ناوگان دریایی هسته‌ای

ناوگان دریایی هسته ای، ناوگانی است که کشتی‌ها و زیردریایی‌های آن انرژی خود را از یک نیروگاه هسته ای 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 الکتریسیتهٔ لازم برای روشنایی و چرخش پروانه را فراهم می‌آورد. از این تکنولوژی، بیشتر در ناوهای فوق سنگینِ هواپیما بر 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 هسته ای قرار گرفته و هیچ فضایی برای ذخیره و انباشت سوخت مورد اشغال قرار نمی‌گیرد. همچنین نیازی به اختصاص فضا برای اگزوز و دودکش‌های تخلیه وجود ندارد. با این حال، علی‌رغم صرفه در هزینهٔ سوخت، هزینه‌های عملیاتی و راه اندازیِ بالا، مانع از بکارگیری این تکنولوژی در ناوگانهای غیرنظامی شده‌است.

در ناوگان دریایی

رآکتورهای ناوگان دریایی از نوع آب فشرده هستند. اولین چرخهٔ آب، گرمای حاصل از شکافتِ سوخت را به محفظهٔ مولد بخار (Steam generator)  منتقل می‌کند. آبِ اولین 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 سیستم‌ها 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 الکتریسیته، موتور مکانیکیِ شناور و در نهایت پروانه را به کار می‌اندازد. شناورهای روسی، آمریکایی و بریتانیایی از سیستم اولیه و تحریک مستقیم بهره می‌برند، در حالیکه چینی‌ها و فرانسوی‌ها موتور شناورهایشان را به شیوهٔ انتقال الکتریکی می‌سازند.
اکثر زیردریایی‌های هسته ای دارای یک راکتور تک هسته ای هستند، اما زیردریایی‌های روسی دو هسته ای می‌باشند. اکثر ناوهای هواپیمابر آمریکایی دو راکتوری هستند، اما ناو USS Enterprise حامل یک راکتور هشت هسته ای 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.

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 نیستیم.
همچنین «سیستمِ 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 سیستم 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 هسته ای 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 هسته ای خطرناک تر می‌شود.
یک راکتور هسته ای 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 تکنولوژی 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.

طرح‌های آینده

روسیه نیز در آینده از پیشتازان ساخت نیروگاه‌های شناور با دو واحد MWe 35 برپایهٔ راکتور KLT-40 برای کشتی‌های یخ‌شکن خود است. این کشتی‌ها هر چهار سال یکبار سوخت‌گیری خواهند کرد. حتی برخی از کشتی‌های دریایی روسیه برای تأمین برق مناطق و جزایر دور افتادهٔ سیبری، چه در ابعاد صنعتی و چه مسکونی به کار گرفته خواهند شد.

قوانین و مسئولیت‌های بین‌المللی

چون عواقب سوانح احتمالی در این شناورها، ممکن است ابعاد بین‌المللی و فرامرزی پیدا کند، مسئولیت و قوانین بین‌المللی (مثل بیمه) در مورد آنها سخت گیرانه تر است. توافق بین‌المللی سال ۱۹۶۲ با عنوان «کنوانسیونِ بروکسل مسئولیتِ کشتی‌های هسته ای» به خاطر مخالفت آمریکا در گنجاندن کشتی‌های نظامی تحت کنوانسیون، هرگز به تصویب نرسید. شناورهای هسته ای آمریکا تحت نظارت Price Anderson Act بیمه می‌شوند.

شناورهای هسته ای نظامی

تا سال ۱۹۹۰، میزان راکتورهای دریایی و عمدتاً نظامی، بیشتر از راکتورهای تجاری موجود در خشکی‌ها بود.

تاریخچه

در سال ۱۹۴۰، تحت مدیریت کاپیتان (بعدها دریاسالار) Hyman G. Rickover طراحی، توسعه و تولید راکتورهای دریایی شناور در ایالات متحده آغاز شد. اولین پیش نمونهٔ ساخته شده از این دست در سال ۱۹۵۳ در تأسیسات هسته ای دریایی آیداهو (بعدها آزمایشگاه ملی آیداهو) مورد آزمایش قرار گرفت.

