К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор — это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. Принцип действия ядерного реактора показан на рисунке 1.
Рис.1
Известно, что энергия, выделяемая при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сгорании 1500 тонн мазута. Сердцем ядерной установки является реактор: в нем осуществляется управляемая ядерная реакция, в результате которой образуется тепло, отводимое с помощью теплоносителя — воды. Радиоактивная вода-теплоноситель перекачивается в парогенератор, где за счет ее тепла происходит образование пара из не радиоактивной воды. Пар направляется на диски турбин, которые приводят во вращение турбогенераторы, работающие на гребные электродвигатели, а последние вращают гребные винты. Отработавший пар направляется в конденсатор, где он снова превращается в воду и нагнетается в парогенератор. Принцип действия атомной энергетической установки показан на рисунке 2.
Большое внимание уделяется безопасности эксплуатации ядерной установки, так как находящиеся на судне люди в какой-то мере подвержены опасности радиоактивного облучения, поэтому ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первичный экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм до 1095 мм, а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок. Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки.
Атомный ледокол «Ленин» практически с первых шагов хорошо зарекомендовал себя на трассах Северного морского пути как надежное средство обеспечения проводки караванов судов во льдах. Он колол не только льды, но и недоверие людей к новому виду морской энергетики. В 1964 г. было начато проектирование ядерной энергетической установки второго поколения. Первым с новой ядерной энергетической установкой начал эксплуатироваться а/л «Ленин» с 1970 г., а с 1975 г. а/л «Арктика», мощность машин которого была повышена до 75 тыс. л.с. Таких ледоколов было построено еще четыре. Все они двухреакторные. Позднее было построено еще два однореакторных атомных ледокола с ограниченной осадкой для работы в устьях сибирских рек. В общей сложности было построено 8 атомных ледоколов. В дополнение к ледоколам в 1988 г. был введен в эксплуатацию лихтеровоз ледового класса водоизмещением 61 тыс. т и мощностью машин 40 тыс. л.с. Предполагалось, что лихтеровоз можно будет вывести на международные трассы. Атомные ледоколы превратили Северный морской путь в нормально действующую магистраль с общим потоком грузов 6.8 млн. т в год. В западном секторе Арктики навигация стала круглогодичной. Были повышены и скорости проводки судов и безопасность, исключены случаи зимовки судов во льдах. Возможности атомных ледоколов демонстрируются ежегодными круизами туристов на ледоколах к Северному полюсу. Пока не получили развития транзитные перевозки грузов из Европы в Азию в два раза более коротким путем по сравнению с южными морями. Здесь из-за изменения ледовой обстановки колебания в доставке грузов могли достигать двух недель, что оказалось неприемлемым по коммерческим соображениям.
В настоящее время ядерные энергетические установки на 5 ледоколах выработали назначенный ресурс 100000 часов работы на мощности. В том числе на а/л «Ленин», который после 30 лет эксплуатации выведен из состава флота. У ледоколов предполагается продление ресурса ЯЭУ до 150000 часов. Мурманское морское пароходство подошло к решению этой задачи очень разумно. В ускоренную эксплуатацию был введен а/л «Арктика». Успешная работа его ЯЭУ в течение 160 000 часов подтверждает реальность ресурса установок 150 000 часов всех ледоколов, а для а/л «Арктика» установлен новый рубеж — 175000 часов При установленном ресурсе ЯЭУ 150000 часов число действующих ледоколов будет снижаться начиная с 2011 г., а в 2015 г. их останется всего два — «Ямал» и «50 лет Победы». Возможно оставить 3, если отремонтируют а/л «Сибирь». При условии продления ресурса до 175000 часов после 2019 г. останется в строю лишь 2 атомных ледокола. Даже если сейчас начнется проектирование новых атомных ледоколов (на уровне министерств решения об этом уже принимались, но средств не выделялось), то новые ледоколы войдут в состав флота не ранее 2015 г.
Сейчас грузооборот по Северному морскому пути в результате перестройки упал в 2-3 раза. Для обеспечения перевозки норильской руды, игарского леса, грузов Северного завоза достаточно 2-3 атомных ледоколов.
Атомную энергетику отличают от энергетики на органическом топливе два важнейших свойства: очень высокая концентрация энергии и выделение ее без потребления кислорода. Эти ее свойства позволяют иметь надводным и подводным морским кораблям и судам с атомными энергетическими установками характеристики, не достижимые при использовании органического топлива, а именно: возможность длительно работать на больших уровнях мощности без дозаправки топливом и захода в порты, а также работать под водой не всплывая на поверхность.
Суда с атомными энергетическими установками хорошо себя зарекомендовали в Арктике, где требуется длительная работа на больших мощностях в отрыве от портов. Даже в условиях предполагаемого потепления в Арктике, открывающего доступ к крупнейшим месторождениям углеводородов, необходимость ледокольного обеспечения на вновь открываемых трассах сохраняется. Атомная энергетика открывает и нетрадиционные технические решения добычи углеводородов — подводными и подледными комплексами. Она позволяет также приступить к детальной разведке минеральных богатств с высоким содержанием металлов в руде в виде различного вида конкреций и корок и освоению способов их добычи на глубинах 4-7 км комплексами, использующими ядерные энергетические установки. Крупнотоннажные и высокоскоростные атомные суда получат распространение только после того, как будет найдено более простое решение проблемы захода в порты: разгрузки на рейде или на удаленных от порта, являющегося как правило, крупным городом, терминалах, связанных подъездными путями с основными транспортными магистралями.