Файл: Применение Ядерной Энергии в работе транспортных средств.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 53
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
мощных электродвигателя постоянного тока, непосредственно вращающих три вала с гребными винтами. Постоянный ток выбран по той причине, что на таких двигателях легче делать реверс — часто используемый при ломке прочных ледовых полей. Пропульсивная мощность ледокола составляет 54 МВт. Общая мощность на винтах - около 75000 лошадиных сил.
Самым главным оружием ледокола в борьбе со льдом служит его собственный корпус. Полукруглые борта не дают ледовым полям раздавить судно, выталкивая его наверх, а скошенный нос позволяет «заползать» на поля сверху, ломая их своим собственным весом. О том, что ледокол ведет постоянную войну со льдом, говорит и толщина его борта — 100 мм. Это в два раза толще лобовой брони легендарного танка Т-34! Ледоколы серии «Арктика» рассчитаны на движение со скоростью 2—3 узла (4—5,5 км/ч) во льдах толщиной 2,8 метра. Однако в реальных условиях такой лед найти почти нереально, поэтому корпус проверяется на такую нагрузку в специальном бассейне. В Арктике же ледоколы сталкиваются со льдами не толще 2,2 метра. К тому же надо учесть и то, что гладких как стол полей не бывает, обычно это либо поля торосов — нагромождения колотого льда, либо смесь молодого и старого льда, перемежающегося с полыньями. Поэтому ледокол не идет напролом, а выискивает либо чистую воду, либо тонкий молодой лед. Самые проблемные — многослойные старые поля, структура которых напоминает прочную фанеру. Такие поля ледоколы стараются обходить подальше.
Атомные крейсера
Однако кроме гражданских атомных ледоколов, атомная энергия применяется и в военных атомных крейсерах. Первые атомные крейсеры появились в 1960-х годах. В связи со значительной сложностью и крайне высокой стоимостью они имелись лишь в ВМС сверхдержав — США и СССР.
В отличие от атомных ледоколов, где применение ядерной энергии открывает очевидные преимущества, выгоды подобной энергетики для надводных кораблей представлялись не столь однозначными. В 1950-х — начале 1960-х годов в США развернулась открытая дискуссия о применении атомных надводных кораблей. Сторонники ядерной энергетики, выдвигали следующие аргументы в пользу ЯСУ:
Противники атомного флота в свою очередь указывали на следующие проблемные моменты:
Следует заметить, что в США не проводилось открытых дискуссий по совершенно очевидной проблеме — боевой живучести атомных кораблей, ведь при повреждении внутренних систем атомного корабля, он мог стать крайне опасным как для экипажа, так и для окружающей среды.
Первыми на воду спустили атомный ракетный крейсер США, это был ракетный крейсер «Лонг Бич». Строительство крейсера было начато в декабре 1957 года, а спущен на воду он был в июле 1959 года.
Применение ЯСУ внесло существенные изменения в архитектуру крейсера, позволив отказаться от дымовых труб и по-новому подойти к проектированию верхних надстроек с целью обеспечения выгоднейших условий работы радиоэлектронных средств. Таким образом, вытянутая вверх носовая надстройка «Лонг Бич» имеет форму куба благодаря радарам, а так же уникальным радиотехническим системам своего времени. На крейсере «Лонг Бич» установлены два ядерных реактора, сама работа ЯСУ крейсера не отличается от работы ЯСУ на ледоколе. Обобщая, получается, что атомный реактор нагревает воду, которая превращается в пар. Пар в свою очередь раскручивает турбины, которые возбуждают генераторы. Эти генераторы вырабатывают электричество, которое поступает в электромоторы, которые крутят 3 винта.
Оказалось что «Лонг Бич» имел больше недостатков, чем достоинств: в смешанных боевых группах он терял свои преимущества как автономный крейсер, проект был также не очень удачным из-за того что погрузочный цех был узок для ракет большого калибра. То есть, военная составляющая крейсера
, в отличии от его автономности была довольно слаба.
Как оказалось у атомных крейсеров есть масса недостатков, которые вынудили американцев отказаться от атомного надводного флота:
1. Ядерные энергетические установки имеют колоссальную стоимость, что еще более усугубляется стоимостью ядерного топлива и его дальнейшей утилизации.
2. ЯСУ по размерам значительно превышают обычные силовые установки. Сосредоточенные нагрузки и более значительные размеры энергетических отсеков требуют иного расположения помещений и существенной перепланировки конструкции корпуса, что повышает затраты при проектировании корабля. Помимо самого реактора и паропроизводящей установки, ЯCУ в обязательном порядке требуются несколько контуров со своей биологической защитой, фильтрами и целый завод по опреснению забортной воды. Наконец, нет т смысла увеличивать дальность плавания по топливу, если экипаж имеет ограниченные запасы пресной воды.
