9 Использование яэу малой мощности на дэпл

На ДЭПЛ и лодках с ЯЭУ в качестве вспомогательной установки может быть использован автономный ядерный источник AMPS (Auto­nomous Marine Power Source), разработанный в Канаде. Научные ис­следования и разработки по атомной науке и технике в этой стране были начаты еще в 40-х гг. В 1946 г. правительством Канады был создан Контрольный совет по атомной энергии. В 1952 г. образована государственная фирма «Атомик энерджи оф Канада» AECL, которая отвечает за исследования в области атомной энергии и руководит центрами ис­следований и технических разработок. AECL подчиняется парламенту через министерство энергетики, шахт и ресурсов. Исследованиями и разработками в ядерных научно-исследовательских центрах AECL занято более 6000 чел.

Канада располагает почти самыми большими за рубежом месторож­дениями урановой руды и крупнейшими разведанными запасами Урана: около 200 тыс. т U₃0₈, т. е. почти 30 % всех мировых разведан­ных запасов.

Крупнейшим научно-исследовательским учреждением Канады является центр в Чок-Ривере, созданный в 1944 г. Здесь имеются иссле­довательские реакторы NRX, NRU, ZEEP, PTR и ZED-2, ускорители и другое оборудование, необходимое для работ в области ядерной энергетики. Основной базой для проведения исследований и испыта­ний реакторных материалов и твэлов являются реакторы NRX и NPU оснащенные экспериментальными каналами.

Стационарная атомная энергетика Канады развивается своим путем, отличным от пути развития ее в других странах. Это един­ственная страна, где по существу разрабатывается реактор одного типа с тяжелой водой в качестве замедлителя и природным ураном в качестве топлива. Как заявляют руководители «Атомик энерджи оф Ка­нада», этот выбор был вначале случайным, но затем приобретенный опыт и достигнутые успехи по эксплуатации крупных исследовательских реакторов с тяжелой водой сделали этот выбор обоснованным. В результате была создана ядерная энергетическая система CANDU (Canada Deuterium Uranium) - реактор канального типа с тяжеловод­ным замедлителем и ядерным топливом из природного урана. Особенностью реактора этого типа является возможность перегрузки горю­чего, твэлов непосредственно в процессе эксплуатации, т. е. на работающем реакторе.

Известно, что тяжелая вода является лучшим веществом для за­медления нейтронов и позволяет использовать необогащенный уран. Приступая к развитию ядерной энергетики, Канада не имела своих газодиффузионных заводов для обогащения урана. Однако известно, что стоимость тяжелой воды высока, и это повышает капиталовложе­ния при сооружении АЭС. Первая опытная АЭС NRD была введена в эксплуатацию в июне 1962 г. Ее электрическая мощность 24 МВт. Вторая АЭС - CANDU - в Дуглас-Пойнте пущена в марте 1968 г., ее мощность 220 МВт. Третья АЭС «Пикеринг» в Торонто мощностью 1080 МВт пущена в 1972 г. Четвертая АЭС «Джентили» мощностью 250 МВт введена в эксплуатацию в конце 1972 г. с реактором кипящего типа на тяжелой и природной воде.

В Канаде ведутся также работы по подбору органического тепло­носителя, производного от нефтяных фракций. Эта работа проводится в научно-исследовательском центре в Уайтшелле, созданном в 1963 г., где имеется опытный реактор WR-1 на этом теплоносителе и тяжело- водном замедлителе мощностью 40 МВт. Пока видимого успеха в этих работах не отмечается. К 1990 г. Канада имела 18 АЭС общей электри­ческой мощностью 12 185 МВт. Строится еще 4 АЭС общей мощностью 3524 МВт, Суммарный срок эксплуатации канадских АЭС составил 221 год.

В настоящее время в составе ВМС Канады нет кораблей с ЯЭУ (есть только 3 ДЭПЛ типа „Оберон" 1967-1968 гг. постройки). Однако не однократно рассматривался правительством страны план закупки от 10 до 12 ПЛ с ЯЭУ. Обсуждался вопрос о совместной постройке ПЛ с ЯЭУ в кооперации с Великобританией (по типу проекта ПЛА "Трафальгар") или с Францией (на базе ПЛА "Рубис"), однако финансовые трудности пока не позволили осуществить эти планы.

