Морские реакторы
Реакторы для подводного флота

Не близнецы и не братья

Успешное создание флотилии атомных подводных лодок с реактором «ВМ-А» стало базисом для дальнейшего развития подводного атомного флота. Развитие атомной науки и техники, расширение теоретических знаний и экспериментальных данных открыли возможность для разработки более совершенного транспортного реактора, представляющего собой установку второго поколения, в которой были бы учтены все ошибки предыдущего проекта и использованы новейшие материалы, конструкции и приборы. Новые атомные энергетические установки получили индексы «ВМ-4» и «В-5».

Основными требованиями к подводным лодкам нового поколения были повышение их надежности и живучести, а также уменьшение габаритов ядерной установки. Основанием для начала работ стало Постановление ЦК КПСС и СМ СССР, принятое в августе 1958 года.

С самого начала проектирование реакторов шло по двум альтернативным направлениям, научным руководителем которых выступал А.П. Александров. Научным руководителем и проектантами были определены главные новации, отличающие реактора второго поколения:

  • исключение разветвленной системы трубопроводов первого контура;
  • использование нескольких компенсирующих решеток с индивидуальными приводами;
  • переход на двухскоростные циркуляционные насосы первого контура;
  • повышение ресурса всего оборудования ППУ до 12 тыс. часов, а кампании активной зоны – до 5 тыс. часов.
  • Первое направление, заниматься которым было поручено ОКБ завода № 92 (г. Горький, главный конструктор И.И. Африкантов), предполагало переход на совершенно новые конструкторские решения, исключающие недостатки предыдущей конструкции ядерной энергетической установки. В ОКБ проектом занимался сектор «Б», уже имевший опыт работы по созданию ядерной пароперегревающей установки (ППУ) для атомного ледокола «Ленин». Реактор разработки ОКБ получил индекс «ВМ-4».

    Второе направление, где идейным руководителем являлось НИИ-8 (главный конструктор Н.А. Доллежаль), заключалось в том, чтобы сохранив основные схемно-компоновочные решения реактора «ВМ-А», максимально модернизировать его «узкие» места. Реактор второго поколения для АПЛ конструкции НИИ-8 получил индекс «В-5».

    Установка «ВМ-4»

    На первом этапе проектирования установки конструкторами ОКБ завода № 92 предусматривалось проведение широкомасштабных поисковых работ по выбору типа установки и основных компоновочных решений. На их основании выбор сделан в пользу блочной конструкции ППУ с водяным теплоносителем. Основными конструктивными особенностями установок такого типа были два блочных узла: «реактор – парогенератор» с соединением по принципу «труба в трубе» и «парогенератор – насос» первого контура.

    В качестве основного технического решения было принято двухреакторное исполнение ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ) с побортным расположением двух групп основного оборудования.

    После рассмотрения научным руководителем и гензаказчиком предложений НИИ-8 и ОКБ завода № 92 было признано, что последнее в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к АПЛ второго поколения, и может быть рекомендовано для дальнейшей проработки. Впоследствии установка «ВМ-4» создавалась сразу для трех проектов АПЛ – проекты 670, 671 и 667, разрабатываемых различными конструкторскими бюро.

    Первый проект – для АПЛ проекта 671 – получил индекс ОК-300, второй – для АПЛ проекта 670 – индекс ОК-350, третий – для АПЛ проекта 667 – индекс ОК-700. Основное оборудование различных вариантов установки было практически полностью унифицировано, и ППУ отличались лишь количеством петель (4 или 5 на один реактор) и привязками к фундаментным конструкциям реакторных отсеков. На АПЛ проекта 670 устанавливался один реактор мощностью 90 МВт и одна турбина, на АПЛ проекта 671 – два реактора мощностью 72 МВт каждый и одна турбина и на АПЛ проекта 667 – два реактора мощностью 90 МВт каждый и две турбины. Технические проекты на ППУ ВМ-4 (ОК-300), ППУ ВМ-4-1 (ОК-350) и ППУ ВМ-4-2 (ОК-700) были утверждены в апреле 1960 года, марте 1961 года и августе 1963 года соответственно.

