Гражданские атомные плавсредства

Ядерные реакторы на быстрых нейтронах
География размещения БН
Проект БРЕСТ-ОД-300
Проект БРЕСТ-1200
Реактор БР-5 (10), г.Обнинск
Реактор БОР-60, г. Димитровград
Реактор БН-350, г. Шевченко
Реактор БН-600
Реактор БН-800
Реактор БН-1200
ВВЭР
(Водо-Водяной Энергетический Реактор)
АЭС с ВВЭР-440
ВВЭР-1200
ВВЭР-1000
Реактор Большой Мощности Канальный (РБМК)
РБМК-1000 история создания
Устройство реактора РБМК-1000
Концепции безопасности реакторов РБМК
Тепловыделяющая сборка
Атомные станции
Белоярская АЭС
Ленинградская АЭС
Ленинградская АЭС-2
Белорусская АЭС
Нововоронежская АЭС
Нововоронежская АЭС-2
Ростовская АЭС
Смоленская атомная станция САЭС
Месторасположение Смоленской АЭС
История строительства
Деятельность
Экологическая политика
Экологический контроль
Атомные надводные корабли
Суда с ядерными энергетическими установками в России
Обзор судов с ядерной энергетической установкой
Атомная установка на авианосце
Атомный авианосец проекта «Шторм»
Тяжёлые атомные ракетные крейсеры проекта «Орлан»
История создания крейсеров проекта «Орлан»
Вооружение крейсеров проекта «Орлан»
Атомные ледоколы
РИТМ-200 реактор для атомного ледокола
Судовая ядерная ППУ ледокола
Реактор ледокола
Корпус реактора
Система компенсации давления
Система газоудаления
Второй контур
Атомная подводная лодка
Атомная шестиракетная субмарина «К-19»
Ракетный подводный крейсер стратегического назначения
АПЛ «Наутилус». США.
 

Не случайно именно в СССР была впервые внедрена атомная тяга на невоенном судне. Появление ядерных технологий открывало перед Советским Союзом возможность решить давнюю проблему продления и расширения навигации по Северному морскому пути (СМП). Эта навигация играла существенную роль в экономике и оборонной сфере. Прежде всего, на полуострове Таймыр находилось крупнейшее предприятие цветной металлургии — Норильский комбинат, производивший значительную часть добываемого в стране никеля, кобальта, металлов платиновой группы, меди и так далее. Норильский промышленный район большую часть года имел только авиационное сообщение с «материком», как называли местные жители «остальную страну».

Вывоз продукции и ввоз всего необходимого для изолированного региона (продовольствия, оборудования, транспортного топлива и прочего) осуществлялись в краткосрочную (несколько месяцев) летнюю навигацию — как по СМП, так и по Енисею. Имевшийся в то время ледокольный флот продлевал эту навигацию незначительно — максимум до трех-четырех месяцев в 1950-е годы по сравнению с одним-двумя в 1930-е годы. Паровые и более современные дизельные ледоколы обладали недостаточной мощностью для преодоления зимних льдов (максимум 10,5 тыс. л. с. в 1950-х годах, до 22–26 тыс. л. с. — с 1960 года), а кроме того, нуждались в регулярной (многократно за сезон) дозаправке в процессе работы, что в холодное время года было невозможно.

В этих условиях в середине 1950-х годов началось строительство атомного ледокола «Ленин», введенного в эксплуатацию в 1959 году. Он стал первым в мире невоенным атомным судном. По мощности (44 тыс. л. с. на валах) он превосходил крупнейшие дизельные ледоколы того времени, но еще большие преимущества имел в ледопроходимости (преодолевал примерно вдвое более мощный лед, чем его предшественники — толщиной 1,7–2 м), а также в степени автономности (мог полгода не заходить в порты и за всю навигацию не «заправляться» топливом).

