Sức mạnh của tàu sân bay nằm ở những cỗ máy phát điện khổng lồ

Khi sống và hoạt động trên một cấu trúc khổng lồ chẳng khác nào một “thành phố nổi” bị cô lập giữa đại dương, bài toán hậu cần luôn là một thách thức lớn, từ tiếp tế nhu yếu phẩm đến việc vận hành kỹ thuật.

Việc tiếp nhiên liệu cho tàu sân bay cũng đặc biệt tốn kém. Một tàu sân bay chạy bằng động cơ thông thường như USS Kitty Hawk (nay đã ngừng hoạt động) tiêu thụ khoảng 700.000 thùng dầu mỗi năm. Với giá dầu khoảng 83,46 USD/thùng, chi phí nhiên liệu có thể vượt 58 triệu USD (khoảng 1.525 tỷ đồng) mỗi năm, tương đương hơn 160.000 USD mỗi ngày.

Nhiên liệu hóa thạch còn chiếm nhiều không gian lưu trữ trên tàu, trong khi quá trình vận chuyển và tiếp tế từ các tàu hỗ trợ làm gia tăng đáng kể chi phí và độ phức tạp về hậu cần.

Trong bối cảnh đó, năng lượng hạt nhân trở thành lựa chọn hấp dẫn hơn.

Các lò phản ứng hạt nhân có thể vận hành liên tục hơn 20 năm mà không cần tiếp nhiên liệu. Dù quá trình thay nhiên liệu cho lò phản ứng vẫn là một nhiệm vụ quy mô lớn, hệ thống này vẫn tiết kiệm không gian hơn đáng kể so với các tổ máy phát điện truyền thống cùng lượng nhiên liệu dự trữ đi kèm.

Tuy nhiên, sự xuất hiện của các hệ thống điện tử, radar và vũ khí hiện đại khiến nhu cầu năng lượng trên tàu sân bay ngày càng tăng cao, kéo theo yêu cầu về những lò phản ứng công suất lớn hơn. Vậy các hệ thống này hoạt động ra sao và đâu là những “ngốn điện” lớn nhất trên tàu?

Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

Theo nguyên lý cơ bản, lò phản ứng nước áp lực (PWR) hoạt động bằng cách phân hạch các nguyên tử uranium đã được làm giàu để tạo ra nhiệt năng.

Nước trong hệ thống được duy trì ở áp suất rất cao để không sôi dù ở nhiệt độ lớn. Dòng nước này đi qua lõi lò phản ứng, hấp thụ nhiệt rồi truyền sang bộ trao đổi nhiệt.

Tại đây, nhiệt lượng được chuyển sang một vòng tuần hoàn thứ cấp chứa nước áp suất thấp hơn. Nước ở vòng tuần hoàn này sôi và tạo hơi để làm quay tuabin. Các tuabin sau đó truyền động cho chân vịt hoặc máy phát điện nhằm cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống trên tàu.

Trong lò phản ứng, các thanh điều khiển có nhiệm vụ hấp thụ neutron dư thừa để điều chỉnh tốc độ phản ứng phân hạch, qua đó kiểm soát công suất đầu ra.

Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, hơi nước được ngưng tụ thành nước và đưa trở lại hệ thống, tạo thành một chu trình tuần hoàn khép kín.

Các lò phản ứng PWR được sử dụng phổ biến vì nước không sôi trực tiếp bên trong lõi lò phản ứng, giúp hệ thống vận hành ổn định hơn. Thiết kế này cũng giúp cô lập vật liệu phóng xạ bên trong vòng tuần hoàn sơ cấp, giảm nguy cơ rò rỉ và ô nhiễm.

Vì sao lò phản ứng trên tàu sân bay ngày càng lớn?

Nguyên nhân chính là nhu cầu điện năng trên các tàu sân bay hiện đại cao hơn rất nhiều so với trước đây.

Một tàu sân bay có thể mang theo từ 60-90 máy bay và hơn 4.000 thủy thủ, phi công cùng nhân viên kỹ thuật. Chỉ riêng nhu cầu sinh hoạt và vận hành cơ bản đã đòi hỏi lượng điện năng khổng lồ. Khi các công nghệ và vũ khí hiện đại được tích hợp, mức tiêu thụ điện tiếp tục gia tăng.

Ví dụ điển hình là hệ thống phóng máy bay điện từ EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System). Không giống các hệ thống cũ sử dụng hơi nước áp suất cao, EMALS dùng động cơ điện tuyến tính để tạo lực điện từ, giúp máy bay tăng tốc và cất cánh trên quãng đường ngắn của boong tàu.

EMALS cho phép kiểm soát tốc độ và gia tốc chính xác hơn, giảm áp lực lên cấu trúc máy bay và loại bỏ nhiều cơ cấu cơ khí cồng kềnh. Tuy nhiên, hệ thống này tiêu thụ điện năng lớn hơn đáng kể so với công nghệ phóng bằng hơi nước trước đây.

Ngoài EMALS, tàu sân bay hiện đại còn phải cung cấp điện cho hàng loạt hệ thống khác như radar, cảm biến, thang máy vận chuyển vũ khí, hệ thống hãm máy bay, điều hòa không khí, chiếu sáng và hệ thống khử muối nước biển.

Trên các tàu sân bay lớp Ford thế hệ mới, nguồn điện còn được tính toán để phục vụ các loại vũ khí năng lượng định hướng trong tương lai, chẳng hạn vũ khí laser công suất cao dùng để vô hiệu hóa máy bay không người lái.

Chính vì vậy, các tàu sân bay hiện đại cần những lò phản ứng hạt nhân có kích thước khổng lồ, với khoang máy lớn tương đương cả một tòa nhà.