Thông tin Tổng quan:
Tàu thuỷ hạt nhân là những loại tàu được vận hành nhờ năng lượng của phản ứng hạt nhân. Nó có những lợi thế về hiệu năng hoạt động so với các loại tàu thuỷ thông thường rất đáng kể. Nhờ vào nguồn năng lượng khổng lồ từ hạt nhân, tàu thuỷ hạt nhân có thể vận hành tốc độ cao trong một thời gian dài. Tiêu biểu là thế hệ tàu ngầm hạt nhân hiện tại có thể vận hành trong 25 năm liên tục mà không phải nạp nhiên liệu.
Đến nay đã có hơn 140 tàu hạt nhân vận hành bởi hơn 180 lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ và hơn 12.000 năm hoạt động hàng hải của lò phản ứng được tích lũy. Đa số chúng là tàu ngầm hạt nhân nhưng hiện nay đã được ứng dụng rộng hơn từ tàu phá băng đến tàu sân bay hạt nhân hiện đại.
Trong tương lai khi nguồn nhiên liệu hóa thạch dần trở nên cạn kiệt và những hạn chế trong vận tải thì động cơ đẩy năng lượng hạt nhân sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn trong vận hành hàng hải. Bên cạnh đó, với những lo ngại phóng đại về tính an toàn ít nhiều đã gây ra những hạn chế chính trị đối với việc tiếp cận công nghệ này.
Lịch sử phát triển của tàu ngầm hạt nhân:
Động cơ đẩy hạt nhân đường thuỷ bắt đầu được phát triển từ những năm 1940 và lò phản ứng thử nghiệm đầu tiên bắt đầu hoạt động ở Mỹ vào năm 1953. Vào thời khắc lịch sử ngày 21/1/1954, tại nhà máy đóng tàu Groton, bang Connecticut, với sự xuất hiện của tổng thống Dwight Eisenhower, chiếc tàu ngầm hạt nhân đầu tiên trên thế giới do Mỹ chế tạo được hạ thủy mang tên Nautilus (Ốc anh vũ)*, đánh dấu bước phát triển cách mạng trong lịch sử nền công nghiệp đóng tàu ngầm thế giới. Nautilus có thể di chuyển với tốc độ 23 hải lý/h (42,5 km/h), tốc độ trên mặt nước đạt 20 hải lý/h (37 km/h) đạt được vận tốc kỷ lục vào thời điểm đó.
*Ốc anh vũ còn được gọi là tàu ngầm sống vì nó có thể “bay” một cách điệu nghệ trong nước biển bằng cách hút và phun nước theo cơ chế phản lực.
Sự thành công của tàu ngầm nguyên tử Nautilus đã thúc đẩy phát triển song song lớp tàu ngầm Skate- class vận hành bởi lò phản ứng nước áp lực đơn (single PWR – single pressurised water reactors) , cùng một tàu sân bay USS Enterprise trang bị bởi 8 lò phản ứng Westinghouse năm 1960. Và không thể không nhắc đến sự ra đời của tuần dương hạm hạt nhân USS Long Beach năm 1961. (Những con tàu này vẫn phục vụ cho quân đội Hoa Kỳ cho đến cuối năm 2012).Đến năm 1962 Hải quânHoa Kỳ có 26 tàu ngầm hạt nhân hoạt động và 30 tàu ngầm khác được đóng. Có thể nói năng lượng hạt nhân đã cách mạng hóa Hải quân. Tuy nhiên công nghệ này chỉ được chia sẻ với Anh, trong khi các nước khác như Pháp, Nga và Trung Quốc thì nghiên cứu phát triển riêng biệt.
