Владимир МАКАРОВ, начальник лаборатории РНЦ "Курчатовский институт"

Россия - единственная страна в мире, обладающая флотом гражданских атомных судов. С момента создания первого из них - "Ленин" (1959 г.) - прошло более 50 лет. За это время на отечественных и зарубежных верфях построено 9 ледоколов трех поколений, обеспечивающих проводку транспорта на всех участках Северного морского пути, и единственное в мире грузовое судно с ядерной энергетической установкой "Севморпуть", действующее по сей день. С увеличением же в последние годы добычи углеводородов в арктических регионах роль ледовых исполинов возрастает неизмеримо.

АТОМОХОДЫ ТОЖЕ СТАРЕЮТ

Вспоминаю эйфорию 1970-х годов, когда на фоне галопирующей цены на нефть в серьезной научно-технической печати появилось множество публикаций с предложениями о строительстве крупнотоннажных грузовых судов и танкеров, использующих энергию атома. Именно тогда начал формироваться ледокольный флот нашей страны*. С 1970-х годов по 1991 г. со стапелей ленинградского Балтийского завода сошли пять атомных ледоколов с двухреакторной энергетической установкой: "Арктика", "Сибирь", "Россия", "Советский Союз" и "Ямал". В конце 1980-х по заказу СССР на судостроительной верфи компании "Вяртсиля" в Финляндии построили "Таймыр" и "Вайгач" с ограниченной осадкой и однореакторной установкой отечественного производства мощностью 40 тыс. л.с.

* См.: Ж. Алферов, А. Родионов. Здесь зарождалась морская мощь России. - Наука в России, 2001, N 6; Ж. Алферов и др. Главная ударная сила российского флота. - Наука в России, 2006, N 1 (прим. ред.).

В 1988 г. вошел в строй уникальный лихтеровоз ледового класса "Севморпуть". А три года назад, после 15-летнего перерыва, - атомоход "50 лет Победы"*, отличающийся от предыдущих этой серии несколько большим водоизмещением и усовершенствованной формой корпуса.

Однако мощная судовая техника с неограниченностью автономного плавания, годами работающая без захода в порты, стареет. Первенец атомного ледокольного флота "Ленин" вышел из эксплуатации в 1989 г., представитель второго поколения "Сибирь" - в 1993. А в октябре 2008 г. поставлена на прикол "Арктика": ее реакторы, отслужившие 33 года, выработали более 175 тыс. ч нормативного и продленного в 2003 г. ресурса. Сроки службы его "собратьев" тоже истекают, несмотря на ремонт оборудования, приведение его в соответствие с современной нормативной документацией по безопасности, разработку компенсирующих мер. К концу следующего десятилетия, пожалуй, только "50 лет Победы" будет способен максимально обеспечивать планируемые перевозки. Поэтому в последние годы специалисты много внимания уделяют проектированию нового атомохода, способного, меняя осадку, работать как на основных трассах Северного морского пути, так и на его мелководных участках.

"ОПЫТ, СЫН ОШИБОК ТРУДНЫХ..."

Идея создания такого универсального ледокола возникла в конце 1970-х годов в ленинградском Центральном научно-исследовательском институте морского флота в лаборатории, руководимой доктором технических наук Лолием Цоем. В одной из недавних публикаций (журнал "Атомная стратегия XXI", 2008, N 36) он подробно изложил причины, заставившие специалистов задуматься о повышении эффективности отдачи подобных судов. Этот вопрос возник вскоре после сдачи "Арктики". До этого у нас не было опыта эксплуатации мощных ледоколов-лидеров, работающих в связке с другим транспортным флотом. Он еще создавался, но уже необходимо было знать рациональные соотношения между размерами и мощностью атомоходов, а также решить ряд проблем, связанных с работой техники на мелководье.

"Арктика" с осадкой около 11 м имела ограничения по глубине: она не могла обслуживать основные перевозки грузов через крупнейший сибирский морской порт "Дудинка", расположенный в низовьях Енисея. В 1978 г. для этих целей построили дизельный ледокол "Капитан Сорокин". Однако практика показала: его усилий недостаточно, нужно более производительное мелкосидящее судно, работоспособность которого не зависит от запасов горючего. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно, ибо большие мощности требуют соответствующих загрузок топлива, что неминуемо ведет к увеличению осадки. Проблему решили с вводом в строй "Таймыра" и "Вайгача".

