Как работает атомная подводная лодка: Атомные подводные лодки: принцип работы, какие бывают |

Содержание

Атомные подводные лодки: принцип работы, какие бывают

Подводные лодки с ядерным реактором сошли на воду в середине прошлого века. Первыми на воду свои суда спустили США и СССР, после чего их примеру последовали и другие развитые страны. Но как работают такие подводные лодки, ставшие основой флота многих государств?

Никита Шевцев

Атомные подводные лодки являются основой флота шести самых развитых стран на Земле. Но как работают эти дорогие и наукоемкие суда, и чем они лучше обычных дизельных лодок?

Исследования в области ядерной двигательной установки морских судов начались в 1940-х годах на заре атомных проектов США и СССР. С тех пор только шесть стран владели и эксплуатировали атомные подводные лодки: Китай, Франция, Индия, Россия, Великобритания и США. Но как работают эти машины, которые в свое время стали основой стратегического флота СССР?

Первое, что нужно сказать — это то, что атомная подводная лодка не является ядерным оружием. На первый взгляд они выглядят как любая другая подводная лодка. Ключевое различие заключается в способе их питания. В первые дни атомных исследований ученые быстро поняли, что огромное количество энергии, выделяемой при расщеплении атома, может быть использовано для выработки электроэнергии. Ядерные реакторы на электростанциях уже 70 лет обеспечивают энергией дома и промышленность по всему миру. Аналогичным образом, каждая атомная подводная лодка получает энергию от своего собственного бортового ядерного реактора.

В основе каждого атома лежит ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Некоторые тяжелые ядра очень восприимчивы к процессу ядерного деления, в результате которого они расщепляются на два более легких ядра с общей массой меньше исходного. Оставшаяся часть преобразуется в энергию. Количество выделяемой энергии огромно — оно способно питать города.

Реакторы на атомной подводной лодке обычно заправляются ураном. Природный уран, добываемый из земли, состоит в основном из урана-238, смешанного с небольшими количествами (0,7%) изотопа урана-235. Для работы реактора урановое топливо должно быть обогащено, чтобы содержать желаемую долю урана-235. Для подводных лодок это число обычно составляет около 50%.

Внутри реактора уран-235 бомбардируется нейтронами, в результате чего некоторые ядра подвергаются ядерному делению. В свою очередь, высвобождает больше нейтронов, и процесс продолжается с удвоенной скоростью — это называется цепной реакцией. Энергия выделяется в виде тепла, которое может быть использовано для привода турбин, вырабатывающих электроэнергию для подводной лодки.

Одним из основных преимуществ атомных подводных лодок является то, что они не требуют дозаправки. Когда они вступают в строй, то уранового топлива в них хватит более чем на 30 лет. Высокая эффективность ядерной энергетии также позволяет этим подводным лодкам работать на высокой мощности в течение более длительных периодов, чем обычные дизель-электрические суда.

Устройство и принцип работы атомной подводной лодки: погружение и всплытие, отсеки

7 марта 2021, Максим Ситников,

Подводные лодки (ПЛ) представляют собой корабли отдельного класса, которые могут погружаться и длительное время плавать под водой. Особая конструкция субмарины выдерживает большое давление водной массы, а также обеспечивает необходимую обтекаемость и водонепроницаемость. Принцип погружения и всплытия ПЛ соответствует закону Архимеда. Устройство подводной лодки отличается высокой сложностью.

Отдельный класс подводных кораблей используется в следующих сферах:

Военная. Нанесение стратегических ядерных ударов, ведение разведки, высадка диверсионных групп. На современных атомных подводных крейсерах установлено минное, торпедное, ракетное и радиоэлектронное вооружение. Для защиты ПЛ, находящейся в надводном положении, применяются переносные зенитно-ракетные комплексы. В мирное время АПЛ могут применяться для запуска искусственных спутников Земли на низкие орбиты.
Научная. Исследование геомагнитного поля, а также изучение подводной флоры и фауны.
Туристические. Экскурсии и осмотр подводного мира на глубинах до 100 м. Туристические подлодки оснащаются широкими иллюминаторами из акрила.
Криминальная. Небольшие подводные корабли используются колумбийскими преступными группировками для перевозки наркотиков и иных запрещенных предметов.

