шить ее, потребуется снять весь парогенератор вместе с крышкой реактора. Приводы органов регулирования при такой компоновке размещаются сбоку корпуса, что вносит ряд особенностей в их эксплуатацию. В частности, должны быть приняты меры по исключению стратификации охлаждающей воды, могущей вызвать искривление и заедание валов. Рис. 18.7.
Унифицированный моноблок для французских подводных лодок и авианосца: 1 – бак с водой (защита); 2 – съемный защитный кожух; 3 – корпус реактора; 4 – реакторный отсек; 5 – паровой коллектор; 6 – шлюзовая камера; 7 – люк; 8 – опора корпуса Кстати, такая конструкция моноблока применена в последующем унифицированном реакторе для подводных лодок и авианосцев. Общий принцип моноблока представлен на рис. 18.7. Из проектных проработок моноблока следует упомянуть японский моноблок MRX мощностью 100 МВт, отличающийся от других наличием контейнмента, заполненного водой, в которую погружены и системы безопасности – аварийная система удаления остаточного энерговыделения, сброс воды из предохранительного клапана первого контура. Внутри корпуса реактора находятся парогенератор, паровой компенсатор давления с электронагревателями, приводы органов 141
Создание реакторной установки-невидимки — в постоянной рубрике «К 75-летию атомной отрасли»
управления. В первых проработках и ЦНПК были погружными. Затем они были вынесены. Общий вид моноблока дан на рис. 18.8. Рис.
18.8. Концептуальная схема конструкции японского морского реактора MRX: 1 – защитная оболочка (внутренний диаметр 7,3 м, высота 13,0 м); 2 – номинальный уровень воды; 3 – охладитель типа тепловой трубы (4 контура); 4 – механизм привода стержней регулирования (13 приводов); 5 – головка распылителя воды; 6 – нагреватель компенсатора давления; 7 – главный ЦНПК (2 насоса); 8 – клапан снятия давления (3 клапана); 9 – ПГ (прямоточный, со спиральной трубной системой, две петли); 10 – корпус реактора (внутренний диаметр 3,7 м); 11 – топливная сборка АЗ (19 сборок); 12 – экран потока; 13 – тепловая изоляция; 14 – защита; 15 – герметичная оболочка; 16 – пластина стабилизатора водного потока; 17 – система аварийного расхолаживания (3 модуля); 18 – перфорированная пластина для улучшения конденсациипара истабилизации потока воды 142
Привлекает внимание и эскизный проект южно-корейского наземного двухцелевого моноблока SMART мощностью 300 МВт – для выработки электроэнергии и опреснения воды. Отличается от других моноблоков проточными циркуляционными насосами, газовыми компенсаторами давления, водяной объем которых размещен над АЗ и охлаждается специальной системой, а газовый объем заключен в вынесенных баллонах.
Поскольку система, охлаждающая воду компенсаторов давления, включена постоянно, она может одновременно служить надежным средством отвода остаточного энерговыделения. В заключение этого раздела можно сделать следующие выводы. Моноблочные установки постепенно входят в практику исполь- зования на кораблях. Первенство здесь держат французы.
Проектные проработки моноблоков различных мощностей в ре- акторных конструкциях у нас ведутся десятки лет. Но пока это были работы в основном на полку. Постепенно моноблок увеличивает число своих сторонников. В ближайшие годы можно ожидать появления моноблоков достаточной мощности и на отечественных кораблях и судах. 19.
ОДНО- И ДВУХРЕАКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ Условия работы морского реактора существенно отличаются от условий работы наземного реактора. Ввиду малоизученности и отсутствия опыта эксплуатации было решено иметь на подводной лодке два реактора. В однореакторной установке срабатывание аварийной защиты могло иметь очень серьезные последствия. Для подводной лодки – это всплытие.
Всплывшая лодка очень быстро обнаруживалась и легко становилась добычей противника. Учитывая высокую энергонапряженность реакторов, число защитных мер (в частности, сигналов срабатывания аварийной защиты) было достаточно велико. Поэтому применение двухреакторных установок было логичным. Одновременная остановка обоих реакторов маловероятна. 143
На а/л «Ленин» первая установка была даже трехреакторной. Это было обусловлено специфичной работой ледокола. При остановленном одном реакторе он должен иметь возможность выйти изо льдов самостоятельно, так как другие ледоколы, имея значительно меньшие мощности, мало чем могли помочь попавшему в беду атомному ледоколу, третий реактор должен играть при этом роль запасного.
За рубежом двух- и более реакторные установки применялись в основном на надводных кораблях – авианосцах и крейсерах. Лишь одна американская подводная лодка «Тритон» имела двухреакторную установку. В дальнейшем вопрос о применении одноили двухреакторной установки неоднократно поднимался, особенно в связи с их плаваниями в Арктике.
Однако все-таки возобладало мнение о целесообразности иметь однореакторную подводную лодку во всех случаях. И сейчас все подводные лодки за рубежом – американские, английские, французские и, вероятно, китайские – однореакторные.
Зарубежные ЯЭУ менее энергонапряженные, имеют большую массу и габариты по сравнению с отечественными, что облегчает достижение высокой надежности энергообеспечения. Параметры теплоносителя первого и второго контуров даже в последних зарубежных установках значительно ниже параметров отечественных морских реакторов – по температурам и давлению теплоносителя первого контура, давлению и температуре пара второго контура (на полной нагрузке на «Си Вулф» – давление пара 2,4 МПа при температуре 240 ° С).
Иногда принимается повышенное резервирование оборудования за счет использования на малошумных ходах особого оснащения конденсатно-питательной системы. Силовой контур американских подводных лодок фактически двухпетельный.
Турбина и турбогенератор с единым конденсатором, дублированные конденсатные и питательные насосы, другое оборудование конденсатно-питательного тракта объединены в одну петлю. Рядом – параллельная аналогичная петля, получающая пар от единого реактора и дающая энергию одновальному винту. В отечественной практике однореакторные установки стали находить применение по мере накопления опыта эксплуатации атомных энергетических установок. В первом поколении не было однореакторных лодок. Во втором поколении однореакторные установ- 144
ки были применены на серии атомных подводных лодок (проект 670). На третьем поколении уже было три проекта однореакторных подводных лодок с водяным теплоносителем (971, 945, 685) и один проект (705) с жидкометаллическим теплоносителем. Они ничуть себя не скомпрометировали в процессе эксплуатации.
