Jaderné reaktory na moři: Atomová energie dnes pohání ponorky, letadlové lodě i obří ledoborce

Už krátce po druhé světové válce začali američtí inženýři přemýšlet o vojenském plavidle, které by místo standardních spalovacích motorů poháněl jaderný reaktor. Výhody se jevily jednoznačně – „atom“ by i lodi s enormním výtlakem zajistil dlouhodobý provoz bez nutnosti doplňovat palivo, navíc bez produkce jakýchkoliv emisí. Námořní jaderné reaktory od té doby urazily dlouhou cestu a v současnosti pohánějí zhruba 150 plavidel – obvykle ponorek, letadlových lodí či ledoborců. 

Průkopnický Nautilus

Po úvodních studiích a pokusech spatřil roku 1953 světlo světa první zkušební reaktor, s nímž se počítalo pro pohon experimentální ponorky. Její stavbu Kongres schválil už o dva roky dříve a svou panenskou plavbu uskutečnila v roce 1955 pod jménem Nautilus, jež upomínalo na slavný román Julese Verna Dvacet tisíc mil pod mořem.

Nové plavidlo přineslo do mořských hlubin revoluci – oproti svým předchůdcům dokázalo vyvinout podstatně vyšší rychlost asi 23 uzlů (43 km/h), kterou bylo schopné udržovat bez přestávky i po několik týdnů. Nautilus překonal řadu rekordů, jako první plavidlo v historii podplul pod severním pólem a zkušenosti s jeho provozem daly ve druhé polovině 50. let vzniknout první plnohodnotné třídě atomových ponorek Skate.

Roku 1962 už měli Američané k dispozici šestadvacet jaderných člunů a další tři desítky se stavěly. Pozadu neměla zůstat ani hladinová složka US Navy, jejímž prvním plavidlem s reaktorem v útrobách se roku 1961 stal raketový křižník Long Beach. Kolos o výtlaku asi 15 500 tun poháněly na rozdíl od zmíněných typů ponorek dva reaktory, které mu dodávaly maximální rychlost 30 uzlů (56 km/h) a akční rádius 260 000 km.

Naplno se všechny přednosti jaderného pohonu projevily u letadlové lodi Enterprise, která vstoupila do služby téhož roku a mohla se pochlubit výtlakem přes 93 000 tun či délkou 342 metrů, která z ní dodnes činí jedno z největších válečných plavidel všech dob.

I s těmito rozměry dokázal nosič plout rychlostí 33,6 uzlu (62 km/h), a to díky spojení hned osmi reaktorů A2W značky Westinghouse. Mimo jiné právě díky tomuto druhu pohonu vydržela legendární loď ve službě přes půl století a do penze putovala teprve roku 2012.

Ve snaze posílit operační schopnosti námořnictva svého nejbližšího spojence předal Washington technologii jaderného pohonu Velké Británii, zato konstruktéři v Sovětském svazu, Francii nebo Číně na ní museli pracovat samostatně.

Jádro jako zdroj páry

Schéma jaderných reaktorů umístěných na plavidlech se značně podobá „klasickým“ civilním modelům pracujícím v elektrárnách. V drtivé většině se jedná o takzvané tlakovodní typy, které se člení na primární a sekundární okruh, přičemž roli chladicího média sehrává voda – jak název napovídá – o vysokém tlaku. Srdce primárního okruhu tvoří samotný reaktor, jenž ohřívá vstupující chladicí médium jeho průtokem kolem palivových tyčí.

Pro řízení chodu reaktoru slouží regulační tyče, ovšem na rozdíl od energetických reaktorů se neužívá kyselina boritá ani jiný rozpuštěný absorbátor. Po ohřátí vystupuje voda potrubím z reaktoru a směřuje do parogenerátoru, jenž zároveň tvoří bariéru mezi primárním a sekundárním okruhem. Součástí primárního okruhu je také speciální nádoba (kompenzátor objemu) vyrovnávající tlakové rozdíly. Dokáže snižovat tlak okruhu vstřikováním chladicího média čerpaného z místa před vstupem do reaktoru, stejně jako ho navýšit pomocí elektrických ohříváků.

