کلیات

ناوگان دریایی هسته‌ای، ناوگانی است که کشتی‌ها و زیردریایی‌های آن انرژی خود را از یک نیروگاه هسته‌ای کوچک در داخل خودشان تأمین می‌کنند. نیروگاه با گرم کردن آب، بخاری تولید می‌کند که حرکت پرفشار آن منجر به چرخش توربین و در نهایت چرخش پروانهٔ شناور شده یا برق لازم برای روشنایی و چرخش پروانه را فراهم می‌آورد. از این فناوری، بیشتر در ناوهای فوق‌سنگین هواپیمابر و جنگی استفاده شده‌است و تعداد کمی از ناوگان‌های تجاری از آن بهره‌مند هستند. در مقایسه با کشتی‌های فسیلی سوخت، شناورهای هسته‌ای امکان عملیات طولانی‌تر را بدون نیاز به سوختگیری در اختیار می‌گذارند. کل سوخت در داخل راکتور هسته‌ای قرار گرفته و هیچ فضایی برای ذخیره و انباشت سوخت مورد اشغال قرار نمی‌گیرد. همچنین نیازی به درنظرگیری فضا برای اگزوز و دودکش‌های تخلیه وجود ندارد. با این حال، علی‌رغم صرفه در هزینهٔ سوخت، هزینه‌های عملیاتی و راه اندازی بالا، مانع از به‌کارگیری این فناوری در ناوگان‌های غیرنظامی شده‌است.

ساختار در ناوگان دریایی

رآکتورهای ناوگان دریایی از نوع آب فشرده هستند. نخستین چرخهٔ آب، گرمای حاصل از شکافتِ سوخت را به محفظهٔ مولد بخار (Steam generator) منتقل می‌کند. آبِ نخستین چرخه تحت فشارهای بسیار بالا نگهداری می‌شود و علی‌رغم انجام عملیات در دمای ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد (۴۸۲ تا ۵۷۲ درجهٔ فارنهایت)، هرگز به جوش نمی‌آید. هرگونه آلودگی رادیواکتیو موجود در چرخهٔ اولیه، در همان چرخه محبوس می‌گردد. در آنجا آب توسط یک پمپ به گردش در می‌آید و احتمالاً در ناوگان‌های دریایی (با در نظرگیری فشار آب پایین) برای کاهش سر و صدای حاصل از پمپ، این چرخه به صورت خودکار و بدون نیاز به پمپ عمل می‌کند.

اکنون آب گرم خارج شده از راکتور، آب موجود در مولد بخار را گرم و در واقع باعث تولید بخار می‌شود. این بخار پس از خشک شدن، بر سر راه خود با پره‌های توربینِ ژنراتور برخورد کرده و آنرا به گردش درمی‌آورد. سپس این بخار تحت فشار پایین و در کندانسور مجدداً خنک شده و به حالت مایع (آب) بر می‌گردد. آب هم دوباره به مولد بازگشته و چرخه را تکمیل می‌کند. هر گونه از دست رفتگی آب در این مرحله، با آب نمک زدایی شدهٔ دریا جایگزین می‌گردد.

پره‌های توربین به عنوان کاهندهٔ فشار بخار عمل می‌کنند و انرژی بخار، پره‌های توربین را به گردش درمی‌آورد. در این گونه سامانه‌ها اشکال مختلفی از توربین‌ها وجود دارد که در شکل گردش آنها تفاوت ایجاد می‌کند. در ساختار کلی شفت خروجی از توربین به جعبه دنده‌هایی متصل است که سرعت چرخش را کاهش داده و در نهایت با اتصال به پروانهٔ شناور موجب چرخش آن می‌شود. در بعضی از فرم‌ها، شفت توربین به یک مولد الکتریکی متصل می‌شود و این مولد با تولید برق، موتور مکانیکیِ شناور و در نهایت پروانه را به کار می‌اندازد. شناورهای روسی، آمریکایی و بریتانیایی از سامانه اولیه و تحریک مستقیم بهره می‌برند، در حالیکه چینی‌ها و فرانسوی‌ها موتور شناورهایشان را به شیوهٔ انتقال الکتریکی می‌سازند.

اکثر زیردریایی‌های هسته‌ای دارای یک راکتور تک هسته‌ای هستند، اما زیردریایی‌های روسی دو هسته‌ای می‌باشند. اکثر ناوهای هواپیمابر آمریکایی دو راکتوری هستند، اما ناو USS Enterprise حامل یک راکتور هشت هسته‌ای ایست. اکثر راکتورهای دریایی از نوع آب فشرده هستند، ولی در نیروی دریایی ایالات متحده و روسیه (شوروی) کشتی‌های جنگی با راکتورهای LMCR طراحی کرده‌اند.

ساختار در نیروگاه‌های زمینی

راکتور نیروگاه‌های تجاریِ موجود در خشکی با راکتور ناوگان‌های دریایی تفاوت دارد که در زیر به آنها اشاره شده‌است:

راکتورهای تجاری برای تولید انرژی الکتریکی به میزان دست کم ۱۶۰۰ مگاوات طراحی شده‌اند و این در حالیست که راکتور ناوگان برای تولید مقداری پایین‌تر از ۱۰۰ مگاوات انرژی، ساخته می‌شود.

