Vysoké Učení Technické V Brně Brno University of Technology
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NUCLEAR FACILITIES IN TRANSPORT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS AUTOR PRÁCE NIKOLA BARTOŠEK AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE ING. LADISLAV SUK SUPERVISOR BRNO 2013 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Akademický rok: 2012/2013 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Nikola Bartošek který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Jaderná zařízení v dopravě v anglickém jazyce: Nuclear facilities in transport Stručná charakteristika problematiky úkolu: Seznámení se s problematikou jaderných zařízení v dopravě. Vypracování rešerše shrnující možnosti využití jaderného zařízení v různých odvětvích dopravy. Cíle bakalářské práce: 1.Popište historii jaderných zařízení (JZ)v dopravě. 2.Shrňte současné aplikace JZ v dopravě které jsou v provozu. 3.Popište pokročilé projekty JZ v dopravě. 4.Zhodnoťte možnosti dalšího vývoje odvětví. Seznam odborné literatury: Databáze technických článků ScienceDirect. Databáze publikací World Nuclear Association. Databáze publikací International Atomic Energi Agency. Vedoucí bakalářské práce: Ing. Ladislav Suk Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 20.11.2012 L.S. _______________________________ _______________________________ doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Ředitel ústavu Děkan fakulty JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK ABSTRAKT Bakalářská práce vytváří základní přehled použití jaderných zařízení v dopravě. Zaměřuje se na vývoj a aplikaci technologie. Na úvod je zmíněn stručný vývoj jaderné fyziky a hledání vhodných aplikací na počátku jaderného věku. Hlavní část práce se zabývá využitím ja- derných zařízení v námořní a vesmírné dopravě. Je pojednáno o typech reaktorů jaderných ponorek, hladinových válečných a civilních lodí. Je zmíněna problematika vyřazování z provozu a nakládání s jaderným zařízením po ukončení služby. Dále je popsána technologie radioizotopových a reaktorových článků. V poslední části je poukázáno na možnosti využití jaderných zařízení pro pohon tepelných a iontových motorů. KLÍČOVÁ SLOVA jaderný pohon, námořní reaktor, ponorka, letadlová loď, ledoborec, radioizotopový článek, termoelektrický, termionický, pulsní pohon, iontový pohon ABSTRACT Bachelor thesis summarizes a basic overview of the use of nuclear facilities in transport. It focuses on the development and application of technology. Brief introduction mentions the development of nuclear physics and the search for suitable applications at the beginning of the nuclear age. Main part deals with use of nuclear devices in maritime and space transport. It discusses the types of reactors used in nuclear submarines, navy and civil ships. The issues of decommissioning and dismantling nuclear vessels are mentioned. Next the technology of radioisotope and reactor generators is described. In the last part the possibilities of using nuclear power for thermal rockets and ion engines are pointed out. KEY WORDS nuclear propulsion, naval reactor, submarine, aircraft carrier, icebreaker, radioisotope generator, thermoelectric, thermionic, pulse propulsion, ion propulsion JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BARTOŠEK, N. Jaderná zařízení v dopravě. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 78 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Ladislav Suk. ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE Já, Nikola Bartošek, prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Jaderné zařízení v dopravě vypracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu. V Brně dne 24.5.2013 Nikola Bartošek JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK PODĚKOVÁNÍ V první řadě bych rád poděkoval vedoucímu práce Ing. Ladislavu Sukovi za ochotu, vstřícnost a čas věnovaný vedení bakalářské práce. Dále také rodině a přítelkyni, kteří mě v mém úsilí ustavičně podporovali. JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK OBSAH 1 ÚVOD........................................................................................................................7 2 HISTORICKÝ VÝVOJ................................................................................................9 2.1 OBJEV JADERNÉHO ŠTĚPENÍ.............................................................................9 2.1.1 STRUČNÝ CHRONOLOGICKÝ PŘEHLED UDÁLOSTÍ....................................9 2.2 POVÁLEČNÉ NADŠENÍ Z JADERNÉ ENERGIE......................................................10 2.2.1 NEUSKUTEČNĚNÉ VIZE POUŽITÍ ATOMOVÉHO POHONU V DOPRAVĚ........10 3 JZ V NÁMOŘNÍ DOPRAVĚ.....................................................................................14 