3. Обслуживание ЯСУ требует большего количество личного состава, причем более высокой квалификации. Это влечет за собой еще большее увеличение водоизмещения и стоимости эксплуатации.
4. Живучесть атомного крейсера значительно меньше аналогичного крейсера с стандартной силовой установкой. Поврежденная газовая турбина и поврежденный контур реактора – принципиально разные вещи.
5. Автономность корабля по запасам топлива — это явно недостаточно. Существует автономность по провизии, по запасным частям и материалам и по боекомплекту.
Ввиду всего вышесказанного, постройка классических атомных крейсеров не имеет смысла. Однако в России со времен Советского Союза остались атомные корабли военного предназначения, некоторые из них находятся в процессе модернизации.
Создание Ядерного Ракетного Двигателя
В 50-е - 60-е годы ХХ века соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию Ядерного Ракетного Двигателя (ЯРД), военные тоже поддержали вначале проект. Поначалу задача казалась простой — нужно только сделать реактор, который нагревает водород, пристроить к нему сопло, и отправиться на Марс. Водород использовался по той причине, что в качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большой удельный импульс тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и только потом вода. Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь достигнут его без ядерных двигателей. Так возник проект ЯРД NERVA.
Вместо камеры сгорания для сжигания жидкого водорода и жидкого кислорода в обычной ракете в ядерном двигателе имеется реактор с топливной композицией графит - обогащенный уран, который работает как источник тепла. Через каналы реактора прокачивается жидкий водород при высоком давлении, образующий при нагревании мощную истекающую струю. Кислород при этом не требуется. Привлекательность этого двигателя (хотя он более тяжелый и более дорогой) состоит в том, что реактор, действуя как теплообменник, повышает температуру водорода до такого уровня, при котором его удельная энергия возрастает на 70%
ЯРД «NERVA-1» имел ядерный реактор с активной зоной диаметром 1м. и высотой 1,8м. состоявшей из 1800 стержневых шестигранных ТВЭлов (тепловыделяющие элементы, ядерное топливо) (концентрация ядерного горючего 200 – 700 мг/куб.см.). Реактор имел кольцевой отражатель толщиной около 150 мм, из окиси бериллия. Силовой корпус реактора выполнен из алюминиевого сплава, внутренний радиационный защитный экран из композитного материала (карбид бора–алюминий–гидрид титана). Между реактором и турбонасосными агрегатами может устанавливаться также дополнительная внешняя защита.
Однако, несмотря на многие вполне успешные испытания, ядерный ракетный двигатель NERVA, разработанный американскими учеными так и не покинул Землю. Конгресс не счел нужным поддерживать дорогостоящую экспедицию на Марс, которая могла обойтись очень дорого стране, и в 1972 году проект закрыли.
Параллельно развивалась разработка и советского ракетного двигателя - РД-0410. Он был похож в сборке и по характеристикам на NERVA. Так, РД-0410 хоть и уступал американскому аналогу в тяге, но зато мог намного дольше работать. Однако некоторые отличия все же имелись.
Первое и главное отличие наших ЯРД от американских — их решено было делать гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель распределены в реакторе равномерно. В отечественном ЯРД ТВЭЛы были отделены теплоизоляцией от замедлителя, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Следствие этого — отказ от графита и выбор гидрида циркония в качестве основного замедляющего материала. Реактор получался втрое компактнее, чем графитовый (а значит, и намного легче), а модели двигательного реактора можно было отлаживать гораздо быстрее и дешевле. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором.
Как и NERVA, РД-0410 прошел многие испытания успешно, но Советское руководство свернуло программу.
Ядерная Электродвигательная Установка
Впрочем, ядерную энергию можно использовать в космосе не только в качестве конструкции Ядерного Ракетного Двигателя.
Существует, так называемая Ядерная Электродвигательная Установка (ЯЭДУ), это целый комплекс, состоящий из электрического ракетного двигателя (ЭРД), системы электропитания обеспечиваемого ядерным реактором, сам ядерный реактор, система хранения и подачи рабочего тела, система автоматического управления. Именно из-за того, что двигатель электрический, будет некорректно связывать эту установку с ЯРД, ведь в данном случае, реактор служит только для выработки электроэнергии, запуская в действие ЭРД и обеспечивая электричеством космический корабль.
