Российский атомный флот пополнится самым мощным в мире ледоколом

текст Владимир Тесленко кандидат химических наук
иллюстрация Александр Кольцов

Универсальный двухосадочный атомный ледокол ЛК-60 проекта 22220 станет самым большим и мощным ледоколом в мире. Длина судна составит 173,3 м, ширина — 34 м. Запланированное водоизмещение — 33,54 тысячи тонн. Ледокол сможет проводить караваны судов в арктических условиях, пробивая по ходу движения лед толщиной до 2,9 метра.

Россия является единственной страной в мире, обладающей гражданским атомным морским флотом. Атомные ледоколы обеспечивают функционирование арктической транспортной системы для решения государственных задач в Арктике.

Стабильное функционирование атомного ледокольного флота является приоритетной задачей, что позволяет обеспечивать:

Ледокол в реке

Особенность нового атомного ледокола — он является двухосадочным. Рабочая осадка — 10,5 м, наименьшая осадка — 8,65 м. За счет уменьшения осадки он может работать не только в океане, но и в устьях рек, таких как Енисей. Исключительное значение имеет способность двухосадочного ледокола проводить аварийно-спасательные операции с судами на потенциально опасных глубинах менее 15-10 м. Очевидно, что глубокосидящий ледокол, в отличие от двухосадочного, не сможет проводить такие операции с судами, опасно дрейфующими или севшими на мель. Ожидание подхода мелкосидящего ледокола в таких случаях может иметь катастрофические последствия.

Сегодня на Балтийском заводе строительство атомного ледокола идет в полную силу. Балтийцы меж собой именуют его "четыре двойки ноль". То есть 22220.

Реактор, даже два

Царица льдов

Главной научно-технической новинкой является атомный реактор "РИТМ-200" мощностью 174 МВт [рис. ]. Предприятиями АО "Атомэнергомаш" обеспечена полная производственная цепочка создания силовой установки — от проектирования и производства заготовок до изготовления и монтажа оборудования. Проектировщиком и комплектным поставщиком выступает входящее в холдинг АО "ОКБМ Африкантов", большой объем изготовительных работ выполняет ОАО "ЗиО — Подольск".

"РИТМ-200" — это двухреакторная установка с реакторами тепловой мощностью 175 МВт каждый. Это больше, чем мощность установки КЛТ, используемой в современных атомных ледоколах (у них 140-150 МВт). В то же время "РИТМ-200" почти в два раза легче и компактнее, соответственно дешевле по материалоемкости и занимает меньше места на судне, и, следовательно — экономически эффективнее. Конструктивно такое решение достигается благодаря тому, что парогенераторы, которые раньше находились вне реактора, теперь располагаются непосредственно в нем (интегральная компоновка).

В установке нового поколения учтены результаты эксплуатации и использованы прогрессивные решения, накопленные за полвека работы атомного флота России. Разработанная атомная энергетическая установка способна обеспечить более экономичную эксплуатацию нового атомного ледокола по сравнению с действующими при повышенной надежности и безопасности. В качестве основных направлений совершенствования, которые позволяют снизить капитальные и эксплуатационные затраты, предусмотрены:

В частности, количество циклов изменения мощности реакторной установки, допускаемое по модели эксплуатации, значительно увеличено — по сравнению с принятым для действующих ледоколов — и сопоставимо с количеством циклов изменения мощности паротурбинной установки. Это позволит исключить или существенно снизить необходимость травления пара при работе ледокола с глубокими маневрами мощности, то есть реализовать принцип "турбина ведет реактор", что обеспечивает более экономное расходование энергозапаса активной зоны с соответствующим снижением эксплуатационных затрат. Повышение ресурсных характеристик оборудования позволит обеспечить более интенсивную эксплуатацию ледокола за счет уменьшения простоев на техобслуживание и ремонт, а также сократить расходы на оборудование для замены при ремонте.

"РИТМ-200" будет использовать обогащенное до 20% урана-235 топливо. Он будет перезаправляться каждые 7 лет, при запланированном сроке эксплуатации 40 лет.

Выработка пара осуществляется по традиционной для атомной энергетики двухконтурной схеме путем передачи тепловой энергии от первого контура — питательной воде и пару второго контура в парогенераторе. Технические параметры установки "РИТМ-200" представлены в таблице 01.

В проекте использована активная зона кассетного типа с металлокерамическим топливом. В качестве материала оболочки тепловыделяющих элементов на начальной стадии будет применен хромоникелевый сплав. Этот материал обладает более высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к нарушению водно-химического режима, чем традиционный циркониевый сплав Э110. Основные характеристики активной зоны приведены в таблице 02.

