Корабельные ядерные энергетические установки

Капитан 2 ранга-инженер Г. Семёнов

В последние голы в ВМС ведущих капиталистических стран стали широко применяться ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Успехи в области ядерной энергетики позволили создать в этих странах ЯЭУ, пригодные по своим весовым и габаритным показателям для подводных лодок, что превратило их из "ныряющих" в подлинно подводные корабли По сообщениям зарубежной печати, такие лодки проходят под водой огромные расстояния со скоростью хода 30 и более узлов, не всплывая по 60-70 сут.

Оснащение надводных кораблей ядерными энергетическими установками резко увеличило их боевую эффективность и коренным образом изменило взгляды на использование флота. По мнению зарубежных специалистов, надводные корабли с такими установками, кроме практически неограниченной дальности плавания на различных скоростях хода, имеют следующие преимущества; исключается прием обычного топлива (атомные авианосцы могут увеличить запасы авиационного топлива или принять топливо для кораблей охранения); облегчается герметизация корпуса и улучшается защита корабля от оружия массового поражения, поскольку для работы ЯЭУ не требуется воздух; упрощается расположение помещений и улучшается тепловая защита, поскольку нет дымовых труб и дымоходов; уменьшается коррозия антенн радиоэлектронных средств и фюзеляжей самолетов (на авианосцах) в связи с отсутствием дымовых газов.

Оснащение надводных кораблей ЯЭУ увеличивает степень их готовности и сокращает время перехода в район боевых действий. В результате боевая эффективность кораблей повышается приблизительно на 20 проц.

Ракетные подводные лодки и надводные корабли с ЯЭУ предназначены для осуществления агрессивных замыслов милитаристских кругов стран НАТО, направленных против СССР и стран социалистического содружества.

По сообщениям американской печати, первая ЯЭУ была установлена на атомной подводной лодке "Наутилус", введенной в состав флота США в 1954 году. К 1961 году американский флот имел 13 подводных лодок, оснащенных ЯЭУ, а в настоящее время в состава ВМС США, Великобритании и Франции насчитывается 119 атомных ракетных и торпедных подводных лодок, а 13 атомных подводных кораблей находятся в постройке.

Как сообщает зарубежная печать, основным типом лодочных ЯЭУ является реактор S5W. которым оснащаются в основном как ракетные, так и торпедные подводные лодки (рис. I). В состав его паропроизводяшего блока входят водо-водяной реактор под давлением с двумя автономными петлями первого контура, два парогенератора, семь циркуляционных насосов, включенных по три на каждый парогенератор (с одним резервным на оба борта), система компенсации объема, а также другие вспомогательные агрегаты и системы.

Рис. 1. Схема компоновки ядерной энергетической установки американской ПЛАРБ типа "Этан Аллен": 1 - главный упорный подшипник; 2 - гребной электродвигатель; 3 - главный редуктор; 4 - главная турбина; 5 - главный холодильнин; 6 - турбогенератор: 7 - пост управления энергетической установкой; в - дизель-генератор; 9 - главный циркуляционный насос: 10 - реактор; 11 - парогенератор

Этот реактор фирмы "Вестингауз электрик" относится к классу гетерогенных реакторов на тепловых нейтронах. В 1961 году после некоторого повышения мощности и увеличений кампании активной зоны ему был присвоен шифр S5W2. Тепловая мощность модифицированного реактора (диаметр 2,45 м, высота 5,5 м) составляет около 70 МВт, давление в первом контуре 160 кг/см2, температура теплоносителя на выходе из реактора 280С.

В активной зоне реактора S5W2¹ применяются пластинчатые тепловыделяющие элементы с 40-процеитным обогащением. Кампания активной зоны составляет 5000 ч, что обеспечивает атомным подводным лодкам дальность плавания полным ходом 140000 миль, а экономическим ходом 400 000 миль. Календарный срок использования активной зоны 5-5,5 лет.

Главный турбозубчатый агрегат (мощность на валу 15 000 л. с.) состоит из двух турбин, которые работают через двухступенчатый зубчатый редуктор на один гребной вал с малошумным гребным винтом. Давление пара перед маневровым устройством достигает 23 кг/см2, а температура 240° С.