Ядерная энергодвигательная установка содержит контур ядерного двигателя
Самым главным оружием ледокола в борьбе со льдом служит его собственный корпус. Полукруглые борта не дают ледовым полям раздавить судно, выталкивая его наверх, а скошенный нос позволяет «заползать» на поля сверху, ломая их своим собственным весом. О том, что ледокол ведет постоянную войну со льдом, говорит и толщина его борта — 100 мм. Это в два раза толще лобовой брони легендарного танка Т-34! Ледоколы серии «Арктика» рассчитаны на движение со скоростью 2—3 узла (4—5,5 км/ч) во льдах толщиной 2,8 метра. Однако в реальных условиях такой лед найти почти нереально, поэтому корпус проверяется на такую нагрузку в специальном бассейне. В Арктике же ледоколы сталкиваются со льдами не толще 2,2 метра. К тому же надо учесть и то, что гладких как стол полей не бывает, обычно это либо поля торосов — нагромождения колотого льда, либо смесь молодого и старого льда, перемежающегося с полыньями. Поэтому ледокол не идет напролом, а выискивает либо чистую воду, либо тонкий молодой лед. Самые проблемные — многослойные старые поля, структура которых напоминает прочную фанеру. Такие поля ледоколы стараются обходить подальше.
Атомные крейсера
Однако кроме гражданских атомных ледоколов, атомная энергия применяется и в военных атомных крейсерах. Первые атомные крейсеры появились в 1960-х годах. В связи со значительной сложностью и крайне высокой стоимостью они имелись лишь в ВМС сверхдержав — США и СССР.
В отличие от атомных ледоколов, где применение ядерной энергии открывает очевидные преимущества, выгоды подобной энергетики для надводных кораблей представлялись не столь однозначными. В 1950-х — начале 1960-х годов в США развернулась открытая дискуссия о применении атомных надводных кораблей. Сторонники ядерной энергетики, выдвигали следующие аргументы в пользу ЯСУ:
-
Очень большая автономность по дальности плавания; -
Способность практически неограниченно длительного поддержания высокой скорости без влияния на pесуpсы главных механизмов; -
Отсутствие развитых газоходов, упpощающее внутреннее расположение и аpхитектуpу надстpойки.
Противники атомного флота в свою очередь указывали на следующие проблемные моменты:
-
Чрезвычайно большая стоимость, что неизбежно приведёт к сокращению численности флота; -
Возможности более традиционных энергетических установок ещё не исчерпаны; -
Пресловутая высокая автономность кораблей с ЯЭУ достигается только по дальности плавания, но отнюдь не по боезапасу, провианту и прочим видам снабжения.
Следует заметить, что в США не проводилось открытых дискуссий по совершенно очевидной проблеме — боевой живучести атомных кораблей, ведь при повреждении внутренних систем атомного корабля, он мог стать крайне опасным как для экипажа, так и для окружающей среды.
Первыми на воду спустили атомный ракетный крейсер США, это был ракетный крейсер «Лонг Бич». Строительство крейсера было начато в декабре 1957 года, а спущен на воду он был в июле 1959 года.
Применение ЯСУ внесло существенные изменения в архитектуру крейсера, позволив отказаться от дымовых труб и по-новому подойти к проектированию верхних надстроек с целью обеспечения выгоднейших условий работы радиоэлектронных средств. Таким образом, вытянутая вверх носовая надстройка «Лонг Бич» имеет форму куба благодаря радарам, а так же уникальным радиотехническим системам своего времени. На крейсере «Лонг Бич» установлены два ядерных реактора, сама работа ЯСУ крейсера не отличается от работы ЯСУ на ледоколе. Обобщая, получается, что атомный реактор нагревает воду, которая превращается в пар. Пар в свою очередь раскручивает турбины, которые возбуждают генераторы. Эти генераторы вырабатывают электричество, которое поступает в электромоторы, которые крутят 3 винта.
Оказалось что «Лонг Бич» имел больше недостатков, чем достоинств: в смешанных боевых группах он терял свои преимущества как автономный крейсер, проект был также не очень удачным из-за того что погрузочный цех был узок для ракет большого калибра. То есть, военная составляющая крейсера
, в отличии от его автономности была довольно слаба.
Как оказалось у атомных крейсеров есть масса недостатков, которые вынудили американцев отказаться от атомного надводного флота:
1. Ядерные энергетические установки имеют колоссальную стоимость, что еще более усугубляется стоимостью ядерного топлива и его дальнейшей утилизации.
2. ЯСУ по размерам значительно превышают обычные силовые установки. Сосредоточенные нагрузки и более значительные размеры энергетических отсеков требуют иного расположения помещений и существенной перепланировки конструкции корпуса, что повышает затраты при проектировании корабля. Помимо самого реактора и паропроизводящей установки, ЯCУ в обязательном порядке требуются несколько контуров со своей биологической защитой, фильтрами и целый завод по опреснению забортной воды. Наконец, нет т смысла увеличивать дальность плавания по топливу, если экипаж имеет ограниченные запасы пресной воды.