    Создание надежных в эксплуатации ППУ ОК-300, ОК-350 и ОК-700 с минимальными массо-габаритными характеристиками стало возможно благодаря компактному расположению оборудования вокруг реактора, что позволило одновременно использовать его в качестве элементов биологической защиты, а существенное сокращение протяженности систем первого контура и сварных швов значительно повысило надежность оборудования.

    Оборудование установки изготавливалось с прочно-плотными корпусами, рассчитанными на давление первого контура. Так, корпуса и днища реакторов ОК-300 и ОК-350 изготавливались из перлитных сталей и сваривались автоматической сваркой. Внутри корпус был облицован антикоррозионной наплавкой, что повысило технологичность и надежность оборудования.

    Была принята однозаходная схема циркуляции теплоносителя через активную зону, что упростило конструкцию внутреннего блока реактора и сделало возможным использование естественной циркуляции теплоносителя для расхолаживания реактора.

    В активной зоне реактора использовались стерженьковые и двухкольцевые твэлы с ураном обогащением 21 % (зона с 2-х кольцевыми твэлами оказалась единственной из зон, которая полностью вырабатывала свой энергоресурс). Проектный цикл перезарядки активной зоны составлял 8 лет.

    Конструкторам и проектировщикам пришлось отказаться от стендового прототипа, и первые штатные изделия для ППУ поступали сразу на монтаж в АПЛ. Чтобы компенсировать отсутствие полномасштабного стенда ОКБ сосредоточилось на поэлементной проверке и отработке оборудования, для чего было создано более 200 стендов. В частности, были проведены термоциклические испытания натурных моделей соединительных патрубков реактор-генератор, головных образцов корпусов реакторов. В 1964 году головные образцы реакторов установок ОК-300 и ОК-350 прошли комплексные испытания на собираемость реакторов и функционирование систем управления и защиты, после чего были приняты межведомственными комиссиями.

    Опыт создания АПЛ первого поколения показал, что монтаж ППУ в реакторном отсеке из-за тесноты последнего является самым трудным этапом в изготовлении АПЛ. Новые компоновочные решения создали предпосылки для переноса большого объема монтажных работ на предстапельные участки, что сократило сроки монтажа и повысило его качество. Для надзора над процессом монтажа ЯППУ на предприятия-изготовители АПЛ были направлены специальные бригады шеф-монтажа, набранные из числа специалистов ОКБ. Тем не менее, это не стало 100 % гарантией для исключения инцидентов на суше – они случались, в том числе и ядерно-опасные.

    Имели место и другие происшествия. Так, в ноябре 1966 года на Севмашпредприятии при проведении гидроиспытаний реактора для АПЛ проекта 667 в аппарате, изготовленном на Волгоградском заводе «Баррикады», было обнаружено значительное число грязи и металлической стружки. Этот случай сразу был квалифицирован как «чрезвычайное происшествие», так как он ставил под сомнение отсутствие посторонних предметов в ранее изготовленном оборудовании. Это спровоцировало проверку всех ранее смонтированных реакторов, из-за чего были отложены сроки сдачи ряда АПЛ проектов 670 и 667. Инцидент завершился выпуском специального нормативного документа, регулирующего порядок закрытия и вскрытия оборудования первого контура атомного подводного флота.

    В начале 70-х годов выявились два серьезных недостатка ППУ типа ВМ-4: преждевременная разгерметизация твэлов стержневого типа и образование трещин в стояках крышек реактора. Для их устранения были разработаны новые конструкции активных зон с модернизированными стержневыми и кольцевыми твэлами и усовершенствована конструкция крышки реактора.

    В ходе эксплуатации АПЛ второго поколения ядерные установки продемонстрировали значительно возросшую надежность систем и оборудования. При более интенсивной эксплуатации этих АПЛ количество отказов или неисправностей оборудования было в десятки раз меньше по сравнению с первым поколением лодок.

    АПЛ проекта 671 («Ёрш») создавалась как лодка-охотник и предназначалась для уничтожения американских АПЛ с баллистическими ракетами. Головная лодка К-38 была заложена в апреле 1963 года в Ленинграде на Ново-Адмиралтейском заводе (ныне «Адмиралтейские верфи»). На АПЛ проекта 671 использовался один гребной вал, что позволило уменьшить водоизмещение и шумность корабля и получить значительно более высокую, чем у зарубежных аналогов, подводную скорость. Реализация одновальной схемы позволила также разместить в одном отсеке главный турбозубчатый агрегат и оба автономных турбогенератора со всем сопутствующим оборудованием, что обеспечило уменьшение относительной длины корпуса лодки. В конструкции прочного корпуса было решено применить новую сталь марки АК-29, что позволяло увеличить глубину погружения.

    5 ноября 1967 был подписан акт о приемке в состав ВМФ СССР головной лодки К-38 проекта 671, и она вошла в состав Северного флота. Всего было построено 15 лодок проекта 671, основная их часть служила на Северном флоте.

    АПЛ проекта 670 («Скат») предназначались для уничтожения кораблей, идущих в составе конвоев, в основном – авианосцев в составе авианосных ударных групп. Их строительство велось на заводе «Красное Сормово», г. Горький. Подводная лодка имела двухкорпусную архитектуру с веретенообразными обводами легкого корпуса, имеющего в носовой части эллиптическое сечение, обусловленное размещением ракетного вооружения.

    Первая АПЛ была спущена на воду 2 августа 1966 года. Приемный акт по головному кораблю К-43 серии 670 был подписан 6 ноября 1967 года, и она вошла в состав Северного флота.

    Всего было построено 11 АПЛ проекта 670.

    АПЛ проекта 667 создавалась как носитель баллистических ракет с ядерной боеголовкой. После решения правительства о смене используемого на ней вооружения проект получил индекс 667А («Навага»). Новые ракетоносцы стали именоваться РПКСН (ракетный подводный крейсер стратегического назначения).

    Лодка проекта 667 являлась двухкорпусной, носовая оконечность имела овальную форму, кормовая – веретенообразную. Прочный корпус цилиндрического сечения диаметром 9,4 м разделялся на 10 отсеков, из которых реакторным являлся 7-й отсек. Главная энергоустановка номинальной мощностью 52 тыс. л.с. состояла из автономных блоков правого и левого борта. В состав каждого блока входили водоводяной реактор ВМ-4-2 (ОК-700), паротурбинная установка с турбозубчатым агрегатом и турбогенератор.

    Строительство подводных лодок по проекту 667А велось быстрыми темпами. Первый АПЛ К-137 проекта 667А заложили на Северном машиностроительном заводе 9 ноября 1964 года. Спуск на воду состоялся 28 августа 1966 года, а 1 сентября начались сдаточные испытания. АПЛ К-137 вступила в строй 5 ноября 1967 года и 24 ноября была передана в состав Северного флота.

    Серия 667А стала самой многочисленной из всех проектов советских АПЛ и имела большое число модификаций. В период с 1967 по 1974 гг. было построено 34 судна проектов 667А и 667АУ.

    Все лодки проектов 671, 670 и 667 были выведены из состава флота с 1989 по 1997 гг.

    Установка «В-5»

    Фактически работы по установке «В-5» начались задолго до выхода вышеуказанного постановления. С 1955 года НИИ-8 занималось разработкой установки «ВК» с водо-водяным реактором для АПЛ проекта 639. Её особенностями являлись размещение в активной зоне нескольких легких органов компенсации избыточного запаса реактивности, одноходовая схема движения воды в активной зоне, объединение в блок основного оборудования установки и др. Фактически установка «ВК» являла собой конструкцию первой блочной паропроизводящей установки, доказавшей в дальнейшем свою эффективность.

    В 1958 году работы по проекту 639 были прекращены, и все наработанные идеи специалисты НИИ-8 использовали для создания реакторной установки второго поколения для АПЛ проекта 661. Боевым назначением новой подводной лодки была борьба со скоростными кораблями охранения и авианосцами противника.