Два автономных синхронных тyp6oгенератора мощностью по 1800 кВт являются основными источниками электроэнергии. Они вырабатывают переменный трехфазный ток (частота 60 Гц, напряжение 440 В). Аккумуляторная батарея емкостью 7000 А-ч (режим разрядки 5 ч), состоящая из 126 свинцово-кислотных элементов, и дизель-генератор постоянного тока мощностью 500 кВт служат резервными источниками питания. В состав электрооборудования ЯЭУ входит также тихоходный электродвигатель постоянного тока, включенный в линию вала. В режиме движения подводной лодки с минимальным шумоизлучением гребной электродвигатель работает через обратимый преобразователь от турбогенератора, а в аварийных случаях - от дизель-генератора или аккумуляторной батареи. Кроме того, на американских атомных подводных лодках установлены два асинхронных электродвигателя погружного типа с трехлопастными гребными винтами в насадке, которые выдвигаются из легкого корпуса на баллерах и используются главным образом как подруливающие устройства.

Ядерной энергетической установкой оснащаются атомные подводные лодки подводным водоизмещением 3500-8250 т (скорость хода до 30 узлов).

По сообщениям зарубежной печати, в ВМС США накоплен опыт эксплуатации ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. Реактор S2G с жидким натрием в первом контуре для второй атомной подводной лодки ВМС США "Сивулф" разрабатывался почти одновременно с водо-водяныя реактором S2W. В реакторе S2G и его наземном прототипе S1G ядерным горючим служил высокообогащенный уран, а замедлителем - графит.

Опытная эксплуатация реактора S2G, как сообщалось в иностранной печати, выявила бесперспективность ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. Командование ВМС США, считая, что возможность утечки радиоактивного жидкометаллического сплава представляет большую опасность для личного состава корабля, сделала свой выбор в пользу водо-водяного реактора. Реактор S2G на подводной лодке "Си-вулф" (прошла 71611 миль) был заменен в течение 1959 года реактором S2W.

По данным зарубежной печати, ядерные энергетические установки, применяемые в настоящее время на подводных лодках ВМС Великобритании и Франции, по типу, основным параметрам и компоновочной схеме подобны американской установке S5W. Первая английская атомная подводная лодка "Дредноут" была оснащена ЯЭУ, спроектированной и изготовленной фирмой "Роллс-Ройс" при технической помощи американских специалистов, а реактор S5W поставила фирма "Вестингауз электрик". Установка серийных атомных подводных лодок типа "Вэлиант" и "Резолюшн" разрабатывалась и изготовлялась уже целиком английской промышленностью без привлечения фирм США. Она включает реактор типа S5W и главный турбозубчатый агрегат (мощность на валу 15 000 л. с), работающий на одну линию вала с шестилопастным гребным винтом. Для новой атомной торпедной подводной лодки типа "Свифтшур" была создана более мощная ЯЭУ. реактор которой имеет усовершенствованную активную зону с повышенным сроком службы.

На первой атомной ракетной подводной лодке ВМС Франции вначале предполагалось использовать реактор с тяжеловодным замедлителем. Однако в ходе проектирования корабля от этого замысла отказались, и на все лодки типа "Редутабль" устанавливается стандартная одновальная ЯЭУ мощностью 15000 л. с.. Французские реакторы в отличие от американских и английских работают на уране при 93,5-процентном обогащении.

В настоящее время в атомном центре Кадараш (Франция) создается ЯЭУ для атомных торпедных подводных лодок, строительство которых начнется в ближайшие годы.

Одной из главных задач в области атомного подводного кораблестроения американские специалисты считают создание ЯЭУ с низкими уровнями шумоизлучения. Уже в процессе разработки реактора S5W были приняты меры по обесшумливанию механизмов установки (главным образом за счет уменьшения напряженности их работы, повышения точности обработки деталей и монтажа). Однако эти меры не дали существенных результатов. Поиски принципиально нового подхода к решению этой важной проблемы привели к созданию энергетической установки с электродвижением, которая была испытана на атомной подводной лодке "Таллиби". построенной в 1960 году. ЯЭУ этого опытного корабля имеет небольшой реактор типа S2C, два турбогенератора и гребной электродвигатель мощностью 2500 л. с. Турбоэлектрическая передача мощности на гребной вал позволила значительно снизить шумность установки за счет исключения зубчатого редуктора и упростить систему ее управления, обеспечив возможность быстрого изменения направления и частоты вращения гребного винта. Но применение электро-движения ведет к увеличению веса и объема установки, а также к снижению ее экономичности.