Парламентский комитет Канады рекомендовал министерству обо­роны приобрести ПЛ типа 471, разработанную шведской фирмой "Кокумс", или новые ДЭПЛ типа А-19 с двигателями Стирлинга мощностью 75 кВт (ведутся работы по увеличению мощности двигателя до 650 кВт) Стремясь создать собственную ЯЭУ для ПЛ, канадская фирма ECS "Энерджи конверин сиетемз" (г. Оттава) начиная с 1973 г. ведет работы по применению ядерного источника энергии AMPS для подводных объектов и ПЛ. Эти работы проводятся под наблюдением Контрольного совета Канады по вопросам атомной энергии. В 1980 г. разработан вариант установки АМРS для необслуживаемых подводных аппаратов, а с 1983 г. фирма работает над созданием установки для французской ПЛ «Сага-Н», на которой до этого будет эксплуатироваться установка с дизелем, работающим по закрытому циклу, или с двумя двигателями Стерлинга. После установки AMPS лодка проведет ряд испытаний, включая плавания в покрытых льдом районах. Полученные результаты в слу­чае успеха могут оказать влияние на дальнейшее развитие ПЛ ВМС не только Канады, но и других стран.

В состав установки AMPS входит малогабаритный ВВР на тепловых нейтронах малой мощности. Этот реактор спроектирован на основе маломощного исследовательского реактора на медленных нейтронах типа «Слоупок». Первый реактор такого типа был разработан в 1968-1969 гг. в ядерной лаборатории в Чок-Ривере. Он представлял собой реактор бассейнового типа, активная зона которого окружена бериллиевым отражателем, и получаемый в ней поток тепловых нейтронов равен 10¹²н/(см²•с). Этот реактор использовался для нейтронно-активационного анализа, а также в качестве учебного реактора. С 1970 г. под руководством Комиссии по атомной энергии Канады было построено восемь реакторов такого типа. Все они получили разреше­ние на работу без постоянного присутствия операторов, периодический контроль проводится приблизительно один раз в 24 ч. Активная зона семи реакторов содержит 0,8 кг высокообогащенного урана (93% по U-235) в виде уран-алюминиевого сплава. Активная зона последнего реактора, восьмого, построенного в 1985 г., содержит около 5 кг низко-обогащенного урана (20 % по U-235). Во всех последующих реакторах этого типа будет использоваться уран с низкой степенью обогащения. Реактор «Слоупок» обладает высокой степенью безопасности благо­даря отрицательному температурному коэффициенту реактивности и небольшому запасу реактивности. В результате этого нет необходи­мости в автоматической системе останова реактора, ионизационных камерах. Работа реактора автоматически контролируется единствен­ным поглощающим стержнем с приводом от электродвигателя, сра­батывающим от нейтронного детектора.

На основе этого реактора был спроектирован тепловой реактор мощностью 10 KBт при этом были сохранены все основные технические характеристики исследовательского реактора. Главной целью этого проекта явилось создание высоконадежного, безопасного и дешевого реактора. Активная зона состоит из 784 топливных элементов, содержащих двуокись урана с обогащением 4,9 %. Замена зоны при среднем коэффициенте использования мощности 50% будет производиться через шесть лет. Активная зона окружена бериллиевым отражателем толщиной 10 см. В 1986 г. построен демонстрационный реактор "Слоупок" тепловой мощностью 2 МВт, доказывающий возможность его безо­пасной надежной эксплуатации без присутствия оператора. Демонстрационный реактор содержит все конструктивные элементы реактора мощностью 10 МВт.

Установка AMPS для ПЛ имеет в своем составе следующие основные системы:

• 
  ядерный источник тепловой энергии RHS (Reactor Heat Source);
  
• 
  установку преобразования энергии ЕСР (Energy Conversion Plant);
  
• 
  систему контроля и наблюдения за работой установки cms (Control and Monitoring System);
  
• 
  систему распределения электрической энергии PDC (Power Distri­bution System);
  
• 
  систему непрерывного снабжения энергией UPS (Uninterruptable Power Supply) и др.
  

На рис. 9.1 представлена принципиальная схема преобразования энергии в установке AMPS.

Установка выполнена по двухконтурной схеме с двумя автономными петлями теплообмена. Вода из активной зоны 1 реактора 2 выходит с температурой 95°С и в теплообменнике (испарителе) 6 передает тепло фреону, являющемуся рабочим телом 2-го контура. Тепло-перепад срабатывается в турбинах 8, приводящих во вращение элек­трические генераторы 9 мощностью от 100 до 400 кВт. Фреон после охлаждения в конденсаторах 7 насосами 4 подается в подогреватели 3 и далее в испарители. Установка имеет конденсаторы, питательные и циркуляционные насосы, трубопроводы и арматуру.

