• Сегодня: Вторник, Сентябрь 26, 2017

Атомный ключ к Арктике

Атомный ледокол «Ленин»

Авторы:

Андрей Акатов
Юрий Коряковский
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», кафедра инженерной радиоэкологии и радиохимической технологии


Аннотация

Освоение Северного морского пути немыслимо без развития атомного ледокольного флота. Первенство в создании надводного судна с атомным двигателем также принадлежит нашей стране. В статье приводятся интересные факты, связанные с созданием и эксплуатацией атомоходов, их устройство и принципы работы. Рассматриваются новые требования, предъявляемые к ледокольному флоту в современных условиях, и перспективы его развития. Приведено описание новых проектов атомных ледоколов и плавучих энергоблоков.


Арктика покоряется только людям с сильной волей, которые способны независимо от обстоятельств идти к намеченной цели. Такими же должны быть и их корабли: мощными, автономными, способными к длительным изнуряющим переходам в условиях сложной ледовой обстановки. Мы поговорим именно о таких судах, составляющих гордость России, — об атомных ледоколах.

Атомные ледоколы обеспечивают проводку танкеров и других судов по Северному морскому пути, эвакуацию полярных станций с дрейфующих льдин, ставших непригодными для работы и опасными для жизни полярников, а также осуществляют спасение застрявших во льдах судов и проведение научных исследований.

Атомные ледоколы отличается от обычных (дизель-электрических), которые не могут долго находиться в плавании без захода в порты. Запас топлива составляет у них до трети массы судна, но его хватает всего лишь примерно на месяц. Бывали случаи, когда караваны судов застревали во льдах только потому, что на ледоколах раньше времени заканчивалось горючее.

Атомный ледокол значительно мощнее и обладает большей автономностью, т. е. способен более длительное время выполнять ледовые задачи, не заходя в порты. Это многофункциональное судно — чудо инженерной мысли, которым россияне вправе гордиться. Тем более что российский атомный ледокольный флот — единственный в мире, и таких судов больше ни у кого нет. Да и первенство в создании надводного судна с атомным двигателем также принадлежит нашей стране. Случилось это в 50-х гг. прошлого столетия.

Ледовый «Ленин»

Успехи ученых и инженеров в овладении атомной энергией привели к мысли об использовании атомного реактора в качестве корабельного двигателя. Новые судовые установки обещали невиданные преимущества по мощности и автономности кораблей, однако путь к получению заветных технических характеристик был тернист. Еще никто в мире не разрабатывал подобные проекты. Необходимо было создать не просто атомный реактор, а мощную, компактную и в то же время достаточно легкую ядерную энергетическую установку, которая удобно размещалась бы в корпусе.

Помнили разработчики и о том, что их детище будет испытывать качку, ударные нагрузки и вибрации. Не забыли и о безопасности персонала: защита от радиации на корабле значительно сложнее, чем на атомной станции, ведь здесь нельзя применять громоздкое и тяжелое защитное оборудование.

Первый спроектированный атомный ледокол обладал высокой мощностью и был в два раза мощнее крупнейшего в мире американского ледокола «Глетчер», что предъявляло особые требования к прочности корпуса, форме носовой и кормовой оконечности, а также живучести корабля. Перед конструкторами, инженерами и строителями стояла принципиально новая техническая задача, и они решили ее в кратчайшие сроки!

Пока страна запускала первую в мире атомную электростанцию (1954), спускала на воду первую советскую атомную подводную лодку (1957), в Ленинграде создавалось и строилось первое в мире атомное надводное судно. В 1953–1956 гг. коллективом ЦКБ-15 (ныне «Айсберг») под руководством главного конструктора В. И. Неганова был разработан проект, реализация которого началась в 1956 г. на ленинградском судостроительном заводе им. Андре Марти. Проектирование атомной установки велось под руководством И. И. Африкантова, а корпусная сталь была специально разработана в институте «Прометей». Ленинградские заводы снабдили ледокол турбинами (Кировский завод) и гребными электродвигателями («Электросила»). Ни одной иностранной детали! 75 км трубопроводов разного диаметра. Длина сварных швов — как расстояние от Мурманска до Владивостока! Сложнейшая техническая задача была решена в кратчайшие сроки.