Далее. Перспективы развития крупнотоннажного транспорта, под который необходимо прокладывать канал значительной ширины, и организация круглогодичных перевозок требовали увеличения размеров атомохода. Кроме того, предстояло найти оптимальное соотношение между его мощностью и водоизмещением.

В результате накопленного опыта уже в конце 1970-х - начале 1980-х годов специалисты Центрального научно-исследовательского института морского флота пришли к выводу: новый ледокол должен иметь несколько увеличенные габариты, обеспечивать хорошую ледопроходимость при ограниченной осадке. За последующие годы удалось обосновать эту идею, и теперь перспектива развития ледокольного флота неразрывно связана именно с такой техникой.

* См.: А. Чечуров. Рекордсмен среди атомных гигантов. - Наука в России, 2009, N 3 (прим. ред.).

ДВУХОСАДОЧНЫЙ ЛЕДОКОЛ ДЛЯ АРКТИКИ

Петербургские проектанты из Центрального конструкторского бюро "Айсберг" предложили судно универсального назначения. Главная его "изюминка" - способность менять осадку от 8,5 м на мелководных участках трассы до 10,5 м на глубоководных. Причем такое качественное изменение происходит всего за несколько часов: чтобы увеличить массу атомохода и "посадить" его винты на глубину, достаточную для прохождения в тяжелых ледовых условиях, необходимо принять на борт жидкий балласт - для погружения на 2 м от исходной величины потребуется около 8 - 9 тыс. т морской воды. С таким грузом судно может эффективно использовать свою мощность и, по сути, заменять два типа упомянутых ранее атомоходов - "Арктика" и "Таймыр".

С учетом проводки крупнотоннажных кораблей ледопроходимость предлагаемого универсала должна достигать 2,8 - 2,9 м. При этом благодаря усовершенствованным обводам корпуса на валах достаточно иметь мощность 60 МВт (у "Арктики" - 49).

Для обеспечения перспективных перевозок в Карском море, согласно расчетам, три таких двухосадочных ледокола заменят пять традиционных. Это приведет к значительному сокращению затрат на строительство, а значит, и на ремонтную базу. Кроме того, уменьшатся простои на участках стыковки двух типов атомоходов при переходе река-море за счет сквозной проводки одним.

В летне-осенний период такая техника сможет работать и в восточных районах, причем ее способность преодолевать трехметровые льды позволит, по-видимому, продлить и сроки навигации здесь.

Обладая на 5 м большей шириной по сравнению с "Арктикой", новый ледокол обеспечит проводку современных крупнотоннажных судов, появление которых на Северном морском пути ожидают уже в ближайшее время. По мнению специалистов, перспективные объемы перевозок связаны с морским экспортом нефти и газа в Европу из месторождений на полуострове Ямал, в бассейнах рек Обь, Енисей и Лена, а также в районах Баренцева моря (Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция*, Штокмановское газоконденсатное и Приразломное нефтяное месторождения** и др.). Стимулом для развития судоходства в восточной Арктике может также стать экспорт в страны Азиатско-Тихооке-

* См.: М. Рощевский, Н. Ладанова. Академический центр в Коми. - Наука в России, 1999, N 4 (прим. ред.).

** См.: Е. Велихов и др. Газ. нефть и лед. - Наука в России, 1994, N 3; Н. Богданов. Богатства российского шельфа. - Наука в России, 2003, N 4 (прим. ред.).

анского региона полиметаллов и апатитов из месторождения Томтор в Республике Саха (Якутия), оловоконцентрата и угля, добываемых на Чукотке. Эксперименты, выполненные в ледовом бассейне, свидетельствуют: суда шириной 40 м с грузом полезных ископаемых могут следовать за универсалом непрерывным ходом, доламывая кромки проложенного во льдах канала. Атомоход нового поколения (проект 22220) разрабатывают в Центральном конструкторском бюро "Айсберг" (Санкт-Петербург), специализирующемся на проектировании ледоколов и судов подобного класса, в том числе с ядерными энергетическими установками. Под руководством главного конструктора, кандидата технических наук Владимира Воробьева, построившего лихтеровоз "Севморпуть", здесь в 2009 г. завершили технический проект нового ледокола. На создание атомоходов, как правило, уходит 7 - 8 лет. Следовательно, ввод в эксплуатацию универсала произойдет после 2015 г.

