Как выглядит ядерное топливо для субмарины

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.

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.

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.

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.

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%).

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.