Реактор на атомной станции это шумная махина, большую часть времени
работающая на постоянной максимальной мощности. Как разместить ее
на судне, заставить работать тише, добиться маневренности и не
допустить утечки радиации? Как реакторы вышли в море и
эволюционировали (а потом снова вышли на сушу), выясняем вместе с
инженером Татьяной Щепетиной.Это материал из гида Энергия атома,
приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида
Росатом.17 января 1955 года американская подводная лодка Наутилус
(SSN-571) отправила в эфир сообщение: Underway on nuclear power
(Идем на атомной энергии). Это был первый в истории выход судна с
атомным двигателем в море. Уже через три года подлодка Наутилус
прошла под арктическими льдами и достигла Северного полюса, став
первым в истории кораблем, добравшимся до этой точки своим ходом.
Повторить это с любым другим топливом она бы не смогла.Ядерный
реактор плюс паро- или газотурбинная установка, преобразующая
тепловую энергию реактора в движение, это ядерная силовая установка
(ЯСУ). Среди проектировавшихся, но так и не нашедших применения
атомоходов были атомные поезда, самолеты, танки, тракторы и другие
движущиеся механизмы. Основная же сфера применения ядерных
двигателей сегодня морской флот.Подводные лодки: как пересечь океан
без дозаправок (зато с холодильником мороженого)До внедрения
атомной энергетики в подводный флот лодки были прибрежно-ныряющими.
Под водой дизельные установки не работают:им нужен кислород и
выхлоп. Поэтому лодки накапливали энергию для погружения и
передвижения под водой в аккумуляторах.Когда появились компактные
энергонасыщенные ядерные реакторы, сроки работы судна под водой
стали зависеть лишь от психологической и физической подготовки
людей и функционирования систем жизнеобеспечения. Атомная подводная
лодка способна достичь любой точки Мирового океана, не всплывая на
поверхность, выполнить задачу и вернуться на базу без дозаправки. В
общей сложности атомная подводная лодка, имеющая на борту полное
самообеспечение для экипажа, может находиться под водой до
полугода. Улучшились и бытовые условия. Дизельная подводная лодка
была шумной, тесной и грязной: обтирочные концы, масло, руки вечно
в мазуте. На атомной подводной лодке тихо и чисто, а кроме того,
запас электроэнергии позволяет обеспечить экипаж удобствами и даже
некоторым комфортом. Например, на борту атомных подводных лодок
установлены холодильники с запасом мороженых фруктов и овощей.Уже
через два года после выхода в море американского Наутилуса была
спущена на воду первая советская подводная лодка К-3 Ленинский
комсомол. В отличие от американской субмарины, снабженной одним
водо-водяным реактором S2W и одним валом с гребным винтом, K-3
имела два водо-водяных реактора ВМ-А мощностью 70 МВт и два
вала;1таким образом советские инженеры стремились повысить
автономность и живучесть подводной лодки. Но у подобной конструкции
был существенный недостаток:Ленинский комсомол был очень шумным и
легко обнаруживаемым. В то же время обтекаемая торпедообразная
форма корпуса делала советскую подводную лодку быстроходной в
подводном положении. Запуск реактора и первый выход Ленинского
комсомола в море состоялись в 1958 году. А четыре года спустя
первая советская подводная лодка достигла Северного полюса. На
основе ее атомной установки было создано четыре поколения атомных
установок и их модификаций.Ледоколы20,2 миллиона тонн столько
грузов было перевезено по Северному морскому пути в 2018
году.2Однако некоторые участки СМП большую часть года скованы
льдом, и единственный способ пройти по нему организовать
ледокольное сопровождение.Чтобы совершать маневры в толстых
полярных льдах, требуется очень большая мощностьи, соответственно,
затраты большого количества энергии. Можно сделать ледокол на
дизельном топливе, но в сильно удаленные от большой земли районы
такое судно без дозаправки просто-напросто не доберется. Кроме
того, дизельные суда имеют высокие требования к качеству топлива.