Sau thành công của lớp tàu ngầm hạt nhân Skate-class ở Mỹ, quá trình phát triển lò phản ứng được thông qua kéo theo một loạt các thiết kế tiêu chuẩn được xây dựng bởi cả Westinghouse và GE, một lò phản ứng duy nhất có khả năng cấp điện vận hành cho mỗi tàu riêng lẻ. Và Rolls Royce cũng đã chế tạo những đơn vị tương tự cho các tàu ngầm Hải quân Hoàng gia Anh và sau đó phát triển thiết kế lên thế hệ PWR-2. Riêng Nga đã phát triển cả hai mẫu PWR và thiết kế lò phản ứng làm nguội bằng chì-bismuth, dù không được bền lâu.
Những chiếc tàu ngầm hạt nhân lớn nhất thời bấy giờ nặng 26.500 tấn (34.000 tấn khi ngầm) thuộc lớp Typhoon của Nga, vận hành bởi 2 lò phản ứng PWR 190 megawatt nhiệt năng (MWt), sau này được thay thế bởi dòng tàu ngầm 24.000 t Oscar-II.
Các báo cáo về tính an toàn hạt nhân của Hải Quân Hoa Kỳ là xuất sắc, một phần nhờ vào mức độ tiêu chuẩn hóa cao trong các nhà máy điện hạt nhân của hải quân và bảo dưỡng nghiêm ngặt. Ngoài ra chất lượng cao của chương trình đào tạo của Hải quân Mỹ cũng đã góp phần vào thành tích này. Ngược lại, những nỗ lực ban đầu của Liên Xô lại dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng – 5 lò phản ứng bị hư hỏng hoàn toàn không thể khắc phục được, và tệ hại hơn là dẫn đến rò rỉ bức xạ. Theo báo cáo có hơn 20 trường hợp tử vong do nhiễm xạ. Vì thế đến thế hệ thứ ba lò phản ứng PWR (cuối 1970) của Nga, độ an toàn và độ tin cậy đã trở thành ưu tiên hàng đầu. (Ngoài sự cố lò phản ứng, hỏa hoạn và tai nạn khác cũng dẫn đến sự mất mát cho 2 tàu ngầm của Mỹ và khoảng 4 tàu ngầm Liên Xô, 4 trong số đó là hỏa hoạn dẫn đến thương vong.)
Cấu trúc của tàu ngầm hạt nhân:
Có nhiều loại tàu ngầm hạt nhân nhưng nhìn chung chúng đều có những thành cơ bản như trên hình mô tả:
Thân vỏ tàu ngầm được thiết kế vững chắc theo hình trụ tròn với hai phần đầu và cuối được kết nối liền mạch với hình nón và phần cuối là bán cầu lồi theo hình dáng thủy động học, phía trong gắn các bồn nước dằn tàu,khoang bán cầu lắp đặt anten sonar thủy âm và trục quay chân vịt. Phía trong của thân vỏ tàu có cấu tạo vững chắc được bao phủ bằng một lớp vật liệu cách nhiệt, cách âm nhẹ, bao bọc và ngăn cách tất cả các khoang trong thân tàu như khoang chứa các ống phóng tên lửa, khoang trang thiết bị động lực đuôi tàu cùng với hệ thống radar anten thủy âm kéo theo đuôi tàu ở phía sau. Với một diện tích không lớn của phía trong thân tàu, tàu ngầm có thể coi là tàu có một khoang chính thông suốt. Phương pháp thiết kế thân tàu như vậy, theo các chuyên gia đã giảm tối thiểu khả năng tạo tiếng ồn động thủy âm, đạt được tốc độ cơ động dưới ngầm cao nhất với tiếng ồm thấp nhất nếu so sánh cùng với các loại tàu ngầm có hai khoang chính. Các tấm vách ngăn cứng và chịu lực sẽ chia tàu thành các khoang thứ cấp, mỗi khoang thứ cấp sẽ chia khoang tàu ra làm nhiều sàn công tác. Phần mũi tàu, phần khoang tên lửa và phần khoang đuôi tàu có các nắp cửa đóng mở để cung cấp hàng, cơ sở vật chất, đạn tên lửa và ngư lôi
Bồn nước dằn tàu: Nằm ở vị trí trước và sau của tàu ngầm. Giúp kiểm soát độ sâu của tàu bằng cách hút và xả nước. Qua đó có thể giúp tàu trồi lên hay lặn xuống một cách dễ dàng
Trung tâm điều khiển tấn công: Nơi điều phối hoạt động của hệ thống điều hướng, thông tin liên lạc, vũ khí. Là nơi chỉ đạo toàn bộ hoạt động của thuỷ thủ.
