29 марта 2016

Саванна - атомоход по-американски

Атомоход "Саванна" - одно из немногих когда-либо построенных в мире торговых судов с ядерной силовой установкой.

Кроме американского атомохода, к числу таковых можно отнести лишь отечественный "Севморпуть" и германский "Отто Ган". Японское судно "Муцу" было построено, но не совершило ни одного коммерческого рейса.

Американский первенец

Впервые о том, что Соединённые Штаты построят атомное торговое судно, объявил президент Дуайт Эйзенхауэр 25 апреля 1955 года.

На такой проект требовалось парламентское согласие - оно было получено спустя год с небольшим, 30 июня 1956 года. Обсуждение вопроса затянулось столь долго из-за конфликта атомщиков и моряков, боровшихся за главенство.

Проект судна был разработан нью-йоркской компанией "George G. Sharp, Inc.". За реакторную установку отвечала компания B&W.

Водоизмещение "Саванны" составило почти 13,6 тысяч тонн. Эксплуатационная скорость хода - 21 узел, максимальная скорость - 24 узла. Судно обслуживал один реактор мощностью 74 МВт, с которым были связаны две турбины.

Экипаж судна - 124 человека, из них 25 офицеров. Максимальное число пассажиров - 60, причём разделение их на классы не предусматривалось.

Судно было спущено на воду 21 июля 1959 года и получило имя "Саванна" в честь первого в истории парохода, пересёкшего Атлантический океан. Первый выход реактора на критику состоялся 21 декабря 1961 года.

Имиджевый проект

Перед атомоходом "Саванна" не ставилась задача коммерческой целесообразности. Как теперь сказали бы, он являлся имиджевым проектом. Эйзенхауэр видел "Саванну" совершающей путешествия по миру и демонстрирующей возможности мирного, а не военного атома.

Адмирал Риковер и его коллеги по военной атомной морской программе США сразу после речи президента дали понять - в стране отсутствует реакторная технология, пригодная для создания коммерческого флота атомоходов.

Но если речь идёт всего лишь о демонстрации, то военные атомщики были готовы адаптировать для "Саванны" реакторную установку АПЛ "Наутилус".

Предложение военных не устроило Эйзенхауэра по нескольким причинам. Использование лодочного реактора шло вразрез с идеологией "мирного атомохода" и усилило бы позиции военных в атомной бюрократической иерархии США. Между тем, на президента давили бонзы торгового флота, проигрывавшие конкуренцию в морских перевозках иностранным компаниям и видевшие в атомоходах спасение для своего бизнеса.

Риковер был категоричен - эксплуатация атомохода с лодочным реактором окажется безумно дорогой, и это окончательно решило дело в пользу создания для "Саванны" оригинальной реакторной установки.

Немало копий было сломано и при выборе типа судна. Технические эксперты морского ведомства предлагали построить большой контейнеровоз или танкер, в этом случае можно было надеяться получить не слишком убыточное судно.

Политики придерживались иного мнения. Они полагали, что имиджевый атомоход будет заходить в порты по всему миру, включая малые порты. Соответственно, он должен быть небольшим и, желательно, не грузовым, а пассажирским. Но расходы на эксплуатацию атомного пассажирского лайнера непременно взметнулись бы в небеса.

Итогом споров вышел компромисс. "Саванну" спроектировали как относительно небольшое грузо-пассажирское судно. Как впоследствии прокомментировал один из американских морских чиновников того времени, тем самым проектанты обрекли "Саванну" на недолгую жизнь.

Реактор "Саванны"

В качестве реакторной технологии для "Саванны" была выбрана технология PWR. В первом контуре можно видеть реактор и две петли. В составе каждой из петель присутствуют парогенератор и два ГЦН. Температура пара, приходящего на турбины - 475°F, или около 246°C.

Двухпетлевая компоновка РУ была выбрана из-за её большей гибкости при отводе остаточного энерговыделения с остановленного реактора. Изолировать реактор от петель возможно с помощью задвижек с электроприводом.

Компоновка реакторной установки атомохода "Саванна"

Кипение в первом контуре не допускается, и в порядке предупредительной меры температура воды в контуре поддерживалась примерно на 100°C ниже точки насыщения.

Особенностью судовой установки является тот факт, что турбины могут требовать различного расхода пара в зависимости от оперативных потребностей судна.

Для увеличенного расхода пара во втором контуре необходимо снимать больше тепла с первого контура, в результате давление в реакторе будет снижаться и станет возможным подкипание с различными негативными эффектами, включая повреждение твэлов.