Основой ядерной энергетической установки судна в первые годы его эксплуатации были три водо-водяных реактора ОК-150 первого поколения (см. Таблицу 1 и справку), спроектированных нижегородским ОКБМ (ныне «ОКБМ Африкантов»), как и все реакторы для российских гражданских судов. Некоторые использованные в проекте технические решения не получили развития на флоте, будучи не вполне удачными для морских условий, хотя отчасти применялись при разработке реакторов ВВЭР атомных электростанций, которые начали строиться в СССР в 1960-х годах (на момент ввода в эксплуатацию ледокола «Ленин» в стране действовали только канальные уран-графитовые и тяжеловодные стационарные реакторы, в основном наработчики оружейных материалов).

Ядерная энергетическая установка «Ленина» могла производить 360 тонн пара в час с температурой порядка 290 °C и давлением около 3,1 МПа. Пар через турбины приводил в действие гребную электроустановку, обеспечивавшую посредством трансмиссии вращение валов. В ледоколах последующих поколений также использовался электропривод во всех режимах движения, что нехарактерно для большинства российских и зарубежных военных атомных судов.

Реакторы ОК-150 проработали на судне до второй половины 1960-х годов. За эти годы проявился ряд их недостатков, проблемы с надежностью: коррозия некоторых материалов под напряжением, периодический выход из строя разного оборудования, течи и тому подобное. К этим проблемам добавилось частичное повреждение реактора, которое произошло в 1967 году.

СПРАВКА

Отличительными чертами реактора ОК-150 мощностью 90 МВт являлись:
• петлевая компоновка (две петли на реактор с тремя циркуляционными насосами: одним аварийным и двумя ГЦН с горизонтальными роторами);

• канальная двухзаходная активная зона, включавшая 219 технологических каналов из циркониевого сплава, расположенных в треугольной решетке с шагом 6,4 см (в каждом канале — 36 твэлов круглого сечения диаметром 6,1 мм);

• использование ядерного топлива из однородного спеченного диоксида урана с начальным обогащением всего 5–7 %;

• наличие заполненного гелием зазора между оболочкой и сердечником твэла (этот принцип затем «перекочевал» в активные зоны АЭС). Материал оболочек — сплав циркония с ниобием, хотя на этом реакторе применялись и оболочки из нержавеющей стали;

• использование выгорающего поглотителя (бора) в отдельных стержнях;

• нежесткое крепление твэлов в дистанционирующих решетках тепловыделяющих сборок круглого сечения (решение отнюдь не очевидное: на ряде американских реакторов того времени твэлы приваривались к решеткам);

• паровая компенсация давления.

В итоге было решено заменить реакторы ОК-150 на конструкцию, созданную с учетом выявленных недостатков. Замена была произведена в 1970 году. Новая РУ включала два реактора новой модели ОК-900 (см. Таблицу 1 и справку) вместо трех прежних.

Одним из важных нововведений стало изменение схемы циркуляции в контурах на обратную: теплоноситель первого контура стал подаваться в межтрубное пространство парогенератора, а по трубам была пущена вода второго контура. Такая схема, применявшаяся в дальнейшем на других флотских РУ, упрощала борьбу с протечками теплоносителя и позволяла снизить их вероятность за счет замены растягивающих напряжений в трубах ПГ на сжимающие. В то же время она предъявляла дополнительные требования к корпусам парогенераторов, которые, впрочем, в условиях более интенсивных нагрузок на судовые РУ было технически легче удовлетворить, чем добиться надежности разветвленной трубной системы. Была произведена замена ряда материалов на сплавы, более устойчивые к коррозии под напряжением. Значительно возросла ремонтопригодность реакторной установки, составлявшая серьезную проблему прежнего реактора. Это обеспечивалось изменением компоновки некоторых узлов (повышением их доступности), применением съемных элементов биологической защиты и так далее.