Спуск на воду состоялся 5 декабря 1957 г., а 12 сентября 1959 г. атомный ледокол «Ленин» под командованием П. А. Пономарёва с верфи Адмиралтейского завода (переименованного судостроительного завода им. А. Марти) отправился на ходовые испытания. Он стал первым в мире надводным атомным кораблем, поскольку первый атомоход зарубежного производства (атомный ракетный крейсер «Лонг Бич», США) был введен в строй намного позже — 9 сентября 1961 г.,— а первое торговое судно с ядерной энергетической установкой «Саванна» (тоже американское) отправилось в плавание лишь 22 августа 1962 г. Путь из Ленинграда в Мурманск был запоминающимся.

Ледокол Арктика
Ледокол «Арктика»

Пока судно шло вокруг Скандинавии, его сопровождали самолеты и корабли НАТО. Катера отбирали пробы воды у борта, чтобы убедиться в радиационной безопасности ледокола. Все их опасения оказались напрасными — ведь даже в соседних с реакторным отсеком каютах радиационный фон был нормальным.

Эксплуатация атомного ледокола «Ленин» позволила увеличить период навигации. За время эксплуатации атомоход прошел 1,2 млн км и провел через льды 3741 судно. Про первый атомоход можно привести немало интересных фактов. Например, он потреблял всего 45 г ядерного топлива (меньше спичечного коробка) в день.

Ледокол Сибирь
Ледокол «Сибирь»

Он мог быть переоборудован в арктический военный крейсер. Помимо всего прочего, ледокол выполнял функции маскировки для советских атомных подводных лодок: судно шло заданным курсом, выводя АПЛ, скользившие в глубине под его корпусом, в заданный высокоширотный район.

Достойно проработав 30 лет, в 1989 г. атомный ледокол «Ленин» был выведен из эксплуатации и сейчас находится на месте вечной стоянки в Мурманске. На борту атомохода создан музей, действует информационный центр атомной отрасли. Но и сегодня дата 3 декабря (день подъема государственного флага на первом в мире атомоходе) отмечается как день рождения российского атомного ледокольного флота.

От «Арктики» до наших дней

Атомный ледокол «Арктика» (1975) — первое в мире судно, достигшее Северного полюса в надводном плавании. До этого исторического плавания ни один ледокол не решался идти на полюс. Вершину мира покоряли пешком, на самолете, на подводной лодке. Но не на ледоколе.
Экспериментальный научно-практический рейс отправился из Мурманска по дуге через Баренцево и Карское моря в море Лаптевых и затем повернул на север к полюсу, встречаясь на своем пути с многолетними льдами в несколько метров толщиной. 17 августа 1977 г., преодолев мощный ледяной покров Центрального полярного бассейна, атомоход достиг Северного полюса, тем самым открыв новую эпоху в изучении Арктики. А 25 мая 1987 г. «наверху планеты» побывал другой атомоход класса «Арктика» — «Сибирь» (1977). На сегодняшний день оба судна выведены из эксплуатации.

В настоящее время в составе атомного ледокольного флота эксплуатируется четыре судна.

Два ледокола класса «Таймыр» — «Таймыр» (1989) и «Вайгач» (1990) — мелкоосадочные, что позволяет им входить в устья крупных рек и ломать лед толщиной до 1,8 м. Действительно, ледокольные суда класса «Арктика» из-за их большой осадки не способны заходить в мелководные северные заливы и реки, равно как и дизель-электрические ледоколы (последние — из-за малой мощности и зависимости от снабжения топливом). Решить задачу удалось в рамках совместного советско-финского проекта: специалисты из СССР проектировали атомную силовую установку, а финны — ледокол в целом.

Ледокол Таймыр
Ледокол «Таймыр»

Другие два из оставшихся в строю атомных ледоколов относятся к классу «Арктика»; они способны с устойчивой скоростью колоть лед до 2,8 м:

  • «Ямал» (1993) — на носу атомохода нарисована улыбающаяся акулья пасть, которая появилась в 1994 г., когда он в рамках одной из гуманитарных программ возил детей из разных стран мира на Северный полюс; с тех пор акулья пасть стала его брендом;
  • «50 лет Победы» (2007) — крупнейший в мире ледокол; на судне создан экологический отсек, оснащенный новейшим оборудованием для сбора и утилизации всех продуктов жизнедеятельности судна.

Как уже говорилось, атомные ледоколы способны длительное время находиться в плавании, не заходя в порты. Та же «Арктика» наглядно продемонстрировала это преимущество, отработав без единой поломки и без захода в порт приписки (Мурманск) ровно год — с 4 мая 1999-го по 4 мая 2000 г. Надежность атомоходов также доказана «Арктикой»: 24 августа 2005 г. судно прошло миллионную милю, что ранее не удавалось ни одному судну подобного класса. Много это или мало? Миллион морских миль в известных нам масштабах — это 46 оборотов вокруг экватора или 5 путешествий до Луны. Вот такая 30-летняя арктическая одиссея!

Кроме проводок арктических караванов в северных морях с 1990 г. атомные ледоколы («Советский Союз», «Ямал», «50 лет Победы») также используются и для организации туристических поездок на Северный полюс. Круиз отправляется из Мурманска и, минуя острова Земли Франца-Иосифа, Новосибирские острова, Северный полюс, возвращается на материк. С борта на острова и льдины туристы высаживаются на вертолете; на всех ледоколах класса «Арктика» оборудованы две вертолетные площадки. Сами же суда окрашены в красный цвет, который хорошо заметен с воздуха.

Отдельно стоит упомянуть и о «Севморпути». Это уникальное транспортное судно (лихтеровоз) с атомной силовой установкой и ледокольным носом также приписано к порту Мурманска. Лихтеровозом его называют потому, что «Севморпуть» может нести на себе так называемые лихтеры — несамоходные морские суда, предназначенные для перевозки грузов и обеспечивающие их обработку. Если на берегу отсутствуют причалы или гавань обладает недостаточной глубиной, то лихтеры сгружаются с судна и буксируются к берегу, что очень удобно, особенно в условиях северного побережья. При помощи специальных захватов грузоподъемное средство жестко фиксирует лихтеры и быстро опускает их на воду через кормовую часть судна. Разгрузка контейнеров также может производиться в движении, что использовалось в особых случаях.

Ледоколы «Севморпуть» и Советский Союз у причала ФГУП Атомфлот в Мурманске
Ледоколы «Севморпуть» и «Советский Союз» у причала ФГУП «Атомфлот» в Мурманске

Отметим, что вплоть до недавнего времени будущее единственного в своем роде атомного лихтеровоза представлялось в весьма черном цвете: много лет судно простояло без дела, а в августе 2012 г. «Севморпуть» вообще был исключен из регистровой книги судов и ожидал начала работ по выводу из эксплуатации. Однако в 2013 г. решили, что корабль подобного класса еще пригодится флоту: был подписан приказ о восстановлении атомохода. Ресурс ядерной установки будет продлен, возвращение судна в строй ожидается в ближайшие годы.

Итак, мы познакомились с представителями семейства атомных ледоколов. Теперь настало время разобраться в их устройстве.

Как устроен и работает атомный ледокол?

Принципиально все атомные ледоколы устроены почти одинаково, поэтому давайте возьмем в качестве примера новейший из атомоходов России — «50 лет Победы». Самое первое, что о нём можно сказать, — это крупнейший ледокол в мире.