- Anten Sonar: Đặt ở vị trí mũi tàu, giúp tàu ngầm có thể phát hiện ra vật thể lạ bằng sóng SONAR (Sóng phản xạ).
- Hệ thống phóng tên lửa: Thế hệ tàu chiến hiện đại được trang bị để huỷ diệt các mục tiêu trên cạn
- Buồng chứa ngư lôi: Ngư lôi được trang bị sẵn sàng tấn công các mục tiêu trong trận hải chiến
- Cánh buồm: Phần nhô lên của thân tàu, bao gồm cột radar, anten truyền thông, kính viễn vọng
- Bánh lái: Được đặt theo dọc thân tàu giúp điều hướng trực tiếp
Hệ thống lọc: Nước biển sẽ được loại bỏ muối để dùng cho sinh hoạt và cấp cho động cơ.Dưỡng khí cũng được cung cấp bằng cách loại bỏ CO2 và tạp chất
Buồng thuỷ thủ: Khu vực sinh hoạt thường xuyên của thuỷ thủ đoàn bao gồm: Khu phòng riêng của sĩ quan; Phòng nghỉ ngơi sinh hoạt; Buffet; Bếp trên tàu; Phòng ăn của thủy thủ đoàn…
Trung tâm điều hành: điều khiển hoạt động của tuabin, máy phát, lò phản ứng
- Buồng động cơ: Chứa tuabin chính để điều khiển chân vịt, hệ thống thuỷ lực, máy nén khí và máy phát điện.
- Chân vịt: Được trang bị tuabin hơi và máy phát điện. Hơi nước được tạo ra bởi lò phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân: Được bảo bọc bởi lớp kim loại dày nặng gần 100 tấn. Bên trong còn được gia cố bởi lớp hợp kim chống phóng xạ. Một lò phản ứng gồm: thanh điều khiển, thanh nhiên liệu, vỏ lò, chất làm nguội, chất làm chậm, hệ thống tải nhiệt.
- Thanh điều khiển: thường là cần hình dạng ống xylanh, làm từ vật liệu có khả năng hấp thụ neutron cao như boron, cadmium hay thép không gỉ. Thanh điều khiển dùng để điều khiển phản ứng dây chuyền, làm thay đổi việc sử dụng nhiệt.
- Thanh nhiên liệu: trong đó nhiệt lượng phóng thích từ phản ứng phân hạch.-Vỏ lò: thường được thiết kế bằng những vật liệu an toàn, tránh sự phóng xạ gây thiệt hại.
- Chất làm nguội: chảy ngang qua lõi lò có thể truyền nhiệt tới máy tạo hơi nước để từ đó hơi nước có thể dùng trong một máy phát tua-bin để sản xuất điện năng.
- Hệ thống tải nhiệt: Có nhiệm vụ tải nhiệt lượng ra khởi vùng hoạt. Người ta có thể dùng chất tải nhiệt là nước thường, nước nặng, natri lỏng hay chì lỏng…
Cấu tạo hoạt động lò phản ứng nước áp lực PWR:
Sơ lược: Nhiệt sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân để đun sôi nước, tạo hơi đó rồi tới tua-bin phát điện. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân. Hạt nhân uranium và plutonium trong nhiên liệu bị neutron bắn phá, phân tách thành hai mảnh, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt cùng neutron mới. Những neutron mới này lại gây ra những phân hạch tiếp theo và như vậy tạo ra phản ứng dây chuyền.