Десятки однореакторных лодок прошли подо льдами Арктики с Северного на Тихоокеанский флот, участвовали в дальних походах. На них были те же высоконапряженные реакторы, что и на двухреакторных лодках. Повышение надежности высоконапряженных ЯЭУ было, конечно, сложнее, чем менее напряженных ЯЭУ, но и эта задача была решена.
При проектировании установок были заложены очень большие резервы, позволившие позднее поднять фактический ресурс в несколько раз по сравнению с проектным. Все-таки отсутствие второй равноценной установки надо было компенсировать увеличением резервирования оборудования. Теперь стали обеспечивать работу одного реактора.
Увеличилось резервирование и в конденсатно-питательном тракте. Отсутствие связей, обеспечивающих работу оборудования одновременно на обе реакторные установки и даже перекрестную работу установок, сильно упрощало ЯЭУ и ее обслуживание, что способствовало повышению ее надежности.
Улучшился доступ к оборудованию и упростился его ремонт, уменьшился экипаж, понизилось водоизмещение подводной лодки, снизилась стоимость и установки, и подводной лодки. В целом, стало очевидным, что пора переходить на однореакторные установки и для стратегических подводных лодок. Конечно, на однореакторной подводной лодке обязательно наличие дизель-генератора в качестве резервного энергоисточника, более высокая емкость аккумуляторной батареи, отнесенная к одному реактору. Борьба за живучесть однореакторной подводной лодки происходит в более определенных условиях. Должна быть уверенность, что использование реактора как источника энергии для других отсеков для их освещения, откачки воды, тушения пожара можно производить в максимальной мере, до последней возможности, не заботясь в этих отсеках о средствах для остановки и расхолаживания реактора, так как они в полном наличии есть в самом реакторном отсеке и позволят обеспечить безопасность самого реактора. 145
Здесь еще большая необходимость независимости реакторного отсека от других отсеков. Надводные корабли, авианосцы и атомные крейсера за рубежом и у нас имеют двухреакторные установки.
Здесь меньшие ограничения и по массе, и по габаритам, больше вероятность локального поражения установки, больше вероятность навигационных повреждений, к которым менее чувствительна двухреакторная установка. На атомном ледокольном флоте преимущественно применяются двухреакторные установки.
Как уже отмечалось, в случае выхода из строя одного реактора ледокол должен иметь возможность выйти самостоятельно изо льдов. Роль вспомогательной установки требуемой мощности выполняет второй реактор. Для этого каждый реактор должен иметь резерв мощности ~ 25 % по сравнению с требуемой мощностью при одновременной работе обоих реакторов.
В двухреакторной установке имеется возможность полнее использовать топливо. Однореакторный ледокол при выходе в навигацию должен иметь соответствующий энергозапас на все время работы. Если энергозапаса не хватает, надо перегружать реактор.
Перегрузка топлива во время навигации серьезно затрудняет использование ледокола для проводки караванов, особенно в разгар сезона по перевозке грузов по Северному морскому пути. Двухреакторный ледокол может выйти в навигацию с энергозапасом у одного из реакторов меньше требуемого для навигации.
Мощность этого реактора назначается такой, чтобы полностью использовать весь энергозапас АЗ. Остальные потребности в энергии компенсируются вторым реактором. Сейчас имеется опыт использования однореакторных установок и на атомных ледоколах с ограниченной осадкой – «Таймыр» и «Вайгач» – и на атомном грузовом судне «Севморпуть». Они успешно эксплуатируются в течение более 15 лет. Тем не менее, большинство капитанов атомных ледоколов считают все-таки двухреакторную установку здесь более предпочтительной, так как резервная установка на органическом топливе для возвращения на базу при неисправности реактора (особенно если это вспомогательный котел) серьезно усложняет эксплуатацию всей энергетической установки. 146
20. ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ И ЕСТЕСТВЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ВО ВСЕМ ДИАПАЗОНЕ МОЩНОСТЕЙ Естественная циркуляция теплоносителя подкупает своей простотой. Она позволяет существенно упростить реакторную установку благодаря исключению наиболее мощных потребителей электроэнергии – циркуляционных насосов первого контура.
Потребности в электроэнергии значительно снижаются, упрощается система энергоснабжения установки. В ней исключается ряд неприятных переходных режимов – подключение ЦНПК, перевод их с малой скорости вращения на большую – вызывающих изменение реактивности АЗ. Исключается и наиболее опасный режим, связанный с возможностью заброса холодной воды из застойных участков.
Наиболее приспособлен к развитию естественной циркуляции моноблок благодаря снижению гидравлического сопротивления и упрощению тракта циркуляции. Американцы в начале работ полагали, что благодаря естественной циркуляции во всем диапазоне мощностей, включая и полную, удастся снизить массогабаритные характеристики и повысить надежность реакторной установки за счет уменьшения номенклатуры оборудования, количества арматуры и приборов управления.
Ожидалось также уменьшение объема ремонтных работ. Однако главным преимуществом таких установок считалось снижение шумности за счет исключения циркуляционных насосов первого контура, которые в реакторной установке являются главным источником шумов. Уже в 1959 г. американцы начали ОКР и НИР по реактору с естественной циркуляцией на полную мощность, а в 1961 г. приступили к постройке наземного стенда-прототипа – S5G. Стенд вошел в строй в 1965 г., а в 1969 г. была принята в состав флота подводная лодка «Нарвал» с реактором такого типа. Любопытны параметры реакторной установки на естественной циркуляции теплоносителя первого контура на полной мощности: N = 70 – 75 МВт (теп.) – на валу 17 – 18 тыс. л.с. давление первого контура – 16 MПa; температура воды на входе в реактор 260 ° С, на выходе – 290 ° С. 147
Обращают на себя внимание очень большой недогрев воды до температуры насыщения на выходе из реактора (346 – 290 = 56 ° С); и малый перепад температур в АЗ (290 – 260 = 30 ° С). Снижения этого перепада до 30 ° С очень трудно добиться на естественной циркуляции, так как становится незначительным движущий напор естественной циркуляции.
Гидравлическое сопротивление тракта первого контура при этом должно быть необычайно малым. По сути дела, и недогрев до температуры насыщения 56 ° С, и перепад температур на АЗ, здесь приведенные, очень близки к соответствующим величинам установки S4G, работающей на принудительной циркуляции на подводной лодке «Тритон».
