Electrical systems in nuclear powered ships

Abstract

This thesis reviews current standard electrical system solutions in marine applications and studies if they could be used in future vessels utilising 4th generation nuclear reactors. Basics of marine electrical equipment, fuels and nuclear technology is briefly explained to help reader understand what each component’s function is. Introduction of electrical equipment is based on series hybrid solution with all the main equipment considered, such as switchboards and motor drives. Currently used fuels are compared to 4,3 % enriched nuclear fuel on surface level to understand interest in using nuclear power. Nuclear technology is discussed, and 4th generation reactors are compared, keeping in mind what could be the most suitable solution for marine use.

Thesis bases its propulsion solution and power to currently largest container vessel and upsizes the propulsion power to demonstrate imaginary nuclear vessel with 4th generation nuclear reactor referred as high power vessel. Electrical system is dimensioned for the high power vessel by available each equipment’s electrical limits, nominal current, short-circuit current and voltage. If current marine equipment cannot be used for high power vessel, possible solutions are studied.

Technical solutions on how to dimension the nuclear vessels electrical equipment are discussed with examples of current standard solutions and with possible uncommon solutions. Results of current equipment readiness to supply power in nuclear maritime application is discussed.

Tämä opinnäytetyö tarkastelee käytössä olevia sähköjärjestelmiä laivoissa ja arvioi niiden soveltuvuutta laivoihin, joissa käytetään neljännen sukupolven ydinreaktoreita. Työssä käsitellään lyhyesti laivasähköjärjestelmien, polttoaineiden sekä ydinteknologian perusteita, jotta lukija saa käsityksen eri komponenttien toiminnoista. Sähkölaitteiston komponentit perustuvat sarjahybridiin, huomioiden kaikki keskeiset järjestelmät, kuten kytkintaulut ja moottorikäytöt. Käytössä olevia polttoaineita verrataan 4,3 % rikastettuun uraaniin, tarkoituksena arvioida ydinvoiman vahvuuksia perinteisiin polttoaineisiin nähden. Työssä tarkastellaan ydinteknologian kehitystä ja vertaillaan neljännen sukupolven reaktoreita erityisesti meriliikenteen soveltuvuuden näkökulmasta, tavoitteena tunnistaa potentiaalisin ratkaisu merenkulun käyttöön.

Propulsioratkaisu ja teholaskelmat perustuvat nykyiseen suurimpaan konttialukseen, jonka propulsiotehoa kasvatetaan havainnollistamaan kuvitteellista, neljännen sukupolven ydinreaktorilla varustettua alusta, jota tässä työssä kutsutaan suuritehoalukseksi. Sähköjärjestelmä mitoitetaan suuritehoalukselle käytettävissä olevien laitteiden sähköisten rajojen, nimellisvirtojen, oikosulkuvirtojen sekä käyttöjännitteiden perusteella. Mikäli nykyiset laitteistot eivät täytä vaatimuksia, työssä tarkastellaan mahdollisia vaihtoehtoisia ratkaisuja hyödyntää nykyistä laitteistoa ydinlaivojen sähköjärjestelmänä.