Doğal Dolaşım
Çarşamba, 31 Ağustos 2022

Denizaltılar üzerinde nükleer tahrik sistemlerinin kullanılmaya başlanmasıyla oluşan yarış ortamında taraflar birkaç önemli noktanın geliştirilmesi üzerine özellikle odaklandılar; güç-ağırlık ve güç-hacim oranlarının iyileştirilmesi, güvenliğin artırılması, izlerin; öncelikle gürültünün azaltılması. Bunlardan üçüncüsü açısından en önemli seviye atlaması ise 1969'da ABD donanmasına teslim edilen 671 borda numaralı Narwhal adlı türünün tek örneği denizaltı [Resim.4] vasıtasıyla gerçekleştirmiştir.

Söz konusu denizaltı 1997'de Seawolf hizmete girene kadar tam 28 yıl boyunca ve üstelik kendisinden çok sonra inşa edilen nükleer denizaltılara karşı (bir ihtimâl Ohio sınıfı hâriç) bile açık bir akustik üstünlük sağlamıştır ve bu sebeple de 1999'da hizmet dışına çıkarılana kadar Akustik İstihbârat görevlerinde kullanılmıştır.

Akış ve sevk sistemi kaynaklı gürültüler şimdilik bir taraf bırakılırsa bir nükleer denizaltının gürültüsünü azaltabilmenin yolu tahrik sistemini sessizleştirmekten geçer. Nükleer tahrik sistemi kaynaklı gürültülerin en güçlü iki bileşeni ise:

  1. Soğutucu akışkanın dolaşımı için kullanılan tulumbalar,
  2. Buhar türbinlerini pervaneye bağlayan dişlikutuları,
olarak kolayca sıralanabilir. İşte Narwhal bu iki etkeni tek seferde ortadan kaldırmak üzere tasarlanmış ve inşa edilmiş bir denizaltıdır.

Önce ikinci maddeye değinirsek, Narwhal için; dişlikutusunu ortadan kaldırıp tek bir yüksek güçlü motoru doğrudan (itiş yatağı üzerinden) pervane miline bağlayabilmek amacıyla, 5.000tonluk bir denizaltı için oldukça büyük boyutlarda; 3,65m çapında ve 9,15m uzunluğunda, 17.000shp gücünde, düşük-basınç yüksek-tork bir buhar türbini kullanılmıştır ama buhar türbinleri buradaki kapsamın dışında olduğundan şimdilik atlayıp asıl konu olan, birinci maddeye gelebiliriz.

Basınçlı su soğutmalı birinci ve ikinci nesil bütün nükleer denizaltılar Zorlanmış Dolaşım temelli bir soğutma sistemine sahiptir. Daha açık bir şekilde ifâde etmek gerekirse; birinci devre üzerinde taşınan ve reaktör çekirdeğindeki ısıyı ikinci devreye aktarabilmek için buhar kazanına nakleden ve bunu yaparken de rektör çekirdeğini soğutarak kararlılığını sağlayan akışkanın (burada bahsi geçen denizaltıların reaktörleri için tatlı su) hareketi birden fazla sayıdaki çok güçlü tulumbalar vasıtasıyla sağlanır ve bu tulumbalar (üstelik zaman değişkenine göre de artan şekilde) büyük bir gürültü kaynağı oluştururlar.

Doğal Dolaşım

Resim.1) Bir Doğal Dolaşım taslağı. Bu denklemde "z" en önemli değişkendir ve bir denizaltıda yeterli doğal dolaşım yükünü sağlayabilmek doğrudan mukavim tekne çapını belirleyen ve bütün tasarımı kökünden etkileyen bir husustur. Özet olarak; buhar kazanı reaktör çekirdeğinden ne kadar yükseğe yerleştirilebilirse kazanç o kadar artar. Böyle bir devreyi işletecek tahrik yükü temel olarak biraz aşağıdaki [denklem.1] deki gibi hesaplanır.


1960'lara gelindiğinde Zorlanmış Dolaşım temeline dayanan mevcut reaktör 1.devre tasarımlarını iyileştirerek ciddi bir akustik üstünlük yakalamak isteyen mühendisler Doğal Dolaşım yönteminin denizaltılara uygulanabilirliği üzerinde çalışmaya başladılar. Aslında bu yöntem daha güvenli nükleer reaktör hedefinde; reaktör merkezi ile buhar kazanı merkezi arasında ~12m seviye farkı sağlanarak kara reaktörleri için geliştirilmiş bulunan bir yöntemdi ama bir denizaltı mukavim teknesinin sınırlı boyutları içinde aynı yöntemi uygulamak hiç kolay değildi.


$$ \Large tahrik = (\rho _{soguk} - \rho _{sicak}) \cdotp z \cdotp g \quad\quad\quad (1) $$


Doğal Dolaşım; akışkanın sıcaklık farkından kaynaklanan yoğunluk değişimini tahrik unsuru olarak kullanan bir kendinden devirdaim sistemidir. Devre üzerinde arıza yapabilecek bir tulumba mevcut olmadığından daha gürültüsüz olmasının yanında güvenlik de azami seviyededir. Bir akışkan devresi üzerinde doğal dolaşımın oluşabilmesi bâzı şartların sağlanması kesinlikle gereklidir:

  1. Yerçekimi ivmesi veya başka türde bir ivme veya merkezkaç kuvvetinin mevcudiyeti.
  2. Devre üzerinde ısıverici ve ısıalıcının aynı anda mevcudiyeti.
  3. Devre geometrisinin uygunluğu ve yeterliliği.

