От «Ленина» до «Лидера»

Атомный ледокольный флот России — ключевое звено в реализации транспортного потенциала Северного морского пути. Современные ледоколы обладают максимальной автономностью, годами работая без перезарядки, и при этом колоссальной мощностью, чтобы ломать многометровые льды. Но и топливо им нужно особое.

Как все начиналось

В 1953 году в Советском Союзе приняли решение построить первый арктический ледокол с ядерным реактором. Идею предложили академики Анатолий Александров и Игорь Курчатов. Необходимость в таком судне была острой: запаса топлива дизельным ледоколам хватало максимум на месяц хода, что недостаточно для северной навигации.

Первый в мире атомный ледокол «Ленин» заложили в 1956 году, а 3 декабря 1959 года на нем подняли государственный флаг СССР. Именно этот день считается днем рождения российского атомного ледокольного флота, единственного в мире.

Топливо для трех атомных реакторов ОК-150 на основе диоксида урана с 5%-м обогащением по урану-235 изготовили на Машиностроительном заводе (МСЗ) в Электростали. Атомоход продемонстрировал превосходную работоспособность. Его первая арктическая навигация началась 19 августа 1960 года и длилась чуть больше трех месяцев. За это время он прошел более 10 тыс. миль, из них около 7 тыс. — в тяжелых ледовых условиях, провел через Карское море и море Лаптевых 92 судна.

Развитие топливных технологий

С каждым новым ледоколом судовые реакторы становились все компактнее и надежнее. Сначала их собирали по так называемой «петлевой» схеме — все элементы были соединены трубами, как в лабиринте. Потом перешли к блочной, затем моноблочной схеме и в итоге пришли к интегральной компоновке: все устройства первого контура, включая парогенераторы, уместили в одном корпусе. Именно такая компоновка реализована, например, в реакторной установке РИТМ‑200 для современных универсальных атомных ледоколов.

Топливные технологии также развивались. Материалы оболочек твэлов становились все более жаропрочными и устойчивыми к облучению. Внутреннюю часть топливных элементов — сердечник — сначала делали в виде брикетов, но позже заменили на более совершенную структуру, где ядерный материал распределен в металлической матрице и залит специальным контактным составом для лучшего отвода тепла.

Тепловыделяющие сборки (ТВС) тоже эволюционировали: от канальной компоновки перешли к кассетной, когда все элементы собраны в единый блок, а регулирующие стержни встроены прямо в сборку. Это повысило эффективность и упростило управление реактором.

Высокая энергонапряженность ледокольного топлива требует интенсивного теплообмена: тепло от топлива должно быстро уходить к воде, которая циркулирует в реакторе. Для этого в сердечнике используют специальный контактный материал, а поверхности самих твэлов придают сложную форму. За счет этого увеличивается площадь соприкосновения с теплоносителем. Благодаря этим решениям ледокол может годами работать без перезагрузки и при этом вписываться в жесткие ограничения, которые диктует архитектура судна.

Рождение активной зоны

Почти весь производственный цикл создания активной зоны судовых реакторов сосредоточен на МСЗ. Здесь делают все: трубную продукцию, комплектующие детали, топливную композицию, сами твэлы, поглощающие элементы, ТВС и гильзы системы управления и защиты.

После сборки готовые ТВС и стержни аварийной защиты отправляют в Нижний Новгород, в Опытное конструкторское бюро машиностроения им. Африкантова, где их проверяют на специальных стендах. Там имитируют условия работы реактора, чтобы убедиться, что все системы работают правильно.

В процессе используют передовые материалы: жаропрочные стали, циркониевые сплавы, специальные сплавы, стойкие к облучению, а также делящиеся и поглощающие материалы.

Эволюция ледокольного флота

Сегодня на Севморпути работают восемь атомных ледоколов, из них четыре — новой серии проекта 22220. К 2030 году число атомоходов должно вырасти до 11. И все топливо для них будет создавать ТВЭЛ.

История развития атомных ледоколов — это постоянное наращивание мощности и автономности судов. В 1959 году на ледоколе «Ленин» заработали реакторы ОК-150. Хотя для тех лет это был настоящий прорыв, ресурс топлива все еще был относительно небольшим.

В 1975 году на ледоколах типа «Арктика» установили реакторы ОК-900 и ОК-900А — они были мощнее и надежнее, позволили увеличить время между перегрузками.

В 1989 году ледоколы «Таймыр» и «Вайгач» получили реакторы КЛТ-40, которые отличались еще большей компактностью и были адаптированы для работы на небольших глубинах.

Качественные изменения нового поколения начались в 2015 году, когда стартовала эра универсальных атомных ледоколов проекта 22220 с реакторами РИТМ-200 тепловой мощностью 175 МВт каждый. Топливо для них рассчитано на семь лет непрерывной работы без перезагрузки — это вдвое дольше, чем у предшественников.

Следующий этап — сверхмощный ледокол «Россия» проекта 10510 «Лидер». В 2025 году для него изготовили два реактора РИТМ-400 мощностью уже 315 МВт, что еще вдвое больше, чем у РИТМ-200. По инициативе гендиректора «Росатома» Алексея Лихачева пару нарекли в честь былинных богатырей — Ильи Муромца и Добрыни Никитича. С такими реакторами «Россия» сможет работать до 10 лет без замены топлива и пробивать лед толщиной более 4 м.

Арктика активно осваивается. Значит, будет расти и атомный ледокольный флот. Поэтому МСЗ уже сейчас расширяет свои возможности. В рамках специального инвестиционного проекта идет реконструкция старых цехов и строительство новых — для выпуска продукции для ледоколов, плавучих атомных станций и реакторов малой мощности. Увеличиваются трубное производство, участки изготовления комплектующих, твэлов и сборок.

Перед страной стоит задача сделать навигацию по Севморпути круглогодичной, и атомный флот играет в этом центральную роль.