ЭНЕРГИЯ "РИТМ-200"

Работа над двухосадочным ледоколом инициировала создание реактора нового поколения. Ведь прежняя установка ОК-900 (и ее модификация - КЛТ-40), спроектированная в 1960-е годы, не отвечала современным требованиям по ресурсным характеристикам и продолжительности кампании. Кроме того, для ледокола с переменной осадкой следовало улучшить ее массогабаритные показатели.

Технический проект инновационного реактора под названием "РИТМ-200", разработанный в недрах Опытно-конструкторского бюро машиностроения им. И. И. Африкантова (г. Нижний Новгород), был подготовлен менее чем за два года. В декабре 2009 г. его одобрил Научно-технический совет Госкорпорации по атомной энергии "Росатом".

Специалисты нижегородского бюро - главный конструктор, кандидат технических наук Юрий Панов, начальник отдела, доктор технических наук Виталий Полуничев и их коллеги, использовав в "РИТМ-200" опыт многолетней эксплуатации судовых атомных установок, вместе с тем применили ряд новаторских идей, направленных в основном на повышение их надежности и безопасности.

Главная особенность проекта - интегрированная компоновка основного оборудования первого контура реактора с размещением активной зоны* и кассет парогенератора в едином корпусе, а циркуляционных насосов - в выносных гидрокамерах по типу действующих сегодня на атомных судах. Другая отличительная чер-

* Активная зона - центральная часть реактора, в которой протекает самоподдерживающаяся цепная реакция деления и выделяется энергия (прим. ред.).

та - применение кассетной активной зоны увеличенного объема. Это существенно уменьшило энергонапряженность, позволило ограничить обогащение топлива до 20 % и увеличило ресурс установки.

Моноблочный реактор имеет небольшое гидравлическое сопротивление основного тракта теплоносителя, а значит, насосы можно использовать гораздо меньшей мощности. Плановую перегрузку топливных кассет в нем реально осуществлять через 7 лет. По сравнению с действующими ледоколами это весьма серьезное преимущество, ибо сегодня их меняют каждые 2,5 - 3 года. Кроме того, у "РИТМ-200" минимальные массогабаритные показатели.

Российский научный центр "Курчатовский институт" является научным руководителем разработки двухосадочного атомного ледокола. Наши сотрудники на математических моделях исследовали динамические характеристики установки, выполняли нейтронно-физические расчеты реактора, обосновывали его водно-химический режим, возможность контролируемого пуска после длительной остановки, изучали условия возникновения поверхностного кипения натвэлах (тепловыделяющих элементах).

Несомненно, создание "РИТМ-200" - значительный шаг в развитии ядерной техники. Интегрированная компоновка, сниженная энергонапряженность активной зоны, а также другие конструктивные решения значительно повышают безопасность, надежность и экономичность реактора. Кроме того, обладая большим модернизационным потенциалом, он определяет перспективы на следующие десятилетия: его можно устанавливать не только на судах, но и на плавучих атомных станциях и опреснительных комплексах, использовать в составе локальных энергоисточников различного назначения, в том числе на морских буровых платформах и в сооружениях для надводной и подводной добычи и переработки нефти и газа.

АЭС УХОДИТ В ПЛАВАНИЕ

Говоря о будущем корабельной ядерной энергетики, нельзя не упомянуть о такой ее ветви, как плавучие атомные теплоэлектростанции (ПАТЭС). Независимо от того, каким типом реактора они снабжены, его рассматривают как судовую установку (недаром первую американскую ПАТЭС Sturgis построили в 1966 г. на базе грузового корабля "Либерти"). Конструкция самой станции и всех ее элементов должна удовлетворять правилам Российского морского регистра судоходства, соответствующим нормативным документам Ростехнадзора и Международной морской организации*.

* Международная морская организация (англ. International Maritime Organization - 1МО) - специализированное учреждение ООН, созданное в 1948 г. в Женеве, отвечающее за повышение надежности и безопасности судоходства в области международной торговли и предотвращение загрязнения моря (прим. ред.).

