonu při snižování množství štěpných materiálů.

Přesto úroveň obohacení u nového francouzského paliva pro námořní využití je snížena na 7,5 % U-235. Toto palivo je nazýváno „karamel“. Výměna paliva bude nutná po přibližně 10 letech. Díky snížení potřebného obohacení paliva již není potřeba využití specifických postupů pro vojenské obohacování, čímž se ušetří značné množství energie a nákladů.

V roce 2006 ministerstvo obrany představilo projekt ponorek třídy Barracuda, který využívá palivo pouze s civilní úrovní obohacení, srovnatelnou s jadernými elektrárnami společnosti EdF. Záměr zní celkem přehnaně, ale i přiblížení k civilním hodnotám obohacování paliva pro vojenské ponorky je v této oblasti významným krokem.

Vysoká životnost tlakové nádoby reaktoru je zajištěna pomocí vnitřního neutronového štítu, který část neutronů směřujících na stěny nádoby odráží zpět do aktivní zóny a snižuje namáhání nádoby. Díky tomu se oddaluje křehnutí materiálu. Toto opatření se v době prvních civilních tlakovodních reaktorů nevyužívalo a tak velmi často docházelo kromě křehnutí i k zeslabování stěn nádoby.

Ruské, americké a britské námořnictvo spoléhá na pohony pomocí parních turbín. Naproti tomu francouzské a čínské ponorky používají turbíny k výrobě elektrické energie, která následně slouží pro pohon.

Všechny ruské ponorky nesoucí balistické střely (SSBN), stejně jako veškerá hladinová plavidla od modelu Enterprise jsou poháněna dvěma reaktory. Ostatní ponorky (kromě pár útočných) jsou vybaveny pouze jedním. Zajímavostí je nová testovací ponorka vybavená primárním dieselovým pohonem, disponující zároveň velmi malým jaderným reaktorem pro pomocné elektrické napájení.

Pokusy s tekutými kovy

Třída ponorek Alfa je poháněna jedním reaktorem chlazeným tekutým kovem (LMR) o výkonu 155 MWt a využívá vysoce obohacený uran (90 %) ve směsi s Berylliem. Toto byly ultra rychlé ponorky s obrovským výkonem. Jejich provozním problémem však bylo tuhnutí bismutu při odstavení reaktoru, který zde zastupoval funkci chladiva. Reaktor musel být provozován i v přístavu, protože zde neexistovalo externí vytápění primárního okruhu. Návrh byl nakonec neúspěšný. Všech 8 vyrobených lodí se potýkalo s problémy a bylo předčasně vyřazeno.

V pořadí druhá americká ponorka získala reaktor chlazený sodíkem. USS Seawolf s ním pracovala téměř 2 roky (1957-1958). Ve srovnání s ponorkou Nautilus, kde médium na výstupu z vodou chlazeného reaktoru dosáhlo teploty 305 °C, se dokázal sodík v ponorce Seawolf ohřát až na 454 °C a následně vyrábět přehřátou páru. Výhodou tak bylo zvýšení účinnosti celého cyklu.

Projekt měl však i své nedostatky, byly nutné výkonné elektro-ohříváky, které zahřívaly sodík, aby v případě odstavení reaktoru neztuhnul. Nejvýznamnějším problémem byla silná reaktivita sodíku s vodou a hlavně zářením. Radioaktivní sodík (22Na a 24Na) je těžký gama zářič s poločasem rozpadu 15 hodin. Proto celý systém musel být mnohem více stíněn, než vodou chlazené reaktory a prostory v okolí reaktoru ještě několik dní po jeho odstavení nebyly přístupné. Nakonec byl sodíkem-chlazený reaktor ponorky Nautilus nahrazen tlakovodním.

