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原子力船舶推進とは、原子炉から供給される熱を利用して船舶や潜水艦を推進する方式である。発電所は水を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気でタービンを回し、ギアボックスまたは発電機とモーターを介して船のプロペラを回転させる。原子力推進は主に原子力潜水艦や超大型空母などの海軍艦艇で使用されている。少数の実験的な民間原子力船も建造されている。[ 1 ]
石油や石炭を燃料とする船舶と比較して、原子力推進は燃料補給までの運転間隔が非常に長いという利点がある。燃料はすべて原子炉内に収められているため、貨物や物資のスペースは燃料で占められず、排気筒や燃焼用空気取り入れ口もスペースを占めない。[ 2 ]ただし、燃料費が低い反面、運転コストとインフラへの投資が高いため、原子力船はほぼすべて軍用である。[ 2 ]
海軍の原子炉のほとんどは加圧水型だが、液体ナトリウム冷却原子炉の使用を試みた例がいくつかある。 [ 2 ]一次冷却水回路は、燃料中の核分裂によって発生した熱を蒸気発生器に伝達する。この水は沸騰しないように加圧されている。この回路は、約250 ～ 300 °C (482 ～ 572 °F)の温度で動作する 。一次冷却水中の放射性汚染は封じ込められる。水はポンプによって循環される。低出力レベルでは、潜水艦用に設計された原子炉は、ポンプによって発生する騒音を低減するために水の自然循環に頼ることがある。
原子炉からの温水は、蒸気発生器内の別の水回路を加熱します。その水は蒸気に変換され、蒸気乾燥器を通過して蒸気タービンに送られます。低圧の使用済み蒸気は、海水で冷却された凝縮器を通過して液体に戻ります。水は蒸気発生器にポンプで戻され、サイクルが続きます。このプロセスで失われた水は、蒸気発生器の給水に脱塩海水を加えることで補うことができます。 [ 3 ]
タービンでは、蒸気が膨張して圧力が低下し、そのエネルギーがタービンの回転ブレードに伝達されます。回転ブレードと固定ガイドベーンは複数段ある場合があります。タービンの出力軸は減速機に接続され、回転速度を減速した後、シャフトが船舶のプロペラに接続されます。別の駆動方式では、タービンが発電機を回転させ、生成された電力が船舶のプロペラ用の1つまたは複数の駆動モーターに供給されます。ロシア、米国、および英国海軍は直接蒸気タービン推進方式を採用していますが、フランスと中国の船舶はタービンを使用して推進用の電力を生成しています（ターボ電気推進）。
原子力潜水艦の中には原子炉を1基しか搭載していないものもあるが、ロシアの潜水艦は2基搭載しており、USSトリトン もそうだった。アメリカの航空母艦のほとんどは2基の原子炉で動いているが、 USSエンタープライズは 8基搭載していた。船舶用原子炉の大部分は加圧水型だが、アメリカ海軍とソ連海軍は液体金属冷却原子炉を搭載した軍艦を設計したこともある。
海洋型原子炉は、陸上の商用発電用原子炉とはいくつかの点で異なる。
陸上原子力発電所の原子炉は最大で約 1600 メガワットの正味電力（EPRの定格容量）を生成するのに対し、一般的な船舶推進用原子炉は数百メガワットしか生成しません。小型モジュール式原子炉(SMR) の中には、容量や設計上の考慮事項において船舶推進用原子炉と類似しているものがあり、そのため原子力船舶推進 (民間用か軍事用かを問わず) は、SMR の新たな市場ニッチとして提案されることがあります。ブルース原子力発電所のような施設が数百ヘクタールを占めることができる陸上用途とは異なり、海上では限られたスペースのため、船舶用原子炉は物理的に小さくなければならず、単位面積あたりの出力を高くする必要があります。これは、その構成要素が陸上原子炉よりも大きなストレスにさらされることを意味します。その機械システムは、荒れた海を航行する船舶の振動やピッチング、ローリングなど、海上で遭遇する悪条件の下で完璧に動作しなければなりません。原子炉の停止機構は、常に直立状態を保つ陸上原子炉のように、重力に頼って制御棒を所定の位置に落とすことはできない。さらに、塩水腐食という問題もメンテナンスを複雑化させる。