زیردریایی‌ها

اولین زیر دریایی هسته ای، USS Nautilus -SSN-571، در سال ۱۹۵۵ به آب انداخته شد. (N در پایان واژهٔ SS [برای زیردریایی] نشانگرِ هسته ای بودن زیردریایی بود.
اتحاد جماهیر شوروی نیز ساخت زیردریایی‌های هسته ای را توسعه داد. Project 627 و November Class هسته ای و K-3 Leninskiy Komsomol را می‌توان در این خصوص مطرح کرد.
انرژی هسته ای منجر به تحولی عظیم در صنعت زیردریایی سازی شد. به طوریکه زیردریایی‌ها از شناورهایی که فقط برای مدتی کوتاه قادر به ماندن در زیر آب بودند، به یکباره به زیردریایی‌های واقعی که برای ساعت‌ها و روزها امکان حرکت در زیر آبها را داشتند، مبدل شدند. این توانایی را می‌توان با مطرح کردنِ نام زیردریایی آمریکاییِ USS Triton شرح داد. این زیردریایی برای اولین بار موفق به عملیات Circumnavigation موسوم به Operation Sandblast برای کل کرهٔ زمین شد.
ناتیلوس، با یک راکتور آب فشرده (PWR)، منجر به توسعهٔ همزمان زیردریایی‌هایی با راکتورهای نوع فلز مایع شد. نمونهٔ منحصر به فرد آنها USS Seawolf , USS Triton با دو راکتور توسعه یافته، زیردریایی Skate-class یا یک راکتور و کشتی USS Long Beach مجهز به دو راکتور بودند که تا سال ۱۹۶۱ معرفی شدند.
تا سال ۱۹۶۲، ایالات متحده صاحب ۲۶ فروند زیردریاییِ هسته ای تحت عملیات و ۳۰ فروند تحت ساخت بود. در حالیکه آمریکا در حال به اشتراک گذاری این تکنولوژی با انگلستان بود، کشورهای فرانسه، شوروی، هند و چین به صورت جداگانه در حال توسعهٔ ناوگان‌های دریایی هسته ای خود بودند.
بعد از Skate-class، زیردریایی‌های آمریکایی با تک راکتورهای طراحی شده توسط وستینگهاوس و جنرال الکتریک مورد استانداردسازی قرار گرفتند. رولز رویس نیز در انگلستان زیردریایی‌های ناوگان بریتانیا را گسترش می‌داد تا این که سرانجام نمونه ای اصلاح شده‌ای از زیردریایی‌ها را تحت نام خود عرضه کرد: PWR-2 (با راکتورهای آب فشردهٔ اصلاح شده)
تا به امروز، عظیم‌ترین زیردریایی هسته ای با ۲۶۵۰۰ تن وزن و با نام Typhoon class متعلق به روسیه؛ و کوچکترین کشتیِ هسته ای در مقاصد نظامی با ۲۷۰۰ تن و با نام Rubis-class در اختیار فرانسه است.
زیردریایی NR-1، با ۴۰۰ تن وزن، کوچکترین زیردریایی آمریکایی با مقاصد غیرنظامی است که در فاصلهٔ سالهای ۱۹۶۹ تا ۲۰۰۸ فعالیت داشته‌است.

در نیروی دریایی فرانسه

ناو هواپیمابر Charles de Gaulle، حامل یک کاتوبار (پرتابگر هواپیماهای جنگی از روی ناوها) (CATOBAR) و با وزن ۴۲ هزار تن، ناو هسته ای فرانسوی است که از سال ۲۰۰۱ مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است. این ناو حامل جنگده‌هایی همچون Dassault Rafale M، E-2C Hawkeye , EC725 Caracal T و AS532 Cougar و تجهیزات مرتبط با عملیات Combat search and rescue و همچنین موشک مدرن و الکترونیک Aster می‌باشد.

