Подлодки с жидкометаллическим реактором

Начиная разговор о ядерной энергетике применительно к атомным судам, следует помнить, что все они (что надводные, что подводные) по сути своей остаются пароходами. Конечно, они уже не те, что первый пароход Фултона, и даже не те, что нынешний «белый-беленький, дым над чёрной трубой», но их объединяет то, что в движение как классические пароходы, так и современные атомные подводные лодки (АПЛ), приводит энергия сжатого водяного пара. Только теперь пар подаётся не в рабочие цилиндры паровых машин, как прежде, а на лопасти паровых турбин.

АПЛ с ЖМТ-реактором

Вспоминая уроки физики

Кроме того, пар для турбин на атомных кораблях производится не в котлах, сжигающих в своих топках уголь, мазут, сжижённый газ либо иное углеводородное топливо, а в паропроизводительных установках (ППУ), непосредственным источником энергии в которых служат заполненные урановыми ТВЭЛами (тепловыделяющими элементами) ядерные реакторы. Тепловая энергия передаётся из активной зоны реактора в теплообменник ППУ посредством циркулирующего в первом контуре ППУ теплоносителя. Чтобы обеспечить эффективное функционирование ППУ, теплоноситель должен отвечать ряду требований:

• обладать высокой текучестью, чтобы минимизировать потери на его прокачку через первый контур ППУ,

• иметь высокие удельную теплоёмкость и коэффициент теплопередачи,

• иметь высокую температуру кипения, при которой его вещество переходит из жидкого состояния в газообразное.

Немалое значение имеет и температура, при которой теплоноситель переходит из жидкой фазы в твёрдое состояние (применительно к металлам — кристаллизуется).

Соответствие теплоносителя всем названным требованиям обеспечивает возможность забрать с его помощью из активной зоны реактора и передать в первый контур ППУ максимально возможное количество тепловой энергии. А таковое напрямую зависит от температуры теплоносителя. В первых атомных реакторах (как стационарных, так и корабельных) роль теплоносителя отводилась воде (точнее, её бидистилляту, очищенному от любых мельчайших примесей и включений). Однако удельная теплоёмкость и способность к теплопередаче воды оставляют желать много лучшего.

И, что особенно важно, из-за низкой температуры кипения (при атмосферном давлении +100 °C) невозможно придать остающейся в жидкой фазе воде высокую температуру. А сделать это хотелось бы, дабы вывести из реактора как можно больше тепла. Поскольку температура кипения жидкости зависит от окружающего давления, то, чтобы сохранить жидкое состояние воды при её нагреве до температуры, превышающей точку кипения — т.е. свыше 100 градусов, приходится в первом контуре ППУ искусственно создавать и поддерживать повышенное (иногда до 200 и более градусов) давление.

Естественно, в этом случае конструкция реактора и всех элементов первого контура ППУ (насосы, трубопроводы и т.д.), должна быть с запасом рассчитана на прочность и герметичность при длительной работе в условиях повышенных температуры и давления. А это приводит к неизбежному увеличению массы и габаритов всей ППУ, что очень нежелательно для энергетических систем подводных лодок. Поэтому учёные упорно занимаются поиском заменителя воды в роли теплоносителя в системах ядерной энергетики АПЛ.

Как один из наиболее перспективных претендентов на эту роль рассматривается так называемый жидкометаллический теплоноситель (ЖМТ), представляющий собой расплав легкоплавких металлов. Теплоемкость их, как и коэффициент теплопередачи, значительно выше, чем у воды, они могут без создания высокого давления в первом контуре нагреваться до очень высоких температур. Таким образом, используя ЖМТ, можно вывести из реактора больше энергии либо для получения потребного количества энергии использовать реакторы меньших размеров, что немаловажно при их установке на кораблях.

Увы, у достоинств, как правило, оказываются и недостатки, порождающие проблемы. Не обошлось без этого и в случае замены водного теплоносителя на ЖМТ. Как известно, для перехода в твёрдое кристаллическое состояние (лёд) вода должна быть охлаждена до 0 градусов, что в условиях АПЛ несанкционированно произойти не может. Но даже если такое и случится, то при последующем нагреве вода вновь вернётся в жидкую фазу, в то время как ЖМТ (в СССР это расплав свинец-висмут) кристаллизуется уже при +145 °C, образуя нерастворимую пробку в трубопроводе. Т.е. При эксплуатации реактора с ЖМТ ни в коем случае нельзя допускать снижения температуры первого контура до этого значения. В случае несоблюдения данного требования в трубопроводах первого контура ППУ неизбежно возникают пробки, что не только исключает нормальную работу ППУ, но и нередко приводит к нарушению герметичности трубопроводов и, как следствие, радиоактивному загрязнению лодки.