Принцип работы подводной лодки заключается в следующем: погружение производится в результате наполнения водой носовых, кормовых и средних цистерн главного балласта (ЦГБ). Всплытие корабля осуществляется за счет продувания указанных емкостей сжатым воздухом. ЦГБ могут заполняться и опустошаться одновременно или по очереди.

Схема использования ЦПГ

Для срочного набора глубины может применяться специальная цистерна быстрого погружения, находящаяся в прочном корпусе. Как плавает подлодка? Корректировка курса и глубины погружения ПЛ производится при помощи специальных рулевых устройств (горизонтальных и вертикальных). Скорость движения подводного корабля регулируется частотой вращения гребного винта.

Корпус и электроэнергетическая система

Как устроена атомная подводная лодка? Давление воды, окружающей подлодку, удерживается благодаря наличию прочного корпуса из титана или легированной стали с высоким пределом текучести. По форме металлическая обшивка напоминает баллон или вытянутую цистерну. Толщина корпуса составляет 10-25 мм.

Для оптимального обтекания ПЛ на расчетном ходу может использоваться дополнительная обшивка из металла. В легком внешнем корпусе располагается оборудование, которому не требуется изоляция от забортного давления (балластные и топливные емкости, трубы для торпедных аппаратов, контейнеры с ракетами, якорное устройство и прочее).

Для увеличения прочности конструкции ПЛ применяются шпангоуты, стрингеры и другие усиливающие элементы. Отсеки подводной лодки разделяются переборками, увеличивающими выживаемость подводного корабля в случае взрыва, пожара или пробоины. В верхней части прочного корпуса располагается многофункциональная рубка, которая выполняет роль шлюза, спасательной камеры, дополнительного отсека и наблюдательного поста. Данный элемент конструкции увеличивает непотопляемость корабля в надводном положении. Через рубку проходят шахты перескопов, предназначенных для наблюдения за окружающей обстановкой.

Большая часть современных подводных лодок снабжается комплексной электроэнергетической системой, в состав которой входит основной дизель, распределительный щит, гребной двигатель и аккумуляторная батарея. В атомных подводных лодках устанавливается реактор с водяным или жидкометаллическим теплоносителем, который генерирует энергию для работы двигателя АПЛ.

Системы безопасности и жизнеобеспечения

В современных подводных кораблях установлена воздушно-пенная, химическая и водяная системы пожаротушения. Вспомогательную роль при возникновении нештатных ситуаций играют огнетушители и специальный инвентарь (топоры, багры, ящики с песком и др.).

Воздух, необходимый для дыхания, вырабатывается электролитическими установками, которые пропускают электрический ток через морскую воду (в результате химической реакции образуется кислород и водород). Для опреснения воды, необходимой для питья и хозяйственных нужд, применяют автоматические установки с цифровыми контроллерами.

Водоотливная система состоит из центробежных и поршневых помп, а также трубопроводов и арматуры. Скорость откачивания воды составляет более 60 куб. м/ч на рабочей глубине и более 250 куб. м/ч на поверхности.

