Tàu ngầm nguyên tử lặn dưới nước như thế nào

Tàu ngầm nguyên tử là một ứng dụng đáng kể nhất về quân sự của năng lượng hạt nhân. Vì dùng năng lượng hạt nhân tàu ngầm nguyên tử có thể lặn dưới nước hàng tháng trời. 

Tiến trình của tàu ngầm nguyên tử

Tàu ngầm có từ thế kỷ thứ 19. Trong Thế Chiến Thứ 2 tàu ngầm U boat của Đức Quốc xã đã gây kinh hoàng cho tàu bè trên Đại Tây Dương. Nhưng những tàu ngầm đó chạy bằng dầu cặn có tầm hoạt động rất giới hạn.

Bắt đầu từ thập niên 1940, Hoa Kỳ bắt đầu nghiên cứu việc dùng năng lượng hạt nhân cho tàu bè. Tàu ngầm nguyên tử đầu tiên được hạ thủy vào năm 1955. Đó là tàu ngầm nguyên tử Nautilus. Vì tàu ngầm nguyên tử vượt trội hơn tàu ngầm thường nên Nautilus đã làm đảo lộn chiến lược về quân sự trên thế giới. Đến năm 1962 Hoa Kỳ đã có 26 tàu ngầm nguyên tử. Bây giờ thì có tới 68 tàu trong bốn loại khác nhau.

Liên Bang Xô Viết hạ thủy tàu ngầm nguyên tử đầu tiên vào năm 1958. Hiện tại, ngoài Hoa Kỳ và Nga Xô, các nước Anh, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc đều có tàu ngầm nguyên tử. 

Nguyên tắc của tàu ngầm

Tàu thủy hay tàu ngầm có thể nổi trên mặt nước là vì trọng lượng của khối nước bị dời chỗ bằng trọng lượng của tàu. Sự dời chỗ của nước tạo nên một lực đẩy lên gọi là lực đẩy ac-si-mét (archimedes) hay lực đẩy nổi. Mọi vật thể luôn luôn bị trọng lực kéo xuống. Nếu lực đẩy ac-si-mét của tàu bằng trọng lực thì tàu nổi. Nếu nhỏ hơn thì tàu chìm.

Trong tàu ngầm có những thùng dằn (ballast tank). Khi những thùng đó rỗng thì trọng lượng của tàu ngầm bằng sức đẩy nổi và tàu nổi lên mặt nước. Khi muốn lặn xuống nước thì cho nước vào những thùng dằn. Lúc đó sức đẩy nổi nhỏ hơn trọng lượng của tàu và tàu chìm dần xuống nước.

Tàu ngầm luôn luôn có những bình hơi nén. Đang lặn muốn nổi lên thì thuyền trưởng cho lệnh bơm nước ra khỏi các thùng dằn và thay vào bằng hơi từ những bình hơi nén. 

Những vấn đề cần giải quyết của tàu ngầm

Ngoài những vấn đề chung cho tất cả những tàu bè đi biển như nước, thực phẩm và nhiên liệu, các tàu ngầm còn có những vấn đề đặc biệt như sau.

-Dưỡng khí để thở: Không khí gồm phần lớn là khí ni-trô (78%) và dưỡng khí (21%). Con người hít không khí vào và dùng dưỡng khí cho cơ thể. Khi thở ra thì có tới 4.5% cac-bon đi-ô-xít, một loại khí độc. Tàu ngầm khi lặn dưới nước không thông với bầu khí quyển được nên cần có những dụng cụ để liên tục bơm thêm dưỡng khí và lọc bỏ cac-bon đi-ô-xít cũng như những chất độc hại khác. Dưỡng khí được chứa trong những thùng dưới áp xuất cao hay có thể được tạo ra bằng những phản ứng hóa học.

-Sức ép của nước: Nếu bạn lặn xuống nước chỉ vài mét là đã cảm thấy sức ép vào tai. Đó là vì bạn chịu sức ép thủy tĩnh (hydrostatic pressure) của nước. Càng lặn sâu thì sức ép càng mạnh. Ở mặt nước biển con người chịu một sức ép của khí quyển, sức ép đó khoảng 14.5 psi (pound per square inch). Cứ mỗi 10.3 mét xuống sâu thì sức ép của nước tăng lên 14.5 psi.

Tàu ngầm phải chế tạo sao cho chịu được sức ép của nước. Tàu ngầm có hai lớp vỏ. Lớp ngoài để ngăn nước còn lớp trong thì phải rất cứng để chịu được sức ép của nước. Lớp này thường được làm bằng thép hay titanium.