海上原子炉の炉心は発電用原子炉よりもはるかに小さいため、中性子が遮蔽材に逃げる前に核分裂性原子核と衝突する確率ははるかに低くなります。そのため、燃料は通常、陸上原子力発電所で使用されるものよりも高濃縮（つまり、238 U よりも235 U の濃度が高い）であり、持続的な反応が起こるレベルまで核分裂の確率が高まります。一部の海洋原子炉は比較的低濃縮ウランで稼働しており、より頻繁な燃料交換が必要です。その他は、 235 U が20% から米国の潜水艦で見られる96% 以上235 U まで変化する高濃縮ウランで稼働しており[ 4 ]、その結果として炉心が小さくなり、運転音が静かになります（潜水艦にとって大きな利点です）。[ 5 ]より高濃縮の燃料を使用すると、原子炉の出力密度が増加し、核燃料装荷の使用可能寿命が延びますが、より低濃縮の燃料よりも高価で、核拡散のリスクも高くなります。 [ 6 ]
海洋原子力推進プラントは、高い信頼性と自給自足性を備え、最小限のメンテナンスと修理で済むように設計されなければなりません。メンテナンスと修理は、母港から何千マイルも離れた場所で行わなければならない場合もあります。海上原子炉の燃料要素を設計する際の技術的な難しさの一つは、大量の放射線損傷に耐えられる燃料要素を作ることです。燃料要素は時間の経過とともにひび割れたり、気泡が発生したりすることがあります。海洋原子炉で使用される燃料は、陸上原子炉でよく使用されるセラミックのUO₂（二酸化ウラン）ではなく、金属ジルコニウム合金です。海洋原子炉は、ウランの濃縮度が比較的高いことと、燃料要素に「可燃性毒物」を組み込むことによって、炉心寿命が長くなるように設計されています。この「可燃性毒物」は、燃料要素が経年劣化して反応性が低下するにつれて徐々に減少します。「核毒物」の緩やかな減少は、炉心の反応性を高め、経年劣化する燃料要素の反応性の低下を補い、燃料の使用可能寿命を延ばします。小型原子炉圧力容器には内部中性子遮蔽板が設けられており、これにより継続的な中性子照射による鋼材への損傷を軽減する。
原子力潜水艦の廃止は、米国とロシアの海軍にとって大きな課題となっている。[ 7 ]燃料抜き取り後、米国の慣行では、原子炉部分を艦から切り離し、低レベル放射性廃棄物として浅い陸上に埋めて処分する（艦船・潜水艦リサイクルプログラムを参照）。[ 8 ]ロシアでは、艦全体または密閉された原子炉部分は通常、海上に保管されたままになっているが、サイダ湾近くの新しい施設では、極北にある一部の潜水艦を陸上のコンクリート床施設に保管する予定である。
ロシアは極東地域向けに浮体式原子力発電所を建設した。この発電所は、砕氷船に使用されているKLT-40型原子炉をベースにした35MWe級の原子炉2基で構成されており、燃料交換は4年ごとに行われる。ロシア海軍の艦艇の一部は、極東やシベリアの僻地の町々に家庭用および産業用の電力を供給するために使用されている。
2010年、ロイズ・レジスターは民間原子力船舶推進の可能性を調査し、規則案を書き換えていた（商船の項を参照）。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
原子力船の保険は、従来の船舶の保険とは異なります。事故の影響は国境を越える可能性があり、損害の規模は民間保険会社の能力を超えています。[ 12 ] 1962年に策定された原子力船運航者の責任に関するブリュッセル条約という特別な国際協定は、署名国の政府に自国の旗を掲げる原子力船による事故に対する責任を負わせるものでしたが[ 13 ] 、軍艦を条約に含めるかどうかの意見の相違により批准されませんでした。[ 14 ]米国の管轄下にある原子炉は、プライス・アンダーソン法の規定により保険がかけられています。
1990年までに、世界中の商業発電所で発電している原子炉よりも、船舶（主に軍用）に動力を供給する原子炉の数の方が多かった。[ 15 ]