Рис. 2. Схема ядерной энергетической установки французских ПЛАРБ типа "Редутабль": 1 - гребной электродвигатель; 2 - зубчатый редуктор: 3 - главная турбина; 4 - турбогенератор; 5 - главный конденсатор; 6 - циркуляционный насос забортной воды; 7 - конденсантный насос; 8 - питательный насос; 9 - главный паропровод; 10 - питательный трубопровод; 11 - пост управления ЯЭУ; 12 - электромашинный преобразователь; 13 - подпиточный насос первого контура; 14 - анализатор химического состава соды первого контура; 15 - насос третьего контура; 16 - парогенератор; 17 - свинцовый экран защиты; 18 - циркуляционный насос первого контура; 19 - трубопровод первого контура; 20 - система управления и защиты; 21 - реактор: 22 - бан водяной защиты; 23 - компенсатор объема; 24 - ионнообменный фильтр

Как сообщала американская печать, в начале 1966 года в США приступили к постройке опытной атомной подводной лодки "Нарвал" с реактором S5G, имеющим повышенный уровень естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре. Атомная подводная лодка "Нарвал" была введена в состав ВМС США в 1969 году. Ее водоизмещение 5350 т. мощность ЯЭУ 17000 л. с, скорость хода 30 узлов. По мнению американских специалистов, исключение из состава оборудования первого контура больших циркуляционных насосов устраняет один из основных источников шума ЯЭУ, а также повышает надежность установки и упрощает ее обслуживание.

В настоящее время в США заканчивается строительство опытной атомной подводной лодки "Гленард П. Липскомб". На ней использован реактор с естественной циркуляцией теплоносителя S5WA (усовершенствованный S5G) и турбоэлектрнческая силовая установка.

По данным зарубежной печати, надводные корабли с ЯЭУ строятся только в США. На них также используются водо-водяные реакторы под давлением, созданные фирмами "Вестингауз электрик" и "Дженерал электрик". Однако в отличие от атомных подводных лодок на этих кораблях не получила распространения унифицированная энергетическая установка. Для каждого типа корабля проектируется новая ЯЭУ при сохранении по возможности основного стандартного оборудования.

В американской печати сообщалось, что ударный авианосец "Эн-терпрайз" (флагман атомного надводного флота США), вступивший в строй в конце 1961 года, оснащен четырехвальной ЯЭУ (общая мощность 28000 л. с.) с восемью реакторами типа A2W, расположенными в четыре эшелона. Пар, вырабатываемый в каждом паропроизводяшем блоке, скомпонованном по двух петлевой схеме, поступает на одну главную турбину и два турбогенератора мощностью по 2500 кВт. В состав ЯЭУ атомного крейсера "Лонг Бич" входят два реактора типа CIG, четыре главные турбины, работающие попарно через понижающие зубчатые редукторы на две линии вала, и шесть турбогенераторов. Суммарная мощность энергетической установки 160000 л. с скорость полного хода корабля 35 узлов. Двухвальная ЯЭУ фрегатов УРО "Тракстан" и "Бейнбридж" включает два реактора типа D2G, два главных турбозубчатых агрегата суммарной мощностью 60000 л. с. и пять турбогенераторов мощностью по 2500 кВт.

На всех атомных надводных кораблях ВМС США предусмотрена вспомогательная котельная установка и запас топлива к ней.

В настоящее время для ВМС США строятся два атомных ударных авианосца типа "Нимитц" и пять атомных фрегатов: два типа "Калифорния" и три типа "Виргиния". Их энергетические установки будут иметь новые реакторы, более мощные главные турбозубчатые агрегаты и улучшенное электрооборудование.

Зарубежные военно-морские специалисты считают, что ЯЭУ надводных кораблей имеют слишком высокий удельный вес (45-55 кг/л.с.) по сравнению с паротурбинными установками той же мощности (12- 18 кг/л.с. без учета запаса топлива). Это одна из причин, препятствующих внедрению ЯЭУ на корабли класса "эскадренный миноносец".

ЯЭУ непрерывно развиваются н совершенствуются. Большой размах научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы приобрели в США, где строятся экспериментальные и опытовые корабли для проверки новых технических решении, направленных на улучшение характеристик ЯЭУ.

Развитие корабельных ЯЭУ, по мнению американских военно-морских специалистов, идет в следующих основных направлениях: увеличение кампании активной зоны и глубины выгорания топлива, снижение уровней шумоизлучения, повышение надежности.

Командование ВМС США с самого начала создания атомного флота уделяет внимание попросим увеличении срока службы активной зоны, а также повышения надежности всей установки, поскольку эти характеристики влияют на оперативное использование атомных кораблей. Однако первые активные зоны со значительно увеличенной кампанией были созданы лишь к 1961 году. Ударный авианосец "Энтерпрайз" после первой загрузки ядерным топливом прошел 207000 миль, после второй - более чем 500 000 миль. Во время капитального ремонта в его реакторы была установлена активная зона новой конструкции с календарным сроком службы 10- 13 лет.

По сообщениям зарубежной печати, в США. ФРГ и Японии имеются, а в Великобритании, Франции, Италии и Нидерландах разрабатываются ЯЭУ также и для судов торгового флота, что позволит в процессе эксплуатации выявить их достоинства и недостатки, которые впоследствии можно будет учесть при проектировании ядерных реакторов для военных кораблей. Основные характеристики ЯЭУ этих судов приведены в таблице.

В последние годы наметился новый путь в развитии ЯЭУ. Для кораблей атомного флота США созданы и разрабатываются ядерные реакторы мощностью 100 тыс. л.с. и более. Например, два реактора ударного авианосца "Нимитц" обладают такой же мощностью, как и восемь реакторов ударного авианосца "Энтерпрайз". Большую мощность будут иметь реакторы скоростных лодок типа "Лос-Анджелес" и лодок ракетной системы морского базирования "Трайдент".

При разработке новых ЯЭУ специалисты стремятся также сократить время, затрачиваемое на перегрузку активных зон реакторов, усовершенствовать конструкцию отдельных узлов энергетической установки и уменьшить ее габариты.

По сообщениям зарубежной печати, в западных странах наряду с развитием ЯЭУ, имеющих водо-водяные реакторы под давлением, создаются энергетические установки с реакторами других типов, из которых наиболее перспективными считаются чинящие реакторы и реакторы с газовым охлаждением.

Разработки кипящих реакторов с водяным теплоносителем ведутся преимущественно в США. Большой опыт в создании ЯЭУ с высокотемпературными газовыми реакторами имеет Великобритания, где недавно разработан проект одноконтурной ядерной газотурбинной установки для глубоководной ракетной подводной лодки стандартным водоизмещением 3600 т. Зарубежные военно-морские специалисты считают одной из особенностей предлагаемой установки применение турбогенераторов и гребного электродвигателя со сверхпроводящими обмотками, что позволит уменьшить габариты и вес установки на 80-85 проц. и повысить экономичность электропередачи. Предполагается, что при реализации проекта можно будет обеспечить КПД установки около 30 проц., а в дальнейшем довести его до 42 проц. (к.п.д. ЯЭУ с водо-водяиыми реакторами меньше 28 проц.).

По сообщениям зарубежной печати, техническое осуществление всех проектов корабельных ядерных газотурбинных установок с газоохлаждаемыми реакторами встречает большие трудности.

Как утверждают зарубежные военно-морские специалисты, в капиталистических странах, ВМС которых действуют в акватории Мирового океана, ведется строительство только атомных подводных лодок. Надводные корабли с ЯЭУ строятся пока только в США. Высказывается мнение, что единственным типом корабельных ядерных реакторов в ближайшие годы останется водо-водяной реактор с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя в первом контуре.

1 Под кампанией понимается время работы реактора на номинальной мощности При работе на частичных нагрузках время эксплуатации активной зоны увеличивается.

Зарубежное военное обозрение №1 1975 С.86-90