В середине 1970-х ленинградское ЦКБ «Балтсудопроект» получило спецзадание от правительства СССР — разработать проект ледокольно-транспортного судна с атомной установкой. Оно должно было перевозить лихтеры — до 74 штук, каждый весом 300 т. При этом преодолевать лед метровой толщины и двигаться со скоростью не менее 20 узлов при 10-метровой осадке. Так появился лихтеровоз «Севморпуть», оснащенный новым реактором КЛТ‑40. Сегодня потомки этого энергоблока — основа первой в мире плавучей атомной теплоэлектростанции.
Атомный лихтеровоз-контейнеровоз предназначался для плавания во всех широтах, включая тропические, с заходом в иностранные порты. В связи с этим реакторная установка для судна проектировалась с учетом требований Кодекса по безопасности ядерных торговых судов, разработанного Международной морской организацией (IMO). Иностранные инспекторы проверили реактор на соответствие нормам IMO.
В ОКБМ для «Севморпути» спроектировали новый реактор — КЛТ‑40, во многом повторявший реакторную установку ОК‑900 (о ней мы писали в статье «Три жизни «Ленина»: история первого в мире атомного ледокола», № 10 (474)).
Решение применить однореакторную установку было обосновано длительной безаварийной работой и высокой надежностью ОК‑900. Все основное оборудование было унифицировано с установками ОК‑900 и ОК‑900А, что облегчало изготовление, монтаж и эксплуатацию реактора на судах.
Защита реактора
Основной контур КЛТ‑40 образуют реактор, четыре парогенератора и четыре двухскоростных циркуляционных насоса первого контура, объединенных в парогенерирующий блок с помощью силовых патрубков. Парогенерирующий блок размещен в кессонах бака металловодной защиты. Циркуляция теплоносителя в основном контуре может осуществляться тремя способами: при работе циркуляционных насосов на большой и малой скоростях, при работе насоса расхолаживания, а также за счет естественной конвекции при расхолаживании реактора.
В КЛТ‑40 была впервые предусмотрена защитная оболочка, удовлетворяющая всем мировым требованиям безопасности, система защиты первого контура от переопрессовки, система затопления защитной оболочки и др. Защитная оболочка рассчитана на внутреннее давление, возникающее при так называемой максимальной проектной аварии — разрыве полным сечением трубопровода первого контура. Система снижения аварийного давления в защитной оболочке включает барботажную цистерну с пресной водой, каналы для подвода паровоздушной смеси в цистерну пресной воды и предохранительные заглушки.
Реактор состоит из корпуса, крышки выемного блока и активной зоны, собираемой из комплекта тепловыделяющих сборок, что облегчает перегрузку активной зоны. ТВС собираются из тепловыделяющих элементов стержневого типа. Объединение твэлов в сборки с выделением межканальной воды позволило увеличить скорость движения теплоносителя вблизи тепловыделяющих поверхностей, уменьшить мощность циркуляционных насосов первого контура за счет сокращения общего расхода воды через реактор и снизить выбег реактивности при изменении циркуляции теплоносителя. В качестве топлива в реакторе КЛТ‑40 используется уран обогащением около 40 %. Тепловая мощность реактора — 135 МВт.
На крышке реактора установлены приводы органов компенсации избыточной реактивности и исполнительные механизмы аварийной защиты. Для повышения надежности при запроектных авариях предусмотрена страховочная система ввода жидкого поглотителя нейтронов (раствора азотнокислого кадмия) в реактор.
Судовая специфика
Хотя принципиальные положения обеспечения безопасности судовых установок базируются на принципах, принятых для стационарных ЯЭУ (например, энергоблоков АЭС), атомные корабли и суда имеют свою специфику. В море работающий ядерный реактор — не только источник потенциальной опасности, но и возможность, зачастую единственная, спасения судна и жизней членов его экипажа. Становится допустимым выход параметров установки за эксплуатационные пределы, тогда как на АЭС в подобной ситуации реактор должен быть остановлен. Работа реакторной установки на судне (по крайней мере, до его возвращения на базу) возможна и при выходе из строя отдельных каналов безопасности или систем управления. Также разрешен пуск реактора при наличии лишь одного источника энергии на судне.