По этим данным условия теплообмена в АЗ S5G не отличаются от теплообмена в АЗ S4G, что совершенно невероятно. Данные по «Нарвалу» требуют проверки. Через 2 года эксплуатации подводная лодка «Нарвал» встала в двухлетний ремонт, связанный в основном с модернизацией установки S5G. В1993 г. она уже не числилась в составе флота.
В условиях корабля, по-видимому, не удалось достичь полной мощности в разнообразных морских условиях. Главной проблемой этих кораблей было влияние качки на характеристики реакторной установки. Стенд-прототип имел возможность исследовать поведение установки в динамических условиях.
Реактор был установлен на универсальных шарнирных опорах, позволяющих имитировать бортовую и килевую качку. Отработка показала, что при качке может возникнуть необходимость снижения мощности установки из-за перегрева отдельных узлов реактора. Исследования на стенде продолжались 20 лет (с 1965 по 1985 г.).
Из-за технических сложностей обеспечения устойчивой работы реактора при кренах и дифферентах установки S5G отказались от серии подводных лодок в 5 (по другим данным – 12) единиц с этой установкой. Не получилось и улучшение массогабаритных характеристик. Увеличение размеров реактора, особенно в высоту, привело к увеличению диаметра подводной лодки на 1,5 м по сравнению с диаметрами подводных лодок, где применялись реакторные установки S5W такой же мощности, но с принудительной циркуляцией в первом контуре. Длина отсека была увеличена на 5 м. 148
Несмотря на возникшие трудности с эксплуатацией подводной лодки «Нарвал», в середине 70-х годов был разработан проект стенда S7G с многообещающим названием «Adwanced Reactor Consept» – концепцией перспективного реактора. Это – моноблок с естественной циркуляцией на всех уровнях мощности. Сооружен стенд S7G рядом со стендом-прототипом S3G для подводной лодки «Тритон».
Предполагалось такой реактор установить на SSN-21 – подводной лодке «Си Вулф», но тендер выиграла установка S6W мощностью 215 – 230 МВт фирмы «Вестингауз». Диаметр прочного корпуса подводной лодки 12,3 м (у «Нарвала» – 11,7 м).
Интересно отметить, что на подводной лодке «Лос Анджелес» с диаметром корпуса 10,1 м установлен реактор S6G мощностью 130 – 150 МВт, а на «Огайо» с диаметром корпуса 12,7 м – реактор S8G той же фирмы General Electric, но оба реактора с принудительной циркуляцией. На последней подводной лодке «Вирджиния» применена реакторная установка S9G мощностью 180 МВт и на винте 40 000 л.с.
Диаметр прочного корпуса подводной лодки 10,4 м, меньше чем у «Нарвала» (11,7 м). По-видимому, полная мощность обеспечивается при принудительной циркуляции. Таким образом, реактор на естественной циркуляции во всем диапазоне мощностей пока не нашел достойного применения в морских ЯЭУ. Об этом, главным образом, свидетельствует американский опыт.
Велись длительно интенсивные исследования на стендах-прототипах S5G и S7G и эксплуатировалась подводная лодка «Нарвал». Скорее всего, это были моноблочные реакторы со встроенными компенсаторами давления. Встроенный компенсатор создает ряд проблем при качке и дифференте, которых не избежать и под водой при циркуляции подводной лодки.
В этом отношении предпочтительнее исключение уровня теплоносителя внутри корпуса реактора путем использования вынесенных компенсаторов давления, хотя в этом случае моноблок теряет свою «чистоту». С вынесенными компенсаторами давления была спроектирована французская моноблочная установка для подводной лодки «Рубис». Мощность ее невелика – всего 48 МВт (теп.), но и здесь французы не пошли на естественную циркуляцию теплоносителя первого контура во всем диапазоне мощностей. Верхний уровень 149
мощности при естественной циркуляции был ограничен 67 %. В унифицированной моноблочной установке для авианосца и подводных лодок К-150 мощностью 150 МВт, имеющей вынесенные компенсаторы давления, на естественной циркуляции обеспечивается съем мощности до 49 %. Конечно, во всех морских установках фирмы General Elecric довольно высокий уровень естественной циркуляции, что не требует включения ЦНПК на малошумных ходах. А на высоких уровнях мощности шумность ЦНПК «тонет» в других шумах подводной лодки.
Естественная циркуляция с ее меньшими скоростями теплоносителя первого контура по сравнению с принудительной циркуляцией требует увеличения поверхностей парогенераторов. Да и скорости маневрирования мощностью при естественной циркуляции снижены в 2 – 3 раза. Поэтому уровни естественной циркуляции ограничиваются обычно мощностями малошумных ходов.
Переход на более высокий уровень мощности требует подключения главных циркуляционных насосов первого контура. Изменение температурного режима АЗ приводит к всплеску мощности. Поэтому такой переход производится системой автоматики. Он занимает значительное время – 1 – 2 мин.
Более спокойно этот переход можно осуществить при частотном пуске ЦНПК, однако это требует применения преобразователей частоты и своей системы регулирования. Поэтому частотный пуск применяют редко. 21. ПАРОГЕНЕРАТОРЫ В морских установках за рубежом в основном применены корпусные парогенераторы с естественной циркуляцией теплоносителя второго контура.
В них вырабатывается насыщенный пар. Они имеют большую приемистость по нагрузке благодаря наличию большого количества воды при температуре насыщения. Устойчиво работают в широком диапазоне нагрузок. В них более низкие требования к материалам трубной системы (можно даже применить нержавеющую сталь, как на наших АЭС) и к качеству питательной воды ввиду отсутствия зоны ее доупаривания с концентрацией примесей в этой зоне. 150
Источник: studfile.net
Реакторная установка подводной лодки
Быстрые реакторы со свинцово-висмутовым теплоносителем
Свинцово-висмутовый теплоноситель Александр Лейпунский начал изучать на заре атомного проекта. Сначала — в качестве теплоносителя для быстрого реактора-размножителя (бридера), необходимого для наработки плутония. Однако, в отличие от натриевого бридера, такой реактор не смог обеспечить короткое время удвоения плутония. В настоящее время, на новом витке интереса к этой технологии, идет работа над тем, чтобы доказать ее экономическую состоятельность и создать энергоблок со свинцово-висмутовым быстрым реактором (СВБР), обладающим высоким уровнем внутренней самозащищенности.
Причины выбора
Быстрые реакторы изначально нужны были для наработки плутония — как для военных, так и для гражданских целей. «Поскольку в те годы еще мало было разведано месторождений природного урана, не были открыты гигантские запасы нефти и газа, т.е. маячил топливно-энергетический кризис, правительство планировало развивать ядерную энергетику быстрыми темпами, буквально удваивать мощности каждые пять-семь лет», — вспоминает в своей книге «Свинцово-висмутовые реакторы: между прошлым и будущим, живая история. Полемика, интервью, воспоминания» Георгий Тошинский, один из разработчиков СВБР.
В пользу свинцово-висмутового теплоносителя говорили его теплофизические свойства. Сплав имеет достаточно низкую (123 °С) температуру плавления (для сравнения, у натрия 98 °С, а у свинца 327 °С) и высокую — кипения (1670 °С). Такие свойства сплава позволяют получить высокие параметры паросилового цикла и, как следствие, хороший КПД при низком давлении в первом контуре, обусловленном высокой температурой кипения. Кроме того, свинец-висмут не вступает в реакции с воздухом и водой (это главная проблема натрия), поэтому исключены взрывы и пожары, и специальные системы безопасности не нужны.
Параллельно для реакторов на быстрых нейтронах рассматривались варианты с разными теплоносителями — не только со свинцом-висмутом, но и с натрием и с гелием. Тогда «победил» натрий, у которого меньшее время удвоения плутония. Этот параметр обратно пропорционален энергонапряженности активной зоны, которая у свинца-висмута значительно ниже, чем у натрия. Для реакторов атомных подводных лодок (АПЛ) высокая энергонапряженность активной зоны не требуется, поэтому свинец-висмут решили попробовать там — в реакторных установках с промежуточными по спектру нейтронов активными зонами.
Лодочные испытания
АПЛ были частью атомного проекта — для выполнения собственно военных задач и в качестве потенциального средства транспортировки ядерного оружия. Использовать свинец-висмут для подводных лодок предложил Александр Лейпунский. «Первый реактор на свинце-висмуте для подводной лодки был рассчитан Б. Ф. Громовым в его дипломном проекте, выполненном под руководством А. И. Лейпунского. Он выбрал и решетку активной зоны, и тепловыделяющие элементы — тогда они были тоненькие, диаметром 6 или 8 мм. В дальнейшем все это пришлось существенно изменить», — отмечает в своей книге Георгий Тошинский.
Но многих необходимых знаний о свойствах свинца-висмута тогда еще не было. В частности, неизвестен был механизм коррозии конструкционных материалов и, соответственно, не разработаны методики подавления коррозионного воздействия. Не было известно, как влияют на конструкционные материалы и теплоноситель различные примеси и как минимизировать их отрицательное влияние.
Отсутствовали данные по радиационным характеристикам конструкционных материалов, механизму теплоотдачи и другие. Для решения научно-исследовательских и опытно-конструкторских задач в стране были созданы десятки стендов – в ФЭИ, «Гидропрессе», ОКБМ и других НИИ. Реакторные петли для испытаний твэлов создали в Курчатовском институте и НИИАР. Первый полномасштабный стенд-прототип появился в ФЭИ в 1959 году.
Уже в 1963 году была сдана в эксплуатацию первая атомная подводная лодка с жидкометаллическим теплоносителем проекта 645. Затем, с 1971 года, стали вводить в эксплуатацию АПЛ проекта 705 и 705Л (класс «Альфа» по классификации НАТО), которые отличались паропроизводящими установками. Всего было построено семь «Альф».
Исследовать, проектировать и строить приходилось почти одновременно. «В процессе эксплуатации наземных стендов-прототипов и ПЛА (то же, что АПЛ. — Прим. ред.) мы встретились с рядом технических трудностей, вызванных, в том числе, и нашими ошибками и недоработками как в области НИР, так и ОКР. Это вполне естественно, т. к. мы вошли в совершенно новую, очень сложную область науки и техники и в силу ряда обстоятельств вынуждены были вести проектирование, строительство и эксплуатацию установок параллельно с проведением НИР, у нас не было возможности выполнить хотя бы минимальный объем НИР до начала проектирования», — вспоминает Борис Громов, который в 1972–2001 годах возглавлял работы по созданию ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем для АПЛ. Но в конечном итоге ядерные установки для подводных лодок со свинцово-висмутовыми реакторами были построены.
Из-за недостатка исследований на стендах и на лодках возникали аварии. В их причинах разбирались, получали новые знания, неполадки устраняли, меняли регламенты изготовления и эксплуатации. Самой большой проблемой оказалось возникновение окислов, которое привело к тяжелой аварии на одном из двух реакторов на первой опытной АПЛ К-27 проекта 645.
Окислы свинца (шлаки) появлялись при разгерметизации первого контура во время ремонтов и перегрузки топлива. Но об их опасности тогда никто не знал, потому что реакторная установка работала без сбоев всю первую кампанию. Проблемы начались во время второй. Шлаки забили вход в активную зону, теплоноситель перестал проходить, начался сначала локальный перегрев, а потом — уже из-за действий оператора, который хотел удержать падающую мощность реактора, — началось плавление активной зоны.
На этой аварии научились очень многому. Стали вести системные исследования по образованию окислов — и научились их химически восстанавливать до металлического свинца и паров воды, вводя гелий-водородную смесь. Тогда же поняли, что полностью удалять кислород нельзя, потому что он создает оксидную антикоррозионную пленку на конструкционных материалах. Правильная стратегия — поддерживать кислородный баланс.
Также на К-27 впервые изучили влияние размораживания (в данном случае имеется в виду переход из твердого в жидкое состояние) теплоносителя на реактор и топливо. Исследования проводили на реакторе, который не был поврежден. Работали крайне аккуратно, медленно повышая температуру в системе обогрева. Теплоноситель разморозился (расплавился), реактор проработал несколько суток, и оказалось, что оболочки твэлов и первый контур сохранили герметичность. Так впервые было экспериментально подтверждено, что свинец-висмут можно безопасно замораживать и размораживать без вреда для оборудования.