Зато атомный ледокол может работать без дозаправки несколько лет,
запасы ядерного топлива находятся внутри реактора, а его размеры и
мощность позволяют преодолевать льды толщиной до трех метров, что
не под силу даже лучшим дизельным ледоколам.В 1953 году в СССР
начали разрабатывать первый атомный ледокол Ленин для сопровождения
караванов по Северному морскому пути. В 1957 году ледокол был
спущен на воду. На ледоколе были установлены два реактора ОК-150,
которые в 1960-х были заменены на реакторы ОК-900.В 1961 году Ленин
доставил экспедицию Северный полюс-10 в Восточно-Сибирское море. На
ледокол было загружено 510 тонн оборудования,в том числе домики,
склады горючего и продуктов питания, научно-исследовательская
техника, а на обратном пути в Мурманск Ленин расставил вдоль кромки
льдов дрейфующие автоматические радиометеорологические станции.
Конечно, первые реакторы Ленина не были достаточно совершенными: на
его счету несколько нештатных ситуаций, которые, впрочем, не
приводили к переоблучению персонала или радиоактивному загрязнению.
Всего за все годы существования в составатомного флота РФ и СССР
входили десять ледоколов и один лихтеровоз.
Маленький и безопасный: как сконструировать реактор для
атомоходаРеактор на атомной станции это корпус около 4 метров в
диаметре, биологическая защита метровый слой бетона вокруг,
циркуляционные насосы с шумом гонят воду по трубопроводам, и вся
эта махина большую часть времени работает на постоянной
максимальной мощности. Как разместить ее на судне, заставить
работать тише, добиться маневренности и не допустить утечки
радиации?Когда советские инженеры работали над ядерным реактором
для первой подводной лодки Ленинский комсомол, было предложено
несколько вариантов: среди них реактор с графитовым замедлителем,
охлаждаемый гелием; канальный реактор с водяным теплоносителем и
графитовым замедлителем; водо-водяной реактор. Реакторы с
графитовым замедлителем оказались слишком громоздкими для подводной
лодки, поэтому остановились на более компактном корпусном
водо-водяном реакторе.3Такие реакторы применяются на подводных и
надводных судах и сегодня. Более того, они вышли на сушу и
эволюционировали в большие реакторы ВВЭР, которые сегодня работают
на большинстве АЭС. Для современных подводных лодок делают ЯСУ
интегральной компоновки (реактор и паропроизводящая установка в
одном корпусе) не только компактные, но и бесшумные, ведь
циркуляционным насосам не приходится гнать воду первого контура по
длинным трубам.45Ядерные установки на кораблях двухконтурные.
Нагретая в активной зоне вода первого контура передает тепло воде
второго контура (рабочему телу), которая превращается в пар и
передает энергию на турбину, а та через редуктор вращает ходовые
винты. Часть пара отводится на турбогенератор, который обеспечивает
электричеством системы корабля. Выработанная автономным
турбогенератором энергия также запасается в аккумуляторах. А на
современных ледоколах, таких как 50 лет Победы и Арктика, от
электричества а не от пара работают и ходовые винты; благодаря
этому достигается большая вариабельность по скорости.Реактор
помещен в стальной бак биологической защиты, заполненный чистой
водой, которая не имеет отношения к выработке энергии, а призвана
ослаблять излучение. А чтобы наверняка защитить экипаж судна, бак с
реактором заключен в толстую бетонную капсулу, дополнительно
экранированную свинцом. Все эти слои замедляют и поглощают нейтроны
и гамма-кванты.Слой биологической защиты должен быть достаточно
толстым: если для больших наземных реакторов с диаметром активной
зоны 3 метра толщина защиты должна составлять около 1 метра, то в
малом реакторе с диаметром активной зоны в полметра тоже будет
требоваться 1 метр биологической защиты. Это снижает
транспортабельность атомных энергоустановок, будь то двигатель или
плавучая атомная станция. Габариты двух реакторных установок
РИТМ-200 наиболее компактных из современных установок для
надводного флота составляют 613,215,5 метров без учета защитных
оболочек,6 в то время как габариты ледокола Сибирь, который они
питают, составляют 173,33454 метра.