Торжественная закладка первой секции атомного лихтеровоза «Севморпуть» состоялась в Керчи в доке судостроительного завода «Залив» им. Бутомы в ноябре 1984 года. 20 февраля 1986 года корабль был спущен на воду, где и производилась его достройка. 26 октября 1988 года реактор КЛТ‑40 достиг критичности.
Перед физическим пуском реактора была проверена герметичность защитной оболочки. Проверка показала, что при самой крупной аварии с повреждением оболочки реактора утечка радиоактивной воды не превысит 3 % в сутки.
31 декабря 1988 года после завершения ходовых испытаний атомный лихтеровоз-контейнеровоз «Севморпуть» водоизмещением 61 тыс. т, одно из крупнейших невоенных торговых судов с ядерной энергетической установкой, вступил в строй. Мощность его энергоустановки составляла 40 тыс. л. с., и судно было способно идти во льдах толщиной до 1 м — этому помогала особая форма носовых обводов, наклоненные борта и оригинальные ложкообразные кормовые обводы, благодаря которым лихтеровоз не ломает лед, а буквально режет его.
Из Одессы во Владивосток
Уверенность проектантов в надежности установки КЛТ‑40 проявилась уже в том, что «Севморпуть» сразу отправился в коммерческий рейс из Одессы во Владивосток. 11 января 1989 года судно с почти 30 тыс. т груза вышло из порта Одессы и двинулось к Босфору. Но в пути случился ряд инцидентов. Так, 18 января во второй контур реактора попала морская вода, а ночью 20 января сработала аварийная защита реактора из-за прекращения подачи питательной воды в парогенераторы, вызванного сбоем автоматики и человеческим фактором.
Реакторная установка КЛТ-40С на «Академике Ломоносове». На плавучем энергоблоке работают две такие
При проходе атомохода через экватор температура забортной воды составила 30 °C, что было выше проектной для ядерной энергетической установки. Из-за падения вакуума в главном конденсаторе прошел сигнал экстренного снижения мощности реакторной установки, поэтому пришлось снизить скорость хода судна. В феврале морская вода снова попала во второй контур реактора, найти источник протечки не удалось.
3 марта судно встало на дальнем рейде порта Владивосток. В течение всего рейса иностранные эксперты неоднократно производили удаленный анализ радиационной обстановки и отбор проб забортной воды, а также инспекции на борту, никаких претензий по радиационной обстановке не последовало.
Многолетний опыт эксплуатации судна на международных линиях и в Арктике продемонстрировал широкие возможности использования атомного лихтеровоза-контейнеровоза в любых регионах Мирового океана.
Ледоколы для сибирских рек
Введение за полярным кругом круглогодичной навигации потребовало создания принципиально нового поколения ледокольных судов с возможностью плавания в устьях рек. Уже первые регулярные рейсы в устье Енисея показали: с января дизельные ледоколы работают здесь на пределе своих технических возможностей. Их мощности в 20 с лишним тысяч лошадиных сил не хватало для быстрой и надежной проводки судов. Нужны были ледоколы с малой осадкой и атомной энергетической установкой. В результате в СССР начали постройку атомных ледоколов проекта 10580 с ограниченной осадкой, предназначенных для проводки судов в устьях рек.
12 ноября 1984 года был подписан контракт с финской фирмой Wärtsilä Marine на строительство атомоходов «Таймыр» и «Вайгач». Названия машины получили в честь легендарных ледоколов, работавших в Арктике в начале XX века.
По контракту в Финляндии должны были построить корпусы ледоколов, а энергодвигательные установки и прочее оборудование на судах были советские. Закладка киля ледокола «Таймыр» состоялась в январе 1985 года. В 1988 году корпус судна был спущен на воду и отбуксирован в Ленинград, на Балтийский завод им. Орджоникидзе, для монтажа ЯППУ.