Внутри атомного ледокола находится два атомных реактора, заключенных в прочные корпуса. Зачем сразу два? Конечно, для обеспечения его беспрерывной работы, ведь атомоходу выпадают самые сложные испытания, с которыми иногда не в силах справиться его дизельные собратья. Даже если один из реакторов исчерпает свой ресурс или остановится по иной причине, судно может идти на другом. При обычном плавании реакторы работают совместно. Предусмотрены и резервные дизельные двигатели (на самый крайний случай).

При эксплуатации атомного реактора в нём идет цепная реакция деления ядер урана (а точнее — его изотопа уран-235). В результате ядерное топливо нагревается. Это тепло через оболочку тепловыделяющего элемента, выполняющую роль защитного покрытия, передается воде первого контура. Защитная оболочка необходима, чтобы радионуклиды, содержащиеся в топливе, не попали в теплоноситель.

Схема атомного ледокола

Вода первого контура разогревается выше 300 оС, но не вскипает, поскольку находится под большим давлением. Затем она поступает в парогенераторы (у каждого реактора их по четыре), пронизанные трубками, по которым циркулирует, превращаясь в пар, вода второго контура. Пар направляется на турбинную установку (на судне установлены две турбины), а слегка охладившийся теплоноситель первого контура снова закачивается в реактор циркуляционными насосами. Для предотвращения разрыва трубопроводов при скачках давления в первом контуре предусмотрен специальный модуль, который так и называется — компенсатор давления. Сам реактор расположен в кожухе, заполненном чистой водой (третий контур). Никакой утечки радиоактивной воды из первого контура не происходит — она циркулирует по замкнутому контуру.

Пар, образовавшийся из воды второго контура, вращает вал турбины. Последний, в свою очередь, крутит ротор электрогенератора, в котором вырабатывается электрический ток. Ток подают на три мощных электродвигателя, вращающих три гребных винта усиленной прочности (масса винта — 50 т). Электродвигатели обеспечивают очень быструю смену направления вращения винтов и скорости при работе реактора на постоянной мощности. Действительно, ледоколу иногда приходится резко менять направление движения (например, иногда он рубит лед, отходя назад, разгоняясь и ударяя по льдине). Реактор не приспособлен к такой работе (его задача — производить электричество), а электродвигатель легко можно переключить на обратный ход.

Пар второго контура, отработав на турбине, поступает в конденсатор. Там он охлаждается забортной водой (четвертый контур) и конденсируется, то есть превращается обратно в воду. Эта вода прокачивается через обессоливающую установку с целью очистки от коррозионно-опасных солей, а затем — через деэаратор, в котором происходит удаление из воды коррозионно-опасных газов (углекислого газа и кислорода). Затем из бака деаэратора питательная вода второго контура насосом закачивается в парогенератор — цикл замыкается.

Отдельно нужно сказать об устройстве реактора, который называют «водо-водяным», поскольку вода в нём выполняет две функции — замедлителя нейтронов и теплоносителя. Подобная конструкция хорошо зарекомендовала себя на атомных подводных лодках и позднее была выведена на сушу: наземные реакторы типа ВВЭР, которые уже работают и будут установлены на новых российских атомных энергоблоках, являются наследниками лодочных. Ледокольные атомные силовые установки также получили отличную аттестацию: ни одной аварии с выходом радиоактивных веществ в окружающую среду за всю пятидесятилетнюю историю.

Реактор не представляет вреда для экипажа и окружающей среды, поскольку его прочный корпус окружен биологической защитой из бетона, стали и воды. В любой аварийной ситуации, при полном отключении электропитания и даже при оверкиле (переворачивании судна вверх днищем) реактор будет заглушен — так спроектирована система активной защиты.

Основная работа ледокола — разрушение ледяного покрова. Для этих целей ледоколу придана специальная бочкообразная форма, а носовая оконечность имеет относительно острые (клинообразные) образования и наклон (срез) в подводной части под углом к ватерлинии. У ледокола «50 лет Победы» носовая часть имеет форму ложки (этим он отличается от своих предшественников), которая позволяет более эффективно взламывать льды. Кормовая оконечность рассчитана на движение во льдах задним ходом и позволяет защитить гребные винты и руль. Конечно, корпус ледокола значительно прочнее корпусов обычных судов: он двойной, и внешний корпус имеет толщину 2–3 см, а в области так называемого ледового пояса (т. е. в местах ломки льда) листы обшивки утолщены до 5 см.