Еще один технологический водяной контур нужен для охлаждения пара,
отработавшего в главной турбине. В него поступает морская вода,
которая прокачивается через конденсаторы и, охладив пар,
сбрасывается обратно за борт. Пар или вода второго контура чистыеи
изолированыот радиоактивной воды первого контура.У автономного
турбогенератора также есть свой конденсатор. Охлажденный в нем пар
соединяется с основным потоком воды второго контура. Но преждечем
закачать воду обратно в парогенераторы и замкнуть цикл, ее
необходимо подогреть и очистить от попавших в неерастворенных
солевых примесей и газов при помощи фильтров и деаэратора.Вода или
жидкий металл: в поисках теплоносителяС одной стороны, вода давно
освоенный, хорошо известный теплоноситель, с которым атомщики
привыкли иметь дело. С другой стороны, у ядерных силовых установок
на воде есть ограничения в регулировке мощности: они не выдерживают
резких колебаний, особенно набросов мощности. Мощность можно
повышать или понижать всего на 1% в минуту, потому что
теплоноситель не должен закипать. Если вода закипит, нарушится
нормальное охлаждение топливных стержней (твэлов), топливные
таблетки начнут перегреваться, растрескиваться. Но как тогда
разогнать подводную лодку до больших скоростей?Сначала эту проблему
пытались решать, испытывая альтернативные теплоносители. Например,
в СШАна заре истории атомного флота была разработана подводная
лодка USS Seawolf (SSN-575), на которой был установлен реактор S2G
с натриевым теплоносителем. Жидкий металл в первом контуре
нагревается и передает энергию воде второго контура. Но при
неполадках и контакте реакция натрия с водой протекает очень бурно,
и использовать натриевый реактор в подобных условиях чрезвычайно
рискованно. Поэтому от использования этой технологии отказались
вскоре после неудачных испытаний, и реактор на Seawolf был заменен
на водо-водяной.10В СССР в качестве альтернативного теплоносителя
использовался свинцово-висмутовый эвтектический сплав11(45% свинца
и 55% висмута). Его температура плавления близка к температуре
плавления натрия (123,5 C и 97 C соответственно), температура
кипения 1670 C, выше, чем температура плавления оболочек
твэлов.12Такой теплоноситель позволяет увеличивать мощность на 3% в
секунду и за 30 секунд выходить на максимальную скорость, которая
составляет 7080 км/ч13(при нормальной скорости обычных АПЛ 4050
км/ч).14К 1962 году была построенапервая советская крейсерская
атомная подводная лодка К-27 с ядерной установкой, охлаждаемой
жидким свинцово-висмутовым сплавом. В 1963 году она успешно прошла
государственные испытания, а через год совершила поход в
экваториальную Атлантику, во время которого без всплытия в
надводное положение прошла 12 278 миль за 51 сутки впервые за
историю советского флота.15Но в 1968 году, когда К-27 находилась в
Баренцевом море, произошла авария, в результате которой весь экипаж
получил высокие дозы облучения, погибло 9 человек. Лодка была
сильно загрязнена радиацией ее решили законсервировать и затопить.
Сейчас К-27 и другие затонувшие атомные суда планируется поднять со
дна и утилизировать.16Жидкометаллический теплоноситель также
использовался в реакторах ОК-550 и БМ-40/А на лодках проекта 705(К)
Лира, спроектированных в первой половине 1970-х годов. Они были
быстрыми и маневренными, хотя и довольно шумными. Однако на одной
из них в 1972 году случилась авария, сопровождавшаяся охлаждением и
застыванием теплоносителя. Энергетическая установка в этом случае
оказывается выведенной из строя:конструкция не подразумевает
повторного разогрева теплоносителя. Аварийную лодку утилизировали,
реакторы последующих были доработаны с целью предотвратить
застывание теплоносителя, но постоянная борьба за поддержание
реактора в разогретом состоянии сильно осложняла их использование,
и Лиры были вскоре списаны.Итак, сделать надежный реактор с
жидкометаллическим теплоносителем для лодки оказалось сложнее, чем
предполагалось. Похоже, водо-водяные реакторы оптимальный вариант.
Но как в таком случае поступить с топливом, которое при постоянном
изменении мощности растрескивается и приходит в негодность?