アメリカ海軍大佐（後に提督）ハイマン・G・リッコーバー[ 16 ]の指揮の下、原子力船舶推進プラントの設計、開発、製造は1940年代にアメリカで始まった。最初のプロトタイプ海軍原子炉は、 1953年にアイダホ州の国立原子炉試験場（現在はアイダホ国立研究所と呼ばれている）の海軍原子炉施設で建設され、試験された。
最初の原子力潜水艦であるUSSノーチラス（SSN-571） は1955年に就役した（SSは米国の潜水艦の伝統的な船体分類記号であり、SSNは最初の「原子力」潜水艦を意味していた）。[ 17 ]
ソビエト連邦は原子力潜水艦も開発した。最初に開発されたのはプロジェクト627型で、NATOではノベンバー級と呼ばれ、水冷式原子炉を2基搭載していた。その1番艦であるK-3レニンスキー・コムソモールは1958年に原子力で航行を開始した。[ 18 ]
原子力は潜水艦に革命をもたらし、潜水艦を、限られた時間しか水中にとどまることができない「潜水艇」ではなく、真の「水中」の船舶へと変えた。原子力は潜水艦に、水上艦艇に匹敵する高速で、乗組員の体力だけを頼りに無制限に潜航できる能力を与えた。これを実証するために、USSトリトン は1960年に潜航による地球一周航海（サンドブラスト作戦）を初めて実行した艦艇となった。 [ 19 ]
加圧水型原子炉（PWR）を搭載したノーチラス号は、 USSシーウルフ号 の独特な液体金属冷却（ナトリウム）原子炉や、トリトン号の2基の原子炉など、他の潜水艦の並行開発につながり、その後、単一原子炉を動力源とするスケート級潜水艦や、1961年に建造された2基の原子炉を動力源とする巡洋艦USSロングビーチ などが誕生した。
By 1962, the United States Navy had 26 operational nuclear submarines and another 30 under construction. Nuclear power had revolutionized the Navy. The United States shared its technology with the United Kingdom, while French, Soviet, Indian and Chinese development proceeded separately.
After the Skate-class vessels, U.S. submarines were powered by a series of standardized, single-reactor designs built by Westinghouse and General Electric. Rolls-Royce plc built similar units for Royal Navy submarines, eventually developing a modified version of their own, the PWR2.
The largest nuclear submarines ever built are the 26,500 tonne Russian Typhoon class. The smallest nuclear warships to date are the 2,700 tonne French Rubis-class attack submarines. The U.S. Navy operated an unarmed nuclear submarine, the NR-1 Deep Submergence Craft, between 1969 and 2008, which was not a combat vessel but was the smallest nuclear-powered submarine at 400 tons.
The United States and France have built nuclear aircraft carriers.
