Тенденции развития корабельных ядерных энергетических установок ВМС зарубежных государств (2003)
Капитан 3 ранга Б. Лодочкин
Оснащение кораблей ВМС зарубежных стран ядерными энергетическими установками (ЯЭУ) качественно изменило возможности их боевого применения. США, Великобритания, Франция и Китай продолжают активно вести работы по развитию ВМС, в составе которых имеются корабли с ядерной энергетикой, в соответствии с новыми национальными концепциями их строительства и боевого применения.
В Соединенных Штатах Америки к настоящему времени в строю находятся 53 многоцелевые атомные подводные лодки (ПЛА), основой которых являются ПЛА типа "Лос-Анджелес". По оценке комитета начальников штабов, до 2015 года в ВМС должно насчитываться 55-68 ПЛА и до 2025-го - 62-76. Для достижения этого уровня потребуется приостановить вывод из состава сил флота четырех ПЛА типа "Лос-Анджелес" и осуществить перезагрузку топливом их ядерных реакторов, продлить срок службы лодок этого типа до 33 лет, увеличить темпы строительства ПЛА типа "Вирджиния" и переоборудовать несколько ПЛАРБ типа "Огайо" в специальный подкласс атомных подводных лодок, предназначенных для действий против береговых объектов.
В настоящее время на верфях фирм "Электрик боут" и "Ньюпорт-Ньюс шипбилдинг" ведется строительство первых четырех ПЛА типа "Вирджиния".
Передача головной ПЛА (SSN-774) флоту ожидается в 2004 году, а четвертой (SSN-777) - в декабре 2007-го. До 2020 года планируется построить 30 таких ПЛА.
Для повышения интенсивности эксплуатации лодок кроме назначения на один корабль двух экипажей предпринимаются меры по совершенствованию организации и сокращению сроков плановых ремонтов лодок. По мнению американских специалистов, возможно сокращение сроков ремонтов: капитального с перезагрузкой активной зоны - с 26-28 до 20 месяцев, среднего - с 14-16 до 11.
В ВМС США в настоящее время насчитывается 12 многоцелевых авианосцев, из них 10 атомных (АВМА). По мнению командования ВМС, для выполнения возлагаемых на авианосцы задач как военного, так и мирного времени в составе ВМС необходимо иметь 15 кораблей этого класса. Согласно кораблестроительной программе в 2001-2008 годах для плановой замены устаревших авианосцев должны быть построены АВМА "Рональд Рейган" (CVN-76) и десятый авианосец типа "Нимитц" (CVN-77).
С 2007 года предполагается начать строительство атомных авианосцев по проекту СVNX и закладывать их каждые пять лет. Основными требованиями к новому проекту корабля являются следующие: жизненный цикл корабля 50 лет и эксплуатация ЯЭУ с одной перезагрузкой ядерного реактора, а в перспективе - без нее.
Для реализации кораблестроительной программы США принята соответствующая программа реакторостроения. Ее целевое назначение - обеспечение надежности, безопасности и живучести ЯЭУ кораблей, находящихся в эксплуатации, проходящих переоборудование и постройку. Наряду с этим программа предусматривает выполнение комплекса исследований, которые позволят разрабатывать новые проекты реакторных установок на дальнюю перспективу, совершенствовать научную, исследовательскую и производственную базу, а также внедрять современные компьютерные технологии и программное обеспечение.
 |
|
Принципиальная схема ЯЭУ S8G для ПЛАРБ типа "Огайо"; 1 - ядерный реактор; 2 - ГЦНПК; 3 - фильтр активности; 4 - ПГ; 5 - вспомогательный питательный насос; 6 - главный питательный насос; 7 - разобщительная муфта; 8 - редуктор; 9 - линия вала; 10 - семилопастной гребной винт; 11 - ГЭД; 12 - разобщительная муфта главного вала; 13 - ЦНГК; 14 - прочный корпус; 15 - главный конденсатный насос; 16 - главная турбина; 17 - автономный ТГ; 18 - главный паропровод; 19 - главный конденсатор; 20 - вспомогательный конденсатный насос; 21 - трубопровод питательной воды; 22 - компенсатор объема |
В настоящее время в эксплуатации на кораблях ВМС США находятся 93 реакторные установки (РУ, 14 типа S8G, 51 - S6G, 2 - S6W, 18 - А4W/A1G и 8 - A2W).