Использовать не керамику, как в энергетических реакторах, а
пластичный силумин17с включенными в него частицами оксидного
топлива.Такое топливо не подвержено растрескиванию.Кроме того, на
ледоколах и подлодках есть система регулировки хода расходом пара:
когда нужно сбросить мощность, можно не менять режим работы
реактора, а перенаправить часть рабочего пара с турбины в
технологический конденсатор. В аварийной ситуации быстро снизить
мощность реактора можно при помощи сброса стержней аварийной защиты
в активную зону.Бльшая безопасность малых реакторовЯпонский
ученый-энергетик Садао Хаттори сформулировал следующий принцип: при
снижении проектной мощности в 10 раз реактор становится безопаснее
в тысячу раз.18 Если сравнивать ВВЭР-1000 и малый реактор мощностью
100 мегаватт, оказывается, что в малом реакторе в 10 раз меньше
топлива (то есть запасенной радиоактивности, которая представляет
опасность), в 10 раз меньше запасенной потенциальной тепловой
энергии, которая может разбросать эту радиоактивность, и в 10 раз
ниже вероятность и последствия реактивностной аварии. В крупном
реакторе нейтронная волна, если ее вовремя не подавить,
превращается в цунами и приводит к чернобыльскому или фукусимскому
сценарию. В малом реакторе вспышка нейтронной волны из-за небольших
размеров конструкции быстро дойдет до границы активной зоны:
происходит некоторое тепловое возмущение, но радиоактивность
практически не выходит за пределы площадки. Конечно, это не
отменяет того, что при аварии реактора небольшой мощности может
пострадать или погибнуть персонал.Поезда, танки, самолеты: почему
не все может работать на атомной энергииС развитием в 1950-х годах
ядерной энергетики появилось множество проектов по ее внедрению в
различные военные и гражданские области. И если атомные подводные
лодки и ледоколы закрепились в практике, тоамбициозные идеи атомных
танков, самолетов и поездов, будоражавшие воображение публики, так
и не получили реального воплощения. Предполагалось, что атомная
энергия позволит сделать эти средства передвижения автономными. Но
далеко не везде внедрение новых технологий было оправданным.
Например, атомному танку, более дорогостоящему, чем
обыкновенный,все равно требовалось регулярное обслуживание и
снабжение боеприпасами, и полностью автономным он быть не мог, а
его повреждение с большой вероятностью привело бы к радиоактивному
заражению местности. Поэтому ни один из проектов атомных танков не
дошел даже до стадии постройки опытного образца.Аналогичная
ситуация сложилась и с атомными самолетами.В 19501970-х годах в
СССР и США велись разработки атомолетов самолетов с ядерной силовой
установкой. Даже проводились летные испытания: на борту уже
существующих бомбардировщиков Ту-95 и B-36 размещали ядерные
реакторы (правда, они не использовались для питания двигателей).
Полноценными боевыми самолетами эти разработки нельзя было назвать.
Во-первых, самолеты иногда падают. И сама по себе мысль о том, что
где-то летает ядерный реактор, который внезапно может упасть, была
неприемлемой. Во-вторых, прямоточные системы, прямоточные реакторы,
непосредственная передача тепла, неизбежно приводили бы к выбросам
радиоактивных частиц из хвоста самолета, говорил Герберт Йорк, один
из руководителей программы атомолетов в США. Кроме того, было
необходимо защитить летчиков от воздействия радиации.19Все эти
риски препятствовали внедрению атомолетов. К тому же появились
более дешевые технологии: самолеты научились дозаправлять топливом
в воздухе.
В 1980-х в СССР разрабатывали атомовоз локомотив, приводимый в
движение ядерной энергетической установкой, но ни один атомный
поезд так и не был построен.Интересно, что атомным танком называли
в прессе советскую ТЭС-3 передвижную на гусеничном шасси атомную
электростанцию для отдалённых районов Крайнего Севера, которая была
создана на базе тяжёлого танка Т-10. Проекты передвижных атомных
станций, которые не движутся ядерной энергией сами, но зато
производят электроэнергию и раздают ее потребителям в
труднодоступных районах где нет собственных источников энергии,
прижились в России. Например, российская плавучая атомная
теплоэлектростанция (ПАТЭС) Академик Ломоносов, которая
реализовывалась с 2007 года и в 2020 году была сдана в
эксплуатацию.20Реакторы в космосеРазрабатывались и ядерные
двигатели для ракет, в которых преобразованная энергия деления
используется для создания реактивной тяги. Ядерный ракетный
двигатель состоит из нагревательной камеры, в которой источником
тепла является реактор, системы подачи рабочего вещества и сопла.