Не случайно для проекта строящегося в настоящее время плавучего энергоблока "Академик Ломоносов" упомянутое нижегородское Опытно-конструкторское бюро машиностроения им. И. И. Африкантова предложило усовершенствованный вариант реакторной установки КЛТ-40С, создававшейся здесь же более 35 лет назад для эксплуатации на атомных ледоколах. После принятия мер по снижению воздействия нейтронов на материал корпуса срок службы этого важнейшего элемента был продлен до 40 лет. Изменения затронули и конструкцию активной зоны. Перед специалистами стояла задача снизить обогащение урана по изотопу ²³⁵U до величин, не превышающих 20%, и тем самым выполнить условия Международного агентства по атомной энергии в области нераспространения ядерного оружия. Для этого существующую на ледоколах канальную структуру активной зоны заменили на кассетную, что позволило поднять удельную загрузку урана на 15 %. Затем на треть увеличили высоту рабочей части тепловыделяющих элементов. Но наиболее эффективной оказалась смена существующей топливной композиции в твэлах на керметную (керамико-металлическую), в 2,5 раза большую по вместимости урана, при сохранении других полезных свойств ядерного горючего.

В общем виде ПАТЭС - это несамоходное судно, на котором размещены две реакторные установки КЛТ-40С тепловой мощностью 150 МВт каждая. Они вырабатывают и передают электрическую энергию и тепло соответственно на трансформаторную подстанцию и тепловой пункт. В состав комплекса входят береговые сооружения и устройства, обеспечивающие прием, передачу и распределение получаемого продукта потребителям, а также гидротехнические объекты, ограждающие акваторию базирования плавучего энергоблока от природных и техногенных воздействий. Часть из них предназначена для обеспечения коммуникаций с берегом. Установленная электрическая мощность станции - 70 МВт.

Уже сейчас на Балтийском заводе разворачивают работы по сооружению данной установки. Правда, первоначально ее закладывали на Производственном объединении "Севмаш" в городе Северодвинске (Архангельская область). В апреле 2007 г. концерн "Росэнергоатом" даже подписал декларацию о намерениях построить здесь флотилию из семи подобных ПАТЭС. Однако из-за загруженности предприятия в августе 2008 г. заказ передали на Балтийский завод, входящий в состав Объединенной промышленной корпорации.

Спуск судна на воду состоится уже в этом году. Комплексные испытания запланированы на 2012 г. Постоянным пунктом базирования определен город подводников Вилючинск - закрытое административно-территориальное образование на Камчатке.

Модель плавучей атомной теплоэлектростанции.

Компьютерная модель установки "РИТМ-200" для универсального атомного ледокола. Справа - двухреакторная установка в разрезе.

Опыт ее эксплуатации, разумеется, покажет точность принятых технических решений. Но один недостаток виден уже сейчас: малая величина кампании реакторов и связанная с ней необходимость выполнения операций с ядерным топливом в пункте базирования. В течение межремонтного периода (10 - 12 лет) на двухреакторной станции выгорает до 8 комплектов активных зон, которые складируют в размещенные на борту хранилища отработанного ядерного топлива.

Для перспективных плавучих АЭС, конечно, нужна специализированная реакторная установка. При ближайшем рассмотрении оказывается, однако, что таковой вполне может служить упомянутая "РИТМ-200". При одинаковой с КЛТ-40С мощности она сможет работать без перезарядки в течение межремонтного периода, избавив станцию от хранилищ отработанного топлива и самое главное - от операций с ним вдали от стационарного предприятия.

Правда, необходимо довести до номинальных параметров продолжительность кампании реакторов. Для этого потребуются дополнительные научно-исследовательские и опытно-конструкторские изыскания, связанные прежде всего с обеспечением работоспособности тепловыделяющих элементов в течение длительного времени. Возможно, придется разрабатывать новый водно-химический режим теплоносителя первого контура, дооснастить промышленность, выпускающую твэлы, и "отшлифовать" технологии их изготовления. Впрочем, все это нужно не только для ПАТЭС, но и для нового поколения ледоколов.

Можно ли утверждать, что перспективы развития судовой ядерной энергетики связаны только с одним видом реакторов - водо-водяным и одной проектируемой ныне установкой? На ближайшие 10 - 20 лет это действительно так. К тому же в дальнейшем ее можно модернизировать и при необходимости создать их серию. Что же касается других видов реактора (с жидкометаллическим теплоносителем, газоохлаждаемых), обладающих, например, таким положительным свойством, как повышенный КПД, целесообразность их применения на гражданском флоте требует дальнейшего изучения.

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: