Морские реакторы
Реакторы для надводного флота

Первый, надводный, атомный…

В 1957 году сошел на воду ледокол «Ленин» – первый в мире атомный надводный корабль. Атомоход «Ленин» стал головным в особом классе отечественных судов, предназначенных для сложных трасс Северного морского пути. Советский Союз, сделав ставку на создание атомного ледокола, решил сразу две задачи: отработал применение реакторов на надводном флоте и ввел в строй корабль, потребность в котором для арктической навигации было совершенно невозможно переоценить.

Постановление о строительстве атомного ледокола было принято Советом министров СССР 20 ноября 1953 года. Необходимость в таком ледоколе ощущалась очень остро. Запаса топлива дизельным ледоколам хватало максимум на месяц хода, что было недостаточно для северной навигации. Поэтому требовалось судно, которое могло бы сопровождать караваны судов более продолжительное время. Атомный ледокол в среднем может работать на трассах по 6-8 месяцев без перерыва, а при наличии особых задач и до 12-14 месяцев.

Следующее постановление правительства от 18 августа 1954 года конкретизировало задачу создания атомного ледокола «Ленин» по срокам, этапам и основным исполнителям работ. Проектирование атомного ледокола возлагалось на Ленинградское ЦКБ-15 (впоследствии ЦКБ «Айсберг»). Главным конструктором ледокола был назначен В.И. Неганов. Разработка проекта атомной паропроизводящей установки (АППУ) поручалась ОКБ Горьковского завода № 92 (позднее ОКБМ). Главным конструктором АППУ был утвержден И.И. Африкантов. Научное руководство проектом ледокола возлагалось на А.П. Александрова, а ядерного реактора – на И.В. Курчатова, который позднее передал свои полномочия А.П. Александрову.

Три реактора АППУ ОК-150, разработанные в ОКБ Горьковского завода № 92, мощностью по 90 МВт обеспечивали суммарное производство 360 т/ч пара температурой до 3100С и давлением 28 атм. Каждый реактор имел две петли циркуляции с двумя парогенераторами, двумя циркуляционными насосами и одним аварийным насосом. Использовалась паровая система компенсации давления в первом контуре. В активной зоне реакторов применили топливо на основе диоксида урана с 5 % обогащением по урану-235.

Технический проект АППУ ОК-150 был разработан в марте 1955 года, а 17 июня 1955 года на секции ЯЭУ НТС министерства он был утвержден и рекомендован к запуску в производство.

При разработке проекта АППУ впервые решался целый ряд сложных научно-технических задач. Одной из них было существенное увеличение длительности кампании активной зоны и экономичное использование ядерного топлива. Реализация предложенного научным руководством решения о введении в активную зону выгорающих поглотителей для компенсации избыточной реактивности дала возможность увеличить кампанию активной зоны до 200 суток, а применение циркониевых сплавов в элементах конструкции зоны позволило в 1,5 раза уменьшить потребление урана по сравнению с активными зонами с нержавеющими сталями.

АППУ ОК-150 – это реакторная установка (РУ) с петлевой компоновкой, т.е. основное оборудование контура располагалось в отдельных корпусах, соединённых между собой трубопроводами. Реакторы типа ОК-150 относятся к водо-водяным реакторам корпусного типа, в которых вода под давлением используется в качестве теплоносителя, а также замедлителя нейтронов. Реактор выполнен в форме толстостенного цилиндрического сосуда (корпуса) с плоской крышкой и днищем.

Материал корпуса реактора – углеродистая сталь. Диаметр цилиндрической части корпуса 186 см, толщина стенки 14 см. Активная зона, размещенная в центральной области корпуса, окружена несколькими цилиндрическими обечайками из нержавеющей стали 1Х18Н10Т, между которыми протекает охлаждающая их вода.

3 реактора ледокола «Ленин» различались конструкционным материалом оболочек твэлов (тепловыделяющих элементов). Реактор № 1 имел твэлы с оболочками из нержавеющей стали, в реакторах № 2 и № 3 оболочки твэлов были выполнены из циркониевого сплава. В соответствии с этим ядерное топливо в реакторе № 1 имеет обогащение по изотопу 235U 6,5 %, а в реакторах № 2 и № 3 – 5 %. По остальным параметрам все реакторы РУ ОК-150 были идентичны.