محدودیت‌های فضایی، راکتورهای دریایی را ملزم به کوچکیِ اندازه و در عین حال حفظِ بازدهی می‌کند. این امر سبب فشار بیشتر بر اجزای مکانیکیِ راکتور و نیروگاه می‌شود. از طرف دیگر این اجزا موظف به عملکرد در شرایط پیچیده ترِ دریایی، مثل نوساناتِ آبیِ دریا، پیچ و چرخش‌های ناگهانی یا برنامه‌ریزی شدهٔ شناور، لرزش‌ها و ارتعاشات و … هستند. این در حالیست که در نیروگاه‌های زمینی با چنین چالش‌هایی روبرو نیستند.

همچنین «سامانهِ خودکارِ خاموشیِ راکتور» (Shutdown Mechanisms) در نیروگاه دریایی نمی‌تواند مشابه با نیروگاهِ زمینی عمل کند. چون میله‌های کنترل (Control Rods) در نیروگاه‌های دریایی، مشابه با نوع زمینی آنها نمی‌توانند با اتکا به نیروی جاذبه و به صورت عمودی در محفظهٔ سوخت قرار گرفته و سامانه را خاموش نمایند.

علاوه بر این محدودیت‌ها، بهره‌مندی از آب دریا در نیروگاه دریایی، علی‌رغم نمک زدایی آن، همواره مشکلات سایشی و خوردگیِ نمکی را به همراه دارد که هزینهٔ تعمیر و نگهداریِ ناوگان و نیروگاه را نسبت به نوع زمینیِ آن، افزایش می‌دهد.

بمباران نوترونی در هسته‌ها و راکتورهای کوچک‌تر، به دلیل حرکت محدودتر نوترون‌ها دشوارتر است. از این رو در راکتور ناوگان‌های دریایی با بهره‌مندی از هسته‌های کوچک‌تر، اروانیوم غنی شده ی بیشتر مورد نیاز خواهد بود. سوخت غنی شدهٔ بیشتر، واکنش هسته‌ای را پایان ناپذیر تر می‌کند.

در برخی از راکتورهای دریایی به منظور جلوگیری از تخریبهای حاصله از واکنش‌های زنجیره ای پایان ناپذیر هسته، از اورانیومِ کمتر غنی شده بهره می‌برند که این امر منجر به افزایش میزان سوخت گیریِ شناور می‌شود. با این احوال، سوختِ راکتورِ بیشترِ زیردریایی‌های آمریکایی، اورانیوم با غنای ۲۰ تا ۹۶ درصد است، که نتیجهٔ آن هسته‌های کوچکتر و سر و صدای کمتر خواهد بود. این، برای یک زیردریایی نظامی مزیت بزرگی به حساب می‌آید. با استفاده از سوخت بیشتر غنی شده، قدرت راکتور افزایش یافته و در مقابل نیاز به سوخت‌گیری زیاد، کاهش می‌یابد. اما کل عملیات گران‌تر و از لحاظ آسیب‌های هسته‌ای خطرناک تر می‌شود.

یک راکتور هسته‌ای دریایی باید به میزان بالایی خودکفا بوده و در تعمیرات و نگهداری خود بی‌نیاز از بندرِ پهلوگیری باشد. مشکل اصلی در این راکتورها انتخاب یک متعادل ساز مناسب است تا در برابر آسیب‌های تابشی مقاومت لازم را داشته و دیرتر از بین برود. بر خلاف راکتورهای زمینی که از سرامیک اورانیوم دی اکساید برای پوشش میله‌های کنترل (Control Rods) استفاده می‌شود، در راکتور دریایی از آلیاژهای زیرکونیومی استفاده می‌شود. هسته با سوختِ اورانیوم بسیار غنی شده و «سم اشتعال پذیر» ِ تولید شده در اثر واکنش‌ها، که به آهستگی می‌سوزد و واکنش را متعادل می‌کند، به چرخهٔ مناسب فعالیت دست پیدا می‌کند. از بین رفتنِ تدریجیِ سم مذکور، در واقع باعث افزایش واکنش پذیری هسته شده تا نقشِ متعادل ساز را در کاهش واکنش پذیری جبران نموده و سبب بهبود مصرف سوخت شود. عمرِ مخزنِ تحتِ فشارِ راکتور هم، با بکار گیریِ یک سپر نوترونی در داخلِ مخزن و جلوگیری از آسیب هایِ حاصل از بمباران نوترونی به دیوارهٔ آن، افزایش می‌یابد.

دولت بریتانیا در دسامبر ۲۰۱۷ با اعلامِ اختصاصِ مبلغ ۱۰۰ میلیون پوند به منظور توسعهٔ چنین نیروگاه‌هایی در خشکی، از پیشگامانِ گسترش این فناوری قرار گرفته‌است. شرکت رولز رویس، از شرکت‌هایی است که در زمینهٔ تولید نیروگاه‌های دریایی با قدرت بالاتر از ۱۰۰ مگاوات فعالیت داشته‌است. مسلماً با حذف محدودیت‌های راه اندازی نیروگاه‌های مشابه با نیروگاه‌های دریایی بر روی خشکی، هزینهٔ این راه اندازی‌ها بسیار کمتر و مقرون به صرفه تر خواهند شد.