Ohřáté chladivo jaderného reaktoru primárního okruhu cirkuluje parogenerátorem skrz úzké trubičky, přes jejichž stěny předává teplo sekundárnímu médiu protékajícímu kolem nich. Na „vnější“ sekundární straně parogenerátoru panuje nižší tlak, takže zde dochází k varu a vzniku páry, kterou už systém odvádí k turbínám.

První turbína bývá zpravidla napojena na generátor a ve spolupráci s ním pokrývá elektrickou spotřebu lodi – včetně dobíjení akumulátorů přes usměrňovač. Větší objem páry putuje ke druhé turbíně, jež přes spojku přenáší výkon na lodní šroub. Ten lze alternativně pohánět i prostřednictvím elektromotoru z bateriového zdroje.

Zbytková pára vystupující z turbín se podchlazuje v kondenzátorech (v nichž cirkuluje mořská voda, a po odebrání tepla ze zbytkové páry se vrací do oceánu) a čerpá zpět do parogenerátoru. Dodejme, že existuje několik možností, jak vznikající páru pro pohyb plavidla využít.

Na popsaný model, kdy jsou parní turbíny napojeny na samotný lodní šroub, sázejí Američané, Rusové a Britové. Francouzi nebo Číňané užívají turbíny k výrobě elektrické energie a teprve tou ponorky či lodě pohánějí.

Přes zmíněnou podobnost s reaktory v jaderných elektrárnách se zařízení použitá na plavidlech přece jen v několika ohledech liší. Především jde o kombinaci vysokého výkonu (generování velkého množství energie) a kompaktních rozměrů celého zařízení – jinak by se reaktory nevešly do lodního trupu a neposkytovaly plavidlu dostatečnou rychlost.

Kýžených parametrů inženýři docilují podstatně vyšším obohacením uranu, kdy podíl izotopu 235U činí přinejmenším 20 % (u elektráren jde obvykle nanejvýš o 5 %) a nezřídka i dvojnásobek. Díky tomu může být reaktorová nádoba velmi malá při zachování vysoké úrovně bezpečnosti a stínění.

Na desítky let

Námořní reaktory zvládají pracovat na jedinou palivovou vsázku velmi dlouhou dobu – výměna paliva není zpravidla nutná dříve než po desetiletech. Ne náhodou tak plavidla s tímto pohonem absolvovala dohromady už 12 000 reaktorových let v námořním provozu (údaj pochází z roku 2015). Nejmodernější reaktory pro hladinové lodě už dnes počítají s půlstoletím provozu, u ponorek jde o 30–40 let, což v praxi znamená uražených 1,5 milionu km.

Tepelná účinnost cyklu je naopak nižší než u elektráren, protože dochází k častým změnám výkonu při plavbě a dostupné rozměry reaktorové sekce neumožňují využití účinnějšího parního systému. Oproti Dukovanům či Temelínu se jaderné palivo také nevyskytuje ve formě oxidu uraničitého, ale slitiny uranu a zirkonu, uranu a hliníku nebo směsi kovu s keramikou.

Výkon reaktorů se udává v tepelných megawattech a jeho hodnota vždy odpovídá rozměrům, výtlaku a požadované rychlosti plavidla. Zatímco menším útočným ponorkám vyzbrojeným pouze torpédomety stačí jediný reaktor, čluny osazené těžkými balistickými střelami a hladinové lodě zpravidla potřebují dvě jednotky.

Reaktory užívané u ponorek mívají výkon od 10 MWt u experimentálních prototypů po 200 MWt. K nejmenším vojenským jaderným ponorkám se řadí francouzská třída Rubis z 80. let s podmořským výtlakem 2 600 tun, u níž se o pohon stará reaktor Technicatome K48 s výkonem 48 MWt.

Nejmohutnější čluny sovětské třídy Akula (v kódu nato Tajfun) pocházejí ze stejné doby a pod hladinou dosahovaly výtlaku až 48 000 tun. Monstra o délce 175 metrů poháněl pár reaktorů OK-650 o jednotlivém výkonu 190 MWt, které ruské námořnictvo používá i v současnosti – mimo jiné u nejmodernější třídy raketonosných ponorek Borej s asi polovičním výtlakem.