Страх заморозки первого контура был большой головной болью для моряков. Атомщики требовали, чтобы реакторная установка все время оставалась включенной. «Один из адмиралов сказал: «Вы сделали хороший скоростной автомобиль, на нем приятно ездить, но, когда я приезжаю домой, я не могу выключить двигатель. Если вы эту проблему не решите, такие реакторы нам не нужны»», — рассказывает Георгий Тошинский в своей книге.
Проблему решили. Режимы заморозки-разморозки проверили на стендах и выяснили, что процесс замораживания происходит медленно, материал пластичный, поэтому целостность стальных конструкций не нарушается даже после трех десятков циклов замораживания-размораживания. Но применить эти знания на АПЛ не успели — на тот момент уже распался Советский Союз, атомные подлодки с жидкометаллическим теплоносителем выводили из эксплуатации и больше не строили.
Еще одна проблема, для которой нашли решение во время исследований и эксплуатации АПЛ, — как избежать воздействия полония-210 в газообразных соединениях на организм человека. Для этого разработали особые правила радиационной безопасности. Полоний-210 образуется при поглощении нейтронов висмутом и представляет опасность при разгерметизации первого контура во время плановых ремонтов и перегрузок топлива. Установили, что необходимо организовывать зоны строгого радиационного контроля в местах проведения работ, отсасывать воздух от мест с повышенным загрязнением, использовать спецодежду и респираторы, проводить дезактивацию загрязненных поверхностей и не вести огневые работы (сварку и резку) в сильно загрязненных полонием местах.
В итоге в ВМФ до 1996 года прослужили шесть подводных лодок со свинцово-висмутовыми реакторами. «Общая наработка во всех режимах составила около 80 реакторо-лет, подтвердила достоинства и основные характеристики, заложенные в проекте, и была достаточной для выявления конструктивных и технологических недостатков с целью определения основных направлений совершенствования установок», — говорится в заключении экспертной рабочей группы, которая изучила опыт эксплуатации этих АПЛ.
СВБР в проекте
После 1996 года свинцово-висмутовое направление переживало кризис. Поддержал разработчиков заказ от «Росэнергоатома» по изучению возможности реновации трех блоков Нововоронежской АЭС, партнерство с японскими компаниями и сотрудничество с Международным научно-техническим центром.
Полученные деньги позволили разработать концептуальный проект АЭС с двумя блоками электрической мощностью 1600 МВт каждый на базе реакторной установки СВБР мощностью 100 МВт (16 модулей). Уже тогда стало понятно, что выиграть в конкуренции с АЭС большой мощности и другими видами низкоуглеродной генерации малые АЭС могут за счет эффекта масштаба. Серийное производство модулей снизит стоимость оборудования, сократит сроки строительно-монтажных работ.
Модульный проект с СВБР-100 сравнивался с проектом реактора ВВЭР-1500. Сопоставление технико-экономических показателей выявило преимущество АЭС с СВБР. НТС, который рассматривал проект, одобрил его и рекомендовал выполнить обоснование инвестиций реновации блока № 2 НВАЭС с использованием СВБР. Но эта работа выполнена не была.
Следующая попытка довести СВБР до «железа» была предпринята в 2005 году. Георгий Тошинский с коллегами подготовил письмо на имя президента Владимира Путина о необходимости продолжить развитие свинцово-висмутовой технологии. Вес письму придали подписи академиков Гурия Марчука и Валерия Субботина. Их поддержка помогла: в 2006 году перспективы свинца-висмута рассмотрели на НТС по энергетике Росатома. Было принято решение о переходе к проектированию и строительству опытного объекта, на него выделили деньги, началась работа.
А через два года проектом заинтересовался бизнесмен Олег Дерипаска. Он увидел в технологии не только возможности для энергоснабжения его сибирского алюминиево-энергетического конгломерата, но и огромный коммерческий потенциал в качестве самостоятельного бизнеса. Время с начала 2000-х до аварии на АЭС «Фукусима» называли атомным ренессансом. Уже тогда было понятно, что декарбонизировать энергетику в масштабах планеты без атомной генерации — задача сложная, если вообще выполнимая. Благодаря интересу Олега Дерипаски появилась компания «АКМЭ-инжиниринг», ею на паритетной основе владеют Росатом и «Иркутскэнерго» (входит в En+).
«АКМЭ-инжиниринг» стала владельцем интеллектуальных прав на технологию СВБР-100 (это, по условиям соглашения, был вклад Росатома), центром разработки технологии (благодаря инвестициям «Иркутскэнерго»), а также эксплуатирующей организацией на этапах размещения и сооружения опытно-промышленного энергоблока с реакторной установкой СВБР-100.
Ближе к завершению проектирования стало понятно, что для удачного коммерческого запуска проекта было бы неплохо привлечь стратегических партнеров-инвесторов из государств, обладающих перспективными рынками для проекта СВБР-100, развитой промышленностью, а также большими амбициями в атомной энергетике не только в своей стране, но и на рынках третьих стран. Работа по привлечению сейчас активно ведется.
Внутренне присущая безопасность СВБР
1. Из-за высокой температуры кипения свинца-висмута исключается возможность наиболее тяжелой аварии — кризиса теплоотдачи из-за потери теплоносителя в результате его испарения при нарушении герметичности первого контура. (Кризис теплоотдачи — резкое ухудшение теплоотвода от теплоотдающей поверхности, сопровождающееся скачкообразным ростом ее температуры).
2. Химическая инертность теплоносителя при контакте с водой и воздухом исключает возможность химической аварии, такой как пожар на АЭС «Монджу». Из-за отсутствия образования водорода невозможны аварии, подобные случившейся на АЭС «Фукусима» (обе станции в Японии).
3. Отсутствие изменения объема при плавлении-затвердевании позволяет заморозить теплоноситель в реакторной установке, сделав его естественным барьером для выхода радиоактивности, что важно, например, при выводе из эксплуатации.
4. Теплоноситель удерживает в себе йод, цезий и другие продукты деления, кроме газообразных. А нарабатываемый летучий полоний-210, находящийся в теплоносителе в очень низкой концентрации (один атом на миллион), образует термодинамически стойкое интерметаллическое соединение со свинцом, что резко снижает образование радиоактивных аэрозолей при разгерметизации первого контура.
5. Во всех теплоотводящих контурах уровень естественной циркуляции теплоносителя достаточен для отвода остаточного тепловыделения. Это важно при аварии с остановкой насосов.