Система контроля CMS регулирует расход фреона через турбины и поддерживает среднюю температуру воды в 1-м контуре. В аварий­ных условиях каждая петля теплообменника может обеспечить 70 % мощности. Общий КПД установки 9,5 %, т. е. примерно в 2 раза меньше КПД установок современных зарубежных ПЛА с реактором типа PWR.

Установка AMPS размещается в отсеке прочного корпуса ПЛ, который может иметь диаметр от 6,4 до 8,4 м. При диаметре прочного корпуса ПЛ 7,4 м длина „вставного" отсека 5,5 м.

На рис. 9.3 показано размещение основных элементов установки AMPS в отсеке ПЛ.

По оценкам канадских специалистов, масса установки AMPS , включая корпусные конструкции и относящиеся к ней переборки, составит около 350 т. Увеличение численности команды обычной ДЭПЛ при наличии AMPS - от 3 до 12 чел., в зависимости от количества вахт (3 или 4). Однако при этом предусматривается возможность выпол­нения часта их функций членами команды ДЭПЛ. Для перезарядки активной зоны в отсеке над реактором в прочном корпусе ПЛ имеется люк диаметром 1-1,5 м, через который будет происходить индивиду­альный выем топливных сборок (всего их 35).

Окончательно еще не решен вопрос о выборе среды 2-го контура. Анализировалось 54 органические жидкости, при этом критериями выбора служили максимальный термический КПД при заданных рабочих условиях, надежность, стоимость и массогабаритные характе­ристики, а также токсичность и воспламеняемость рабочей среды. В частности, были рассмотрены варианты с обычной водой во 2-контуре.

По предварительным оценкам, врезка отсека с АМРS в корпус обычной ДЭПЛ увеличивает стоимость последней на 15 %.

Время разогрева установки АМРS из холодного состояния при нулевой нагрузке составляет менее 2 ч и зависит от начальной темпе­ратуры. После этого набор мощности осуществляется относительно быстро.

По мнению канадских специалистов» установка АМРS обеспечивает ядерную безопасность даже в случае гибели ПЛ. В конструкции кор­пуса ПЛ имеется предохранительное устройство, которое предусматри­вает поступление забортной воды в корпус ПЛ на глубине, меньшей чем глубина, при которой начинается разрушение прочного корпуса, что позволяет выровнять давление внутри ПЛ и не допустить разруше­ния конструкции.

Расхолаживание реактора проводится за счет естественной цирку­ляции воды 1-го контура. В режиме естественной циркуляции возмож­но получение электрической мощности 20 кВт. Повышение безопас­ности ЯЭУ в период ее эксплуатации обеспечивается также за счет высокого отрицательного температурного коэффициента реактивности активной зоны, а также возможности работы установки в автомати­ческом режиме без участия оператора. При этом низкая энергонапряженность активной зоны (меньше 50 кВт/л) дает основание считать, что установленная кампания для реактора в 1300 суток будет обеспечена без разгерметизации твэлов. Это также увеличивает надежность и ядерную безопасность ЯЭУ.

Канадская фирма ECS заключила контракт с фирмой „Вестингауз" (США) на проведение модельных испытаний установки AMPS с исполь­зованием электрического нагрева в топливных стержнях.

В 1988 г. в г. Сан-Диего натурный термографический стенд для исследования ЯЭУ AMPS введен в действие. Отмечается, что установка этого типа требует значительно меньше затрат на техническое обслу­живание и базовое обеспечение по сравнению с традиционными ЯЭУ ПЛА, находящихся в эксплуатации, что отвечает возросшим требова­ниям к надежности ЯЭУ и ее радиационной безопасности. На стенде предусмотрена проверка работоспособности активной зоны при двух­кратном превышении мощности (по сравнению с нормальным уровнем) и при различных аварийных ситуациях (отключении насосов 1-го кон­тура и др.). Стенд планируется использовать и в качестве тренажера для обучения личного состава.

Считается, что на отработку ЯЭУ AMPS (в условиях, приближенных к корабельным) потребуется не менее пяти лет. Стоимость программы строительства четырех ПЛ с комбинированной ядерно-дизель-электри­ческой энергетической установкой, включая строительство берегового стенда, оценивается в 160 млн. дол. Были выполнены проработки различных вариантов установки AMPS, в том числе на мощность в 100 и 400 кВт (эл) для лодок водоизмещением около 1000 т таких типов, как 209 (ФРГ) или А-17 (Швеция). Эти установки позволяют обеспечить практически неограниченную дальность плавания ДЭПЛ со скоростью 4-5 уз без использования АБ. Для лодок водоизмещением около 2000 т, таких как TR-1700 (ФРГ) или пр. 471 (Швеция) была проработана уста­новка AMPS на мощность 1000 кВт (эл), обеспечивающая подводную скорость хода 8-12 уз также без использования АБ, которая приме­няется только при необходимости полной скорости.

