Н.С. Хлопкин, академик Российской академии наук

Б.Г. Пологих, доктор технических наук

В начале 1970 года на машиностроительном предприятии «Звездочка» (ныне ОАО «Центр судоремонта «Звездочка») была завершена совершенно новая для предприятия работа - монтаж на ледоколе «Ленин» новой атомной паропроизводящей установки (АППУ) 0К-900.

В апреле - мае этого же года были произведены комплексные швартовные и ходовые испытания ледокола, показавшие высокое качество завершенной монтажной работы.

Прежняя АППУ 0К-150 атомного ледокола «Ленин» исчерпала свой ресурс, проработав в арктических льдах шесть навигаций с 1960 по 1965 годы. Богатый опытовый материал был обобщен и использован в разработке ППУ 0К-900, которая предназначалась для новых ледоколов проекта 1052. Повышенная автономность плавания ледокола «Ленин» (три навигации 1960-1962 гг. с одной топливной загрузкой) и высокая ледопроходимость атомохода позволили расширить календарные сроки арктических навигаций, повысить безопасность преодоления ледовых перемычек транспортными судами под проводкой ледоколом и оставить в прошлом бытовавшие зимовки судов в ледовом плену.

Все это создавало уверенность в безусловном будущем за атомными ледоколами на трассах Северного морского пути, причем ледоколов большей мощности, нежели ледокол «Ленин».

Работы по созданию АППУ нового ледокола (проекта 1052) были развернуты в ОКБ завода 92 (г. Горький) в 1964 году.

По ряду обстоятельств в ППУ 0К-150 явилась неблагоприятной разветвленность системы первого контура с резервными насосами и сдвоенными отсечными задвижками, способствовавшими повышению вероятности возникновения течей из 1-го контура через сальниковые уплотнения самих задвижек. Поэтому в ОК-900 было сосредоточено внимание на упрощении конструкции первого контура. Кроме этого был сочтен неоправданным резерв по числу реакторов на ледоколе. В составе ППУ ОК-900 оставлены два ядерных реактора вместо трех реакторов в ППУ ОК-150.

К корпусу каждого реактора ОК-900 присоединены короткими патрубками (конструкции «труба в трубе») четыре камеры парогенератора и четыре вертикальных насоса с двух-скоростными электродвигателями (3000 и 1000 об/мин). Такое конструкторское решение получило наименование «блочная установка». В ней было достигнуто снижение гидравлического сопротивления первого контура, позволяющее увеличить расход теплоносителя и перейти от варианта двухходовой активной зоны (ОК-150) к одноходовой.

Опыт эксплуатации ППУ ОК-150 показал возможность использования в управлении реактором по мощности свойства саморегулирования и, как следствие этого, отказаться от стержней автоматического регулирования. Это было реализовано в ОК-900.

Тщательное целенаправленное профилирование активной зоны реактора ОК-900 по топливу и по выгорающим поглотителям позволило значительно выровнять поля энерговыделения в активной зоне и вследствие этого уменьшить число групп стержней аварийной защиты с шести (ОК-150) до четырех.

На освободившейся от ряда механизмов крышке реактора ОК-900 представлялось возможным разместить пять механизмов перемещения компенсирующих решеток и, соответственно, перейти к управлению реактивностью активной зоны пяти компенсирующих решеток вместо одной в ОК-150. Это весьма существенный шаг в обеспечении ядерной безопасности, т.к. даже после полного извлечения из активной зоны одной из компенсирующих решеток реактор всегда может быть заглушён четырьмя остальными компенсирующими решетками.

В реализации компоновки оборудования ППУ ОК-900 уделено повышенное внимание приспособленности к ремонту и замене двигателей насосов, трубной системы ПГ и другого оборудования. Все фланцевые разъемные соединения вынесены в одно (аппаратное) помещение.

В сентябре 1965 года ОКБ завода 92 закончило разработку эскизного проекта АППУ, который был рассмотрен и одобрен в мае 1966 года на научно-техническом совете Министерства среднего машиностроения СССР. В это же время завершались ремонтные работы межнавигационного периода на ледоколе «Ленин», в том числе на АППУ ОК-150. При этом произошло осложнение - течь из реактора № 1, устранение которой требовало много времени и было сопряжено с повышенными радиационными нагрузками персонала, которому предстояло выполнять эти операции.

В связи с возникшими обстоятельствами в ОКБМ была произведена проработка варианта компоновки ППУ ОК-900, вписывающейся в габариты реакторного отсека ледокола «Ленин». И.И. Африкантов доложил эту проработку в Министерстве среднего машиностроения СССР и предложил заменить на ледоколе ППУ ОК-150 на ОК-900. Предложение было принято.

18.02.1967 года вышло постановление Совета Министров № 148-62 о модернизации атомного ледокола «Ленин».

Демонтажно-монтажные работы были поручены северодвинскому машиностроительному заводу «Звездочка». Они включали два этапа.

Первый - демонтаж ППУ ОК-150 по технологии ЦКБ «Айсберг», реализованной Адмиралтейским заводом в период с 19 апреля по декабрь 1967года.

Второй этап - монтаж на ледоколе новой АППУ ОК-900 с декабря 1967 года по апрель 1970 года.

