Lịch sử hình thành tàu ngầm hạt nhân

Tàu ngầm 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 (42,5km/h), tốc độ trên mặt nước đạt 20 hải lý/h (37 km/h) đạt được vận tốc kỷ lục vào thời điểm đó.

Ảnh: Hạ thuỷ tàu ngầm nguyên tử Nautilus năm 1954, nguồn subguru​.

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.

Ảnh: Tàu ngầm hạt nhân dòng Typhoon của Nga​.

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

Cấu tạo cơ bản 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...

Ảnh: Đầu lò phản ứng hạt nhân của tàu ngầm. ​

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.

Cấu tạo lò phản ứng.

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.