Получение электрической энергии

Атомные надводные корабли


За период с 1974 г. по настоящее время на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге было построено 4 атомных крейсера проекта ("Адмирал Нахимов", "Адмирал Лазарев", "Адмирал Ушаков", "Петр Великий") и один атомный корабль связи проекта ("Урал"). "Адмирал Ушаков" и "Адмирал Нахимов" базируются на Северном флоте, "Адмирал Лазарев" и "Урал" — на Тихоокеанском.

Крейсер «Пётр Великий»

  В США на вооружении 10 авианосцев, оснащенных ядерно-энергетической установкой. Преимущества очевидны. Авианосец "Нимиц" несет 100 самолетов на борту и по сравнению с обычными авианосцами берет на 50 % больше запас горючего для самолетов и боеприпасов. В течение 13 лет не испытывает недостатка в топливе. /5/

Ядерные энергетические установки

 Ядерные энергетические установки АПЛ также делятся на четыре поколения. В основном на АПЛ установлены модификации атомных установок с реакторами типа ВВЭР.

 Отличие ядерных установок атомных станций от ЯЭУ атомных ПЛ главным образом состоит в том, что при меньших размерах на ядерных установках АПЛ достигается относительно большая выходная мощность.

  Обогащение ядерного топлива АЭС по урану-235 не превышает 4-х процентов, в то время как уровень обогащения урана-235 в топливе АПЛ может достигать 90 процентов. Такой высокий уровень обогащения топлива АПЛ позволяет производить его замену гораздо реже, чем это делается на АЭС.

 Тепловая мощность реакторов российских АПЛ варьируется от 10 МВт на небольших ядерных установках, используемых на АПЛ (класса "Юниформ") до 200 МВт в реакторах, установленных на новой АПЛ (класса "Северодвинск". Тепловая мощность ядерных установок атомного крейсера (класса "Киров") составляет 300 МВт. /26/ 

Соединенные Штаты

 Все американские подводные лодки имеют реакторные установки 10 из 12 авианосцев также имеют реакторные установки, а еще два атомных авианосца строятся. США отказались от ядерных реакторов для оснащения остальных кораблей. Отмечен устойчивый рост срока службы активной зоны реактора от 2 лет для первой американской под. водной лодки Nautilus до 33 лет для реакторов нового поколения ударных ПЛ класса Virginia. Сегодня срок службы активной зоны реакторов, установленных на авианосце типа Nimitz, на ударных ПЛ типа Los Angeles и на ПЛ с баллистическими ракетами типа Ohio составляет около 20 лет. 

 Американская атомная подводная лодка "Огайо" имеет длину 170 м, ширину 18 м, развивает скорость 25 узлов. На борту лодки находится 24 баллистических ракеты по 14 боеголовок мощностью 150 килотонн. Продолжаются работы по увеличению срока эксплуатации реакторов для новых авианосцев (50 лет) и для подводных лодок с баллистическими ракетами следующего поколения (40 лет). В 80-е годы ВМС США заказывали от 4 до 5 тонн U-235 высокообогащенного урана в год. Однако численность американского подводного флота снизилась со 139 ПЛ в 1990 году до 73 (18 ПЛ с баллистическими ракетами и 55 ударных ПЛ) в 2000 году, а число корабельных реакторов сократилось до 97. Учитывая, что повышение качества позволит увеличить срок эксплуатации реакторов, ежегодная потребность подводных лодок США на сегодняшний день составляет приблизительно 2 тонны U-235. При номинальном сроке эксплуатации активной зоны это составляет в среднем 5 активных зон в год с 400 кг U-235 каждая. /20/

Великобритания

 Британские подводные лодки работают на оружейном уране. По оценкам, период между перезагрузками реакторов ПЛ типа Vanguard с баллистическими ракетами составляет 8-9 лет. Активная зона реакторов для нового поколения ударных ПЛ рассчитана на 25-30 лет. 

  В соответствии с планами, в 2010 году Великобритания будет иметь на вооружении меньшее число АПЛ по сравнению с сегодняшним (16 единиц). По оценкам, реакторы британских АПЛ в год потребляют по сравнению с американскими в 2 раза меньше U-235 в силу меньших размеров кораблей, более низкой мощности реакторов и меньшего расстояния, которое они проходят. Таким образом, ежегодные потребности британского атомного флота в U-235 составят около 0,16 тонн. Великобритания заявила, что ее суммарные запасы высокообогащенного урана составляют 21,9 тонн.