Рабочее вещество (как правило водород) подается в активную зону
реактора, где проходит через нагретые ядерным топливом каналы,
разогревается и выбрасывается через сопло, создавая реактивную
тягу. Были построены опытные образцы ядерных ракетных двигателей: в
СССР РД-0410, в США NERVA.25Однако космические программы,
подразумевающие использование этих двигателей, были свернуты, и
хотя двигатели прошли множество испытаний, на практике ни в одной
из стран они не применялись.Другой вариант ядерного ракетного
двигателя импульсный. На этапе взлета ядерные заряды мощностью
примерно в килотонну тротилового эквивалента взрываются, и ударная
волна принимается и отражается так называемым толкателем
металлическим экраном с теплозащитным покрытием. Отраженная ударная
волна создает реактивную тягу. В США космические разработки с
использованием импульсных ядерных ракетных двигателей
осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта Орион.
Аналогичные работы велись и в СССР. Большинство разработок так и
осталось на стендах.26Но в космосе побывало несколько десятков
маленьких реакторов на быстрых нейтронах, которые в составе
термоэлектрических27энергоустановок Бук (не путать с одноименным
зенитным ракетным комплексом) служили источниками энергии для
советских спутников разведки серии Космос. Размер их активной зоны
составлял примерно 3550 сантиметров, а в качестве теплоносителя
использовался натрий-калиевый сплав. Назвать их ядерными ракетными
двигателями нельзя: они относятся к ядерным энергодвигательным
установкам (ЯЭДУ), в которых ядерный реактор используется только
для выработки электроэнергии, питающей электрический ракетный
двигатель (ЭРД) и бортовые системы космического аппарата. Ряд
спутников серии Космос аварийно вышли из строя.Также в 19871988
проходили летные испытания двух космических аппаратов Плазма-А
(вошли в серию Космос) с ядерной электродвигательной установкой
Топаз-1 мощностью 5 кВт, питающей электроракетные двигатели, а
также наземные испытания установки Енисей (Топаз-2) мощностью 5
кВт.28Эти установки работали на основе термоэмиссионного
реактора-преобразователя (ТРП). Эффект термоэлектронной эмиссии
заключается в том, что при нагреве отрицательного электрода
(катода) высвобождаются электроны и через разреженный газ или
вакуум движутся к положительному электроду (аноду).29В
термоэмиссионном реакторе-преобразователе источник тепла и система
преобразования совмещены в едином блоке: электрогенерирующие
элементы объединены с ядерным топливом в термоэмиссионные твэлы, из
которых и набирается активная зона реактора.30В начале 2010-х
НИКИЭТ начал заниматься разработкой ядерной электродвигательной
установки мегаваттного класса, в которой в качестве теплоносителя
будет использоваться гелий-ксеноновая смесь.31Предполагается, что
электронагрев рабочего вещества (гелий-ксеноновой смеси) до очень
высоких температур более эффективен, чем сгорание обыкновенного
жидкого топлива с окислителем (как в обычных ракетных двигателях)
или нагрев рабочего вещества при прокачивании через активную зону
(как в ядерных ракетных двигателях). Например, в газотурбинных
установках для самолетов температура сгорания керосина 1100-1300C.
В ядерной электродвигательной установке с помощью электричества
можно нагреть ту же самую субстанцию до 3000C то есть для того,
чтобы получить тот же силовой импульс, что и в жидкостном
двигателе, потребуется в три раза меньше вещества.Ядерные
энергетические установки могут использоваться в качестве
межорбитального буксира для доставки тяжелых космических аппаратов
на целевую орбиту вместо одноразовых разгонных блоков и длительного
энергообеспечения их аппаратуры. А после выработки ресурса или
утилизированы, или выведены на орбиту захоронения.Какими бы они ни
были, это в любом случае будет малогабаритный ядерный реактор,
совмещенный с системой преобразования энергии деления ядер урана в
другой вид энергии, необходимый для движения, через тепловую
энергию или напрямую.Литература1. Sadao Hattori. Energy source for
human demand. In: Advanced Nuclear Systems Consuming Excess
Plutonium. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1997, p. 69772.