Появление в Арктике нового атомного ледокола, наряду с постройкой в дальнейшем мощнейших дизельных ледоколов, способствовало расширению навигации по Северному морскому пути в течение 1960-х годов приблизительно в четыре раза и увеличению производства важнейших для советской экономики металлов: помимо более регулярных поставок готовой продукции Норильского комбината, была налажена ритмичная перевозка получаемого на Таймыре рудного концентрата на Кольский полуостров, что обеспечило загрузку созданных здесь мощностей производства цветных металлов, дополнявших норильские (комбинат «Североникель» в Мончегорске). Развитие СМП способствовало улучшению сообщения не только с низовьями Енисея, но и с другими северными районами страны, где располагались поселки и военные базы, месторождения полезных ископаемых.

Таким образом, опыт ледокола «Ленин» себя оправдал, и в 1970-х годах началось расширение атомного ледокольного флота (см. «Хронологию развития гражданского атомного судостроения»). Были приняты в эксплуатацию ледоколы «Арктика», ставший головным судном нового класса океанских, линейных ледоколов, затем «Сибирь». А в 1980–1990-х ­годах флот пополнили ледоколы «Россия», «Советский Союз» и «Ямал». Последний ледокол этой серии — «50 лет Победы» — был после затянувшейся достройки принят в эксплуатацию в 2007 году. В то же время в 1989–1990 годах приступили к работе ледоколы с ограниченной осадкой типа «река-море» — «Таймыр» и «Вайгач». Эти суда делают проводки в низовьях крупных сибирских рек, в которые линейные ледоколы не способны зайти либо в которых они не могут маневрировать, несмотря на проведенные кое-где дноуглубительные работы. По мощности и ледопроходимости эти суда близки к ледоколу «Ленин». В отличие от океанских ледоколов, построенных на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге (ныне ООО «Балтийский завод — Судостроение», принадлежащее Объединенной судостроительной корпорации), эти два судна построены в Финляндии, на верфи компании Wartsila, однако оснащены российскими ядерными энергетическими установками КЛТ-40М.

ОТ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ КО ВТОРОМУ

Основными конструктивными отличиями нового -ОК-900 от ОК-150 стали:

• переход к блочной компоновке основного оборудования, предполагающей соединение его элементов короткими трубопроводами с использованием принципа «труба в трубе»;

• отказ от двухзаходной схемы циркуляции теплоносителя в активной зоне: начиная с ОК-900, в ледокольных реакторах применялась однозаходная схема;

• размещение входных и выходных патрубков в верхней части корпуса реактора с целью предотвратить оголение ТВС при разрыве трубопровода первого контура;

• увеличение числа петель первого контура до четырех, с размещением по одному двухскоростному главному циркуляционному насосу на каждую петлю;

• применение газовой компенсации давления.

Ледоколы серии «Арктика» стали оснащаться двумя реакторами ОК-900А (см. Таблицу 1), которые представляют собой усовершенствованный, несколько более мощный (на 8 %) вариант замещающей РУ ­ОК-900. Помимо упомянутых нововведений, эта конструкция имеет еще ряд отличительных черт. Будучи почти вдвое мощнее ОК-150 (171 МВт против 90 МВт), реактор второго поколения имеет иную размерность активной зоны (~1 м в высоту и около 1,2 м в диаметре по сравнению с высотой ~1,6 и диаметром ~1 м для ­ОК-150). Шаг решетки каналов увеличен (начиная с ОК-900) с 6,4 см до 7,2 см. Канал содержит пучок из 54 твэлов, диаметр которых уменьшен с 6,1 мм до 5,8 мм.

При этом масса загружаемого урана уменьшилась в несколько раз (с ~1700–2000 кг до ~340–510 кг), однако вес делящегося изотопа увеличился в 1,5–2 раза благодаря возросшему на порядок среднему уровню обогащения — ~40 % в первые годы работы новых реакторов и значительно выше — в дальнейшем. Вместо твэлов с таблетками из однородного диоксида урана стало использоваться дисперсионное топливо с алюминиевой матрицей. Материал оболочки — нержавеющая сталь. Паропроизводительность двухреакторной установки возросла на треть (до 480 т/ч). Блочная компоновка и уменьшение числа реакторов позволили сделать компактнее всю РУ. При более эффективной трансмиссии, снижении потерь и расходов на собственные нужды ядерная энергоустановка ледоколов типа «Арктика» увеличила мощность на валах на 70 % по сравнению с ледоколом «Ленин» в первые годы его эксплуатации.