Высокий уровень внутренней самозащищенности, исключающий наиболее тяжелые аварии, позволяет обосновать безопасность, опираясь не на вероятностный анализ, трудно понимаемый людьми, а на их жизненный опыт: раз нет высокого давления и водорода, то не может быть взрывов и пожаров. Такой подход повысит доверие к технологии СВБР, а это один из ключевых факторов для появления «в железе» нового атомного проекта.
Особенности СВБР
Текущий дизайн проекта СВБР имеет интегральную моноблочную компоновку, объединяющую реактор, насосы и парогенераторы. Моноблочная компоновка, во-первых, полностью исключает большое количество труб первого контура, качество сварки которых сложно проверить. Во-вторых, моноблок будет полностью производиться в заводских условиях, где больше специализированного оборудования, есть возможность развернуть монтируемые агрегаты в наиболее удобное для работы положение, более квалифицированные специалисты, больше возможностей для контроля.
Планируемая мощность ОПЭБ с СВБР — 100 МВт (электрических). СВБР без изменения конструкции может работать как на урановом, так и на уран-плутониевом топливе, причем в обоих случаях — как на оксидном, так и на нитридном. Также в СВБР можно загружать ТРУОКС-топливо — это МОКС-топливо со значительной долей (несколько процентов) младших актинидов, выделенных при переработке ОЯТ. Использование СВБР поддерживает режим нераспространения за счет отсутствия доступа к топливу в течение длительной кампании (7–10 лет) и использования урана с обогащением ниже 20%.
Реакторы СВБР-100 могут стать надежным источником энергии в отдаленных районах и районах со слаборазвитой сетевой инфраструктурой, поставщиком промышленного и бытового тепла, выступать в роли базовой и балансирующей генерации в энергокластерах с высокой долей ВИЭ, гибко сочетаться с технологиями опреснения воды и производства безуглеродного водорода.
«При использовании ТЖМТ (тяжелого жидкометаллического теплоносителя. — Прим. ред.) создаются предпосылки для упрощения конструкции РУ за счет исключения ряда систем безопасности, необходимых в РУ с другими теплоносителями. Это может позволить сделать АЭС на базе БР с ТЖМТ не только более безопасными, но и более экономичными в сравнении с АЭС на базе традиционных реакторов», — уверен Георгий Тошинский.
Источник: atomvestnik.ru
Пусковая установка подводной лодки
Изобретение относится к подводному кораблестроении, а именно к пусковым установкам, предназначенным для постановки/запуска изделий, объектов различного назначения, датчиков и т.п. Пусковая установка содержит герметичный контейнер для запускаемых изделий с корпусом и основанием, а также с пневмоподушкой, сообщенной с газогенератором.
Корпус выполнен раздвижным с возможностью образования в нем пневмоподушки, на основании перпендикулярно установлены направляющие для изделий с возможностью их разведения под углом к основанию. При этом в центре корпуса контейнера установлены две коаксиальные трубы, внешняя из которых закреплена торцом в центре основания и имеет бурт на свободном торце, выполненный с возможностью скольжения по внутренней цилиндрической поверхности корпуса контейнера.
Внутренняя труба закреплена в центре верхней выдвигаемой части корпуса контейнера с возможностью скольжения во внешней трубе. При этом газогенератор установлен во внутренней трубе, на кромке корпуса контейнера выполнено уплотнение-ограничитель, а в основании — клапан заполнения.
Длина внешней трубы может быть не менее длины направляющей вместе с установленным изделием, но менее длины внутренней трубы. Направляющие могут выполняться в виде облегченных труб, установленных на основании равномерно по окружности и соединенных с механизмом их разведения, а их число может соответствовать числу запускаемых изделий. Выдвигаемую часть корпуса контейнера, образующую пневмоподушку, целесообразно выполнять куполообразной, В выдвигаемой части корпуса контейнера могут быть предусмотрены предохранительный и стравливающий клапаны. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности пусковой установки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области подводного кораблестроения, а именно к пусковым установкам (ПУ), предназначенным для постановки/запуска оружия и объектов различного назначения, и может быть эффективно использовано при создании специализированных комплексов морского базирования для постановки/запуска оружия, средств радиоэлектронной борьбы, датчиков траекторных измерений и т.п. с подводной лодки (ПЛ).
Известна пусковая установка подводной лодки (патент №6834608 США, МКИ B63G 8/30; B63G 8/00, F41F 3/00, F41F 3/10.), которая обеспечивает ее модульную загрузку на подводную лодку, пуск оружия или иных средств, расположенных вне прочного корпуса. Пусковая установка подводной лодки включает большой герметичный контейнер (БГК), выдерживающий давление полной глубины погружения подводной лодки, один или несколько транспортно-пусковых контейнеров (ТПК), расположенных в пределах большого герметичного контейнера и предназначенных для пуска и размещения в них оружия или иных средств с малых глубин, систему регулирования давления, обеспечивающую открытие нижней крышки контейнера, после чего транспортно-пусковые контейнеры под действием собственного веса выходят из большого герметичного контейнера.
Известная пусковая установка обладает ограниченными функциональными и эксплуатационными характеристиками, поскольку ориентирована на пуск объектов в транспортно-пусковых контейнерах с малых глубин подводной лодки и, кроме того, траекторные характеристики транспортно-пусковых контейнеров существенно увеличивают время запуска размещенных в них объектов.
Известна пусковая установка подводной лодки (патент №7032530 США, МКИ B63G 8/28; B63G 8/00), которая обеспечивает ее модульную загрузку на ПЛ, пуск оружия или иных средств, снабжена одной или несколькими пневмоподушками. Пусковая установка включает большой цилиндрический герметичный контейнер с крышкой, выдерживающий давление полной глубины погружения подводной лодки, один или несколько водонепроницаемых транспортно-пусковых контейнеров, установленных в каркасе в пределах БГК и предназначенных для размещения и пуска оружия или иных средств (изделий), пневмоподушки, установленные сверху и/или по образующим транспортно-пусковых контейнеров и предназначенные для обеспечения всплытия ТПК из БГК, один или несколько насосов (газогенераторов) для наддува пневмоподушек. Преимущества пусковой установки включают простоту загрузки/разгрузки оружия, увеличенную плотность размещения оружия, снижение веса ПУ за счет возможности размещения вне прочного корпуса подводной лодки.