در نیروی دریایی روسیه

Kirov Class، متعلق به شوروی، Project 1144 Orlan (عقاب دریا)، نمونه ای از ناو موشک اندازِ هسته ای متعلق به نیروی دریایی شوروی و روسیه، سنگین‌ترین و بزرگترین ناو از نوع مبارزهای سطحی (Surface Combatant) در جهان است. در میان کشتی‌های جنگی، این نوع ناو از لحاظ بزرگی پس از ناوهای هواپیمابر و مشابه با ناو بتل شیپ قرار می‌گیرد. اتحاد جماهیر شوروی این نوع ناوها را با عنوانِ тяжёлый атомный ракетный крейсер یعنی «ناو هسته ایِ هدایتگرِ موشکِ سنگین» دسته‌بندی کرده‌است. در علوم نظامیِ غربی این ناوها بر اساس اندازه و ظاهرشان در دستهٔ بتل کروزرها قرار گرفته‌اند.

در نیروی دریایی ایالات متحده

زمانی، ناوهای هسته ای، بخشی از ناوگانِ نیروی دریایی آمریکا را شکل می‌دادند. اولین نمونه از این شناورها USS Long Beach-CGN9 بود که در تابستان ۱۹۶۱ مورد بهره‌برداری قرار گرفت. این شناور اولین ناوِ جهان از نوع Surface Combatant (مبارزهای سطحی) بود. یک سال پس از آن، USS Bainbridge راه این ناور را ادامه داد. زمانی که Long Beach به عنوان یک ناو طراحی شده بود، Bainbridge با کدِ DLGN به عنوان ناو محافظ فعالیت خود را آغاز کرد. اگرچه مطابق با hull code، کدِ DLGN برای شناورهای تخریبگر (Destroyer Leader)، هسته ای و حامل موشک شناخته شده بود.
آخرین ناوهای هسته ای آمریکا در میان سال‌های ۱۹۹۳ و ۱۹۹۹، به دلیل مخارج بالا در تعمیر و نگهداری بازنشسته شدند. چهار ناو مشهور آمریکایی از Virginia class به این شرح بودند: USS Virginia سال ۱۹۷۶، USS Texas سال ۱۹۷۷، USS Mississippi سال ۱۹۷۸ و USS Arkansas سال ۱۹۸۰.

کشتی‌های فرماندهی و ارتباطی

SSV-33 Ural ناو ارتباطی و فرماندهی متعلق به اتحاد جماهیر شوروی بود. بدنهٔ این ناو و همچنین راکتور هسته ای آن برگرفته از Kirov class بوده‌است. SSV-33 در زمینهٔ شنود الکترونیک، رهیابی موشکی، رهیابی فضایی و ارتباطات خدمت رسانی می‌کرد. هزینه‌های بالای عملیاتی به بازنشستگی آن منجر شد.
SSV-33 تنها حامل سلاح‌های دفاعی سبک با مقاصد دفاعی بود.

زیردریایی‌های بدون سرنشین (UUV)

Posidon (روسی: Посейдон، "، نام ناتو، نام Kanyon)، یک زیردریایی بدون سرنشینِ هسته ای (Unmanned underwater vehicle) تحت طراحی و توسعهٔ Rubin Design Bureau، قادر به حمل بارهای معمولی و هسته ای می‌باشد. مطابق با ادعای تلوزیون دولتی روسیه، این زیردریایی قادر به حمل یک بمب کبالت ترمو هسته ای تا ۲۰۰ مگاتن است. (چهار برابر قدرتمندتر از Tsar Bomba به نمایش گذاشته شده و دو برابر بیشتر از ماکزیممِ تئوری هایِ نظریِ ارائه شده با این مضمون). هدف این زیردریایی محافظت و پشتیبانی نظامی از بنادر و شهرهای ساحلی است.

کشتی‌های هسته ای غیرنظامی

در زیر چند نمونه از شناورهایی که با قدرت هسته ای برای مقاصد غیرنظامی مورد استفاده قرار گرفته‌اند معرفی می‌شود.