По мере строительства ледоколов нового класса реакторная установка совершенствовалась. В результате появились судовые РУ с реакторами третьего поколения КЛТ-40 и КЛТ-40М. Они сохранили многие черты ОК-900А: число рабочих каналов (241) в треугольной решетке, блочную компоновку с четырьмя петлями, по одному парогенератору и центральному насосу первого контура в каждой. В то же время в них стало использоваться уран-циркониевое топливо с меньшим количеством (порядка 170 кг) урана, но гораздо более высоким обогащением (89 % и выше), что в принципе позволяет продлить топливный цикл на срок свыше 10 лет, тогда как РУ линейных ледоколов типа «Арктика» требуют замены топлива раз в несколько лет (до 5–6 лет), в зависимости от режимов работы.

Мощность КЛТ-40 на 21 % ниже (135 МВт), паропроизводительность на 10 % меньше, чем у ОК-900А, однако модернизированная версия этой конструкции КЛТ-40М не уступает по этим показателям реакторам океанских ледоколов.


ТАБЛИЦА. 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСЕХ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК, ПРИМЕНЯВШИХСЯНА ГРАЖДАНСКИХ СУДАХ

ТАБЛИЦА. 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСЕХ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСЕХ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК, ПРИМЕНЯВШИХСЯНА ГРАЖДАНСКИХ СУДАХ


Реакторы типа КЛТ (см. Таблицу) были установлены на трех гражданских судах, принятых в эксплуатацию в 1988–1990 годах: КЛТ-40 — на грузовом судне «Севморпуть»; КЛТ-40М — на ледоколах с ограниченной осадкой «Таймыр» и «Вайгач». В отличие от реакторов ОК-900 и ОК-900А, которые устанавливались на океанские ледоколы парно, КЛТ-40 и КЛТ-40М ставятся по одному на судно. На базе этих моделей также создана двухреакторная установка КЛТ-40С мощностью 300 МВт с кассетной активной зоной, которая использует топливо среднего обогащения (менее 20 %) и предназначена для оснащения плавучих (не самоходных) атомных теплоэлектроцентралей. Первая из них в настоящее время строится.

К началу 1990-х годов Россия уже имела целый ледокольный флот. С появлением ледоколов второго поколения навигация в западной Арктике стала круглогодичной, а транзитный проход через весь Северный морской путь и плавание в восточной Арктике стали возможны в течение примерно полугода.

Однако к началу нынешнего столетия первоначальный ресурс нескольких ледоколов был исчерпан, а строительство новых замедлилось. Эксплуатация ледокола «Ленин» прекратилась еще в ноябре 1989 года. В середине 2000-х «сошли с дистанции» два первых судна серии — «Арктика» и «Сибирь», спустя десятилетие в отстой был помещен ледокол «Россия», а через несколько лет — «Советский Союз» (см. «Хронологию…»). На смену им за последние более чем два десятилетия был принят в эксплуатацию лишь один новый ледокол — «50 лет Победы».

Однако проблема «таяния» ледокольного флота некоторое время сглаживалась сильным снижением грузооборота в российской Арктике. К концу 1990-х годов перевозки достигли минимума в 1,5 млн тонн, то есть упали в четыре-пять раз по сравнению с пиковыми значениями 1980-х годов. Затем грузооборот стал постепенно восстанавливаться, но до прежних объемов было все еще далеко. Так, к 2015 году он достиг 4 млн тонн, то есть приблизился к уровню начала 1970-х годов, когда в строю был только один атомный ледокол «Ленин». ФГУП «Атомфлот» — дочерняя структура Росатома, управляющая ледокольным флотом, — рассчитывал, что уже в нынешнем году грузооборот удвоится. Эти расчеты были связаны в первую очередь с освоением месторождений углеводородов в Заполярье, в частности, с крупнейшим проектом «Ямал-СПГ». Однако в рамках этого проекта сроки пуска завода по сжижению газа откладываются как минимум до 2017 года, что замедляет и темпы увеличения грузопотоков в Арктике.