Nước trong vòng tuần hoàn 1 (sơ cấp) được bơm luân chuyển qua lò phản ứng để chuyển tải ra lò hơi lượng nhiệt sinh ra trong lò. Do nước trong vòng tuần hoàn 1 có nhiệt độ lên đến 320 °C nên phải được giữ ở áp suất cao 16Mpa – khoảng 157 lần áp suất khí quyển để giữ nước luôn ở trạng thái lỏng (ngăn chặn nước bị sôi).
Áp suất được duy trì ổn định bởi hơi nước trong bộ điều áp (xem sơ đồ). Sau đó nước nóng có áp suất cao này được truyền tải vào bộ sinh hơi (lò hơi), tại đây nước của vòng tuần hoàn 2 được biến thành hơi nước có nhiệt độ cao và áp suất cao làm quay rotor các tổ máy tuabin phát điện. Vì vậy tạo ra dòng điện vận hành động cơ. Sau đó hơi được ngưng tự tạo thành dòng nước khép kíp và trở về bộ sinh hơi (nước vòng tuần hoàn 2). Việc sử dụng hệ thống có hai vòng tuần hoàn để tăng tính an toàn và cô lập vùng phóng xạ (trong vòng tuần hoàn 1).
Trong chế độ hoạt động thông thường, nhiệt năng từ lò phản ứng được truyền đến các tổ hợp khí nén hơi nước, hơi nước được đẩy vào các cánh quạt tua-bin, làm quay các cánh quạt và quay trục chính, động lực trục chính thông qua hộp giảm tốc truyền đến trục chân vịt và quay chân vịt. Trong chế độ hoạt động tiếng ồn thấp sơ đồ phức tạp hơn – hơi nước từ tổ hợp khí nén hơi nước được truyền vào trạm máy phát điện tua – bin hơi nước, cung cấp điện cho động cơ điện dẫn động quay trục chân vịt.
Hạm đội hải quân hạt nhân:
Nga đã đóng 248 tàu ngầm hạt nhân và 5 chiến hạm (cùng chín tàu phá băng) được vận hành bởi 468 lò phản ứng từ năm 1950 – 2003, và sau đó vận hành khoảng 60 chiến hạm hạt nhân.
Vào cuối Chiến tranh Lạnh năm 1989, có hơn 400 tàu ngầm hạt nhân đang hoạt động hoặc đang được đóng. Thế nhưng đã có ít nhất 300 trong số các tàu ngầm này đã bị tiêu huỷ hoặc hủy bỏ đơn hàng, do các chương trình cắt giảm vũ khí *. Nga và Hoa Kỳ đã từng có hơn 100 chiếc mỗi bên, với Anh và Pháp tầm trên dưới 20 chiếc và Trung Quốc 6 chiếc. Tổng số tàu ngầm hạt nhân ngày nay chỉ khoảng 120 chiếc, bao gồm cả những chiếc mới đưa vào hoạt động. Hầu hết (gần như tất cả) được vận hành bởi uranium làm giàu cao (HEU).
Ấn Độ ra mắt tàu ngầm hạt nhân đầu tiên vào năm 2009 mang tên Arihant SSBN ( SSBN – Dòng tàu ngầm tên lửa đạn đạo) có trọng tải 6000 tấn (dwt), sử dụng một PWR 85 MW duy nhất và cũng sử dụng Uranium làm giàu cao điều khiển Tuabin hơi 70 Megawatt. Kinh phí đóng tàu được cho là khoảng 2.9 tỷ USD và dự kiến đưa vào hoạt động năm 2016. Ngoài ra, một chiếc tàu ngầm hạt nhân khác cũng thuộc dòng Arihant SSBN nhưng có kích cỡ lớn hơn mang tên INS Aridaman đang được hoàn thành tại Trung tâm Đóng tàu ở Visakhapatnam. Dự kiến ra mắt năm nay 2018 và chính thức đưa vào hoạt động năm 2022. Với sự chấp thuận của chính phủ tháng 2/2015, sẽ có thêm 3 chiếc Arihant nữa dự kiến ra mắt năm 2023 cùng 6 chiếc SSBN kích cỡ gấp đôi lớp Arihant hiện tại, cộng thêm 6 chiếc tàu ngầm hạt nhân SSN (SSN – dòng tàu ngầm tấn công). Ấn Độ cũng đang cho thuê một tàu ngầm hạt nhân tấn công hạt nhân lớp Akula-II của Nga trong gần 10 năm kể từ năm 2010.