Указанные установки, отработанные на наземных стендах и кораблях, обеспечивают жизненный цикл ПЛА и ПЛАРБ с двумя плановыми перезагрузками реакторов, а АВМА - с тремя.
Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации реакторных установок этих типов, улучшения их виброакустических характеристик, экономических показателей и продления жизненного цикла ПЛА до 33 лет и ПЛАРБ до 42 программой реакторостроения предусматривается проведение следующих мероприятий: оценка технического состояния основного оборудования РУ, находящегося длительное время в эксплуатации; анализ состояния активных зон реакторных установок типов S8G (см. рисунок), S6G и A4W/A1G; выполнение НИОКР, направленных на уменьшение стоимости и частоты процедуры плановых осмотра и очистки парогенераторов; замена на РУ типов S6G и A4W/A1G устаревшего оборудования автоматики и контрольно-измерительных приборов, в том числе датчиков давления и расходомеров более совершенными; внедрение новых методов контроля и поддержания водного режима.
Кроме того, осуществляется проектирование и испытания усовершенствованных компонентов для находящихся в эксплуатации и процессе строительства реакторных установок и их систем, в частности отдельного оборудования ядерных реакторов. Проводятся исследования топливной композиции отработавших активных зон с целью разработки усовершенствованных методов контроля, анализа и прогнозирования состояния последних.
Проводятся также мероприятия по оценке состояния систем безопасности и защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от воздействия радиации, по созданию нового парогенератора с более высокими характеристиками и меньшей стоимостью, приборов управления и контроля за реактором, а также химических технологий, позволяющих снизить коррозию и уровень радиации оборудования реакторной установки.
Программой реакторостроения предусмотрен комплекс работ по созданию новых РУ для перспективных ПЛА и АВМА.
ПЛА типа "Вирджиния" оснащается новой реакторной установкой S9G водоводяного типа, которая должна обеспечить эффективное действие лодки не только в условиях больших глубин, но и на мелководье. Американские специалисты утверждают, что проектом предусмотрена работа РУ в течение всего жизненного цикла корабля (33 года), без проведения дорогих, трудоемких, ядерно- и радиационно опасных работ по перезагрузке реактора. В соответствии с программой реакторостроения в настоящее время выполняется комплекс испытаний оборудования реакторной установки S9G с завершением его в 2003 году.
Большой объем НИОКР в области реакторостроения запланирован и выполняется в целях создания новой РУ для АВМА типа CVNX, который будет заложен в 2007 году и введен в состав ВМС в 2014-м. По сообщениям зарубежных специалистов, по своей мощности эта реакторная установка для АВМА типа CVNX будет превышать имеющуюся на АВМА типа "Нимитц" на 25-50 %
Она будет более проста в эксплуатации и будет обслуживаться вдвое меньшим по численности обслуживающим персоналом, чем та, которой оснащен АВМА типа "Нимитц". Разработку установки американские специалисты предполагают вести на базе большого числа данных, полученных в результате значительного опыта работы на стендах и исследовательских реакторах с использованием современных технологий в компьютерном моделировании, что, по их мнению, позволит обойтись без дорогостоящих мероприятий по отработке прототипа активной зоны РУ и оборудования, обслуживающего его. Такой подход, по мнению зарубежных специалистов, позволит сэкономить более 300 млн долларов.
Вместе с тем ведутся НИОКР по созданию топливной композиции и материала оболочек тепловыделяющих элементов, способных работать при повышенных температурах и позволяющие достичь требуемых тепловой мощности и кампании активной зоны. Для снижения стоимости активной зоны разрабатываются также новые производственные методы проверки конструктивных элементов активной зоны, альтернативные методу разрушающего контроля. Опытные образцы тепловыделяющих сборок проверяются на ударостойкость и вибрацию.
Ведется разработка методов оценки теплогидравлических характеристик реакторной установки АВМА типа CVNX.
Усилия специалистов в этой области сосредоточены на создании усовершенствованных теплогидравлических моделей, позволяющих воспроизвести более реалистичную картину, происходящую в установке. Такой подход, по мнению зарубежных специалистов, обеспечит появление более сбалансированной РУ и позволит сократить количество дорогостоящих испытаний на стендах и исследовательских реакторах.
В рамках обеспечения этих работ проводятся фундаментальные исследования в областях ядерной физики и гидродинамики. По их результатам уточняются ядерно-физические и другие характеристики реакторной установки.