Bu yöndeki bilinen ilk gelişme ABD tarafından gerçekleştirildi ve ortaya konan kavramın denenerek kendini ispatlaması için yeni bir kara konuşlu denizaltı tahrik sistemi daha 1960'larda NRF adlı arge merkezinde [Resim.2 ve 3] inşa edildi.

S5G Reaktör Tesisi

Resim.2) Geliştirilen ilk Doğal Dolaşım denizaltı nükleer reaktörü olan S5G'nin denenmesi ve mürettebatın eğitilmesi için ABD'de 1960'larda karada inşa edilen rektör tesisinin içi.
Görülüğü gibi benzetilmiş denizaltı tahrik sistemi bir havuzun içinde yüzer vaziyette ki böylece denizaltı keskin dönüşlerde bayıldığında, yerçekimi ivmesi tarafından işletilen Doğal Dolaşım yeteneğinin nasıl ve ne seviyede etkileneceği de güvenli bir şekilde incelenebilmiş ve gerekli iyileştirmeler yapılabilmiştir.


S5G'nin ilk ve tek uygulaması ise yukarıda da bahsi geçtiği üzere 1969'da donanmaya teslim edilen Narwhal denizaltısı oldu. Söz konusu tahrik sisteminin denizaltıya sığdırılabilmesi için 11,6m çapında bir mukavim tekne gerekmiştir ki bu çap kendinden önceki ve sonraki (Seawolf'a kadar) gringo nükleer hücum denizaltılarını çapından daha büyüktür. Bu ihtiyacın sebebi ise yukarıda açıklanmıştı. Narwhal tahrik sisteminin azami gücün yaklaşık %75-80'ine kadar Doğal Dolaşım ile işletilebildiğini düşünülmektedir.

Narwhal'dan çok daha sonra 1976'dan itibâren hizmete girmeye başlayan Los Angeles sınıfı nükleer denizaltılarda, bu tasarımın 10m gövde çapına sahip olması sebebiyle, S5G türevi bir tahrik sistemi uygulanamamıştır. Los Angeles üzerinde kullanılan S6G'in ise ancak azami gücün %15'i seviyesinde bir doğal dolaşım yeteneğine sahip olduğu, takip eden geliştirilmiş Los Angeles türevinde ise ~%30'a ulaşılabildiği tahmin edilmektedir.

Diğer taraftan doğrudan S5G'den türetilen S8G ile tahrik edilen 12,8m çapında mukavim tekneye sahip Ohio sınıfı balistik füze denizaltıları son derece sessiz olmalarını öncelikle yüksek seviyedeki (muhtemelen ~%75) doğal dolaşım yeteneğine borçludur. Takip eden dördüncü nesil (ABD, Rusya, İngiltere ve Fransa) bütün nükleer denizaltılarda yüksek seviyede doğal dolaşım yeteneği mevcuttur, en 3/4 oranında doğal dolaşıma sahip olmayan denizaltılar 4.nesil olarak tanımlanamaz.

NRF Deniz Reaktörü Tesisi

Resim.3) ABD'nin kara konuşlu deniz reaktörü tesislerinden biri olan NRF1 ve bu tesiste bulunan muhtelif reaktör birimlerinden buraya konu olan S5G doğal dolaşım nükleer tahrik sistemi binası. İç görüntü için [Resim.2]


İngiliz nükleer denizaltılarının doğal dolaşım yeteneği ve seviyesi doğrudan ABD tarafından sağlanan teknoloji transferinin sonucu olarak paralele bir şekilde ilerlemektedir. İlk Fransız çözümü ise 1990'larda geliştirilen Le Triomphant sınıfı balistik füze denizaltıları üzerindeki K15 tahrik sistemi ile ortaya çıkmıştır.

Son olarak Ruslar'dan bahsetmek gerekirse; ABD'nin yaklaşık 10 sene gerisinden gelerek, ilk Sovyet çözümü 1975'de inşa edilen kara tesisinde denendikten birkaç sene sonra denizaltılara uygulanmaya başlanan OK-650-B temelli tahrik sistemleridir ki %30'u seviyesinde bir doğal dolaşım yeteneği sunmaktadır ve bu da Sovyet/Rus nükleer hücum denizaltılarına ~7-9mil civarında bir taktik sürat sağlayabilmiştir. Yakın dönemde inşa edilen bütün Rus nükleer denizaltılarında ise en az %75 seviyesinde doğal dolaşım yeteneği olduğu düşünülmektedir.

SSN 671

Resim.4) Doğal Akım nükleer reaktörlerinin denizdeki ilk örneğini taşıyan ve 1969'da ABD donanmasına teslim edilen Narwhal / SSN 671.


Son olarak daha yeni oyunculardan da kısaca bahsetmek gerekirse; mevcut Çin nükleer denizaltılarında, Hint denizaltılarında ve sürmekte olan Brezilya projesinde kayda değer seviyede bir doğal dolaşım yeteneği olduğu/olacağı yönünde bir gösterge henüz mevcut değildir.
Fırsat olursa, doğal dolaşımı biraz da HAD yaklaşımı ile almak belki düşünülebilir...

♦ Açıklamalar

1. NRF: Naval Reactor Facility / Donanma Reaktör Tesisi. [geri]

♦ Kaynaklar

1. Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants, 2005, IAEA
2. Nuclear Naval Propulsion, 2011,Magdi Ragheb
3. Корабельные атомные энергетические установки, ?, И.Г. ЗАХАРОВ - Я.Д. АРЕФЬЕВ - Н.А. ВОРОНОВИЧ - О.Ю. ЛЕЙКИН
4. https://www.globalsecurity.org
5. https://www.thermal-engineering.org
 
Telif Hakkı © 1997-2022 [uskudar.biz]
- sürüm 6.0.0 - Bütün Hakları Saklıdır.
Kullanım şartları için tıklayın!