При пуске оружия или других средств предполагается, что ПЛ будет находиться достаточно близко к поверхности океана, поэтому корпус ТПК рассчитан на внешнее давление только малых глубин.
В известной ПУ (патент США №7032530) ТПК затапливаются водой каждый раз при заполнении водой БГК в процессе уравнивания давления для открывания его крышки при пуске оружия и/или иных средств, после чего один или несколько насосов (газогенераторов) наддувают пневмоподушки, установленные сверху и/или по образующей ТПК, выбранного к пуску, и осуществляют всплытие ТПК из БГК и запуск изделий.
Недостатком известной пусковой установки являются ее ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью запуска объектов в транспортно-пусковых контейнерах с рабочих глубин подводной лодки, поскольку корпус транспортно-пусковых контейнеров способен выдерживать внешнее давление только малых глубин.
Кроме этого, известная пусковая установка не позволяет осуществить постановку оружия и/или иных средств по заданной схеме в пространстве.
Известная ПУ ПЛ по патенту США №7032530, включающая БГК с крышкой, выдерживающий давление полной глубины погружения подводной лодки, один или несколько водонепроницаемых ТПК, расположенных в пределах БГК и предназначенных для размещения и пуска из них оружия или иных средств, пневмоподушки, установленные сверху и/или по образующим транспортно-пусковых контейнеров и предназначенные для обеспечения всплытия ТПК из большого герметичного контейнера, один или несколько насосов (газогенераторов) для наддува пневмоподушек, является наиболее близким аналогом заявляемой ПУ.
Задача изобретения заключается в расширении функциональных возможностей пусковой установки для постановки/запуска изделий (оружия или средств различного назначения, например, средств радиоэлектронной борьбы, датчиков траекторных измерений) за счет обеспечения возможности запуска объектов во всем диапазоне рабочих глубин подводной лодки и по регулярно распределенной в пространстве схеме их постановки для повышения эффективности действия совокупности выставленных объектов.
Задача решена тем, что в известной пусковой установке, рассчитанной на давление полной глубины погружения подводной лодки и предназначенной для запуска изделий, содержащей герметичный контейнер для установки запускаемых изделий с основанием (крышкой) и корпусом, а также с пневмоподушкой и газогенератором, корпус герметичного контейнера выполнен раздвижным от основания с возможностью образования пневмоподушки в выдвигаемой части, на основании перпендикулярно ему установлены направляющие для изделий с возможностью их разведения под углом к упомянутому основанию, при этом в центре корпуса герметичного контейнера установлены две коаксиальные трубы, одна из которых, внешняя, закреплена торцом в центре основания и имеет на свободном торце бурт, перекрывающий сечение герметичного контейнера, выполненный с возможностью скольжения по цилиндрической поверхности корпуса герметичного контейнера, а другая труба, внутренняя, закреплена в центре выдвигаемой части корпуса упомянутого контейнера с возможностью скольжения во внешней трубе, при этом, по крайней мере, один газогенератор установлен во внутренней трубе, на кромке корпуса контейнера выполнено уплотнение-ограничитель, а в основании — клапан заполнения контейнера.
Кроме того, внешняя труба имеет длину не менее длины направляющей вместе с установленным изделием, но менее длины внутренней трубы.
Кроме того, направляющие выполнены в виде облегченных труб, установленных на основании равномерно по окружности и соединенных с механизмом их разведения, а их число соответствует числу запускаемых изделий.
Кроме того, отодвигаемая часть корпуса контейнера, образующая пневмоподушку, выполнена куполообразной.
Кроме того, в выдвигаемой части корпуса контейнера выполнен предохранительный клапан и стравливающий клапан.
Предлагаемое устройство ПУ позволяет повысить ее эксплуатационные характеристики осуществлением запуска изделий во всем диапазоне рабочих глубин ПЛ, а также повышением эффективности действия совокупности выставленных изделий за счет регулярно распределенной в пространстве схемы их постановки. Это достигнуто благодаря установке изделий в направляющих, закрепленных равномерно по окружности основания с возможностью их разведения, а также за счет выполнения корпуса герметичного контейнера раздвижным с возможностью образования при раздвижении в его верхней выдвигаемой части пневмоподушки, наддуваемой при помощи газогенератора, установленного во внутренней трубе механизма раздвижения корпуса ГК.
Пневмоподушка позволяет увеличить плавучесть ПУ, так как газонаполненный резервуар металлического корпуса герметичного контейнера (пневмоподушка) после его раздвижения служит поплавком, а снаряженный запускаемыми изделиями, установленными в направляющих, герметичный контейнер — стабилизирующим якорем. При такой конструктивной схеме образуется восстанавливающий в вертикальное положение момент, что улучшает траекторию движения пусковой установки в прикорпусной зоне подводной лодки и позволяет быстрее приступить к старту оружия или иных средств.
Сущность изобретения пояснена чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 — общий вид пусковой установки с установленными в направляющих изделиями;
на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 — общий вид пусковой установки после раздвижения корпуса герметичного контейнера, разведения направляющих и запуска изделий.
Пусковая установка подводной лодки (ПУ ПЛ) содержит герметичный контейнер (ГК) с цилиндрическим корпусом 1 (фиг.1), выдерживающим давление полной глубины погружения подводной лодки, с клапаном заполнения 2, выполненным в основании (крышке) 3 ГК, а также с предохранительным клапаном 4, находящимся в верхней части корпуса 1 ГК, выполненной куполообразной. ПУ может быть закреплена при помощи основания 3 снаружи корпуса ПЛ.
Корпус 1 ГК выполнен раздвижным, он может выдвигаться от основания 3 при помощи механизма раздвижения, который включает две коаксиальные трубы 5 и 6, установленные по вертикальной оси корпуса 1, одна из которых, внешняя 5, установлена торцом в центре основания 3 и имеет на свободном торце бурт, выполненный с возможностью скольжения по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 ГК, перекрывая его сечение. Другая труба 6, внутренняя, закреплена в центре отодвигаемой куполообразной части корпуса 1 ГК с возможностью скольжения во внешней трубе 5.