В целях обеспечения надежного функционирования ядерного реактора и его компонентов при их разработке широко применяются компьютерные трехмерные модели на основе численных методов моделирования.
К разработчикам РУ для АВМА выдвинуто требование по улучшению технико-экономических показателей радиационной защиты. Она должна быть эффективной, легкой, по возможности дешевой и сохранять требуемые показатели в течение всего срока службы корабля.
Предусмотрено проведение исследований в области разработки перспективных материалов, которые обеспечат более надежную защиту от радиации. Проводятся НИОКР с целью изучения поведения защитных материалов в условиях длительного воздействия нейтронного и гамма-излучений, агрессивных сред, повышенных температур, вибрационных нагрузок и других факторов.
В рамках концепции NCSG (New Concept Steam Generator) разрабатывается новый парогенератор. Основные работы сфокусированы на изготовлении его компонентов из специальных материалов, обладающих лучшей антикоррозионной стойкостью, в частности, трубок. В новом парогенераторе, по мнению зарубежных специалистов, передача тепла от теплоносителя к рабочему телу второго контура будет осуществляться с меньшими потерями. Он будет иметь меньшую массу и стоимость при более высоком КПД.
Разрабатываются новые методы испытаний этого парогенератора в лабораторных условиях. Проводятся исследования для выбора оптимального режима охлаждения нового парогенератора. С целью выявления в нем коррозии разрабатываются системы химического и электрохимического контроля.
Одной из важных составляющих РУ является циркуляционный насос первого контура (ЦНПК). На АВМА CVN-77 предполагается установить ЦНПК, в конструкции которого использованы новые технологии, обеспечивающие снижение износа и повышение надежности насоса.
В США проводятся также исследования в области технологий в реакторостроении на отдаленную перспективу. Программой предусмотрены НИОКР с целью изучения возможности применения в корабельных реакторных установках принципа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Применение данного принципа позволит исключить из состава ЯЭУ главный турбозубчатый агрегат, что, по мнению зарубежных специалистов, уменьшит ее шумность, повысит КПД, высвободит дополнительные объемы в корабле, повысит живучесть и надежность установки в целом. С целью обеспечения создания перспективной, действующей без перезарядки в течение всего жизненного цикла корабля, проводятся исследования, направленные на разработку новой топливной композиции для перспективной активной зоны, в области материаловедения, в частности связанные с материалами для тепловыделяющих элементов и первого контура, а также по созданию перспективных органов регулирования и защиты.
Развитие ядерных энергетических установок ВМС Великобритании в основном происходит в тех же направлениях, что и в США, но имеют некоторые особенности.
В настоящее время проводится испытание активной зоны типа Н для ядерного реактора типа PWR2, которая, по мнению зарубежных специалистов, обеспечит работу ЯЭУ без перезагрузки в течение всего жизненного цикла атомной подводной лодки. Ожидается, что первая активная зона данного типа будет загружена на ПЛАРБ типа "Вэнгард" в ходе ее первого капитального ремонта, а также станет стандартной для нового поколения ПЛА типа "Эстьют". Фирма "Роллс-Ройс" в настоящее время создает такие реакторы для первых трех заказанных ПЛА.
При разработке перспективных ЯЭУ для ВМС Франции большое внимание уделяется вопросам эргономичности, что, по мнению западных экспертов, позволит сократить объем управляющих воздействий, упростить техническое обслуживание за счет применения легкозаменяемых стандартных блоков и снизить стоимость установки при заданных характеристиках.
Кроме того, ведутся широкомасштабные исследования по увеличению защищенности ЯЭУ от ошибок оператора.
Как и в США, в Великобритании и Франции большое внимание уделяется созданию надежной и безопасной реакторной установки, обладающей высокими виброакустическими характеристиками, экономическими показателями и эргономичностью.
Таким образом, программы модернизации и строительства ВМС зарубежных государств предусматривают дальнейшее совершенствование атомных подводных лодок и атомных авианосцев, в частности оснащение их более эффективными ядерными энергетическими установками. Основные усилия разработчиков направлены на создание по возможности компактной РУ, надежно работающей в течение всего жизненного цикла корабля без перезарядки, безопасной и достаточно простой в эксплуатации и не требующей большой численности обслуживающего персонала, удовлетворяющей требованиям к кораблю по скрытности и шумности, а также более дешевой ЯЭУ.