На фоне провала спроса и его медленного последующего восстановления наименее востребованным оказался транзитный маршрут через весь Северный морской путь; наибольшая потребность сохранялась на проводки в Западной Арктике, где наряду с океанскими ледоколами нужны мелкосидящие. Такая ситуация предопределила стратегию дальнейшего развития ледокольного флота: сохранение части наиболее новых линейных ледоколов и обоих мелкосидящих, в то же время строительство замещающих судов универсального типа, способных заменить оба вида ледоколов, осуществляя проводки как в океане, так и в низовьях рек.


ТАБЛИЦА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМНЫХ ЛЕДОКОЛОВ

ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМНЫХ ЛЕДОКОЛОВ


Это потребовало, во‑первых, продления срока службы части действующих судов, которые должны остаться в строю по крайней мере до пополнения флота несколькими двухосадочными ледоколами. Такой пролонгации способствовала, как считается, чрезмерно консервативная первоначальная оценка ресурса атомных ледоколов. Так, назначенный срок службы реакторов ОК-150 и ОК-900 составлял 25–30 тыс. часов, что соответствовало шести-семи годам эксплуатации. На деле первая установка оправдала консервативный прогноз (с учетом поломок и простоев), а вторая отслужила около 20 лет.

Исходя из фактического опыта эксплуатации, назначенный ресурс для нее был поэтапно продлен до 100 тыс. часов, или 26 лет, и это стало стандартом для созданных на ее базе ядерных энергоустановок с реакторами ОК-900А и их производных — КЛТ-40 и КЛТ-40М. Срок службы самих судов подтягивался к ресурсу ЯЭУ. Во второй половине прошлого десятилетия оставшиеся в работе ледоколы исчерпали ресурс в 100 тыс. часов (кроме, разумеется, нового «50 лет Победы»), и он был увеличен до 150–175 тыс. часов, что соответствовало 30–34 годам службы. Планируется дальнейшее увеличение этих сроков для некоторых оставшихся ледоколов до 200 тыс. часов, или приблизительно 36 лет службы.

В рамках второй задачи — создания универсальных ледоколов — были разработаны ЦКБ «Айсберг» и строятся ледоколы ЛК-60Я (проект 22220). Это судно способно изменять осадку с 10,5 м до 8,55–8,7 м, что позволяет ему осуществлять проводки как в океане (при первом значении осадки), так и в устьях таких рек, как Енисей или Обь. Повышение осадки осуществляется за счет набора до 8 тыс. тонн воды в специальную балластную систему. Ледопроходимость в режиме максимальной осадки при непрерывном движении по сплошному льду составляет в стандартных условиях до 2,8 м, в режиме с мелкой осадкой — до 2,1 м.

Ледокол имеет полное водоизмещение 25,54 тыс. тонн при минимальной осадке и 33,54 тыс. тонн — при максимальной. Его ширина 33–34 м (меньшая цифра — по конструктивной ватерлинии) — на несколько метров больше, чем у предшественников (см. Таблицу 2), что позволяет ему проводить более крупнотоннажные суда (сегодняшние ледоколы могут проводить суда водоизмещением примерно до 70 тыс. тонн, что гораздо меньше, чем у современных крупных танкеров). Назначенный срок службы новых ледоколов составит 40 лет.

Ледоколы проекта 22220 оснащаются новой ядерной энергетической установкой с двумя реакторами РИТМ-200 мощностью 175 МВт и паропроизводительностью около 250 т/ч каждый, которая обеспечивает суммарную мощность на валах трех винтов судна около 82 тыс. л. с., то есть на ~9 % больше, чем у ледоколов предшествующих серий. РИТМ-200 — установка следующего поколения, она отличается от предшественников прежде всего интегральной компоновкой, при которой четыре парогенератора с прямыми трубами объединены в одном корпусе с активной зоной, а такое же число ГЦН с частотным регулированием присоединено к корпусу короткими патрубками на холодной нитке первого контура. Используется газовая компенсация давления, вынесенная за пределы моноблока и компактно размещенная рядом с реактором.