Активную зону (АЗ) реактора ОК-150 образуют 219 рабочих каналов (РК), или тепловыделяющих сборок (ТВС), расположенных в узлах правильной треугольной решетки с шагом 64 мм, что определяет эквивалентный диаметр поперечного сечения АЗ величиной 99,7 см. Каждый РК содержит пучок из 36 цилиндрических твэлов, размещенный в кожуховых трубах из циркониевого сплава. Ядерное топливо в форме таблеток из двуокиси урана диаметром 4,5 мм размещено в циркониевых трубках. Высота топливного столба таблеток, равная 160 см, соответствует высоте АЗ. Отражателями нейтронов являются стальные экраны радиационной защиты корпуса реактора и каналы охлаждающей их воды. Активная зона охлаждается водой под давлением 160 атм при температуре на входе и выходе 248 и 325 °С соответственно. Тепловая эксплуатационная мощность реактора около 55 МВт при энергоресурсе 21,9 ГВтсут (при обогащении топлива по 235U 5 %), что позволяет работать реакторной установке в течение 400 суток.

В качестве органов регулирования реактивности реактора вместо первоначально спроектированных погружных стержней аварийной защиты, вводимых в активную зону напором насоса, были применены стержни, перемещающиеся внутри сухих гильз и вводимые в активную зону под действием пружин. В биологической защите использовались малодефицитные и более дешевые материалы: сталь, вода, тяжелый бетон.

Атомный ледокол «Ленин» был заложен на верфи «Адмиралтейский завод» в Ленинграде 27 июля 1956 года, а уже 5 декабря 1957 года ледокол был спущен на воду и достраивался у стенки завода. В августе 1959 года состоялся физический пуск реакторов. В 1958-1959 гг. на нем был выполнен основной объем работ по монтажу систем и оборудования атомной установки. Самым напряженным был заключительный этап строительства, монтажа и испытаний АППУ. По мере продвижения монтажа оборудования, арматуры и трубопроводов АППУ на Адмиралтейский завод для оказания технической помощи направлялись специалисты ОКБ и завода № 92.

Четкая организация работ и самоотверженный труд многочисленных коллективов, участвовавших в создании первой АППУ, во многом способствовали своевременной, рекордной по срокам сдаче атомного ледокола «Ленин». Его постройка была завершена 12 сентября 1959 года, а 5 декабря 1959 года ледокол был передан в опытную эксплуатацию Мурманскому морскому пароходству ММФ СССР, на нём был поднят государственный флаг СССР. С этой даты ведется отсчет не только биографии первого атомного ледокола, она отмечается как День рождения отечественного атомного ледокольного флота. Ледокол стал первым в мире надводным судном с атомной энергетической установкой, причем по мощности он не имел равных среди ледоколов всего мира.

Уже в ходе своего первого использования ледокол «Ленин» продемонстрировал превосходную работоспособность, благодаря чему удалось существенно увеличить период навигации. Первая арктическая навигация атомного ледокола началась 19 августа 1960 года и длилась три месяца 10 дней. За это время он прошёл более 10 тысяч миль, из которых около семи тысяч — в тяжёлых ледовых условиях, провёл через Карское море и море Лаптевых 92 судна.

Всего за первые шесть лет эксплуатации ледокол прошёл свыше 82 тысяч морских миль и самостоятельно провёл более 400 судов. За это время на ледоколе в процессе опытной эксплуатации ядерной энергетической установки выявились ее конструктивные недостатки, проблемы комплектации и компоновки оборудованием. Кроме того, были случаи выхода оборудования из строя.

В феврале 1965 года в ходе плановых работ по перегрузке топлива на реакторе № 2 с активной зоной, имеющей твэлы с оболочками из Zr-Nb сплава, произошла авария. Часть топлива аварийной зоны (94 ТВС) перегрузили на ПТБ «Лепсе», а оставшуюся часть (125 ТВС) – в специальный контейнер, который впоследствии был затоплен в Карском море.

В 1966 году при подготовке атомного ледокола «Ленин» к очередной навигации в корпусе реактора № 1 была обнаружена течь, устранить которую без замены реактора оказалось невозможно. Замена корпуса была связана с нарушением герметизации 1-го контура. Демонтажные работы предстояло производить в тяжелой радиационной обстановке.