На новых ледоколах была установлена ЯЭУ КЛТ‑40М мощностью 50 тыс. л. с., что позволяет ледоколу идти через лед толщиной 2 м. При толщине льда 1,77 м скорость ледокола составляет два узла. Ледокол может работать при температуре до –50 °C.
30 июня 1989 года был принят в эксплуатацию и вошел в состав флота Мурманского морского пароходства «Таймыр», а 25 июля 1990 года — «Вайгач». В 1989 году корпус «Вайгача» также отбуксировали в СССР для достройки в Ленинграде, где был произведен монтаж атомной энергетической установки.
Дальнейшая эксплуатация атомных ледоколов «Таймыр» и «Вайгач» в устье Енисея убедительно продемонстрировала своевременность их постройки, эффективность работы ледоколов в северном регионе и их экологические преимущества.
Ледокол «Вайгач» в декабре 2015 года установил скоростной рекорд самого позднего прохода от мыса Дежнева по Северному морскому пути до острова Белый. Он преодолел 2,25 тыс. миль за 185 часов со средней скоростью 12,5 узла.
В 2017 году специалисты «Атомфлота» совместно с ОКБМ им. Африкантова завершили модернизацию ядерных энергетических установок атомных ледоколов «Вайгач» и «Таймыр», их ресурс был продлен до 200 тыс. часов.
16 февраля 2018 года «Вайгач» побил рекорд по длительности эксплуатации ЯЭУ, установленный атомным ледоколом «Арктика» в августе 2008 года. Новый рекорд составил 177,205 тыс. часов (у «Арктики» — 177,204 тыс. часов).
А теперь — ПАТЭС
18 мая 2009 года на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге стартовала стапельная сборка головного блока плавучей атомной электростанции, строящейся по проекту ЦКБ «Айсберг».
Плавучий энергоблок «Академик Ломоносов» проекта 20870 — это несамоходное судно, на котором размещено энергетическое оборудование для генерации электрической и тепловой энергии. ПЭБ сооружали на судостроительном заводе и морем доставили к месту размещения ПАТЭС. На месте же строили только вспомогательные сооружения.
Корпус ПЭБа цельносварной, разделен перегородками на отсеки, которые формируют два блока — жилой и технологический. В технологическом расположены реакторы и турбины, отсек обращения с ядерным топливом, вспомогательные системы и оборудование.
«Академик Ломоносов» оснащен двумя реакторными установками КЛТ‑40С с современными системами безопасности, в том числе пассивными. Электрическая мощность его составляет 70 МВт плюс 50 Гкал/ч тепловой энергии, этого достаточно для поддержания жизнедеятельности города с населением около 100 тыс. человек. ПАТЭС может эксплуатироваться без выгрузки топлива 12 лет, а назначенный срок службы станции составляет 40 лет. Электростанция разработана с большим запасом прочности, который делает ядерные реакторы неуязвимыми для цунами и других природных катастроф.
На номинальной тепловой мощности каждый блок реакторной установки КЛТ‑40С обеспечивает выработку 240 т пара в час с температурой 290 °C. Электроэнергия выдается напряжением 10 кВ, что наиболее целесообразно для создания линий электропередачи.
В 2019 году наступило время для вывода из эксплуатации Билибинской АЭС. 23 января 2019 года Ростехнадзор выдал «Росэнергоатому» лицензию на эксплуатацию в режиме без генерации энергоблока № 1 Билибинской АЭС, остановленного для вывода из эксплуатации. Планировалось, что ПАТЭС станет основой изолированной Чаун-Билибинской энергосистемы. 14 сентября 2019 года атомный плавучий энергетический блок «Академик Ломоносов» пришвартовался в месте своего основного базирования — Певеке (Чукотский автономный округ), пройдя около 9 тыс. км из Санкт-Петербурга в Мурманск, а затем из Мурманска в Певек.
Через три месяца, 19 декабря, в 11:00 по московскому времени плавучая атомная теплоэлектростанция выдала первую электроэнергию в сеть. Для жителей Певека этот день стал символичным: с энергетическим пуском ПАТЭС в городе зажглась новогодняя елка.