Интересные факты о подводных лодках

Первое успешно функционирующее подводное судно было построено нидерландским изобретателем К. Я. Дреббелем в 1620 г. Весельная лодка была сделана из дерева, обтянутого кожей. В подводном аппарате установили систему химической регенерации воздуха. Лодка могла плавать на глубине 4-5 метров. Время пребывания под водой составляло несколько часов. Судно могло брать на борт до 16 пассажиров.
Самой большой в мире АПЛ является тяжелый крейсер «Дмитрий Донской», входящий в состав российского флота (корабль проекта «Борей»). Длина корабля составляет 172 м, а ширина — 23 м. Высота подлодки соответствует габаритам 8 этажного здания и составляет 26 метров.
Питание на подводной лодке отличается большой калорийностью и разнообразием. В числе прочих продуктов российским морякам подают осетровую икру, шоколад и немного красного вина. Военнослужащие американских АПЛ время от времени могут полакомиться несколькими видами пиццы.
В период с 1955 по 2019 г. по разным причинам утонуло 9 атомных подлодок (2 американских, 2 российских и 5 советских). В настоящий момент 2 из них подняты и утилизированы, а 7 остается на дне.
Современные подводные лодки могут идти к цели в режиме «подкрадывания». Для снижения уровня шума отключается второстепенное оборудование и замедляется скорость вращения гребного винта. Команда действует в особом режиме, который исключает появление резких звуков. Включаются специальные малошумные двигатели, которые не имеют непосредственного контакта с корпусом. Режим «подкрадывания» позволяет избежать обнаружения при помощи гидрофонов.

Содержание

Корпус и электроэнергетическая система
Системы безопасности и жизнеобеспечения
Интересные факты о подводных лодках

Понравился пост? Есть что сказать? Присоединяйтесь:

Поделиться
Вконтакте

подводные лодки

Как работают атомные подводные лодки? Ученый-ядерщик объясняет

Австралийское правительство только что объявило об историческом оборонном соглашении с Соединенными Штатами и Великобританией, согласно которому новый флот атомных подводных лодок будет патрулировать наши берега и окружающие воды.

Исследования ядерных двигателей морских судов начались в 1940-х годах, на заре «ядерной эры». С тех пор только шесть стран владели и эксплуатировали атомные подводные лодки: Китай, Франция, Индия, Россия, Великобритания и США.

Учитывая, что Австралия только что разорвала контракт на 90 миллиардов австралийских долларов на строительство нового арсенала обычных подводных лодок, вчерашнее объявление, вероятно, станет для многих неожиданностью.

Читать далее:
Австралия будет строить атомные подводные лодки в рамках нового партнерства с США и Великобританией

Так что же «ядерного» в атомной подводной лодке? Первое, что нужно сказать, это то, что атомная подводная лодка не является ядерным оружием.

На поверхности они выглядят как любая другая подводная лодка. Ключевое отличие заключается в том, как они питаются.

В первые дни атомных исследований ученые быстро поняли, что огромное количество энергии, высвобождаемой при «расщеплении атома», может быть использовано для производства электричества. Ядерные реакторы внутри электростанций обеспечивают электроэнергией дома и промышленность по всему миру уже 70 лет. Точно так же каждая атомная подводная лодка получает энергию от собственного миниатюрного бортового ядерного реактора.

Премьер-министр Скотт Моррисон объявил о создании нового подводного флота в рамках нового трехстороннего пакта о безопасности с Соединенным Королевством и Соединенными Штатами.
Мик Цикас / AAP Image

В основе каждого атома лежит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Количество протонов определяет, к какому химическому элементу принадлежит этот атом; ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами этого элемента.

Некоторые очень тяжелые ядра очень восприимчивы к процессу, известному как ядерное деление, в результате чего они распадаются на два более легких ядра с общей массой меньше, чем исходное ядро. Остальное преобразуется в энергию.

Количество высвобождаемой энергии огромно, как мы можем видеть из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc² , которое говорит нам, что энергия равна изменению массы, умноженному на квадрат скорости света!

Реакторы атомных подводных лодок обычно работают на уране. Природный уран, добываемый из-под земли, состоит в основном из изотопа урана-238, смешанного с небольшим количеством (0,7%) ключевого изотопа урана-235.

Чтобы реактор работал, урановое топливо должно быть «обогащено», чтобы содержать желаемую долю урана-235. Для подводных лодок это обычно около 50%. Степень обогащения топлива является решающим фактором в поддержании цепной реакции, обеспечивающей постоянный безопасный уровень выхода энергии.

Внутри реактора уран-235 подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего некоторые ядра подвергаются ядерному делению. В свою очередь, высвобождается больше нейтронов, и процесс продолжается в так называемой «цепной ядерной реакции». Энергия выделяется в виде тепла, которое можно использовать для привода турбин, вырабатывающих электричество для подводной лодки.

