РЕВОЛЮЦИЯ НА ФЛОТЕ
Особую роль играет атомная энергетика в подводном флоте. Здесь определяющим фактором стало то, что атомный реактор, имеющий самые высокие удельные показатели производительности энергии (количество вырабатываемой энергии на единицу массы установки) для своей работы не требует окислителя. Таким образом, энергетическая установка атомного корабля может обходиться без связи с атмосферой.
В то же время она вырабатывала такое количество энергии, что ее хватало, помимо прочего, и для весьма энергоемких систем дистилляции воды с последующим выделением из нее путем электролиза кислорода, необходимого для поддержания нормального состава атмосферы в отсеках корабля. Предшественники атомных подводных лодок (АПЛ), по сути, лишь назывались подводными, было бы корректней называть их «ныряющими».
Их основной двигатель — дизель не мог обходиться без связи с атмосферой, откуда он черпал необходимый для работы кислород и куда выбрасывал свои выхлопные газы. Поэтому дизель-электрические подводные лодки двигались преимущественно в надводном положении и погружались («ныряли») лишь при необходимости. Под водой их гребные винты приводились в движение электромоторами, питаемыми от аккумуляторных батарей, требовавших, в свою очередь, подзарядки от дизель-генераторов, для которых необходима связь с атмосферой.
Использование на подлодках атомных энергетических установок сделало их подводными в прямом смысле слова. Теперь время их пребывания под водой стало практически неограниченным, а полная автономность (т. е. продолжительность нахождения вне базы) определялось главным образом морально-физическим состоянием экипажа подлодки. Одновременно существенно повысились скорость подводного хода (у АПЛ она превосходит скорость надводного плавания), а также такой важнейший для подводной лодки показатель, как скрытность.
Надо сказать, что все так называемые атомные корабли, будь то подводные лодки, крейсеры, авианосцы или ледоколы, по сути своей являются пароходами, поскольку их гребные винты приводятся в движение паровыми турбинами. Их отличие от старых, знакомых нам с детства пароходов состоит лишь в том, что необходимый для паровых машин либо турбин пар образуется не в обычных котлах с топками, сжигающими уголь, мазут или газ, а в заполненных ураном атомных реакторах.
Огромное количество выделяемого внутри реактора тепла выводится теплоносителем, в роли которого выступает вода. Чтобы вывести максимально возможное количество тепла, вода в реакторе нагревается до 200 и более градусов. Одновременно заполняющая реактор вода (точнее — бидистиллят) играет роль замедлителя нейтронов в ходе происходящей в реакторе цепной реакции (оттого реакторы подобного типа называют «водо-водяными»). Превратиться преждевременно в пар воде не позволяет создаваемое в реакторе высокое давление. А пар для турбины получают из второго контура теплообменника, в первый контур которого поступает под давлением нагретая реактором вода. Причем, в связи с высокой радиоактивностью воды первого контура, она не соприкасается напрямую с водой контура второго. Но дальнейшее повышение давления в реакторе с целью повышения температуры отводимой из него воды ограничено условиями сохранения прочности самого реактора и трубопроводов, а также конструкцией циркуляционных насосов первого контура (ЦНПК). Поэтому энергетики в погоне за максимально возможным отбором из реактора тепла (т. е. энергии) давно ведут поиски замены воды как теплоносителя.
НА СМЕНУ ВОДЕ ПРИХОДИТ МЕТАЛЛ
И здесь в качестве перспективной альтернативы воде рассматриваются легкоплавкие металлы, конечно, в их жидкой фазе. Теплопроводность и теплоемкость их значительно выше, чем у воды, их можно нагревать до более высоких температур, не создавая при этом высокого давления, что позволяет отказаться от сверхпрочного и тяжеловесного оборудования.
Кроме того, жидкие металлы имеют малую упругость собственного пара. Давление в системе определяется только необходимостью поддержания требуемого напора в первом контуре, которое обычно не превышает 7 атм. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию как реактора, так и вспомогательного оборудования.
Высокая электропроводность жидких щелочных металлов позволяет использовать полностью герметизированные электронасосы, а расход энергии, необходимой для прокачки жидких металлов, лишь немногим превышает такой же показатель водяных ЦНПК. Из жидких металлов лучшие характеристики по расходу энергии на прокачку имеют щелочные металлы.В отличие от других жидких металлов, натрий, как и расплав «натрий-калий», оказывают весьма незначительное коррозионное и эрозионное воздействие на конструкционные материалы.