The sole French nuclear aircraft carrier example is Charles de Gaulle, commissioned in 2001 (a successor is planned).[20]
The French carrier is equipped with catapults and arresters. The Charles de Gaulle has 42,000 tonnes, is the flagship of the French Navy (Marine Nationale). The ship carries a complement of Dassault Rafale M and E‑2C Hawkeye aircraft, EC725 Caracal and AS532 Cougar helicopters for combat search and rescue, as well as modern electronics and Aster missiles.[21]
The United States Navy operates 11 carriers, all nuclear-powered:[22]
ソ連の航空母艦ウリヤノフスクの建造は1988年に開始されたが、ソ連崩壊後の1991年に中止された。
キーロフ級（ソ連の呼称「プロジェクト1144 オルラン」（海の鷲））は、ソ連海軍およびロシア海軍の原子力誘導ミサイル巡洋艦の級であり、世界で運用されている水上戦闘艦（空母、強襲揚陸艦、潜水艦を除く）の中で最大かつ最重量である。現代の軍艦の中では、大型空母に次ぐ大きさであり、第二次世界大戦時代の戦艦と同程度の大きさである。ソ連における艦種の分類は「重原子力誘導ミサイル巡洋艦」（ロシア語: тяжёлый атомный ракетный крейсер ）である。西側の防衛評論家は、その大きさや外観から、これらの艦を巡洋戦艦と呼ぶことが多い。 [ 24 ]
アメリカ海軍はかつて、艦隊の一部として原子力巡洋艦を保有していた。そのような最初の艦はUSSロングビーチ（CGN-9）であった。1961年に就役した同艦は、世界初の原子力水上戦闘艦であった。[ 25 ] 1年後にはUSSベインブリッジ（DLGN-25）が続いた。ロングビーチは巡洋艦として設計・建造されたが、[ 26 ]ベインブリッジはフリゲート艦として建造された。ただし、当時海軍は「DLGN」を「駆逐艦リーダー、誘導ミサイル、原子力」の船体コードとして使用していた。[ 27 ]
アメリカが最後に建造した原子力巡洋艦は、バージニア級4隻だった。USSバージニア（CGN-38）は1976年に就役し、続いてUSSテキサス（ CGN - 39 ） が1977 年に、USSミシシッピ（CGN-40） が1978年に、そして最後にUSSアーカンソー（CGN-41）が 1980年に就役した。最終的に、これらの艦艇はすべて維持費が高すぎることが判明し[ 28 ]、1993年から1999年の間にすべて退役した。
SSV-33 ウラル ( ССВ-33 Урал ; NATO 報告名:カプスタ[ロシア語で「キャベツ」]) は、ソ連海軍が運用した指揮統制艦である。SSV -33の船体は、原子力推進のキーロフ級巡洋戦艦の船体をベースにしている。 [ 29 ] SSV-33 は、電子情報収集、ミサイル追跡、宇宙追跡、通信中継などの任務に従事した。運用コストが高かったため、 SSV-33 は係留された。 [ 29 ]
SSV-33は軽武装のみを搭載していた。具体的には、AK-176 76mm砲2門、AK-630 30mm砲4門、そしてイグラミサイル4連装砲4基である。
ポセイドン（ロシア語: Посейдон、「ポセイドン」、NATO 報告名Kanyon）は、以前はロシアのコードネームStatus-6（ロシア語: Статус -6 ）として知られていた、ルービン設計局が開発中の原子力推進・核武装無人潜水艇で、通常弾頭と核弾頭の両方を搭載できる。ロシア国営テレビによると、敵の海軍港や沿岸都市に対して、最大 200メガトンの熱核コバルト爆弾（これまで爆発した中で最も強力な爆弾であるツァーリ・ボンバの 4 倍の威力、理論上の最大出力の 2 倍）を投下できるという。[ 30 ]
以下は、現在または過去に商業用または民間用として使用され、原子力推進機関を搭載した船舶です。