Označení amerických výrobců námořních reaktorů

B – Bechtel

C – Combustion Engineering

G – General Electric

W – Westinghouse

Typy lodí

A – letadlová loď (aircraft carrier)

C – křižník (cruiser)

D – torpédoborec (destroyer)

S – ponorka (submarine)

Nejmenší, největší a nejmodernější

Rozsah výkonů plavidlových reaktorů se pohybuje od 10 MWt (prototypy) až po 200 MWt (velké ponorky) a 300 MWt u hladinových lodí jako například třída bojových křižníků Kirov. Celkový výkon 550 MWt mají dva reaktory A4W od firmy Westinghouse, které pohání třídu letadlových lodí Nimitz. Loď má 4 lodní šrouby s celkovým výkonem 194 MW. Výstavba jedné lodě Nimitz vyjde přibližně na 4,5 miliardy dolarů a její provoz je ještě mnohem nákladnější. V podstatě pouze stavba této lodi stojí přibližně stejně jako jeden nový blok JE Temelín.

Ještě výkonnější by měla být třída Gerald R. Ford, která má nahradit třídy Enterprise a Nimitz. Americké námořnictvo si od této lodi slibuje úsporu nákladů na provoz, neboť loď bude technologicky vyspělejší a obsluhu bude vykonávat méně personálu. I přesto zde bude sloužit přibližně 2 600 členů námořnictva a 2 480 leteckého personálu.

Pohon obstarají konstrukčně jednodušší a výkonnější reaktory A1B o celkovém výkonu 700 MWt, které navíc budou pokrývat veškerou elektrickou spotřebu lodi včetně elektromagnetických letadlových systémů a letadlových katapultů. Loď má 2,5 krát vyšší elektrickou kapacitu než předchůdce Nimitz. Životnost je plánována na 50 let s jednou výměnou paliva v polovině provozu.

V současnosti jsou ve výstavbě dvě lodě, které by měly být zařazeny do služby v letech 2016 a 2022 (USS Gerald R. Ford a USS John F. Kennedy). Obě lodě dosahují výtlaku přes 100 000 tun.

Nejmenší jaderné ponorky jsou francouzské útočné ponorky Rubis s podmořským výtlakem 2600 tun, které jsou provozu od roku 1983. O pohon se stará tlakovodní reaktor od firmy Technicatome s výkonem 48 MW.

Francouzská letadlová loď Charles de Gaulle s výtlakem 38 000 tun je v porovnání s americkými letadlovými loděmi skutečným drobečkem. Loď byla zařazena do služby roku 2000 a pohání ji dva tlakovodní reaktory K15 (2×150 MW), které pohání dvě turbíny od firmy Alstom (2×60 MW). Celý systém je schopen při rychlosti 25 uzlů fungovat bez výměny paliva 5 let. Nižší doba provozu na jednu palivovou vsázku je způsobena mnohem méně obohaceným uranem než jaké používá americké námořnictvo. Tato loď operovala i v Perském zálivu proti jednotkám Islámského státu.

Zajímavostí je třída útočných ponorek Barracuda (4 765 tun), která využívá elektrický pohon pro normální provoz a hydroreaktivní motor pro vyšší rychlosti. Společnost Areva TA (dříve Technicatome) poskytne ponorkám Barracuda 6 reaktorů vycházejících z designu K15 s výkonem 50 MWt. První by měla být uvedena do provozu v roce 2017. Jak již bylo zmíněno výše i zde bude použito nízko obohacené palivo.

Britská třída balistických ponorek SSBN Vanguard s podmořským výtlakem 15 900 tun má jeden PWR2 reaktor se dvěma parními turbínami, které zásobují jeden proudový motor s výkonem 11,5 MW. V provozu je od roku 2010. V březnu 2011 byla provedena bezpečnostní analýza designu PWR2 ze které vyplynula nutnost zvýšit bezpečnost v oblasti pasivního odvodu tepla. Upravený design s názvem PWR3 pro třídu Vanguard bude z velké části podobný americkému návrhu.

Zařízení jaderné ponorky

Trup – vnitřní trup ponorky chrání posádku před tlakem vody při ponoření. Vnější trup poskytuje ponorce ideální aerodynamický tvar. Materiál, ze kterého je trup vyroben se nazývá HY-80, což je slitina niklu, molybdenu a chromu, která dokáže odolat extrémním tlakům v hloubkách přes 1000 m.

Ploutev – je aerodynamická část ponorky, která vystupuje z trupu a má hned několik komponent. Nachází se zde například radarové stožáry, komunikační antény a periskopy (bývají dva).