Атомная паропроизводящая установка (реактор и парогенераторы)
Атомная паропроизводящая установка (реактор и парогенераторы)

При встрече с ледовым полем ледокол носовой частью как бы вползает на него и проламывает лед за счет вертикального усилия. Затем взломанный лед раздвигается и притапливается бортами, а позади ледокола образуется свободный канал. При этом судно движется непрерывно с постоянной скоростью. Если же льдина обладает особой прочностью, то ледокол отходит назад и на большой скорости набегает на нее, т. е. производит рубку льда ударами. В редких случаях ледокол может застрять — например, вползти на прочную льдину и не сломать ее, — или быть задавленным льдами. Для выхода из этой тяжелой ситуации между внешним и внутренним корпусами предусмотрены цистерны для воды — в носу, в корме, по левому и правому борту. Перекачивая воду из цистерны в цистерну, экипаж может раскачать ледокол и вытащить его из ледового плена. Можно просто опустошить емкости — тогда судно немного всплывет.

Чтобы носовая часть не покрывалась льдом, на ледоколе применяется турбонаддувочное противобледенительное устройство. Работает оно следующим образом. Сжатый воздух по трубопроводам подается за борт. Всплывающие пузырьки воздуха не позволяют кусочкам льда примерзнуть к корпусу, а также уменьшают его трение об лед. При этом ледокол идет быстрее, а трясет его меньше.

За ледоколом может следовать одно или несколько судов (караван). Если ледовая обстановка сложная или транспортное судно шире ледокола, то для проводки может использоваться два или несколько ледоколов. В особо сложных льдах ледокол берёт проводимое судно на буксир: корма атомохода имеет V-образную выемку, куда лебедкой вплотную затягивается нос транспортного судна.

Из интересных особенностей атомного ледокола «50 лет Победы» можно выделить наличие экологического отсека, в котором находится новейшее оборудование, позволяющее собирать и утилизировать все отходы, производимые при работе судна. Иными словами, в океан ничего не сбрасывается! На других атомных ледоколах также установлены установки по сжиганию бытовых отходов и очистке сточных вод.

Все атомные ледоколы и лихтеровоз «Севморпуть» переданы под управление предприятия Госкорпорации «Росатом» — ФГУП «Атомфлот», которое осуществляет не только их эксплуатацию, но и техническую поддержку. Береговая инфраструктура, плавучие технические базы, спецтанкер для жидких радиоактивных отходов, судно дозиметрического контроля — всё это обеспечивает непрерывную эксплуатацию российского атомного ледокольного флота. Но лет через десять большинство атомных ледоколов будут выведены из эксплуатации, а практика показала, что без них нам в Арктике делать нечего. Как же будет развиваться атомное ледоколостроение?

Буксировка судна атомным ледоколом
Буксировка судна атомным ледоколом

Перспективы развития

Еще относительно недавно перспективы российского атомного ледокольного флота были весьма мрачными. Газеты писали, что страна может лишиться уникального флота, а вместе с ним — и Северного морского пути (СМП). Это означало бы не только потерю лидерства, технологий, но и замедление хозяйственного развития Крайнего Севера и арктических регионов Сибири. Ведь транспортной магистрали, в том числе и сухопутной, которая могла бы служить альтернативой СМП, просто не существует.

Имеются вопросы и к существующим атомным ледоколам. Тоннаж судов, проводимых по СМП, постепенно растет — растут и их габариты. Для обеспечения необходимой скорости проводки нужны широкий канал во льду и повышенная мощность. Поэтому следует увеличить и размеры самого ледокола. Но при этом атомный ледокол, не нуждающийся в запасе топлива, начинает всплывать, осадка становится меньше и ледопроходимость падает. Для того чтобы увеличить осадку, защитить винты ото льда, необходимо встроить в корпус судна систему емкостей, заполняемых водой и придающих дополнительный вес.