Новая двухреакторная ППУ ОК-900 вписалась в габариты реакторного отсека 7,9x13x8,25 м. Масса ее составила 2070 т, что в 1,5 раза меньше массы прежней установки - 3100 т.

Как и ранее, научное руководство созданием новой АППУ для ледокола осуществлялось группой сотрудников Института атомной энергии им. И.В. Курчатова во главе с академиком А.П. Александровым. Здесь уделялось повышенное внимание отработке методик физических расчетов выгорания топлива в новых сложных активных зонах с новыми топливными элементами, имеющими сердечник с повышенной теплопроводностью и с отсутствием зазора между топливом и оболочкой. Они должны были заменить прежние топливные элементы с цилиндрическими таблетками из двуокиси урана, оказавшиеся ненадежными при работе реакторов ледокола с частым маневрированием мощностью со скоростями вплоть до 1% в секунду. Опытовые образцы ТВЭЛов проходили ресурсные испытания в петлях исследовательских реакторов, в том числе в реакторе Института атомной энергии им. И.В. Курчатова.

В Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова был усовершенствован метод расчета выгорания топлива с движущейся компенсирующей решеткой. В двухмерной геометрии рассчитывались поля энерговыделения, запасы реактивности, эффективность органов регулирования. Расчеты проверялись экспериментальными данными. Со стороны Института атомной энергии им. И.В. Курчатова было уделено внимание разработке системы радиационного технологического контроля, выполняемой СНИИП для ППУ ОК-900. Анализировались радиационные последствия постулируемых аварий на ОК-900 в пределах судна проекта 92М (ледокола «Ленин»).

В 1969 году в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова был составлен перечень потенциально опасных работ и разработано положение по организации работ по загрузке в реакторы ядерного топлива, был назначен руководитель работ по физическому пуску и последующим физическим измерениям на реакторах (Ю. В. Никольский), составлена программа измерений. Дополнительно к штатной была предусмотрена нештатная контролирующая аппаратура и пусковой источник нейтронов. В бригаду по физическому контролю и измерениям были включены сотрудники Института атомной энергии им. И.В. Курчатова Ю.П. Бызин, В.И. Колесников, Е.А. Бессонов и др.

Первый физический пуск пока еще не работавшего реактора является так называемым слепым пуском: при увеличении реактивности штатная аппаратура еще не фиксирует увеличение нейтронного потока в активной зоне. Это может привести к коротким периодам удвоения мощности, недопустимым с точки зрения ядерной безопасности. Поэтому при первом пуске была применена нештатная более чувствительная аппаратура с датчиком, расположенным внутри активной зоны, где поток нейтронов был на три порядка выше, чем в районе штатной пусковой аппаратуры, размещенной вне пределов корпуса реактора. Кроме этого, в реактор был помещен нештатный источник нейтронов, повышавший исходный уровень нейтронного потока в активной зоне на 4-5 порядков, что, соответственно, сокращало диапазон слепого пуска.

Нештатная аппаратура давала возможность вывести реактор на уровень мощности, позволяющий оттарировать  штатную аппаратуру по показаниям теплотехнических приборов. В ночь с 22 на 23 апреля был произведен физический пуск реактора № 2 ОК-900,1 мая состоялся пуск реактора № 1.

Физические измерения подтвердили ожидаемые результаты.

На этапах комплексных швартовных и ходовых испытаний группой специалистов из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова В.И. Ворониным, СИ. Дождиковым, Ю.В. Кузнецовым, Л.В. Мишиным, В.А. Московко, М.А. Поповым, A.M. Чечуровым и др. под руководством O.K. Лебедева производился автоматизированный контроль динамики нейтронно-физических и теплотехнических параметров в переходных процессах.

Осуществлялась запись прибором «Магнитограф» десятков параметров, позволившая сравнить фактические изменения их в динамике с ожидаемыми расчетными характеристиками. Для наблюдения за изменением реактивности наряду со штатной аппаратурой был использован полупроводниковый измеритель реактивности ПИР-2 разработки Института атомной энергии им. И.В. Курчатова.

Исследованиями с использованием высокочувствительной аппаратуры было установлено, что в аварийных ситуациях эффективность стержней аварийной защиты достаточна для необходимого быстрого подавления мощности реактора.

Проверено, что расход воды через активную зону реактора совпадает с проектным.

По результатам измерений динамики переходных процессов были выработаны рекомендации по эксплуатации установки. В частности, рекомендованы режимы перевода ЦНПК с малых оборотов на большие при уровне мощности не более 25% с выдержками между пусками 8-10 секунд.

Не рекомендован прямой пуск насосов на большие обороты, минуя предварительный пуск на малые обороты, и так далее с охватом в общей сложности 84 переходных процессов.

На всех этапах испытаний ППУ ОК-900 общее научное руководство осуществлял Н.С.Хлопкин.

В целом работы по монтажу новой АППУ на ледоколе «Ленин» (проект 92М), начатые предприятием «Звездочка» в декабре 1967 года, были завершены передачей атомохода в эксплуатацию Мурманскому морскому пароходству в июне 1970 года.

С перерывом в 4 года ледокол вновь появился на трассах Северного морского пути с более совершенной ППУ, чем 0К-150.

ППУ ОК-900 сразу же зарекомендовала себя в эксплуатации и явилась базовой атомной реакторной установкой флота российских атомоходов.

Атомный ледокол «Ленин». Второе рождение