Концептуальная схема цепной реакции ядерного деления.
АНУ, автор предоставил

Каковы плюсы и минусы перехода на ядерное оружие?

Огромным преимуществом атомных подводных лодок является то, что они не требуют дозаправки. Когда один из них вступит в строй, он будет сдан в эксплуатацию с достаточным количеством уранового топлива, которого хватит более чем на 30 лет.

Высокая эффективность ядерной энергии также позволяет этим подводным лодкам работать на высокой скорости в течение более длительного времени, чем обычные дизель-электрические подводные лодки. Более того, в отличие от сжигания обычного топлива, для ядерных реакций не требуется воздух. Это означает, что атомные подводные лодки могут оставаться под водой на больших глубинах в течение нескольких месяцев, что дает им лучшие возможности скрытности и позволяет проводить более длительные и удаленные развертывания.

Недостатком является высокая стоимость. Строительство каждой атомной подводной лодки обычно стоит несколько миллиардов долларов и требует высококвалифицированной рабочей силы с опытом в ядерной науке. Благодаря специальным учебным программам, предлагаемым университетами мирового уровня и государственными учреждениями, Австралия имеет хорошие возможности для удовлетворения растущих потребностей в этой сфере, а также получит пользу от существующего опыта Великобритании и США в рамках нового трехстороннего пакта о безопасности.

На данном этапе подробности о том, где будет браться топливо, неясны. В то время как Австралия имеет достаточные запасы урана в недрах земли, ей не хватает мощностей для обогащения или производства топлива для реакторов, которое можно было бы получить из-за границы.

Что будет с отработавшим топливом? Королевская комиссия по ядерному топливному циклу 2015 года признала коммерческую жизнеспособность объектов долгосрочного хранения и захоронения радиоактивных отходов в Южной Австралии. Вопрос о том, произойдет ли это, несомненно, станет предметом обсуждения на уровне местных и федеральных органов власти в ближайшие годы.

Читать далее:
Почему атомные подводные лодки — умный военный шаг для Австралии и могут еще больше сдерживать Китай

как работают атомные подводные лодки?

Австралия будет строить, использовать и комплектовать экипажи атомных подводных лодок в соответствии с новым соглашением с Соединенным Королевством и Соединенными Штатами.

Впечатление художника от подводной лодки Королевского флота Великобритании HMS Astute. Кредит: Раздаточный материал / Getty Images

Из этого вытекает много интересных экономических и геополитических последствий, но стоит внимательнее присмотреться к самим подлодкам: что такое атомная подводная лодка, чем она отличается от наших нынешних подлодок и представляет ли она какие-то дополнительные риски для безопасности?

Что такое атомная подводная лодка?

Прежде всего, основы: что мы имеем в виду, когда говорим «атомная подводная лодка»?

Атомная подводная лодка получает электроэнергию от ядерного реактора.

«Ядерный реактор используется для нагрева воды и производства пара», — объясняет Тони Ирвин, технический директор SMR Nuclear Technology.

«[Пар] затем приводит в действие генератор паровой турбины, который производит электроэнергию».

В отличие от дизель-электрических подводных лодок, которые используют дизельный двигатель для зарядки электрических батарей.

Термин «ядерный» относится только к мощности — атомные подводные лодки не обязательно несут ядерное оружие (хотя и могут). В заявлении премьер-министра Скотта Моррисона говорится, что австралийские подводные лодки не будут нести ядерное оружие.

«Австралия не стремится приобрести ядерное оружие или создать гражданский ядерный потенциал, — сказал Моррисон.

«Мы будем продолжать выполнять все наши обязательства по ядерному нераспространению».

Подробнее: Есть ли у Австралии опыт эксплуатации атомных подводных лодок?

Как работает реактор?

«Практически все атомные подводные лодки используют так называемый PWR, водо-водяной реактор, — говорит Ирвин.

«Это точно такая же технология, как и в большинстве энергетических реакторов по всему миру».