Таким образом, даже существующие атомоходы не соответствуют новейшим требованиям. Поэтому модернизация и развитие атомного ледокольного флота стали поистине государственной задачей и находятся под пристальным вниманием Правительства РФ.

Проект ледоколов нового типа — ЛК-60Я — уже воплощается в жизнь. Один из них, «Арктика», строится с 2013 г., второй, «Сибирь» был заложен совсем недавно, в мае 2015–го (при этом строящиеся ледоколы унаследовали названия двух первых кораблей «арктической серии»). Всего в ближайших планах — три новых судна, включая упомянутые.

Характеристики атомных ледоколов и судна Севморпуть (по данным ФГУП Атомфлот, 2010 г.)
Характеристики атомных ледоколов и судна «Севморпуть» (по данным ФГУП «Атомфлот», 2010 г.)

Каким же будет новый облик атомного ледокола? Конечно, он соединит в себе успешный опыт создания и эксплуатации существующих атомоходов и инновационные подходы. Но главное — новый ледокол будет двухосадочным (универсальным), что позволит ему успешно выполнять операции не только на море, но и в устьях рек. Сейчас приходится использовать два ледокола, один из которых (класса «Арктика») идет по глубоководным местам, а второй (с мелкой осадкой, например класса «Таймыр») проходит через пороги и заходит в устья рек. В новом проекте заложена возможность изменения атомным ледоколом осадки с 10,5 до 8,5 м за счет осушки/заполнения морской водой встроенных цистерн, т. е. один атомоход сможет заменить сразу два старых!

Но двухосадочные атомоходы — не предел конструкторской мысли. Пока строятся ледоколы типа ЛК-60Я, инженеры трудятся уже над следующим проектом, который выведет атомное ледоколостроение на новый виток развития. Речь идет о корабле типа ЛК-110Я (также известного как «Лидер») — крупного судна с мощностью на винтах 110 МВт. По показателям ЛК-110Я будет намного превосходить ледоколы класса «Арктика»: «Лидер» сможет колоть лед толщиной до как минимум 3,7 м (два человеческих роста!). Это позволит обеспечить круглогодичную навигацию по всему СМП (а не только по его западной части, как сейчас). При этом увеличенная ширина ЛК-110Я позволит проводить крупнотоннажные суда. В настоящее время проект находится в стадии разработки конструкторской документации (ожидаемый срок завершения «бумажной» части — 2016 г.).

Существует еще одно направление в атомостроении, о котором нужно сказать. Ледокольные силовые установки КЛТ-40 зарекомендовали себя так хорошо, что было принято решение о включении их в проект плавучей атомной электростанции (ПАТЭС). Она незаменима в малоосвоенных регионах страны, в том числе на арктическом побережье, поскольку практически не нуждается в поставках топлива. Вырубать лес, строить дороги, подвозить строительные материалы для нее не нужно: привезли, поставили у специального причала — и можно пользоваться. Закончился ресурс — прицепили к буксиру и увезли на утилизацию.

Применять ПАТЭС можно и при освоении месторождений на шельфе арктических морей для обеспечения электроэнергией нефтегазовых платформ.

Первый плавучий энергоблок — «Академик Ломоносов» — был спущен на воду 30 июня 2010 г. на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге. На данный момент полностью изготовлено энергетическое оборудование станции; реакторные установки и турбогенераторы уже смонтированы, ведутся достроечные работы.

Завершая краткий обзор, нужно сказать следующее: освоение Арктики — необходимое условие развития России как великой морской и арктической державы, а безопасное использование атомной энергии определяет экономический и технологический рост нашего государства. Поэтому есть уверенность: у атомного ледокольного флота — выдающееся будущее и новые достижения!

Андрей Акатов

Старший преподаватель кафедры инженерной радиоэкологии и радиохимической технологии
Санкт-Петербургский государственный технологический институт