کشتی‌های تجاری

این نوع از کشتی‌ها به جز چند مورد محدود، توسعهٔ چندانی نیافته‌اند. NS Savannah ساخت ایالات متحده، تکمیل شده در سال ۱۹۶۲، از اولین نمونه‌های ارائه شده‌ای بود که علی‌رغم هزینه‌های بالای نگهداری چندان بزرگ نبوده و ارزش اقتصادی نداشته‌است. طراحی آن نه برای مقاصد باربری و نه حمل مسافر، چندان مناسب نبود.
Otto Hahn، کشتی هسته ای آلمانی بود که در طول ۱۰ سال با طی مسافت یک میلیون و دویست هزار کیلومتر در ۱۲۶ سفر دریایی بدون هیچگونه مشکل فنی حضور داشته‌است. با این وجود به خاطر هزینه‌های بالای اقتصادی، موتور محرک آن از هسته ای به دیزلی تغییر ماهیت داد.
Mutsu، نمونه ای ژاپنی بود که به خاطر نشت تشعشعات رادیواکتیو از آن، مورد اعتراض ماهیگیران قرار گرفت.
هر سه کشتی فوق از اورانیوم با غنای پایین استفاده می‌کردند.
Sevmorput، شناور هسته ای شوروی سابق و بعدها از نوع شناورهای سبک روسیه بوده‌است. از ۱۹۸۸ در مسیرهای اکتشافی آبهای شمالی بوده‌است و از سال ۲۰۱۲ به عنوان تنها شناور غیرنظامی هسته ای مشغول به فعالیت است.
یکی از علل هزینه بردار بودنِ بهره‌برداری از این گونه شناورها نیاز به نیروی متخصص بیشتر نسبت به شناورهای عادی است که طبیعتاً هزینه‌های نگهداری و تعمیر را افزایش می‌دهد.
به تازگی تمایل به استفاده از ناوگان‌های هسته ای ایجاد شده و برخی پیشنهادها تهیه شده‌است. به عنوان مثال، Coaster یک طراحی جدید برای یک کشتی باربری هسته ای است.
در نوامبر ۲۰۱۰، British Maritime Technology و Lloyd's Register به همراه شرکت یونانی Enterprises Shipping and Trading SA مطالعاتی دوساله بر روی Hyperion Power Generation (در حال حاضر Gen4 Energy - آمریکایی) را برای بررسی عملیاتیِ شناورهایی با راکتورهای کوچک، آغاز کردند.
این تحقیق قصد داشت تا به تولید یک طراحی مفهومی از یک تانکرِ شناور با راکتور ۷۰ مگاواتی همانند Hyperion دست پیدا کند. تحقیقات، گذشته و اخیر صنعت هسته ایِ دریایی را بازبینی کرده‌اند و شرحی اولیه از طراحی مفهومی برای یک تانکر سوئذگذر (Suezmax) با تناژ مرده وزنِ ۱۵۵ هزار (155000DWT) ارائه می‌دهند که پایهٔ بدنهٔ آن از شناورهای معمولی است و حامل راکتوری ۷۰ مگاواتی برای تولید قدرتی معادل با ۲۳٫۵ مگاوات برای شفت توربین، با میانگین MW 9.75، خواهد بود.
این راکتور از نوع " نوترون سریع " با کنترل کنندهٔ "سرب-بیسموت اوتکتیک" با دوام سوختیِ ۱۰ ساله بوده و همچنین برآورد می‌شود که عمر مفید شناور به ۲۵ سال برسد.
با این احوال، تحقیقات برای بلوغ بیشتر نیاز به مطالعات بیشتر دارد.

کشتی‌های یخ‌شکن

اتحاد جماهیر شوروی و روسیه امروزی از یخ‌شکن‌های هسته ای به منظور تحقیقات علمی در آبهای شمالی سرزمین خود بهره‌های بسیاری برده‌اند.
یخ‌شکنِ Lenin اولین کشتی یخ‌شکنِ هسته ای جهان در سال ۱۹۵۹ بوده و ۳۰ سال فعالیت داشت. (راکتورهای جدید در سال ۱۹۷۰ نصب شدند). پس از آن و در ۱۹۷۵ یخ‌شکن‌های بزرگتر از کلاس Arktika با وزن ۲۳٫۵۰۰ تن ساخته شدند. (۶ شناور) این شناورها حامل دو راکتور بوده و در یخ‌های عمیق شمالی به فعالیت پرداختند. NS Arktika اولین شناور یخ‌شکنی بود که به [دورترین مناطق] در قطب شمال رسید.
به منظور یخ‌شکنیِ و شناور شدن در آبهای کم عمق رودخانه ای یخ‌شکن‌های Taymyr class در فنلاند ساخته می‌شوند و در روسیه راکتورهای آنها را نصب می‌کنند.