Ядерные реакторы работают, вырабатывая тепло от ядерного деления. Атомы урана-235 бомбардируются нейтронами, в результате чего некоторые из них расщепляются, высвобождая при этом энергию в виде тепла и большее количество нейтронов.

Иллюстрация цепной реакции ядерного деления. Предоставлено: MikeRun / Wikimedia Commons

Это представляет собой препятствие: уран-235 трудно достать, поэтому подводным лодкам требуется «обогащенный» уран.

«Большая часть урана, который вы выкапываете из земли, фактически более 99%, это уран-238, который не делящийся. С ним нельзя запустить реактор», — объясняет Эндрю Стачбери, профессор ядерной физики в Австралийском национальном университете.

Атомная структура урана-238 не позволяет ему расщепляться так же, как у урана-235.

«Только 0,7% урана, который мы добываем из-под земли, составляет уран-235. Так что вам придется пройти через этот сложный процесс обогащения», — говорит Стачбери.

Обогащение включает в себя реакцию урана с фтором и последующее его разделение по массе, позволяющее сконцентрировать уран-235.

Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.

Реакторы подводных лодок требуют высокообогащенного урана, чтобы работать с имеющимся у них уровнем мощности.

«Топливо на атомной подводной лодке на самом деле имеет степень обогащения, которую можно использовать в оружии», — говорит Стачбери.

Схема реактора с водой под давлением. Через Wikimedia Commons: www.commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=475349

Подводные реакторы меньше крупных наземных атомных электростанций. Тем не менее, они значительно больше, чем нынешний единственный ядерный реактор Австралии — реактор OPAL компании ANSTO, который используется для производства продуктов радиомедицины и помогает в исследованиях.

«Мощность атомной подводной лодки составляет около 150-200 МВт тепловой мощности», — говорит Ирвин.

«Для сравнения, очень большой генератор мощностью около 3400 МВт вырабатывает около 1100 МВт электроэнергии.

«Исследовательский реактор OPAL в Лукас-Хайтс, австралийский, это около 20 МВт. И электричества не производит».

Зачем вам строить атомную подводную лодку?

Ядерные реакторы, как известно, требуют большого количества технологий и опыта для безопасного управления, так зачем вам ставить их на подводное судно?

Ядерный реактор позволяет подводной лодке меньше зависеть от внешних источников питания. Дизель-электрические подводные лодки нуждаются в регулярной дозаправке, в то время как атомная подводная лодка, особенно построенная по проектам Великобритании и США, может никогда не нуждаться в дозаправке.

«Они используют так называемый высокообогащенный уран, что позволяет им работать в течение всего срока службы подводной лодки — то есть 25–30 лет — без дозаправки», — говорит Ирвин.

Дизель-электрические подводные лодки также должны часто всплывать на поверхность, чтобы включить дизельные двигатели для зарядки аккумуляторов.

Однако у атомных подводных лодок «продолжительность пребывания под водой ограничена только выносливостью экипажа и количеством пищи, которое можно перевозить».

Новая подводная лодка Королевского флота HMS Astute выходит из своего причала, Великобритания. Фото: Кристофер Ферлонг / Staff / Getty Images

Силы обороны Великобритании утверждают, что их подводные лодки могут совершить кругосветное плавание без всплытия на поверхность в течение 90 дней.

Это означает, что наличие ядерного реактора на борту имеет функциональные преимущества, несмотря на дополнительные риски для безопасности.

Говоря о безопасности…

Какие проблемы с безопасностью?

Поскольку реакторы подводных лодок аналогичны наземным реакторам, но имеют меньшие размеры, многие технические аспекты и соображения безопасности остаются теми же. Но есть одно ключевое различие между подводными и наземными реакторами: движение.

«Наземный реактор не качается. И, конечно же, подводная лодка», — говорит Ирвин.

Это особенно важно при рассмотрении вопроса о добавлении и удалении управляющих стержней, которые обеспечивают устойчивость реактора и регулярную выработку электроэнергии.