Учитывая, что примененная на ледоколе опытная атомная установка соответствовала уровню научных знаний и техническим возможностям отечественной промышленности пятидесятых годов, что за истекшее с момента постройки ледокола время был накоплен опыт по эксплуатации атомных установок на ледоколе «Ленин», подводных лодках и наземных электростанциях СМ СССР постановлением № 148-62 от 18 февраля 1967 года принял решение о полной замене атомной установки ОК-150 на установку типа ОК-900, технический проект которой был разработан для ледоколов типа «Арктика».

В ОКБМ были выполнены проработки компоновки установки ОК-900 в габаритах реакторного отсека ледокола «Ленин». Один из вариантов удачно «вписался» в отведенные для установки помещения. Главный конструктор АППУ И.И. Африкантов, оценив преимущества этой идеи, добился поддержки предложенного варианта ремонта ледокола в МСМ. После этого первый заместитель министра среднего машиностроения А.М. Петросьянц поручил ОКБМ разработать подробные материалы (расчеты, графики, демонстрационные чертежи и др.) по замене установки, срокам и стоимости выполнения работ, технологии демонтажа и монтажа оборудования и заводам-изготовителям оборудования АППУ ОК-900.

Общепринятый демонтаж оборудования был неприемлем по условиям тяжелой радиационной обстановки, поэтому был предложен способ агрегатного удаления всей атомной установки в сборе без нарушения ее герметизации.

Большой вес атомной установки с биологической защитой не позволял удалить ее через палубу наверх или через борт на берег или плавсредство. Поэтому было принято удаление АППУ через днище. При этом учитывалась желательность выгрузки вместе с атомной паропроизводительной установкой и тех конструкций и оборудования, которые имели эксплуатационные радиоактивные загрязнения и не могли быть использованы в компоновочных решениях новой атомной установки.

После изучения был принят способ свободного сброса в месте захоронения (залив Цивольки, Новая Земля) с применением кумулятивных зарядов. Корабль был отбуксирован в район захоронения, где была произведена подводная электрорезка днища верхних участков переборок водолазами, дистанционная газовая резка нижних участков переборок кумулятивными зарядами и выгрузка отсека с его одновременным захоронением в море.

Демонтажные работы продолжались с 8 по 19 сентября 1967 года. 26 сентября 1967 года а/л «Ленин» прибыл в Мурманск, 5 октября стал в док. Для восстановления днища Центральным конструкторским бюро «Айсберг» и Адмиралтейским заводом была применена оригинальная технологическая система: изготовленная по размерам выреза в днище новая секция буксировалась по воде от места ее сборки до плавучего дока и устанавливалась на килевой дорожке, док притапливался на необходимую глубину, а ледокол располагался в доке вырезом днища точно над секцией. При всплытии дока новая секция входила в вырез днища ледокола, после чего производилась ее сварка с основным корпусом. Работы по восстановлению днища и монтажу забортной арматуры по новому проекту модернизации были закончены 20 ноября 1967 года.

Разработанный и осуществленный проект агрегатной выгрузки блока атомной установки ОК-150 на ледоколе «Ленин» без нарушения герметизации отсека, при спусковом весе 3700 тонн и непосредственно в районе захоронения – это уникальный по масштабам и инженерной смелости проект, четкий по исполнению, выполненный впервые в практике мирового судостроения.

Для вписывания и стыковки новой реакторной установки АППУ ОК-900 в корпус ледокола из 675 помещений судна 204 были сформированы вновь или полностью переоборудованы. При модернизации было установлено 6,2 тысячи единиц новых механизмов и оборудования, из них свыше 30 головных образцов основного оборудования.

Датой рождения реакторной установки ОК-900 можно считать 1964 год, когда вышло два Постановления СМ СССР (№ 667-271 от 06.08.1964 и № 680-280 от 10.08.1964), предусматривающие проектирование и постройку серии новых атомных ледоколов проекта 1052, а также проектирование и поставку оборудования ППУ ОК-900 для головного ледокола этой серии. Основанием для них послужили положительные результаты эксплуатации атомного ледокола «Ленин» в 1960-1963 гг. и важная народно-хозяйственная роль, которую играют ледоколы в развитии отдаленных районов Сибири и Дальнего Востока,

Техническое совещание по выбору варианта установки (из пяти вариантом, разработанных ОКБМ) для ледокола проекта 1052 состоялось в г. Горьком 22 апреля 1965 года. Совещание рекомендовало для дальнейшей разработки 4-й вариант – ППУ 0К-900 в двухреакторном исполнении с 4-я парогенераторами и 4-я ЦНПК. Основной конструктивной особенностью установки был блочный узел компоновки основного оборудования реактор–парогенератор–гидрокамера, соединенного толстостенными патрубками по принципу «труба в трубе». Это оригинальное решение позволило исключить длинные трубопроводы большого диаметра первого контура. Система компенсации давления была выбрана газовая. Парогенераторы для ППУ должны быть выполнены в варианте: среда 1-го контура находится в межтрубном пространстве, а среда 2-го контура – внутри трубной системы.