Благодаря интегральной компоновке, почти 1/3 номинальной мощности достигается на естественной циркуляции. Температура пара на выходе составляет 295 °C, давление — 3,8 МПа. Реакторная установка получилась заметно компактнее и легче ОК-900А, но объем активной зоны больше, чем у предшественника. При этом РУ размещается в отдельном контейнментe размером 6×6×15,5 метров. В активной зоне кассетного типа со 199 тепловыделяющими сборками применяется металлокерамическое топливо обогащением до 20 %. Интервалы между перегрузками для серийного реактора составят около 7 лет.

Головной ледокол этого класса, как преемник выведенного из эксплуатации судна получивший название «Арктика», был заложен 5 ноября 2013 года. Второй, он же первый серийный ледокол под названием «Сибирь» — реинкарнация ледокола поколения 1970-х годов — заложен 26 мая 2015 года. Реализация первого проекта находится в продвинутой стадии: 16 июня 2016 года на Балтийском заводе спущен на воду корпус ледокола, вес которого составляет более половины веса готового судна. Теперь его предстоит достраивать на воде и начинять оборудованием. Оба реактора для ледокола были изготовлены и поставлены в мае-июне текущего года.

Реакторы для второго ледокола планируется поставить в конце 2017 года, для третьего (который, как предполагается, будет называться «Урал») — в конце 2018 года. Росатом пока придерживается прежних сроков строительства, несмотря на сокращение госбюджетной части финансирования проекта в 2015–2016 годах. Строительство головного судна планируется завершить к декабрю 2017 года.

Транспортировка реактора РИТМ - 200

Транспортировка реактора РИТМ - 200

Таким образом, строительство новых ледоколов синхронизировано, в частности, с ожидаемым пуском новых проектов освоения углеводородов в Арктике. Ледопроходимость строящихся судов позволит уверенно поддерживать круглогодичную навигацию в Западной Арктике и осуществлять возрастающие объемы проводки транспортных судов между европейской частью страны, Ямалом, Норильским промышленным районом и другими регионами. Причем это может осуществляться без передачи эстафеты между ледоколами разного типа, как происходит ныне в Карском море. В то же время сквозная навигация по всему Северному морскому пути может быть продлена примерно до девяти месяцев.

Чтобы обеспечить возможность круглогодичного транзита по СМП и получить возможность проводить по нему еще более крупнотоннажные суда (что зависит, в частности, от ширины ледокола), Росатом предполагает создать ледокольные суда большей мощности, способные преодолевать льды толщиной около четырех метров. Ледокол проекта 10510 под условным названием «Лидер», как предполагается, будет иметь вдвое большее водоизмещение и в два раза большую мощность на валах (150 тыс. л. с.), чем действующие сегодня океанские ледоколы. Он будет оснащен двумя реакторами ­РИТМ-400 производительностью 315 МВт каждый. ОКБМ предстоит разработать технический проект реактора.

Судно сможет двигаться по двухметровому льду со скоростью до 10 узлов. Подобные качества «Лидера» позволят не только расширить географию проводок в холодный период года, но и повысить их темп до экономически приемлемого уровня. Ведь хотя Северный морской путь короче некоторых рейсов через Суэцкий канал, в холодное время он сильно проигрывает южному маршруту в скорости и точности сроков транспортировки. Разработка проекта только начинается, хотя такие планы обсуждались еще в 2000-х годах: тогда «Атомфлот» предполагал разработать проект судна до начала нынешнего десятилетия, а к сегодняшнему дню уже принять его в эксплуатацию.


ТАБЛИЦА 4. ХРОНОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ ГРАЖДАНСКОГО АТОМНОГО СУДОСТРОЕНИЯ

ХРОНОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ ГРАЖДАНСКОГО АТОМНОГО СУДОСТРОЕНИЯ

Вернуться на главную