Наиболее дешевым из жидких металлов является натрий, затем идут свинец и калий. Поскольку объем теплопередающей системы обычно относительно невелик, а перезарядка производится редко, затраты на теплоноситель незначительны. Однако использование в качестве теплоносителя жидких металлов имеет свою специфику и рождает новые проблемы. Так как щелочные металлы обладают высокой химической активностью, серьезную опасность представляет их реакция с водой, поэтому должны быть предусмотрены устройства, обеспечивающие взрывобезопасность. Соприкосновение с паром или с кислородом воздуха в этом отношении неопасно (поддерживающейся реакции горения нет), но чтобы избежать окисления металла, необходимо исключить его соприкосновение с воздухом. Наличие нерастворимых в жидком натрии его окислов может привести к закупорке отдельных каналов. Поэтому натрий, как и натрий-калий, приходится хранить в среде инертного газа (гелий либо аргон).
И все же необходимость дополнительных усилий и затрат для решения названных проблем компенсируется тем, что с помощью жидкометаллического теплоносителя (ЖМТ) можно снять с реактора больше энергии либо для получения потребного количества энергии использовать реакторы меньших размеров и массы. Последнее немаловажно при использовании атомных реакторов на кораблях, прежде всего на подводных лодках. Казалось бы, все довольно просто. Теоретически. А что показала практика?
АМЕРИКАНСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Работы по созданию первых жидкометаллических реакторов начались практически одновременно в США и СССР еще в 50-х гг. прошлого века. Американцы оказались немного впереди: уже в июле 1955 г. была спущена на воду, а 30 марта 1957 г. введена в строй вторая атомная подводная лодка США «Сивулф». Она была почти копией американского атомного первенца «Наутилуса», но отличалась тем, что была оснащена атомным реактором с ЖМТ, в качестве которого использовался жидкий натрий.
Но во время ходовых испытаний лодки произошла авария реактора, связанная с разгерметизацией заполненного радиоактивным ЖМТ первого контура. Погибли люди, ставшие первыми жертвами жидкометаллических технологий. В 1958 г. реактор на «Сивулфе» был заменен на водо-водяной, аналогичный стоящему на «Наутилусе». После этого «Сивулф» благополучно прослужил еще до 1987 г., а на реакторах с ЖМТ в США была поставлена жирная точка.
СОВЕТСКАЯ «НАГАСАКИ»
В СССР разработка реакторов с ЖМТ проводилась в Физико-энергетическом институте под руководством академика Академии наук Украинской ССР Александра Лейпунского. Одним из первых случаев практического применения подобного реактора стала его установка на опытной подводной лодке К-27, построенной в 1963 г. Этот корабль отличался от первой советской АПЛ «Ленинский комсомол» только тем, что вместо водо-водяных реакторов на нем были установлены реакторы с ЖМТ, в роли которого выступал расплав «свинец-висмут».
В мае 1968 г. К-27 вышла в море для проверки работы реакторов в разных режимах, в том числе и на максимальной мощности. В этом походе произошла авария одного из двух реакторов, связанная, как и на «Сивулфе», с разрывом первого контура. Девять членов экипажа, получившие огромные дозы облучения, погибли, среди остальных многие были поражены лучевой болезнью. За лодкой закрепилась кличка «Нагасаки» («Хиросима» уже была отдана К-19, еще в 1961 г. пережившей тяжелую аварию одного из двух своих водоводяных реакторов).
К-27 оказалась настолько сильно заражена радиоактивно, что ремонтировать ее было практически невозможно. Ни флот, ни промышленность не знали, как с ней поступить. В итоге вопрос был решен по-советски просто: в 1979 г. лодка была исключена из состава ВМФ, а в сентябре 1982 г. отбуксирована в Карское море и затоплена у северо-восточных берегов Новой Земли в заливе Степового. Теперь к ее «титулам» флотские остряки добавили «вечно подводная». Но и после трагедии К-27 в СССР решили не отказываться от заманчивой идеи использования на АПЛ реакторов с ЖМТ.