Эскизный проект ППУ ОК-900 мощностью 159 МВт был закончен в сентябре этого же года.

Совет Министров СССР поставил задачу «оживить» ледокол к 22 апреля 1970 года – 100-летию со дня рождения В.И.Ленина. В связи с дефицитом времени ОКБМ выступило с предложением запустить в производство основное оборудование ППУ с длительным циклом изготовления (корпуса реакторов, компенсаторы объема, приводы КР и A3 и др.), не дожидаясь утверждения технического проекта ОК-900, разрабатываемого под научным руководством Института атомной энергии им. И.В. Курчатова.

Постановление Совета Министров СССР по проекту 1052 не предусматривало отработку установки на ее наземном прототипе, а комплексные испытания ППУ предполагалось провести в рамках швартовных испытаний головного ледокола проекта 1052. Применение ППУ ОК-900 на атомном ледоколе «Ленин» позволяло проверить все принятые схемные и конструкторские решения в реальных условиях, отработать системы и оборудование перед запуском их в серийное производство для ледоколов проекта 1052.

Технический и рабочий проекты ППУ 0К-900 были утверждены 18 мая 1967 года. Основными конструктивными отличиями новой РУ 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;
  • размещение входных и выходных патрубков в верхней части корпуса реактора с целью предотвратить оголение тепловыделяющих сборок 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.
  • 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.

    В РУ ОК-900 применено дисперсионное топливо обогащением 35-40 %. Высота активной зону уменьшена до 100 см при увеличившемся (до 117 см) диаметре. Прекратились и эксперименты с материалом оболочки твэлов – выбор был сделан в пользу стали.

    Основными изготовителями и поставщиками оборудования по ППУ 0К-900 стали:

  • Машиностроительный завод (г. Горький) – реакторы, вспомогательное оборудование 1-го контура (холодильники фильтров, фильтры), детали трубопроводов, циркуляционные насосы 1-го контура, приводы систем управления и защиты и другое оборудование.
  • Завод «Баррикады» (г. Волгоград) – корпуса реакторов, гидрокамер и вспомогательного оборудования, компенсаторы объема.
  • Балтийский завод (г. Ленинград) – новые парогенераторы.
  • Ижорский завод (г. Колпино) – заготовки для крышек реактора, корпусов парогенераторов и плиты для биологической защиты.
  • Подготовка производства и монтаж ППУ на машиностроительным предприятии «Звездочка» начались с марта 1967 года. Исходя из производственных возможностей предприятия, имевшего в наличии краны с максимальной грузоподъемностью 150 тонн, монтаж оборудования блоков биологической защиты и трубопроводов ППУ ОК-900 производился агрегатно-узловым методом, суть которого заключалась в том, что ППУ каждого борта была разбита на 2 основных агрегата, изготавливаемых в цеховых условиях предприятия «Звездочка»:

    - агрегат № 1 (реактор, 4 гидрокамеры ЦНПК) общим весом 85 тонн;

    - агрегат № 2 (бак ЖВЗ) общим весом 130 тонн.

    Параллельно с изготовлением и монтажом установки ОК-900 шло изготовление и испытание опытных образцов оборудования и систем, которые являлись одновременно и головными образцами (реактор, парогенератор, ЦНПК, приводы аварийной защиты и компенсирующих решеток, системы СУЗ и др.) у изготовителей. Испытания опытовых образцов проводились, как правило, на специальных стендах в ОКБМ и на заводах-изготовителях, которые, в основном, прошли успешно, подтвердив заложенные в проекте характеристики. Исключение составил парогенератор ПГ-18т, разработанный СКБК, испытания которого проводились на специальном стенде Адмиралтейского завода летом 1968 года.