Mỹ luôn tự hào về tiềm lực Hải quân mạnh mẽ, và đại diện cho sức mạnh đó chính là các tàu sân bay hạt nhân , bên cạnh đó họ còn sở hữu tàu tuần dương hạt nhân (số lượng Mỹ: 9 chiếc vs Nga: 4 chiếc). Tính đến giữa năm 2010, Hoa Kỳ đã chế tạo được 219 tàu thuỷ hạt nhân . Tất cả tàu sân bay và tàu ngầm của Hoa Kỳ đều được vận hành bởi năng lượng hạt nhân.
Trong suốt quá trình 50 năm phát triển và vận hành, với hơn 6200 năm hoạt động của lò phản ứng tích luỹ (526 lõi lò phản ứng hạt nhân với tổng hành trình 240 triệu km), Mỹ không gặp bất kì sự cố hay tai nạn nghiêm trọng nào, thậm chí không có một sự cố phóng xạ đơn lẻ. Mỹ đang vận hành 81 tàu thuỷ hạt nhân (bao gồm 11 tàu sân bay, 70 tàu ngầm hạt nhân – 18 SSBN / SSGN, 52 SSN) với 92 lò phản ứng vào năm 2017. 10 tàu sân bay thuộc lớp Nimitz đang hoạt động (CVN 68-77), được thiết kế 50 năm vận hành liên tục và chỉ cần nạp nhiên liệu 1 lần trong nửa dòng đời. Lớp Gerald Ford- class (CVN 78) có thân tàu tương tự có hai lò phản ứng Bechtel A1B mạnh mẽ hơn và trang bị Hệ thống phóng máy bay bằng điện từ. Những chiếc tàu này có tuổi thọ dự kiến là 90 năm.
Hải quân Nga cũng đã vận hành 6500 năm hoạt động hàng hải của lò phản ứng lý tính đến 2015. Với khoảng 8 tàu ngầm chiến lược (SSBN / SSGN) đang hoạt động và 13 tàu ngầm tấn công hạt nhân (SSN) cùng với một số tàu ngầm diesel. Nga tuyên bố sẽ xây dựng 8 tàu ngầm SSBN hạt nhân mới trong kế hoạch đến năm 2015. Dự án tàu sân bay hạt nhân duy nhất của Nga đã bị hủy bỏ vào năm 1992. Ngoài ra, Nga sở hữu 1 tàu tuần dương hạt nhân đang hoạt động và ba tàu khác đang được đại tu. Năm 2012 Nga thông báo rằng tàu ngầm chiến lược thế hệ 3 sẽ có thời gian hoạt động phục vụ lâu dài, từ 25 đến 35 năm. Cùng năm đó, dự án siêu tàu ngầm hạt nhân được công bố, tàu này được thiết kế cho các nhiệm vụ nghiên cứu và cứu hộ. ( đóng tại xưởng đóng tàu Sevmash tại Severodvinsk, nơi chế tạo tàu ngầm hải quân Nga).