ЛЕГЕНДАРНЫЙ 705-й ПРОЕКТ
Еще не была спущена на воду К-27, а в родившем ее конструкторском бюро (ныне СПМБМ «Малахит») один из ведущих специалистов А. Б. Петров выступил со смелым предложением: приступить к разработке проекта малогабаритной, высокоскоростной и маневренной АПЛ — подводного истребителя-перехватчика вражеских субмарин. По замыслу Петрова, это должна была быть лодка с минимальным экипажем, что могло быть достигнуто за счет комплексной автоматизации всех процессов управления как самим кораблем, так и всеми его механизмами, системами и оружием. Идея была поддержана министром судостроения и главкомом ВМФ. Проекту был присвоен № 705. Главным конструктором будущего корабля назначили М. Г. Русанова. Проект, учитывая его поистине революционную новизну, курировали (каждый по своему заведованию) три академика — А. П. Александров, будущий президент АН СССР, Н. Н. Исанин и В. А. Трапезников.
В техническом задании на новый корабль была указана невиданная для подводного плавания скорость — 40 узлов (более 75 км/ч). Естественно, для выполнения такого требования лодка должна была иметь минимальные габариты и массу, совершенные гидродинамические формы и, конечно, мощную и легкую силовую установку. Предварительные расчеты показали, что последнему требованию может отвечать только реактор с ЖМТ. Увлекшись идеей глобальной автоматизации, первоначально хотели ограничить экипаж 16–18 моряками, причем только офицерами. Но дальнейшее проектирование показало несбыточность подобного. В результате экипаж составили 29 специалистов, офицеров и мичманов. Лишь должность помощника кока осталась за матросом срочной службы.
В АПЛ было всего два обитаемых отсека (из шести), над одним из которых размещалась созданная впервые в мире всплывающая спасательная камера, рассчитанная на спасение всего экипажа даже с предельной глубины погружения (400 м). Корпус лодки, имевший самые совершенные в части гидродинамики, можно сказать, изящные формы, был выполнен из титана — легкого, прочного и абсолютно коррозионностойкого металла. Не имевшая на тот момент аналогов АПЛ проекта 705 получилась, как и задумывали, необычайно скоростной и маневренной. Благодаря своим малым габаритам (полное водоизмещение всего 3 100 т), а также использованию реактора с ЖМТ, безусловным достоинством которого является высокая динамика (способность чрезвычайно быстро переходить с одного режима на другой), лодка запросто развивала под водой положенные 40 узлов, всего за 42 секунды могла на полной скорости развернуться на 180 градусов. Она была способна часами «висеть на хвосте» у АПЛ условного противника, а если надо — уйти от выпущенной в ее направлении торпеды.
АПЛ проекта 705 стали первыми в мире серийными лодками, оснащенными реакторами с ЖМТ. Всего их было построено семь штук. Первая (опытная) лодка К-64 строилась на ленинградском Новоадмиралтейском заводе. Строительство проходило с большими трудностями, но было завершено, после чего лодку переправили в Северодвинск, где в декабре 1971 г. корабль был передан ВМФ. Командиром К-64 стал капитан I ранга Александр Сергеевич Пушкин. Началась опытная эксплуатация АПЛ, проходившая с не меньшими сложностями, чем строительство.
Основные проблемы были связаны с реактором, который требовал повышенного внимания от еще недостаточно опытного персонала. Сказывалось принципиальное отличие реакторов с ЖМТ от хорошо освоенных водоводяных. Как известно, для перехода в твердое кристаллическое состояние (лед) воду нужно охладить до 0 градусов, что практически не может произойти даже при полностью выведенном реакторе. В то же время расплав «свинец-висмут» кристаллизуется уже при + 145 градусах. То есть при эксплуатации реактора с ЖМТ ни в коем случае нельзя допускать снижение температуры в первом контуре до + 150 градусов. Именно в результате несоблюдения этого условия в трубопроводах первого контура стали возникать пробки из кристаллизующегося ЖМТ. Попытки пробить их силовым методом или расплавить не только не привели к желаемому, но и нарушили герметичность первого контура. Началось радиоактивное загрязнение лодки, которая в это время стояла у причала на базе АПЛ Западная Лица.
Помимо серьезнейших проблем с реактором, на опытной АПЛ, вобравшей в себя одновременно массу новаторских решений, не могло не возникнуть множество разного рода неполадок, для устранения которых на лодке были собраны представители многих предприятий и организаций промышленности. Довелось оказаться среди них и автору настоящей статьи. Свою долю радиации получил, вероятно, каждый работающий на К-64 в те горячие дни марта-апреля 1972 г. Вскоре стало ясно, что реактор безвозвратно загублен, лодка уже не могла выходить в море. В августе 1974 г. она была выведена из состава флота и после долгих и ожесточенных дебатов разрезана на две части, каждую из которых было решено использовать для тренировок экипажей и отработки новых технологий. При этом одну половину АПЛ отбуксировали в Северодвинск, а другую отправили в Ленинград.