Франция

  Для разных поколений французских подводных лодок используется топливо с разным уровнем обогащения. В первых трех подводных лодках с БРПЛ класса Redoutable (70-е годы) использовался низкообогащенный уран. Однако подводные лодки этого класса третьего и четвертого поколений перешли на высокообогащенный уран. Ударные ПЛ первого поколения Франции класса Rubis и ПЛ с БРПЛ класса Triomphant вернулись к низкообогащенному топливу. Наряду с решением о прекращении производства высокообогащенного урана, Франция намерена использовать низкообогащенный уран с содержанием U-235 менее 10 %.

 Если судить по имеющимся на сегодня планам, к 2015 году Франция намерена сохранить то же количество атомных кораблей, которое было на январь 2001 года: 4 ПЛ с баллистическими ракетами, 6 ударных АПЛ и один авианосец. /20/

Китай

  По имеющейся информации, реакторы китайских атомных судов работают на низкообогащенном топливе с уровнем обогащения в 5 %. Предполагают, что в 2010 году Китай поставит на вооружение 1 или 2 атомных подводных лодки с баллистическими ракетами и 5-6 ударных АПЛ. /20/

. Подводные транспортные суда

 Идея создания подводных транспортных судов, способных перевозить различные, в том числе жидкие, грузы подо льдами Северного Ледовитого океана независимо от погодных условий, давно обсуждается учеными и инженерами. В последние годы было предложено много проектов и программ, в том числе проект подводного супертанкера для транспортировки из Арктики сжиженного газа американской фирмы General Dynamics, пятилетняя программа канадского правительства по созданию подводно-надводных судов для перевозки нефти, газа и других полезных ископаемых. Существует несколько патентов СПМБМ "Малахит" на подводные танкеры и сухогрузы. Однако ни одному из этих проектов и программ не суждено было осуществиться. Видимо, это объясняется тем, что все они требуют значительных капиталовложений на проектирование и строительство специфических подводных транспортных средств, а также создания для них особой инфраструктуры портов и мест базирования.

 ЦКБ МТ "Рубин" предложило свою концепцию решения этих вопросов. В начале 90-х годов в бюро начались поисковые исследования в направлении наиболее экономичного пути создания транспортных подводных лодок, при этом основное внимание было уделено вопросу использования выведенных из состава ВМФ атомных подводных ракетоносцев — тяжелого наследства времен холодной войны. Это наиболее приемлемый в настоящее время путь решения проблемы, так как замена ракетного оружия полезным грузом позволяет эффективно использовать технические возможности устаревших в военном отношении кораблей. Поэтому не случайно РАО "Норильский никель" обратилось в ЦКБ МТ "Рубин" с предложением создать альтернативную транспортную систему для перевозки продукции комбината "Норильский никель" с использованием выводимых из состава ВМФ атомных подводных лодок в качестве транспортных судов. Существующая долгие годы транспортная система, включающая в себя суда типа "Дмитрий Донской", "Норильск" и атомные ледоколы типа "Арктика" и "Таймыр", постепенно исчерпывает свой ресурс и, с учетом необходимых для восстановления инвестиций, становится экономически невыгодной. По оценкам специалистов, имеющиеся ледоколы при условии своевременного и полного финансирования их нужд смогут обеспечить программу северного завоза лишь на 60-70 %. Строительство и ввод в эксплуатацию новых ледоколов - дело будущего, а обслуживать транспортные коммуникации арктических районов необходимо сегодня. Сейчас продукция Норильской горной компании перевозится из Дудинки в Мурманск на сухогрузах в сопровождении атомных ледоколов. Стоимость этих услуг определяется ежегодно специальным соглашением между Мурманским морским пароходством и "Норильским никелем", и сейчас РАО платит свыше 11 долларов за тонну груза. Вполне естественно стремление максимально сократить расходы на транспортировку.

ЦКБ МТ "Рубин" по техническому заданию РАО "Норильский никель" разработало технические предложения по созданию альтернативной морской транспортной системы для круглогодичной доставки продукции без ледокольной проводки на одном транспортном средстве АПЛ, переоборудованной для перевозки грузов.

