Череда побед и аварий

Непростая история атомного подводного флота страны

Атомные реакторы, установленные на подводных лодках, дают им огромное преимущество: скорость, длительную автономность, возможность перевозить больше вооружения. При этом создание уникальных реакторов для атомоходов оказало огромное влияние на развитие мирного направления атомной отрасли. Но сопровождалось создание подводного флота чередой как больших побед, так и больших аварий.

Дедушка ВВЭР

Шёл 1952 год. Перед атомщиками стояла задача в кратчайшие сроки создать ядерный реактор, который станет «сердцем» атомной подводной лодки (АПЛ). Первой и важнейшей задачей стал выбор типа реактора в качестве основного источника энергии, а также общего облика энергетической установки. Учёным изначально поручили разработать как минимум два варианта реакторов: с твёрдым и с жидким замедлителем нейтронов.

В качестве твёрдого замедлителя в первую очередь рассматривали бериллий, но от этой идеи быстро отказались из-за необходимости большой загрузки урана и ядовитости бериллия. Высокая токсичность металла сулила большие сложности при монтаже реактора и его дальнейшей эксплуатации. Тогда специалисты под руководством академика Николая Доллежаля сосредоточились на идее канального водографитового реактора, аналогичного по конструкции реактору АМ («Атом мирный»), который в это же время сооружали в Обнинске для первой атомной электростанции. Главный научный руководитель проекта по созданию атомных подлодок Анатолий Александров уже тогда предлагал сконструировать реактор, где теплоносителем в нём должна была стать смесь жидких металлов свинца и висмута. Он бы стал прародителем «быстрых» реакторов. Но настолько новаторская система потребовала бы долгих теоретических исследований, а затем не менее длительных практических испытаний. А время поджимало.

В качестве жидкого замедлителя Николай Доллежаль предложил использовать воду. Водо-водяные реакторы в Советском Союзе тогда ещё не строили, но принцип их работы уже был хорошо изучен. Было представление и о том, какой должна быть конструкция такого реактора. По сравнению со своим водографитовым собратом он компактнее, его активная зона меньше, а главное – толстый стальной корпус, рассчитанный на высокой давление, становится дополнительным защитным барьером, что повышает безопасность. Все эти доводы и повлияли на то, что на АПЛ первого поколения устанавливались реакторы ВВР. Позднее их начали использовать не только в море, но и на земле – доработанные и усовершенствованные, водо-водяные реакторы сейчас работают на большинстве атомных станций мира.

Как это работает?

Принцип действия ядерного двигателя на подводной лодке напоминает схему получения энергии на атомной электростанции. Первый контур включает в себя реактор, парогенераторы и циркуляционные насосы. Вода первого контура под большим давлением закачивается в корпус реактора, проходит через активную зону, омывает горячие трубки твэлов и нагревается. При этом из-за большого давления она не вскипает. Её задача – перенос тепловой энергии.

Далее вода первого контура поступает в парогенераторы, а через другие патрубки в них подаётся питательная вода второго контура. Последняя нагревается от воды первого контура и превращается в пар, который выходит из парогенераторов по паропроводам и устремляется к паровой турбине. Воды первого и второго контура не перемешивается: это две независимые среды, которые контактируют через стенки трубок. Таким образом, вся радиоактивность сосредоточена в воде первого, реакторного контура. Вода второго контура, как и пар, который подается на турбину, остаются чистыми.

Это – в том числе и биологическая защита от радиации. Дополнительно реактор помещён в стальной бак, также заполненный водой – это его третий контур. Знакомая конструкция, правда? Пар поступает на турбину, и с этого момента начинается принципиальное расхождение с работой электростанции.

В наземных конструкциях вал турбины вращает ротор генератора, который вырабатывает электричество. На подводных кораблях не так. Паровая турбина субмарин – часть так называемого главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) – системы, в которой турбина сцеплена с редуктором, то есть зубчатой передачей. Работает ГТЗА так: пар вращает вал турбины, вращение передается редуктору, а с него на гребной вал, на котором закреплен гребной винт. Подводная лодка начинает движение.

Однако субмарине требуется не только пар, но и электричество – для питания многочисленных приборов и устройств, для освещения отсеков. Поэтому часть пара расходуется на выработку электроэнергии. Для вращения ротора электрогенератора приходится ставить ещё одну паровую турбину – поменьше. Эта дополнительная турбина образует с электрогенератором единый модуль, который называют автономным турбогенератором (АТГ). Именно он вырабатывает ток, который обеспечивает питание систем корабля, а также заряжает аккумуляторы, которые подключаются в случае аварийных ситуаций.

Турбогенераторам атомной подлодки приходится работать бесперебойно, и для этого на турбину АТГ постоянно должен подаваться пар. Если выработка электричества прекратится, перестанут работать приборы, без которых лодка «оглохнет» и «ослепнет», а в отсеках погаснет свет. Поэтому реактор подводной лодки не глушат даже во время стоянки.

Дальнейший путь пара, отработавшего на главной турбине, по большей части, такой же, как на стационарных ядерных установках. Сначала пар превращается в воду в конденсаторах турбины. Для этого через конденсаторы прокачивают забортную воду – она поступает через специальные отверстия в корпусе корабля и, исполнив свое назначение, сбрасывается за борт. Контур, по которому циркулирует охлаждающая морская вода, называют четвёртым контуром.

Радиоактивность в воду четвёртого контура не просачивается, ведь между радиоактивным первым контуром и четвёртым контуром присутствует промежуточная петля в виде второго, «чистого» контура. И если даже какое-то количество изотопов просочится во второй контур из-за дефектов в парогенераторах, наружу радиоактивность не попадет, поскольку давление в охлаждающем втором контуре выше, чем во втором. Это давление как бы «запирает» второй контур, не давая воде, которая по нему циркулирует, смешаться с охлаждающей водой извне.