3. Обслуживание ЯСУ требует большего количество личного состава, причем более высокой квалификации. Это влечет за собой еще большее увеличение водоизмещения и стоимости эксплуатации.
4. Живучесть атомного крейсера значительно меньше аналогичного крейсера с стандартной силовой установкой. Поврежденная газовая турбина и поврежденный контур реактора – принципиально разные вещи.
5. Автономность корабля по запасам топлива — это явно недостаточно. Существует автономность по провизии, по запасным частям и материалам и по боекомплекту.
Ввиду всего вышесказанного, постройка классических атомных крейсеров не имеет смысла. Однако в России со времен Советского Союза остались атомные корабли военного предназначения, некоторые из них находятся в процессе модернизации.
Космические программы
Создание Ядерного Ракетного Двигателя
В 50-е - 60-е годы ХХ века соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию Ядерного Ракетного Двигателя (ЯРД), военные тоже поддержали вначале проект. Поначалу задача казалась простой — нужно только сделать реактор, который нагревает водород, пристроить к нему сопло, и отправиться на Марс. Водород использовался по той причине, что в качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большой удельный импульс тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и только потом вода. Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь достигнут его без ядерных двигателей. Так возник проект ЯРД NERVA.
Вместо камеры сгорания для сжигания жидкого водорода и жидкого кислорода в обычной ракете в ядерном двигателе имеется реактор с топливной композицией графит - обогащенный уран, который работает как источник тепла. Через каналы реактора прокачивается жидкий водород при высоком давлении, образующий при нагревании мощную истекающую струю. Кислород при этом не требуется. Привлекательность этого двигателя (хотя он более тяжелый и более дорогой) состоит в том, что реактор, действуя как теплообменник, повышает температуру водорода до такого уровня, при котором его удельная энергия возрастает на 70%
ЯРД «NERVA-1» имел ядерный реактор с активной зоной диаметром 1м. и высотой 1,8м. состоявшей из 1800 стержневых шестигранных ТВЭлов (тепловыделяющие элементы, ядерное топливо) (концентрация ядерного горючего 200 – 700 мг/куб.см.). Реактор имел кольцевой отражатель толщиной около 150 мм, из окиси бериллия. Силовой корпус реактора выполнен из алюминиевого сплава, внутренний радиационный защитный экран из композитного материала (карбид бора–алюминий–гидрид титана). Между реактором и турбонасосными агрегатами может устанавливаться также дополнительная внешняя защита.
Однако, несмотря на многие вполне успешные испытания, ядерный ракетный двигатель NERVA, разработанный американскими учеными так и не покинул Землю. Конгресс не счел нужным поддерживать дорогостоящую экспедицию на Марс, которая могла обойтись очень дорого стране, и в 1972 году проект закрыли.
Параллельно развивалась разработка и советского ракетного двигателя - РД-0410. Он был похож в сборке и по характеристикам на NERVA. Так, РД-0410 хоть и уступал американскому аналогу в тяге, но зато мог намного дольше работать. Однако некоторые отличия все же имелись.
Первое и главное отличие наших ЯРД от американских — их решено было делать гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель распределены в реакторе равномерно. В отечественном ЯРД ТВЭЛы были отделены теплоизоляцией от замедлителя, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Следствие этого — отказ от графита и выбор гидрида циркония в качестве основного замедляющего материала. Реактор получался втрое компактнее, чем графитовый (а значит, и намного легче), а модели двигательного реактора можно было отлаживать гораздо быстрее и дешевле. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором.
Как и NERVA, РД-0410 прошел многие испытания успешно, но Советское руководство свернуло программу.
Ядерная Электродвигательная Установка
Впрочем, ядерную энергию можно использовать в космосе не только в качестве конструкции Ядерного Ракетного Двигателя.
Существует, так называемая Ядерная Электродвигательная Установка (ЯЭДУ), это целый комплекс, состоящий из электрического ракетного двигателя (ЭРД), системы электропитания обеспечиваемого ядерным реактором, сам ядерный реактор, система хранения и подачи рабочего тела, система автоматического управления. Именно из-за того, что двигатель электрический, будет некорректно связывать эту установку с ЯРД, ведь в данном случае, реактор служит только для выработки электроэнергии, запуская в действие ЭРД и обеспечивая электричеством космический корабль.
Ядерная энергодвигательная установка содержит контур ядерного двигателя