Быховский И. А. Атомные подводные лодки. Л.: Судпромгиз, 19633.
Годовой отчет ОАО НИКИЭТ о результатах деятельности в 2012 году //
Открытое акционерное общество Ордена Ленина
Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники
имени Н.А. Доллежаля. 20134. Грузовые перевозки в России: обзор
текущей статистики // Бюллетени о текущих тенденциях российской
экономики. Аналитический центр при правительстве Российской
Федерации. Выпуск 53, сентябрь 20195. Каплун С.В.. Ядерные
двигатели // Ядерная физика в интернете6. Князевский К. Ю., Фадеев
Ю. П., Пахомов А. Н., Полуничев В. И., Вешняков К. Б., Кабин С. В.
Проектные решения реакторной установки РИТМ-200, предназначенные
обеспечить экологически безопасную и экономически эффективную
эксплуатацию универсального атомного ледокола на арктических
трассах // Арктика: экология и экономика. 3 (15), 20147. Кузнецов
В.М. Энергетические блоки атомного подводного флота // Атомная
стратегия, 27, 20078. Куличков В.К., Усенко Н.В. / История создания
в СССР первых титановых торпедных и ракетных атомных подводных
лодок // Научный вестник оборонно-промышленного комплекса России.
20149. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и
эффективность применения космических ядерно-энергетических
установок и ядерных электроракетных двигательных установок //
Космическая техника и технологии. 1(1), 201310. Нормативное
регулирование ядерной и радиационной безопасности плавучего
энергоблока // Атомные станции малой мощности: новое направление
развития энергетики / под ред. акад. РАН А. А. Саркисова ; Ин-т
проблем безопасного развития атомной энергетики РАН. М. : Наука,
201111. Первая АПЛ // История Росатома12. Плавучие атомные
теплоэлектростанции (ПАТЭС) // АО Концерн Росэнергоатом13. Полмер
Н. Атомные подводные лодки / Сокр. пер. с англ. Г. И. Святова; Под
ред. [и с предисл.] канд. воен.-мор. наук А. М. Кузнецова. М. :
Атомиздат, 196514. Реактор КЛТ-40 // История Росатома15. Реактор
КТП-6 // История Росатома16. Реакторные установки КЛТ-40С для
атомных станций малой мощности // АО ОКБМ Африкантов17. Реакторы с
термоэмиссионным преобразованием энергии // Электрические сети18.
Реакторы ядерных энергетических установок для атомных подводных
лодок // АО ГНЦ РФ ФЭИ19. Торопов К.И. Плавучая атомная
теплоэлектростанция Академик Ломоносов. Мурманск, 201820. Тошинский
Г.И., Комлев О.Г., Тормышев И.В., Степанов В.С., Климов Н.Н.,
Болванчиков С.Н.Особенности технологии СВБР и требования к
материалам активной зоны и теплоносителю // Доклад на Третьей
международной научно-технической конференции: Развитие атомной
энергетики на основе замкнутого топливного цикла с реакторами на
быстрых нейтронах. Инновационные технологии и материалы. Москва,
11-12 ноября 200921. Шурочков М.В., Созонюк В.А.. Плавучие атомные
теплоэлектростанции: состояние и перспективы // Атомные станции
малой мощности: новое направление развития энергетики / под ред.
акад. РАН А. А. Саркисова ; Ин-т проблем безопасного развития
атомной энергетики РАН. М. : Наука, 201122. Щепетина Т.Д. Малые АЭС
большие возможности // Экспертный центр ПОРА, 201823. Энергетика:
история, настоящее и будущее. Развитие атомной энергетики и
объединенных энергосистем / К. Б. Денисевич, Ю. А. Ландау, В. А.
Нейман [и др.]; Ландау Ю. А., Сигал И. Я., науч. ред. Киев: Ред.
изд. Энергетика: история, настоящее и будущее 2011Обложка: Ксения
Рыкова