 

В этом варианте значительный экономический эффект может быть достигнут за счет переоборудования тяжелого атомного подводного крейсера, выведенного из состава ВМФ по международному договору о сокращении вооружений. Для соответствия АПЛ новому назначению требуется реализовать следующие три качества (не соединимые вместе ни на одном из существующих транспортных средств):

- способность перевозить значительное количество груза (в регламентированной упаковке) - до 10 тыс. т и более - в подводном положении;

- способность преодолевать в надводном положении ледяные поля сплоченностью 8-10 баллов и толщиной до 1,5-2 м; наличие осадки с грузом не более 9,5 м для преодоления перекатов на реке Енисей и способность принятия груза у причала порта Дудинка.

 Создание единого транспортного средства, объединяющего эти три качества - новая, сложная задача для бюро. Обычные подводные лодки преодолевают ледовые препятствия в подводном положении, плавая на безопасной глубине, превышающей максимальную для данного района осадку ледяных образований (торосов, айсбергов), что требует достаточной глубины моря (обычно не менее 70-100 м), а для захода в порты с замерзающей акваторией и мелководными, в том числе речными, путями подхода (Дудинка) в надводном положении необходима ледокольная поддержка. Таким образом, необходимо обеспечить достаточную ледопроходимость подводного судна в надводном положении. Существующие мелкосидящие ледоколы ("Таймыр", "Вайгач", "Капитан Сорокин") способны преодолевать лед толщиной до 1,6-2 м при глубинах 7-9 м и на фарватерах рек, но они недостаточно мореходны. Морские, в том числе атомные, ледоколы типа "Арктика", имеющие высокую ледопроходимость, а также большую осадку, не приспособлены для захода в порты с мелководными подходами. Суда типа атомного лихтеровоза "Севморпуть", обладающие большой грузовместимостью, имеют осадку более 10 м и недостаточную ледопроходимость, не обеспечивающую круглогодичную эксплуатацию. 

Рисунок 9 Схема проекта

 Почти очевидным оказался выбор для переоборудования АПЛ типа "Тайфун", имеющей наибольший запас плавучести и минимальную базовую осадку. При этом требуемая грузоподъемность судна с обеспечением подводного плавания, а также минимальной осадки в надводном положении реализуется за счет демонтажа ракетного комплекса и увеличения ширины носовой части, а также подкрепления ряда балластных Цистерн. Предложен наиболее экономичный путь переоборудования боевой АПЛ в транспортную с минимальным объемом работ по комплектующему оборудованию и корпусу в условиях ПО "Севмашпредприятие". Кормовая часть корпуса, включающая атомную энергетическую установку, не изменяется (с учетом необходимости развития полной мощности для обеспечения ледопроходимости). Также сохраняется модуль обеспечения кораблевождения, управления, навигации, связи и средств освещения ледовой обстановки. Добавляются ледовые подкрепления, включая усиления надстройки и придание легкому корпусу (преимущественно в носовой части) ледокольной формы, оптимизированной по ледопроходимости, с шириной не более 27 м. Предусматривается размещение прочных трюмов достаточных размеров с грузовыми люками. Для сокращения времени стоянки в порту предложен горизонтальный способ грузообработки штатными портовыми погрузочными средствами через специальные погрузочные люки диаметром 4,5 м.

 При определении направления и объема переоборудования принята концепция подводно-надводного судна (ПНС) для преодоления ледяных полей как основного препятствия при перевозках. ПНС способно перевозить в трюмах от 10 до 15 тыс. т груза по маршруту Дудинка - Мурманск (Архангельск, Кандалакша) круглый год в подводном и надводном положении с учетом того, что глубина Енисея на Турушинском и Безымянном перекатах составляет от 12 до 9,7 м в зависимости от сезона и величины паводка. При достаточной глубине моря судно преодолевает ледяные поля в подводном положении. На мелководье (глубины 17-70 м) судно всплывает в позиционное положение и, имея сравнительно большую осадку, взламывает лед снизу. Для преодоления ледовых участков на предельном мелководье с глубинами 8-10 м, а также для увеличения ледопроходимости судна при встрече с торосистыми участками и возможности работы набегами судно всплывает в надводное крейсерское положение и взламывает лед сверху, как обычный мелкосидящий ледокол.

 Таким образом, ПНС преодолевает ледяные поля, изменяя свою осадку в зависимости от глубины моря и состояния льда, а специальная форма его носовой оконечности позволяет разрушать лед как снизу, так и сверху.