Пар, отходящий с автономного турбогенератора, поступает в собственный конденсатор. Вода, в которую он превращается, затем соединяется с основным потоком второго контура. Часть этой воды используется на нужды экипажа, поэтому моряки АПЛ, в отличие от других подводников, не знают дефицита пресной воды.

Абсолютное большинство советских и российских атомных подводных лодок ходят на водо-водяных реакторах. В первые годы их главной проблемой были течи в парогенераторах. В результате радиоактивная вода первого контура попадала во второй контур, и на турбину шёл пар повышенной радиоактивности, повышался фон в жилых отсеках подлодок. Справиться с этим удалось только в проектах лодок 3 и 4 поколения.

Несчастливая

Работы по созданию реактора для АПЛ с жидкометаллическим теплоносителем стартовали 22 октября 1955 года. Головной корабль проекта 645 (так обозначались лодки с новыми реакторами, первой из которых стала К-27) предназначался для борьбы с надводными кораблями и транспортными судами противника на удалённых морских территориях. За основу взяли проект первой АПЛ с реактором ВВР – она разрабатывалась чуть раньше и быстрее. Осенью 1956 года был готов технический проект подлодки. Тяжёлые реакторы сместили ближе к носу, что улучшило ходовые качества корабля, но, как позже выяснилось, ухудшило условия обеспечения радиационной безопасности центрального отсека.

Разработкой реакторной установки занимались специалисты «Гидропресса» под научным руководством Александра Лейпунского. Техзадание предусматривало варианты: сплав свинца и висмута или жидкий литий, одно- или двухреакторная паропроизводящая установка. Литий как теплоноситель был менее изучен, поэтому через некоторое время от него отказались. В пользу свинца-висмута была низкая температура плавления (123 °C), высокая температура кипения (1,67 тыс. °C), низкая активность при контакте с воздухом и водой, а также исключение образования водорода при любых авариях. В результате остановились на варианте с двумя реакторами со свинцом-висмутом.

Под новое направление создали мощную экспериментальную базу – десятки стендов, реакторные петли, а в январе 1959 года создали полномасштабный стенд-прототип реактора. Первая кампания прошла вполне успешно, однако после второй в активной зоне обнаружилось большое количество шлака. Ещё одна проблема заключалась в остывании теплоносителя на отдельных участках свинцово-висмутового контура.

Опасность представлял и высокоактивный полоний, образующийся в активной зоне. На стенде в 1960-е годы произошло несколько аварий с проливом радиоактивного теплоносителя.

Строительство первой АПЛ со свинцово-висмутовым реактором началось в 1957 году, ещё до завершения всех испытаний на реакторном стенде. А в 1963-м полностью готовую лодку К-27 спустили на воду для проведения испытаний непосредственно в работе.

Первый же длительный поход К‑27 в начале 1964 года завершился аварией. Возникла нештатная ситуация с реактором левого борта: расплавленный металл попал в газовую систему первого контура и там застыл. Произошло падение вакуума, устранять неисправность нужно было непосредственно на месте, вблизи активной зоны. Командир дивизиона Александр Шпаков сам разрезал дефектную трубку и вручную прочистил её, получив значительную дозу радиации. Сварщики заварили трубку, восстановив работоспособность реактора.

Через год, в следующем длительном походе, снова случилось несколько нештатных ситуаций. Самая серьёзная – 25 августа 1965 года: мощность реактора упала до 35–80 % из-за «отравления» ксеноном (по этой же причине произошла авария на Чернобыльской АЭС). К счастью, серьёзной аварии тогда удалось избежать.

13 октября 1967 года после модернизации активных зон реакторов К‑27 вышла в море для проверки систем и механизмов, и там снова произошла авария. Жидкометаллический сплав попал в газовую систему первого контура реактора правого борта. Сплав окислился, образовались шлаки, которые закупорили проход для теплоносителя. В результате два насоса были залиты радиоактивным сплавом. Потребовалось срочно устранить последствия, занимавшиеся этим члены экипажа получили предельную годовую дозу радиации и не были допущены к третьему походу.

Уборку радиоактивного сплава из отсека по возвращении на базу проводил второй экипаж, а также личный состав других боевых частей и дивизионов. Кувалдой и зубилами отбивали застывший среди трубопроводов радиоактивный металл. Работа из-за высокой радиоактивности была ограничена во времени, моряки делали по два-три пятиминутных захода, но всё равно получили высокие дозы облучения…

24 мая 1968 года К‑27 вышла в Баренцево море для испытаний энергетической установки и отработки задач боевой подготовки. В 11:30 при выводе установок на режим полного хода мощность реактора левого борта начала самопроизвольно снижаться. Личный состав, не разобравшись в ситуации, попытался поднять мощность, но безуспешно. В 12:00 уровень радиации в реакторном отсеке вырос до 150 Р/ч – при смертельном уровне в 300 Р/ч. Произошёл выброс радиоактивных газов в помещения реакторного отсека – явный признак повреждения ядерного топлива. Оператор сбросил аварийную защиту левого реактора. Как выяснилось позже, из-за нарушения теплоотвода от активной зоны разрушилось около 20 % тепловыделяющих элементов. Лодка всплыла, провентилировала загрязненные отсеки и на одном реакторе правого борта, который работал на обе турбины, добралась до базы.

Больше в длительные походы К-27 не выходила. В 1981 году её затопили в Карском море.

За всё время существования атомного подводного флота из сотен построенных АПЛ со свинцово-висмутовым реактором было только семь.

Татьяна Козлова