原子力を動力とする民間商船は、数隻の実験船を除いて発展していない。1962年に完成した米国製のNSサバンナは 、主に民生用原子力発電の実証を目的としたもので、商船として経済的に運航するには小さすぎ、費用も高すぎた。設計は妥協の産物であり、効率的な貨物船でもなければ、実用的な客船でもなかった。1968年に完成したドイツ製のオットー・ハーンは、貨物船兼研究施設で、10年間で126回の航海を行い、約65万海里（120万キロメートル）を技術的な問題なく航行した。しかし、運航費用が高すぎることが判明し、ディーゼルに改造された。1972年に完成した日本のむつは、技術的および政治的な問題に悩まされた。原子炉から放射能漏れが深刻で、漁師たちが船の運航に抗議した。これら3隻の船はいずれも低濃縮ウランを使用していた。ソ連、後にロシアの砕氷能力を持つLASH空母であるセヴモルプットは、 1988年の就役以来、北極海航路で成功裏に運用されてきた。2021年現在 これは、現在運航されている唯一の原子力商船である。
民間原子力船は、特殊なインフラ整備にかかるコストに悩まされている。サバンナ号は、専用の原子力陸上スタッフと整備施設を使用する唯一の船舶であったため、運用コストが高額だった。船隊規模を拡大すれば、より多くの船舶で固定費を分担できるため、運用コストを削減できる。
それにもかかわらず、原子力推進への関心は依然として高い。2010年11月、英国海事技術協会とロイズ・レジスターは、米国に拠点を置くハイペリオン・パワー・ジェネレーション（現ジェン4エナジー）とギリシャの船舶運航会社エンタープライズ・シッピング・アンド・トレーディングSAと共同で、小型モジュール式原子炉の実用的な海上用途を調査する2年間の研究に着手した。この研究は、ハイペリオンの70MWt原子炉をベースとしたタンカー船のコンセプト設計を作成することを目的としていた。ロイズ・レジスターは、加盟企業の原子力推進への関心に応え、陸上規制当局によって認証された原子炉を船体の他の部分と統合することに関する原子力船の「規則」も改訂した。規則制定プロセスの全体的な根拠は、設計者/建造者が規制要件への準拠を実証するのが一般的である現在の海事産業の慣行とは対照的に、将来的には原子力規制当局は、設計および建造による安全性に加えて、原子力発電所の運営者が運転中の安全性を実証することを確実にしたいと考えるだろうという前提に基づいている。原子力船は現在、それぞれの国の責任で運用されていますが、国際貿易には関与していません。この研究の結果、2014年にロイズ・レジスターとこのコンソーシアムの他のメンバーによって、商用原子力船舶推進に関する2つの論文が発表されました。[ 10 ] [ 11 ]これらの出版物では、船舶原子力推進の分野における過去および最近の研究を概説し、従来の船体形状をベースとした155,000 DWTスエズマックスタンカーの予備的な概念設計研究について説明しています。このタンカーは、最大連続定格で最大23.5 MWの軸出力（平均：9.75 MW）を提供する70 MWtの原子力推進プラントを収容するための代替配置を備えています。Gen4Energyの電力モジュールが検討されています。これは、鉛ビスマス共晶冷却を使用する小型の高速中性子炉で、燃料交換前に10年間フルパワーで運転でき、船舶の25年間の運用寿命の間、稼働し続けることができます。彼らは、この構想は実現可能であると結論づけているが、実現可能となるには、原子力技術のさらなる成熟と、規制枠組みの開発および調和が必要であるとしている。
世界の温室効果ガス排出量の3～4％を占める海上輸送の脱炭素化の流れの中で、原子力推進が再び提案されている。 [ 31 ]
2023年12月、中国船舶工業集団公司傘下の江南造船所は、上海で開催された一流の海事産業展示会であるマリンテック・チャイナ2023で、 24,000 TEU級コンテナ船（KUN-24APとして知られる）の設計を正式に発表した。このコンテナ船はトリウムをベースとした溶融塩炉で動くと報じられており、トリウムを動力源とする初のコンテナ船となり、完成すれば世界最大の原子力コンテナ船となる。[ 32 ]比較のために、2025年時点で最大のコンテナ船は24,346 TEUを積載できる。
原子力推進は、ソ連時代、そして後にロシアの北極圏において、原子力砕氷船にとって技術的にも経済的にも実現可能であることが証明されている。原子力船は燃料補給なしで何年も運航でき、砕氷作業に適した強力なエンジンを搭載している。
ソ連の砕氷船レーニンは、1959年に世界初の原子力水上船として就役し、30年間運用された（1970年に新しい原子炉が設置された）。これにより、1975年から就役した23,500トンのアルクティカ級砕氷船6隻からなる一連の大型砕氷船が誕生した。これらの船は2基の原子炉を備え、北極海の深海で使用されている。NSアルクティカは、北極点に到達した最初の水上船である。[ 33 ]
河口や河川などの浅水域で使用するために、浅喫水のタイミル級砕氷船がフィンランドで建造され、その後ロシアで単一原子炉の原子力推進システムが搭載された。これらは原子力船舶の国際安全基準に適合するように建造された。[ 34 ]
原子力砕氷船はすべてソビエト連邦またはロシアによって建造されたものである。