Zátěžové nádrže – jsou umístěny ve střední části ponorky a pomáhají kontrolovat hloubku ponorky pomocí napouštění a vypouštění vody. Zároveň tyto nádrže slouží k vyvážení ponorky.

Kormidla – svislé kormidlo dovoluje ponorce zatáčet a vodorovné kormidlo umožňuje pohyb dolů a vzhůru.

Lodní šroub (vrtule) – umožňuje ponorce pohyb. Je poháněna parní turbínou nebo elektromotorem. Pára je vyráběna pomocí jaderného reaktoru.

Jaderný reaktor – energetický zdroj celé ponorky. Je většinou umístěn v zadní části trupu. Reaktor je chráněn tlustým kovovým pláštěm, který váží asi 100 tun a zajišťuje stínění proti záření z palivových souborů.

Sonar – nachází se v přední části (nose) ponorky. Umožňuje ponorce odhalit ostatní objekty pod hladinou. Sonar vysílá ultrazvukové vlny, jejichž část se při kontaktu s předmětem odrazí zpět do ponorky.

Řízení vzduchové atmosféry – umožňuje posádce ponorky dýchat tím, že zbavuje vzduch oxidu uhličitého a nečistot.

Systém čištění vody – zbavuje mořskou vodu soli pro pohon a posádku.

Řídící a bojová část – funguje jako nervový systém ponorky. Jsou zde vyvedeny všechny důležité kontrolní zařízení komunikačních, sonarových, zbraňových a pohonných systémů.

Torpédová místnost – zde jsou umístěna všechny torpéda a probíhá tu i jejich příprava pro jejich odpal.

Kajuty posádky – slouží pro ubytování, přespání a zábavu posádky. Prostoty jsou velmi těsné a jsou umístěny v přední části ponorky přibližně uprostřed její výšky.

Schéma námořního jaderného reaktoru

Schéma jaderného reaktoru umístěného na námořních plavidlech je v mnoha směrech velmi podobné reaktorům civilním. Hlavním rozdílem je již výše zmíněná hodnota obohacení uranu izotopem U-235 a rozměry většiny zařízení. Na schématu je zobrazen klasický typ reaktoru PWR používaný americkými ponorkami.

Celý systém je rozdělen na primární, sekundární a terciální okruh, stejně jako v jaderných elektrárnách. Jako chladící médium zde slouží voda o vysokém tlaku. Srdcem primárního okruhu je reaktor, kde se ohřívá vstupující chladící médium průtokem kolem palivových tyčí. Pro řízení reaktoru slouží regulační tyče. Na rozdíl od energetických reaktorů se zde nenachází kyselina boritá, ani jiný rozpuštěný absorbátor.

Ohřáté médium vystupuje z reaktoru a je vedeno na parogenerátor. Parogenerátor tvoří bariéru mezi primárním a sekundárním okruhem. Součástí primárního okruhu je navíc tlaková nádoba (kompenzátor objemu), která vyrovnává tlakové rozdíly. Dokáže snižovat tlak okruhu zástřikem chladícího média čerpaného z místa před vstupem do reaktoru (chladnějšího) a naopak zvyšovat tlak pomocí elektroohříváků.

Zde se nachází jediné místo primárního okruhu, kde je za nominálního provozu pára. Stejně jako v elektrárnách, cirkuluje ohřáté chladivo primárního okruhu parogenerátorem v úzkých trubičkách a přes jejich stěny předává své teplo sekundárnímu médiu, které protéká kolem nich. Neboť je na sekundární straně parogenerátoru tlak nižší, dochází zde k varu a vzniká pára. Ta je vedena přes stěnu I. okruhu na turbíny.

Jedna turbína je napojena na elektrický generátor a zajištuje pokrytí elektrické spotřeby lodi spolu s dobíjením akumulátorů přes usměrňovač. Větší část páry je vedena na druhou turbínu, která přes spojku přenáší výkon na lodní šroub. V případě potřeby je možný pohon lodního šroubu přes elektromotor z bateriového zdroje. Zbytková pára vystupující z parních turbín je podchlazena v kondenzátorech a čerpána zpět do parogenerátoru. V kondenzátorech cirkuluje mořská voda, která se po odebrání tepla ze zbytkové páry vrací zpět do moře.

Autor úvodní fotografie: U.S. Navy