В установке применен прямотрубный парогенератор. Его производительность в два раза выше, чем у традиционных змеевиковых парогенераторов. Конфигурация парогенерирующих кассет позволяет компактно разместить их в корпусе парогенерирующего блока. Характеристики парогенератора приведены в таблице 03 .

В реакторе имеется группа исполнительных механизмов аварийной защиты.

Важно отметить, что дозовая нагрузка на экипаж атомного ледокола при нормальной работе и проектных авариях не превышает 0,01% природного фона. Доза облучения населения при запроектной аварии с тяжелым повреждением активной зоны не превышает значений, при которых требуется реализация защитных мероприятий. Активность забортной воды не превышает 0,1 Бк/л, что в 100 раз ниже активности питьевой воды.

Сборка и сварка

Партию заготовок корпуса реактора "РИТМ-200" поставило в августе-сентябре 2014 года ПАО "Энергомашспецсталь" (г. Краматорск, Украина, входит в машиностроительный дивизион Росатома — "Атомэнергомаш"). В партию вошли заготовки для теплообменников корпусов реакторов. Всего "Энергомашспецсталь" изготовила 80 изделий общим весом 547 т Они вовремя поступили в Подольск (поставки российского ядерного топлива на Украину и встречные поставки заготовок из специальных сталей с Украины — идут безукоризненно четко по графику). В декабре 2014 года ПАО "Энергомашспецсталь" получило повторный заказ на производство заготовок еще для двух универсальных двухосадочных атомных ледоколов проекта 22220. Для корпусного оборудования двух атомных энергетических установок "РИТМ-200" "Энергомашспецсталь" изготовит 174 изделия общим весом 958 т. Обечайки, фланцы, кольца и другие комплектующие для корпусов реакторов будут отправлены в ОАО "ЗиО — Подольск".

Корпус реактора состоит из нескольких обечаек, имеющих сложные фасонные поверхности, которые обрабатываются на металлорежущем оборудовании. Одной из наиболее сложных операций механической обработки корпуса является выполнение технологических каналов. Они представляют собой глубокие отверстия диаметром 85 мм и глубиной 810 мм. Для решения этой задачи впервые в энергомашиностроении России на "ЗиО — Подольск" было использовано специальное перовое сверло, оснащенное сменными картриджами с твердосплавными режущими пластинами и пилотной режущей частью из быстрорежущей стали.

Отработка и внедрение технологии с применением этого инструмента позволили сократить цикл изготовления корпусного оборудования до 36 суток, что, в свою очередь, обеспечило выполнение жестких требований графика исполнения ответственного заказа весной сего года.

А в июле 2015 года на "ЗиО — Подольск" завершилась уникальная операция сварки паровых патрубков с корпусом реакторной установки "РИТМ-200" для головного атомохода "Арктика". При проведении этой операции был использован один из самых сложных способов сварки — в неповоротном положении при постоянном подогреве металла в зоне сборки. Сварка деталей в неповоротном положении применяется в особых случаях, когда изделие невозможно кантовать, а доступ к шву затруднен. Сварные соединения выполнялись в нескольких пространственных положениях одновременно при подогреве металла в зоне сборки выше 200°С во избежание получения трещин в сварных соединениях. Процесс продолжался непрерывно в течение трех суток. Последующая термообработка изделия длилась более суток при температуре 650°C. После термической и механической обработки изделия специалисты центральной лаборатории неразрушающих методов провели контроль качества в рентгеновской камере. Результаты показали, что сварные соединения полностью соответствуют максимально жесткому стандарту качества. Всего с частями корпуса реактора установки "РИТМ-200" было соединено десять патрубков. Четыре верхних предназначены для отбора пара. К одной паре нижних патрубков подсоединят систему компенсации давления теплоносителя, к другой — систему подпитки и проливки. Из двух последних патрубков один предназначен для забора теплоносителя на очистку и расхолаживание, а второй — для его возврата. Работы по сварному соединению проходили под контролем представителя "ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей".

Первый атомный ледокол нового поколения "Арктика" планируется спустить на воду в мае 2016 года.

Таб.01 Технические параметры "РИТМ-200"

Таб.02 Основные характеристики активной зоны "РИТМ-200"

Таб.03 Основные характеристики парогенератора "РИТМ-200"

Рис. 01 Двухреакторная установка "РИТМ-200"