Сразу на флоте родилась шутка-загадка о «самой длинной в мире подводной лодке».
Строительство серии, которое уже активно велось в Ленинграде и Северодвинске, было приостановлено, но через пару лет возобновлено. В итоге в период с 1977-го по 1981 г. флоту было передано шесть АПЛ проекта 705. Эти корабли довольно интенсивно и успешно несли службу в составе Северного флота, вызывая серьезную озабоченность у наших «коллег» из НАТО, у которых АПЛ проекта 705 получили наименование «Альфа».
Учитывая печальный опыт первого корабля (К-64), на всех серийных АПЛ этого проекта был дополнительно установлен так называемый «электрокотел», задачей которого было поддерживать необходимую температуру в первом контуре реактора, когда тот при стоянке АПЛ на базе выведен на минимальную мощность. Для работы котла требовалось подавать электроэнергию c берега. В реальности с этим случались перебои, а поскольку экипажи лодок отчаянно боялись «разморозить» и погубить реактор, последний поддерживался на уровне мощности больше, чем требовалось в условиях базы. Естественно это ускоряло выработку ядерного горючего. Кроме этой проблемы, неудовольствие флотского базового начальства вызывала необходимость организации специальных лабораторий для периодических проверок, регулировок и восстановления элементов автоматики, которыми были буквально нашпигованы лодки этого типа.
Одним словом, забот береговым службам ВМФ добавилось немало. Все чаще возникали разговоры на тему, что новые корабли опережают свое время, излишне сложны в обслуживании, словом, от них надо избавляться. И это несмотря на уникальные боевые качества, демонстрируемые АПЛ в походах. В общем, 705-й проект вытеснялся с флота.
Седьмая серийная лодка была не достроена и разрезана прямо на стапеле. К 1990 г. все (кроме одной) АПЛ 705-го проекта были выведены из состава флота, прослужив существенно меньше того срока, на который были рассчитаны. Ставшая исключением К-123 задержалась в строю до 1997 г. вынужденно, вследствие непомерно затянувшегося в условиях «перестройки» ремонта после серьезной аварии, произошедшей на ней в 1982 г., когда лодка находилась в подводном положении в Баренцевом море.
Вот что случилось с этим до тех пор вполне благополучным кораблем. Ничто не предвещало беды, когда на пульте управления в центральном посту АПЛ неожиданно засветился сигнал «НЕИСПРАВНОСТЬ РЕАКТОРА». На разведку в необитаемый реакторный отсек отправился лейтенант Логинов. Уже через минуту он доложил, что наблюдает серебристый металл, растекающийся по палубе. Это и был вырвавшийся каким-то образом из первого контура реактора высокоактивный ЖМТ. Одновременно включился сигнал «ЗАГРЯЗНЕНИЕ РЕАКТОРНОГО ОТСЕКА. ПОКИНУТЬ ОТСЕК!» Как вспоминал позже один из членов экипажа, переживший аварию, «о Логинове подумали уже в прошедшем времени». Возвратить его в обитаемый отсек уже было нельзя — он сам стал радиоактивен. Но Логинов выжил. Выйдя в тамбур-шлюз, через который реакторный отсек сообщается с остальными помещениями лодки, он оставил там всю одежду и прошел основательную помывку. Реактор был заглушен, АПЛ, продув балластные цистерны, всплыла на поверхность.
Как установили позже, из первого контура успело вытечь порядка двух тонн ЖМТ. Вся лодка была настолько радиоактивно загрязнена, что пришедший на помощь крейсер не решался приблизиться к ней, чтобы передать буксирный трос. В итоге трос все же завели при помощи палубного вертолета с того же крейсера. Ремонт К-123, в ходе которого был полностью заменен реакторный отсек, закончился в 1992 г. АПЛ вернулась в строй и благополучно прослужила до 1997 г. Сегодня в составе всех флотов мира нет ни одного атомного корабля, оснащенного реактором с ЖМТ.
Весь опыт, накопленный в ходе строительства и эксплуатации К-27, а затем лодок проекта 705, был подытожен в Физико-энергетическом институте, в техническом заключении которого указывается, что реакторы с ЖМТ следует и в дальнейшем рассматривать на конкурсной основе с водо-водяными реакторами в проектах новых атомных кораблей.
Статья была опубликована в июльском номере журнала "Наука и техника" за 2017 год