В табл. 9.1 приведены основные характеристики установок типа AMPS.

Заинтересованность в энергетических установках такого типа проявили английская фирма „Виккерс", нидерландская фирма RDW и германская фирма „Тиссен Нордзееверке". По сообщениям зарубеж­ной печати, представители канадских фирм ведут переговоры не только с Францией, но и с Великобританией и Пакистаном о продаже ПЛ с комбинированной энергетической установкой. Великобритания, в частности, предлагает использовать для строительства таких лодок верфь в г. Девонпорт, где в настоящее время проводится ремонт ПЛ с ЯЭУ. В дальнейшем строительство ПЛ с комбинированной ядерно-дизель-электрической установкой предполагается вести на верфи „Бретен индустриал" в Канаде. Строительство шести ПЛ этого типа оценивается в 1,8 млрд. ф. ст.

В 1989 г. в Канаде был построен стендовый натурный образец установки AMPS, на котором были проведены обширные и длительные испытания установки с проверкой возможности ее работы в экстре­мально наклонном состоянии. Успешное проведение этих испытаний позволяет начать поставку корабельных установок AMPS мощностью 400 кВт (эл), начиная с 1994 г., а мощностью 1000 кВт (эл) с 1996-1997 гг. При необходимости мощность установки может быть увели­чена до 1700 кВт (эл).

Следует отметить, что ПЛ, оснащенные установкой типа AMPS, по существу остаются дизельными. Благодаря повышенной безопасности реактора, микропроцессорному управлению им требуется лишь мини­мальное участие оператора, не меняется и базовое обеспечение ПЛ. Опыт создания канадского реактора малой мощности побудил французскую фирму и испанскую фирму „Базан" провести проектные исследования различных вариантов энергетических установок для ПЛ, в том числе и ЯЭУ, мощностью, необходимой для получения средней тактической, а не как обычно максимальной, скорости хода. Сравни­тельные проработки велись, исходя из необходимости обеспечения 10-суточного перехода со скоростью 7 уз к месту патрулирования, 30-суточного патрулирование со скоростью 3 уз и 10-суточного возвраще­ния на базу со скоростью 7 уз, обеспечения дальности плавания 7200 миль и автономности 50 сут, а также 10-кратного развития часо­вого хода со скоростью более 17 уз, подводной дальности плавания более 100 ч со скоростью 4 уз. Было проведено сравнение анаэробных установок различных видов: с двигателем Стирлинга, с ЭХГ при раз­личных вариантах хранения водорода. Минимальное водоизмещение ПЛ при заданных условиях - с установкой ЭХГ, где топливные эле­менты работали на полимерном электролите и метаноле, который хра­нился в цистернах мембранного типа вне прочного корпуса ПЛ.

Проработки ЯЭУ были выполнены применительно к ДЭПЛ типа „Агоста" подводным водоизмещением 1050 т. ЯЭУ включала ядерный реактор моноблочного типа (ПГ внутри корпуса реактора) с ЕЦТ по 1-му контуру на молообогащенном уране, разработанный французской фирмой „Техникатом". Высота реактора около 4 м, диаметр - 2,5 м, масса 40 т, включая биологическую защиту. ТГ мощностью 1 МВт обеспечивает движение лодки под ГЭД и корабельные потребители электроэнергии. При мощности ГЭД около 900 кВт скорость лодки сос­тавляет 13 уз, при этом 100 кВт идет на корабельные нужды. В резуль­тате оказалось, что дальность плавания лодки типа „Агоста" с ЯЭУ составит 12 500 миль, скорость 13 уз, против 6700 миль и скорости 7 уз дизель-электрической лодки.

Кроме того, во Франции был разработан проект модульной ЯЭУ малой мощности под индексом SCORE (Systeme Compact de Reateur Embarquable). Такая компактная модульная ЯЭУ имеет высокую степень автоматизации, не требующей вмешательства оператора (за исключением моментов пуска и остановки), и высокую надежность. Для ремонта модуль может быть полностью снят с ПЛ и заменен новым. Однако при реализации всех перечисленных требований достижимая электрическая мощность не превышала 2 МВт, и потому в ближайшее время вряд ли такая модульная ЯЭУ найдет применение во француз­ских ВМС, хотя отдельные технические решения, полученные в этом проекте, используются в проектах ЯЭУ для перспективных ПЛ.

«Корабельные ЯЭУ зарубежных стран»

А.Н.Батырев, В.Д.Кошеверов, О.Ю.Лейкин