Tàu ngầm quân sự lặn xuống sâu nhất là tàu ngầm nguyên tử của Nga Xô có tên là K-278 Komsomolets. Tàu này có thể lặn xuống tới 1,300 mét. Tuy nhiên một tai nạn đã xảy ra trên tàu vào Tháng Tư, 1989, và tàu K-278 đã bị chìm. Tàu ngầm nguyên tử của Hoa Kỳ có thể lặn xuống sâu bao nhiêu? Đó là bí mật quốc phòng. Tuy nhiên người ta cho rằng tàu ngầm nguyên tử của Hoa Kỳ có thể hoạt động tối đa ở tầm 490 mét sâu.

-Điều hướng dưới nước: Những tàu bè bây giờ cũng như mọi người ai cũng dùng hệ thống định vị toàn cầu GPS để đi đường. Khi nổi trên mặt biển thì tàu ngầm cũng dùng GPS như những tàu khác, nhưng ở dưới nước thì không bắt được tín hiệu của vệ tinh nên không dùng GPS được.

Tàu ngầm dùng nhiều hệ thống khác nhau để định vị trí của mình. Phương pháp thông thường nhất được gọi là hệ thống hướng dẫn quán tính (inertial guidance system) hay là hệ thống điều hướng quán tính (inertial navigation system).

Những hệ thống này dùng con quay (gyroscope) và gia tốc kế (accelerometer) để ước tính con đường đã đi của tàu ngầm từ điểm khởi hành. Tuy nhiên những hệ thống này không được chính xác cho lắm nên lâu lâu phải dùng những phương pháp khác để xác định lại vị trí, thí dụ như trồi lên mặt nước và dùng GPS.

Tàu ngầm cũng dùng sô-na (SONAR, Sound Navigation And Ranging) để biết khoảng cách từ tàu tới những vật hay quang cảnh chung quanh. Tàu ngầm phóng ra những sóng âm thanh, sóng này gặp một vật thể nào đó sẽ dội ngược trở lại và tàu nhận lại tín hiệu đó. Tùy theo thời gian từ lúc phóng ra đến lúc nhận lại tiếng dội máy tính sẽ cho biết khoảng cách từ tàu tới vật thể đó.

Phương pháp này gọi là định vị theo tiếng dội (echolocation), các con vật như dơi, cá voi và cá heo đều dùng phương pháp này để săn mồi. Một bất lợi lớn của sô na là địch thủ có thể nghe thấy tiếng động đó và như vậy vị trí tàu bị lộ. 

Tàu ngầm nguyên tử hoạt động ra sao

Trước khi có tàu ngầm nguyên tử các tàu ngầm có động cơ chạy bằng dầu cặn, vì vậy chỉ có thể lặn dưới nước vài ngày rồi phải trồi lên. Tàu ngầm nguyên tử dùng năng lượng hạt nhân để sinh ra điện và dùng điện trong mọi hoạt động. Trên tàu ngầm nguyên tử có một lò phản ứng hạt nhân (nuclear reactor) để sinh ra điện.

Nhiên liệu cho lò nguyên tử là urani. Một ký lô urani có thể sinh ra điện bằng 10,000 ký lô dầu hỏa, cho nên tàu ngầm nguyên tử chỉ cần mang một ít urani là có thừa thãi năng lượng để dùng. Tàu ngầm nguyên tử dùng điện trong những phản ứng hóa học để chế tạo ra dưỡng khí và biến nước biển thành nước ngọt.

Vì có thể làm lấy dưỡng khí và nước nên tàu ngầm nguyên tử có thể lặn dưới nước rất lâu mà không cần trồi lên. Vấn đề có cần cập bến hay không không phải là vần đề nhiên liệu cho tàu mà là nhiên liệu cho người, tức là thực phẩm. Thường thì tàu ngầm nguyên tử của Hoa Kỳ mang theo thực phẩm đủ dùng cho 90 ngày. Như vậy tàu ngầm nguyên tử phải cập bến mỗi ba tháng để lấy thêm thực phẩm và làm những công việc bảo trì.

Tàu ngầm nguyên tử có được ưu điểm là không ai biết nó ở đâu nên rất khó đề phòng. Tàu ngầm nguyên tử còn có khả năng phóng hỏa tiễn liên lục địa từ bất cứ chỗ nào trên biển.

Tuy đã khá hoàn hảo và đã là bá chủ thế giới về tàu ngầm nhưng Hoa Kỳ vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển để có những tàu ngầm nguyên tử tối tân hơn, thí dụ như ẩn tàng tốt hơn, có hỏa lực mạnh hơn và lặn sâu hơn. Loại tàu ngầm nguyên tử mới được dự trù cho năm 2034.

—————-
Nguồn tài liệu: http://science.howstuffworks.com, http://nationalinterest.org, www.world-nuclear.org