Как выглядит ядерное топливо для субмарины (11 фото)

В 50-х годах XX века в кораблестроении началась новая эпоха - для движения подводных лодок стали использовать атомную энергию. Благодаря источникам этого топлива субмарины могли подолгу находиться под водой, не теряя при этом скорость. Атомная энергия позволила снять ограничения по использованию энергоемких систем кондиционирования, а кроме того, расширила перспективы освоения арктических водных просторов.





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?



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 - а 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.



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%).

Центрифуга





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 - качественное топливо используется для реакторов подлодок.



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