3.1 JADERNÝ POHON VOJENSKÝCH PLAVIDEL........................................................14 3.1.1 PONORKY...........................................................................................14 3.1.2 HLADINOVÉ VÁLEČNÉ LOĎSTVO...........................................................27 3.2 CIVILNÍ NÁMOŘNICTVO....................................................................................29 3.2.1 OBCHODNÍ LODĚ................................................................................29 3.2.2 LEDOBORCE.......................................................................................32 3.3 VYŘAZOVÁNÍ PLAVIDEL Z PROVOZU A NAKLÁDÁNÍ S JADERNÝM ODPADEM..........36 3.3.1 DEMONTÁŽNÍ PROCEDURA JADERNÝCH PONOREK................................37 4 JZ VE VESMÍRU.....................................................................................................38 4.1 TRANSFORMACE TEPELNÉ ENERGIE NA ELEKTRICKOU......................................38 4.1.1 RADIOIZOTOPOVÉ TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY.....................................38 4.1.2 REAKTOROVÉ ČLÁNKY........................................................................40 4.1.3 DALŠÍ TYPY PŘEMĚN...........................................................................42 4.2 JZ JAKO POHON.............................................................................................43 4.2.1 TEPELNÝ POHON................................................................................44 4.2.2 PULSNÍ POHON...................................................................................46 4.2.3 IONTOVÝ POHON.................................................................................46 5 ZÁVĚR.....................................................................................................................50 6 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ............................................................................51 7 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK...........................................................................61 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ....................................................63 9 SEZNAM PŘÍLOH...................................................................................................65 10 PŘÍLOHA...............................................................................................................66 7 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK 1 ÚVOD Jaderná energie je v obecném povědomí většinou spojována s jadernými elektrárnami posky- tujícími elektřinu do rozvodné sítě. O využití jaderné energie k pohonu dopravních prostřed- ků je už slyšet méně. Je to dáno velmi úzkým zaměřením technologie a převážně armádními aplikacemi. Kvůli složité komplexní technologii a značné finanční náročnosti se vývojem v tomto oboru zabývá pouze několik nejvyspělejších zemí světa. Obecně je jaderného pohonu využíváno tam, kde je třeba překonávat dlouhé vzdá- lenosti bez možnosti doplnění paliva. Nejúspěšnější aplikace jsou v námořní dopravě a to převážně ve vojenské sféře v podobě nukleárně poháněných ponorek a letadlových lodí. Dále se jaderná energie úspěšně využívá pro pohon ruských ledoborců. Významnou roli hraje ja- derná energie i ve vesmírných misích, ať už jako pohon meziplanetárních sond a robotů nebo ve formě tepelného zdroje pro udržení funkčnosti elektrických přístrojů. Dnes jsou v zásadě používány dva základní typy zdrojů jaderné energie - jaderné reak- tory, ve kterých probíhají jaderné reakce ve formě štěpení těžkých jader, a radioizotpové články získávající energii z přirozeného rozpadu radioaktivních prvků. Energii z těchto zdrojů lze transformovat různými způsoby. V principu se převážně jedná o transformaci tepelné ener- gie zdroje na energii mechanickou nebo elektrickou, kterou poté zařízení dále podle potřeby transformuje. Druhá kapitola bakalářské práce stručně seznamuje s historickým vývojem jaderné fy- ziky a poskytuje čtenáři malý náhled do poválečné doby tzv. Atomového věku, ve kterém byla jaderná energie uvažována jako zdroj energie budoucnosti pro mnohé dopravní prostředky. Třetí kapitola popisuje konkrétní aplikace a vývoj námořních ponorkových reaktorů a reaktorů vojenských a civilních hladinových plavidel od počátku jejich působení. Dále je zmí- něna problematika vyřazování plavidel z provozu a následné způsoby nakládání s jadernými zařízeními po ukončení jejich aktivní služby. Čtvrtá kapitola se zabývá využitím jaderné energie v kosmických programech. Je po- psána technologie radioizotopových a reaktorových článků a zmíněny některé aplikace. Kromě termoelektrické přeměny