Trung Quốc có khoảng 12 tàu ngầm hạt nhân (6-8 SSN loại-93 Shang-class và loại 95, 4-5 SSBN loại-94 Jin-class và loại 96), và đã đóng thêm 21 chiếc nữa. th2 năm 2013, China Shipbuilding Industry Corp đã nhận được sự chấp thuận của nhà nước và tài trợ để bắt đầu nghiên cứu về công nghệ cốt lõi và an toàn cho tàu thuỷ hạt nhân.Tàu ngầm hạt nhân đầu tiên của Trung Quốc đã ngừng hoạt động vào năm 2013 sau gần 40 năm phục vụ.
Pháp có một 1 sân bay hạt nhân và 10 tàu ngầm hạt nhân (4 SSBN, 6 lớp Rubis SSN), với 6 chiếc SSN của Barracuda xuất hiện từ năm 2017. Anh có 12 tàu ngầm, tất cả đều là tàu ngầm hạt nhân (4 SSBN, 8 SSN).
Ưu điểm và triển vọng tương lai:
Như ta đã biết tàu thuỷ hạt nhân dùng năng lượng hạt nhân để sinh ra điện và dùng điện trong mọi hoạt động. Chúng được trang bị một lò phản ứng hạt nhân và có thể cung cấp điện cho motor điện nối với chân vịt hoặc sử dụng phản ứng tỏa nhiệt để sản xuất hơi nước, phục vụ cho việc quay turbine hơi. Lò phản ứng hạt nhân cũng có thể cung cấp nguồn cho các hệ thống ngầm khác, như là cân bằng dưỡng khí, sản xuất nước uống bằng việc bỏ muối từ nước biể̀n, điều chỉnh áp suất… Tất cả các lò của hải quân hiện tại đều vận hành với máy phát diesel và hệ thống khôi phục nguồn. Những động cơ này có khả năng cung cấp nguồn điện khẩn cấp phòng khi lò quá tải nhiệt, cũng như là đủ điện cung cấp cho bộ phận đẩy bằng cơ học.
Các lò phản ứng hạt nhân dùng vận hành tàu thuỷ là lò phản ứng nước áp lực, khác với các lò phản ứng thông thường ở một số điểm:
- Có thể cung cấp rất nhiều năng lượng từ một khối lượng rất nhỏ nhờ sử dụng uranium làm giàu cao U 235 (thường hơn 20%)
- Nhiên liệu không phải là Uranium dioxide mà là hợp kim uranium-zirconium hoặc uranium-alluminum hoặc hợp kim gốm
- Sở hữu “tuổi thọ” lâu dài, do đó chỉ cần tiếp nhiên liệu sau 10 năm trở lên. Với thế hệ mới, chúng được thiết kế đảm bảo hoạt động kéo dài 50 năm cho tàu sân bay hạt nhân và khoảng 30-40 năm (trên 1,5 triệu km) ở hầu hết các tàu ngầm hạt nhân.
- Thiết kế cho phép kích hoạt một bồn áp lực gọn nhẹ mà vẫn đảm bảo an toàn.
- Hiệu suất nhiệt ít hơn so với các nhà máy điện hạt nhân dân dụng vì cần phải có công suất đầu ra linh hoạt và các hạn chế về không gian cho hệ thống hơi nước.
- Không có boron hòa tan nào được sử dụng trong các lò phản ứng (ít nhất là ở Mỹ).
Để đối phó với nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng truyền thống và bảo vệ môi trường (sử dụng nhiên liệu nhiên liệu hóa thạch gây hiệu ứng nhà kính), ứng dụng năng lượng hạt nhân sẽ dần trở nên phổ biến với hàng không lẫn hàng hải quốc tế. Vấn đề an toàn đã được đặt ra và sau bao nhiêu năm vận hành, các tàu chạy bằng hạt nhân đã minh chứng được độ an toàn cao và đáng tin cậy. Qua đó có thể nhận thấy rằng tàu thủy hạt nhân sẽ là mối quan tâm sắp tới không chỉ riêng về quân sựmà còn là sẽ áp dụng cho các phương tiện giao thông đường thuỷ khác.