На основании 3 ГК установлен механизм 7 разведения направляющих 8, выполненный одним из известных способов. Направляющие 8 выполнены из облегченных труб и закреплены на основании 3 перпендикулярно ему. Места креплений направляющих 8 расположены по окружности на основании 3 по заданной схеме — на равных расстояниях друг от друга. Механизм 7 предназначен для разведения направляющих 8 под углом относительно основания либо относительно вертикальной оси корпуса 1 после его раздвижения и после освобождения направляющих 8 с изделиями 9.
В направляющих 8 установлены изделия: оружие или иные функциональные средства 9, корпус которых должен выдерживать давление полной глубины погружения ПЛ с двигательными установками. Вне зависимости от количества запускаемых изделий 9 направляющие 8 после их разведения равномерно распределены в горизонтальной плоскости.
Внешняя труба 5 имеет длину не менее длины направляющей 8 вместе с установленным в ней изделием 9, но менее длины внутренней трубы 6.
Для создания положительной плавучести ПУ корпус 1 ГК может раздвигаться под давлением во внутреннем его объеме, возникающим вследствие работы одного или нескольких газогенераторов 10, размещенных во внутренней трубе 6, включение которых осуществляется по электросигналу с пульта (не показан).
Для снижения нагрузки на корпус 1 ГК при его раздвижении предусмотрены клапаны заполнения 2, через которые происходит заполнение водой воздушных пустот ГК для уравнивания давления внутри БГК с наружным.
После раздвижения корпуса 1 ГК в его верхней куполообразной части, выдвинутой от основания 3, образуется пневмоподушка 11, которая представляет собой герметичный металлический резервуар, реализуемый в доступном объеме корпуса герметичного контейнера после его раздвижения. Газогенераторы 10 должны обеспечить достаточный объем газа для подъема ПУ с рабочих глубин после наддува ими пневмоподушки 11.
Для предохранения корпуса 1 ГК ПУ от разрыва в начальный период работы газогенератора 10 предусмотрен предохранительный клапан 4. На кромке корпуса 1 ГК выполнено уплотнение-ограничитель 12, а в верхней куполообразной части корпуса предусмотрен стравливающий клапан 13 для выпуска газа.
Устройство работает следующим образом.
По сигналу запуска через клапаны заполнения 2 осуществляют заполнение водой воздушных пустот ГК для выравнивания давления внутри ГК с наружным для раскрытия корпуса 1 ГК. Затем по сигналу с пульта срабатывает газогенератор 10, генерирующий давление газов на раздвижение корпуса 1 ГК и на заполнение газом пневмоподушки 11 — герметичного металлического резервуара, реализуемого в выдвинутой верхней части корпуса 1 ГК после его раздвижения. При этом могут сработать предохранительные клапаны 4.
По мере заполнения газом пневмоподушки 11 часть корпуса 1 ГК выдвигается от основания 3. При этом внутренняя труба 6 скользит во внешней трубе 5 до тех пор, пока бурт трубы 5 не упрется в уплотнение — ограничитель 12. При этом установленные в направляющих 8 запускаемые изделия 9 освобождаются из ГК.
Последовательно, за раздвижением корпуса 1, после освобождения направляющих 8 с объектами запуска — изделиями 9 из корпуса 1 ГК по сигналу происходит разведение направляющих 8 под углом к плоскости основания 3 или от центральной вертикальной оси корпуса 1 ГК. Разведение направляющих 8 происходит вследствие работы механизма разведения 7.
В процессе всплытия герметичный металлический резервуар, реализуемый в доступном объеме корпуса 1 ГК после его раздвижения и являющийся пневмоподушкой 11, используется для стабилизации пусковой установки при пуске изделий 9.
После разведения на определенной глубине направляющих 8 по сигналу механизма запуска (не показан) изделий 9 производят одновременный запуск двигательных установок изделий 9 и они сходят с направляющих 8.
Схема запуска изделий 9 определяется ресурсом их двигательных установок и схемой установки и разведения направляющих 8.
После запуска изделий 9 остатки пороховых газов вытекают через стравливающий клапан 13 и происходит затопление использованной пусковой установки.
Технический результат изобретения заключается в возможности обеспечения запуска объектов во всем диапазоне рабочих глубин подводной лодки и повышении эффективности действия совокупности выставленных объектов за счет регулярно распределенной в пространстве схемы их постановки.
В 2006 г. были проведены натурные испытания макетов пусковой установки подводной лодки с несколькими направляющими для размещения изделий.
В ходе испытаний осуществлены пуски макетов приборов с различных глубин пусковой установки и при различных углах разведения направляющих, подтвердившие преимущества представленной пусковой установки.
1. Пусковая установка подводной лодки, содержащая герметичный контейнер для установки изделий с корпусом и основанием, а также с пневмоподушкой, сообщенной с газогенератором, отличающаяся тем, что корпус герметичного контейнера выполнен раздвижным от основания с возможностью образования пневмоподушки в выдвигаемой части, на основании перпендикулярно ему установлены направляющие для изделий с возможностью их разведения под углом к упомянутому основанию, при этом в центре корпуса герметичного контейнера установлены две коаксиальные трубы, одна из которых, внешняя, закреплена торцом в центре основания и имеет на свободном торце бурт, перекрывающий сечение контейнера, выполненный с возможностью скольжения по цилиндрической поверхности корпуса герметичного контейнера, а другая труба, внутренняя, закреплена в центре выдвигаемой части корпуса упомянутого контейнера с возможностью скольжения во внешней трубе, при этом, по крайней мере, один газогенератор установлен во внутренней трубе, на кромке корпуса контейнера выполнено уплотнение-ограничитель, а в основании — клапан заполнения контейнера.
2. Пусковая установка подводной лодки по п.1, отличающаяся тем, что длина внешней трубы не менее длины направляющей вместе с установленным изделием, но менее длины внутренней трубы.
3. Пусковая установка подводной лодки по п.1, отличающаяся тем, что направляющие выполнены в виде облегченных труб, установленных на основании равномерно по окружности и соединенных с механизмом их разведения, а их число соответствует числу запускаемых изделий.
4. Пусковая установка подводной лодки по п.1, отличающаяся тем, что выдвигаемая часть корпуса контейнера, образующая пневмоподушку, выполнена куполообразной.
5. Пусковая установка подводной лодки по п.1, отличающаяся тем, что в выдвигаемой части корпуса контейнера предусмотрены предохранительный и стравливающий клапаны.
Источник: findpatent.ru