Следует отметить ряд преимуществ использования ПНС по сравнению с традиционным плаванием транспортных судов при ледокольной поддержке в восточной части Карского моря:

- нет необходимости постоянного присутствия морских ледоколов в восточной части Карского моря и речных ледоколов в Енисейском заливе и реке;

- отсутствует опасность ледового плена судов при тяжелой ледовой обстановке у мыса Желания;

- появляется возможность транспортировки  груза в любой пункт арктического побережья (переход подо льдами Центральной Арктики), включая побережье Канады и Аляски.

 Способы движения ПНС позволяют сократить продолжительность перехода в зимнее время по сравнению с ледокольным транспортом в 2-3 раза. /30/

Переход подо льдами к побережью Западной Арктики может быть выполнен за неделю, при этом переход ПНС в ледовых условиях по мелководью морей Бофорта, Чукотского и Берингова может осуществляться в надводном положении с применением описанных выше трех способов форсирования ледяных преград. Плавание в подводном положении на глубине до 100 м имеет по крайней мере три преимущества:

- независимость от погодных условий на поверхности моря (ветер, волнение);

- возможность развить большую скорость хода по сравнению с надводным положением, где возможна кавитация гребных винтов, особенно в штормовых условиях;

- возможность форсирования ледяных полей при наличии достаточной глубины моря (60 м и более) без необходимости разрушения льда.

 Проработаны варианты движительного комплекса, обеспечивающего экономичный подводный ход ПНС со скоростью 16-18 узлов и со скоростью 2-3 узлов в надводном положении при форсировании сплошного ледового покрова толщиной до 2,6 м. Управляемость ПНС практически такая же, как базовой АПЛ. Наличие двух подруливающих устройств существенно, повышает поворотливость ПНС, особенно на малых ходах. Поворотливость в ледовых условиях в позиционном положении может быть существенно улучшена за счет маневра дифферентом: притопления кормы, подвода ее под край ледяного канала и подлома льда отводом дифферента.

  При подводном плавании ПНС на безопасной глубине в ледовых условиях северо-западной части Карского моря с осадкой килей торосов до 20 м, глубина моря должна быть не менее 60-70 м. В районах моря с меньшей глубиной ПНС должно всплывать для преодоления ледяных полей. Ледовая обстановка на трассе Дудинка — Диксон — мыс Желания - Мурманск описана статистически, и вся трасса может быть разделена на три участка по условиям преодоления ледяных полей. Различаются три типа таких условий: легкие, средние и тяжелые. При средних и легких условиях Баренцево море и северо-западная часть Карского моря весь год не требуют ледокольного плавания: толщина льдов у мыса Желания не более 0,7 м. При тяжелых условиях в феврале-мае могут встречаться льды толщиной до 1,2-1,8 м, которые можно преодолевали в подводном положении. Продолжительность периода ледокольного плавания, таким образом, определена ледовыми условиями Карского моря в районе Диксона.

В итоге - оптимизированы маршруты между Мурманском и Диксоном в целях сокращения продолжительности перехода для летнего и зимнего периодов, разработан оптимальный вариант модели использования транспортного ПНС. Предложен оптимальный вариант транспортных грузопотоков с использованием трех переоборудованных АЩ и предложен вариант организационной структуры транспортной кампании.

 На данный момент на базе петербургского НИИ Арктики и Антарктики были проведены и успешно завершены макетные испытания специализированной атомной подводной лодки, предназначенной для перевозки руды и металлов РАО "Норильский никель" по Северному морскому пути.

 Опыты показали, что модифицированная лодка способна колоть лед толщиной до 2 метров 15 сантиметров в морской воде и до полутора метров - в пресноводном устье Енисея. Грузоподъемность - до 12 тысяч тонн. Цена переоборудования лодки - около 80 миллионов долларов. Поэтому, принимая во внимание успех макетных испытаний, во главу угла будет все же поставлена экономическая эффективность проекта.

 В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности  мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1м2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80 – 130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130 – 210, а в пустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м2. Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 км2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн. 

Из выше изложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают.

В южных районах нашей страны  созданы десятки солнечных установок и систем. Они осуществляют горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и так далее.

 С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

С начала 50-х годов в нашей стране космические летательные аппараты используют в качестве основного источника энергопитания солнечные батареи, которые непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью. 

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.


На главную