Skrz ledový příkrov

Průkopníkem jaderného pohonu civilních plavidel se stal Sovětský svaz a také dnes jediné nevojenské lodě s reaktorem najdeme v Rusku. Od 50. let tamější konstruktéři stavěli především nukleární ledoborce, které měly udržovat otevřené plavební trasy Severním ledovým oceánem. Zvolený druh pohonu přinesl velký akční rádius při výměně paliva jen jednou za několik let a možnost rozšířit prostor pro převážené zásoby či náklad. Enormní výkon „atomu“ umožňuje kapitánům zdolat i silný ledový příkrov, navíc se jeho část využívá pro vytápění, osvětlení či odsolování mořské vody.

Prvním jaderným ledoborcem se roku 1957 stal Lenin, který v nehostinných končinách sloužil až do konce 80. let. Zpočátku disponoval třemi reaktory OK-150 po 90 MWt, z nichž však současně běžely vždy jen dva a střídáním se prodlužovala doba do příští vsázky. Po úniku paliva roku 1967 došlo k výměně této soustavy za dvojici reaktorů OK-900 po 171 MWt. Dnes Lenin kotví v Murmansku coby muzeum.

Nejmodernější třída ruských ledoborců zvaná Projekt 22220 se naopak teprve zavádí do služby. Jednotky Arktika, Sibir i Ural představují s délkou přes 170 metrů největší ledoborce světa a pohání je pár reaktorů RITM-200 o jednotlivém výkonu 175 MWt. Také západní mocnosti se pokoušely o stavbu civilních jaderných plavidel, nicméně zaměřily se na transportní typy.

V USA se koncem 50. let zrodila elegantní Savannah, která znamenala jednoznačný technologický úspěch, ale též komerční propadák – při nákladech na stavbu takřka 50 milionů dolarů vydělala za deset let služby pouhou pětinu. Němci přišli s experimentálním obrem pojmenovaným po jaderném fyzikovi Otto Hahn. Kolos o délce 172 metry poskytl zázemí vědcům, kteří při plavbě sbírali data. Během projektu se podařilo ověřit provozuschopnost obchodního plavidla s nukleárním srdcem, ovšem za nepřijatelných nákladů pro reálné použití.

Palivo na čtvrt století

Také u válečných hladinových lodí dosahují výkony stovek megawattů – kupříkladu sovětské raketové křižníky třídy Kirov s výtlakem přes 25 000 tun nesly dvě jednotky KN-3 o 300 MWt. To americké letadlové lodě třídy Nimitz s výtlakem přesahujícím 101 000 tun už potřebují pár reaktorů Westinghouse A4W o 550 MWt. 

U nejnovějších a ještě těžších nosičů třídy Gerald R. Ford zajišťuje pohon dvojice konstrukčně jednodušších modelů Bechtel A1B o výkonu 700 MWt, které navíc pokrývají veškerou energetickou spotřebu lodi včetně elektromagnetických systémů a katapultů.

Díky pokročilejší technologii tito obři disponují 2,5krát vyšší elektrickou kapacitou než jejich předchůdci, přičemž se počítá s padesátiletou životností a jedinou výměnou jaderného paliva po čtvrtstoletí provozu. To vše při menších rozměrech a hmotnosti systému i počtu obslužného personálu než u A4W. Letadlové lodě strýčka Sama ovšem svými parametry zůstávají i v 21. století výjimečné. 

Závěrem je můžeme porovnat s francouzským nosičem Charles de Gaulle, který vstoupil do služby roku 2001. Plavidlo o výtlaku 38 000 tun nese pár tlakovodních reaktorů Areva K15 po 150 MWt původně vyvinutých pro podmořské čluny. Chlouba země galského kohouta vydrží při maximální rychlosti 27 uzlů (50 km/h) plout na jednu palivovou vsázku 5–10 let, přičemž kratší doba v porovnání s US Navy vyplývá z užití méně obohaceného uranu (7,5 % 235U) přezdívaného „karamel“.