Первопроходцы ЖМТ

Работы по созданию жидкометаллических реакторов начались в США и СССР почти одновременно ещё в 50-х годах XX века.

Американцы оказались впереди: уже в 1957 году в США вошла в строй АПЛ «Сивулф», оснащённая атомным реактором с ЖМТ. Во время испытаний лодки произошла аварийная разгерметизация первого контура ППУ. Будто бы обошлось без жертв, но американцы решили больше не искушать судьбу, на «Сивулф» вернули водо-водяной реактор, после чего на опытах с ЖМТ в США была поставлена точка.

В СССР в 1963 году была передана ВМФ для опытной эксплуатации построенная в одном экземпляре по проекту 645 АПЛ К-27, отличающаяся от лодок 627-го проекта только тем, что в состав её ППУ входили два реактора с ЖМТ, имевшие существенно более высокие (в сравнении с водо-водяными реакторами) энергетические параметры. Так, температура ЖМТ на выходе из реактора составляла +440 °C, а температура перегретого пара во втором контуре ППУ достигала +355 °C.

В мае 1968 года во время очередного похода при попытке вывести ППУ на максимальную мощность произошёл разрыв первого контура одного из двух реакторов. Погибли девять моряков, многие получили значительные дозы радиации, а сама лодка стала настолько радиоактивна, что проводить на ней ремонтные работы было невозможно. За К-27 закрепилась кличка «Нагасаки» («Хиросима» досталась ранее АПЛ К-19, на которой авария реактора (водо-водяного) произошла ещё в 1961 году).

После 14 лет простоя (с тщётной надеждой, что уровень радиации снизится) К-27, не мудрствуя лукаво, отбуксировали и затопили у северо-восточных берегов Новой Земли. Флотские остряки тут же окрестили К-27 «вечно подводная».

Но неудача с К-27 не побудила советских кораблестроителей отказываться от соблазнительной идеи использования на АПЛ реакторов с ЖМТ. Эти реакторы оказались очень востребованными, когда конструкторское бюро «Малахит» выступило с проектом подводного истребителя вражеских субмарин. Так начался проект 705, о котором мы уже рассказывали на страницах этого журнала.

Лодкам этого проекта, с учётом их предназначения, без малогабаритных и весьма динамичных в управлении — очень «приемистых» — реакторов было просто не обойтись. Но на головном (опытном) корабле серии (АПЛ К-64) вследствие ошибок экипажа, допустившего снижение температуры ЖМТ ниже критического значения, ещё на швартовных испытаниях была выведена из строя одна из трёх независимых петель первого контура реактора.

Несмотря на это, уже переданная ВМФ для опытной эксплуатации К-64 выходила в море, где даже с работающим лишь на 60% своей производительности реактором продемонстрировала высокие показатели скорости и манёвренности. Но по возвращении на базу при тех же обстоятельствах, что и с первой ниткой, была выведена из строя вторая нитка первого контура ППУ. При этом, судя по всему, была (возможно, незначительно) нарушена герметичность контура. В помещениях АПЛ и вокруг неё увеличился радиационный фон (что особо не афишировалось). К-64 была пришвартована к одному из пирсов базы напротив стоящей по другую сторону пирса плавказармы (ПКЗ).

Поскольку опытная АПЛ вобрала в себя массу специально для неё разработанных технических новшеств, то проблемы возникали не только с её ППУ. Поэтому, пользуясь тем, что лодка находится на базе, на неё устремилось множество представителей разработчиков и поставщиков этих новинок, чтобы на месте разбираться (каждый по своему заведованию) с возникшими проблемами. Довелось быть среди них и автору настоящей статьи. Разместившись на ПКЗ, мы находились всего метрах в 5-6 от объекта нашей деятельности — АПЛ. Сколько единиц радиации набрали мы за пару недель той командировки, неизвестно, но я после неё месяца полтора — два еженедельно сдавал анализы крови, до тех пор, пока её показатели, по мнению медиков, не пришли в норму. Поскольку с той поры минуло полвека, то можно быть уверенным, что я, как говорится, «отделался лёгким испугом».

А судьба серии уникальных АПЛ проекта 705 сложилась не столь благополучно: проблемы с ЖМТ и ряд иных объективных и субъективных обстоятельств помешали продолжению службы этих перспективных кораблей.

Источник: издание Неизвестный СССР №6, июнь 2023 года
Рубрика: Сделано в СССР
Автор: Константин Ришес