Чтобы не допустить этого, конструктора из B&W ввели в проект компенсатор объёма. Находившаяся в нём порция теплоносителя догревалась электронагревателями до температуры насыщения, что приводило к формированию над ней паровой подушки (при необходимости, пар можно было стравливать через клапаны в верхней части компенсатора).

Компенсатор объёма РУ атомохода "Саванна"

Цилиндрический корпус реактора имеет диаметр 9 футов (2,75 м) и высоту 26,5 футов (более 8 м). Материал корпуса - высокоуглеродистая сталь. Толщина стенки - 6 дюймов (15,2 см), внутри имеется наплавка из нержавеющей стали 304 толщиной четверть дюйма (0,6 см).

Входные патрубки теплоносителя расположены в нижней части корпуса, выходные - в верхней. Сверху корпус накрыт крышкой, снимаемой при перегрузках топлива.

Входная температура теплоносителя - 495°F, выходная - 520°F (соответственно, 257°C и 271°C).. Подогрев всего на 14°C - консервативное решение в запас безопасности.

Движение теплоносителя внутри корпуса реактора разбито на три участка. На первом участке он поднимается в пространстве между стенкой корпуса и корзиной и доходит практически до уровня выходных патрубков.

На втором участке теплоноситель заходит в активную зону и опускается вниз, проходя через периферийные кассеты. Третий, заключительный участок - подъём через центр активной зоны и выход из корпуса через выходные патрубки.

Такое решение позволило улучшить теплосъём и снизить вдвое расход теплоносителя по сравнению с однопроходным вариантом. Но оно же добавило сложностей в конструкцию ВКУ, а увеличенное время нахождения теплоносителя внутри корпуса привело к его повышенной активности.

Активная зона набрана из 32 кассет. Теплоноситель на втором участке проходит через 16 периферийных кассет, на третьем участке - через 16 центральных. В каждой кассете по 164 твэла.

Конструкционный материал кассеты (включая оболочки твэлов!) - нержавеющая сталь 304. Обогащение по урану - до 5%, общая масса урана-235 в активной зоне - 330 кг.

Избыточная реактивность в начале кампании составляет 18,5%. Для её компенсации применяются стержни СУЗ (15%) и выгорающие поглотители (3,5%).

Одним из первостепенных требований со стороны моряков к проекту атомохода было обеспечение возврата судна в порт в случае отказа реакторной установки.

Если на реакторе произошёл серьёзный инцидент, то от экипажа требовалось перевести его в состояние безопасного останова, обеспечить отвод остаточного энерговыделения с помощью двух дизель-генераторов, а затем вернуться в порт на скорости 6 узлов с помощью электродвигателя, работающего от дизелей.

Конец и перспективы

Срок службы атомохода "Саванна" оказался небольшим. После демонстрационных походов в 1962-1964 годах судно получило эксплуатационную лицензию и на протяжении пяти лет выполняло так называемые экспериментальные коммерческие рейсы с перерывом в 1968 году на перегрузку реактора.

В 1971 году из реактора было выгружено топливо, а в январе 1972 года судно вывели из эксплуатации. На нём провели дезактивацию, слили теплоноситель и превратили его в музей.

Хотя "Саванна" исходно декларировалась имиджевым, а не коммерческим проектом, отказ от дальнейшего строительства в США торговых атомоходов мотивировался, в первую очередь, дороговизной и сложностями эксплуатации "Саванны".

Так, экипаж "Саванны" был многочисленнее экипажей близких по параметрам неатомных судов, и для него требовалась специализированная подготовка.

Кроме того, приходилось содержать специализированный отдел, в чью задачу входили переговоры с портовыми властями в каждом из портов, куда собиралась зайти "Саванна", а обслуживание атомохода производилось только на специализированной верфи.

В целом, эксплуатационные расходы "Саванны" превышали расходы близких по параметрам неатомных судов примерно на 2 миллиона долларов в год.

Тем не менее, предложения о возврате к идее атомного торгового флота звучат в США и поныне, хотя, кроме экономики, нужно задуматься ещё и о безопасности.

Так, ярый пропонент атомоходов Бенджамин Хаас считает, что реакторы будущих атомоходов должны быть в принципе избавлены от опасности расплавления активной зоны. На современных легководных технологиях достичь этого нельзя - значит, требуются новых технологии, в качестве которых он видит ЖСР или ВТГР.