    Первая неприятность выяснилась при выходе парогенератора на номинальную нагрузку, при которой из-за паразитных перетечек теплоносителя первого контура помимо трубной системы выдаваемый парогенератором перегретый пар не соответствовал спецификационной температуре (238°С вместо 290°С).

    Второй недостаток конструкции ПГ-18т был выявлен при проведении режима аварийного расхолаживания, когда основной разъем корпуса с трубной системой «раскрывался», выбрасывая часть теплоносителя 1-го контура в атмосферу. Приемная комиссия забраковала изделие. Ситуация осложнялась еще и тем, что заготовки корпусов парогенераторов уже в тот момент находились на станках Ижорского завода, а на предприятии «Звездочка» задерживалось изготовление и монтаж агрегата № 1, куда первоначально предполагалось включить и 4 парогенератора. Поэтому было принято решение агрегат № 1 грузить на заказ без парогенераторов, а монтаж парогенератора и приварку главных патрубков к реактору производить непосредственно на ледоколе.

    СКБК нашло решение, устраняющее паразитные протечки теплоносителя 1-го контура в парогенераторе помимо трубной системы, приведшие к снижению температуры пара за парогенератором, в течение двух месяцев парогенераторы были доработаны, испытания продолжены и успешно завершены, что позволило к сроку закончить монтаж установки ОК-900.

    16 марта 1970 года начались заводские швартовные испытания атомной установки ледокола «Ленин». 20 апреля 1970 года межведомственная комиссия приступила к работе. Она дала высокую оценку качества монтажа установки ОК-900, механизмов, агрегатов, систем комплексной автоматизации. К середине апреля 1970 года практически полностью были закончены все работы по монтажу АППУ ОК-900 и ее систем.

    22 апреля 1970 года после подъема стержней компенсирующих групп реактор ОК-900 проявил первые признаки «жизни», «задышал» и установка ОК-900 начала свой долгий и успешный путь. 23 апреля в 2 часа 30 минут был произведен пуск реактора № 2 установки левого борта. Таким образом, задача ввести АППУ ОК-900 в действие ко дню рождения В.И. Ленина была выполнена.

    Физический пуск реактора № 1 установки правого борта был произведен 1 мая 1970 года.

    Вывод реакторов на энергетический уровень мощности был осуществлен: реактора № 1 – 4 мая 1970 года, № 2 – 29 апреля 1970 года. Динамические испытания и анализ результатов производились специалистами Института атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством О.А. Лебедева.

    Швартовные испытания АППУ при стоянке ледокола у стенки завода закончились 18 мая 1970 года. После этого в период с 19 мая по 24 мая при переходе ледокола из Северодвинска в Мурманск были проведены ходовые сдаточные испытания. 24 мая атомный ледокол «Ленин» вернулся с ходовых испытаний из Баренцева моря в порт приписки г. Мурманск.

    20 июня межведомственная комиссия приняла АППУ ОК-900 со всеми обслуживающими ее механизмами и системами, а также все модернизационные работы и ремонт ледокола «Ленин» и передала ледокол для эксплуатации Мурманскому морскому пароходству. Впервые в практике судостроения создание АППУ было осуществлено за 6 лет с момента начала проектирования до сдачи судна в эксплуатацию.

    21 июня 1970 года ледокол «Ленин» вышел в арктическую навигацию.

    Работа ледокола подтвердила высокую эффективность использования ядерной энергии на судах ледокольного флота. Ледокол на пять лет превысил отпущенный ему проектом срок эксплуатации и отработал на ледовых трассах 30 лет. За это время было проведено во льдах Арктики 3741 транспортное и ледокольное судно, пройдено 654,4 тысячи морских миль. В результате ввода в строй атомного ледокола навигация в западном районе Арктики была продлена с 3 до 11 месяцев.

    Ледокол был выведен из состава «Атомфлота» в 1989 году. После продолжительных технических мероприятий и реставрации 3 декабря 2009 года на ледоколе «Ленин», стоящем у причала Морского вокзала Мурманска, был открыт музей.

    В дальнейшем на атомоходы проекта 1052 «Арктика» устанавливались по два реактора ОК-900А, которые представляют собой усовершенствованный, несколько более мощный (171 МВт) вариант РУ ОК-900. РУ ОК-900А также стояли на большом атомном разведывательном корабле ССВ-33 «Урал», единственном корабле проекта 1941 ВМФ СССР.