    Технический проект ППУ «В-5» был подготовлен НИИ-8 совместно с ЛИПАН в ноябре 1959 года. Двухреакторная установка «В-5» отличалась рядом новых технических решений. Так, наиболее крупное оборудование и часть радиационной защиты размещалась на фундаментных балках, не присоединенных к прочному корпусу лодки, что снижало динамическое воздействие на оборудование. В качестве основного материала радиационной защиты стал использоваться более эффективный серпентинитовый бетон. Кроме того, для установки была разработана единая система контроля дистанционного и автоматического управления.

    При разработке проекта ППУ «В-5» впервые в практике НИИ-8 для сложных многовариантных расчетов активной зоны использовались электронно-вычислительные машины.

    Из-за жестких сроков реализации проекта пришлось отказаться от строительства наземного прототипа (стенда) для проверки правильности принятых проектных и конструкторских решений, ограничившись использованием ряда экспериментальных стендов. Так, вместо аналога стенда 27/ВМ было принято решение создать полноразмерный теплогидравлический (неядерный) стенд на Ижорском заводе – изготовителе ППУ «В-5», чтобы максимально отработать на нем конструкторские и технологические новации. Поэтому на Ижорском заводе велось изготовление сразу трех комплектов оборудования установки: одного – для теплогидравлического стенда, и двух – для будущего корабля.

    В ЛИПАН (Институт атомной энергии) был сооружен критический стенд, на котором изучались физические характеристики реактора.

    Строительство опытной лодки проекта 661 («Анчар») в Северодвинске после её закладки в декабре 1963 года растянулось на долгих 5 лет. Главная причина отставания от графика заключалась в том, что корпус лодки должен был изготавливаться из титана, производство которого в СССР только налаживалось.

    Ядерные реакторные установки на лодке располагались в 5 отсеке. Главная энергетическая установка состояла из двух автономных групп – правого и левого борта. Каждая группа включала в себя атомную паропроизводящую установку «В-5» с реактором, турбозубчатый агрегат (главный судовой двигатель, состоящий из нескольких турбин и зубчатой передачи) и автономный турбогенератор. Номинальная тепловая мощность каждого реактора составляла 177,4 МВт.

    Водо-водяной реактор и размещенные вокруг него секции прямоточных парогенераторов, включенные на свои гидрокамеры, соединялись патрубками «труба в трубе». Принятая «плотная» компоновка и размещение оборудования затрудняли обеспечение его ремонтопригодности, и задача сохранения работоспособности установки при отдельных отказах секций ПГ решалась за счет возможности отсечения секций в ремонтные периоды. Агрегатирование каждой из двух ППУ, установленных на АПЛ, с конструкторской точки зрения, отличалось исключительной оригинальностью и смелостью проектных решений.

    Первая блочная ППУ «В-5» по удельной массе в 2 раза, а по насыщенности энергоотсека в 2,5-3 раза превосходила лучшие достигнутые к этому времени показатели.

    В декабре 1968 года АПЛ спускается на воду, а через год, после проведения всех необходимых испытаний передается в военно-морской флот. Во время государственных ходовых испытаний лодка продемонстрировала уникальные ходовые качества – на мощности реакторов в 80 % от номинальной была развита скорость подводного хода в 42 узла, а во время опытной эксплуатации на полной мощности ЯЭУ – 44,7 узла, что по сей день является мировым рекордом.

    Опытная эксплуатация подводной лодки закончилась в декабре 1971 года. АПЛ, получившая индекс «К-162» (с 1978 года – К-222), в сентябре того же года вышла на боевую службу, в ходе которой субмарина прошла в район экватора до Бразильской впадины от Гренландского моря. В ходе данного перехода подлодка вела сопровождение авианосца «Саратога» (США), который несколько раз пытался оторваться от подлодки, развивая скорость больше 30 узлов, но достичь желаемого результата не удалось. Более того, атомная подлодка, осуществляя маневры, иногда опережала американское судно. За два с половиной месяца похода, лодка поднималась на поверхность всего лишь раз.

    Из-за использования титана лодка проекта 661 оказалось очень дорогой, за что получила название «Золотая рыбка». По этой же причине лодка в серию не пошла, оставшись единственным кораблем. Прослужила в составе ВМФ до 1998 года.