Механическая установка

Электрооборудование

     

и

v

       

о)

     

тип главных

 

пара

метры

о. - X

 

я

             

теплоноси-

ш

максималь-

 

тип

рабочего

о Щ ь и 2

 

^ «

ш ^

     

т ее

Насьпцен-

т о

 

тель

С

ные параметры теплоносителя

Я

механизмов

турбины

тела

К о ш

5І о

 

о ь

5ою Щ о о

 

Тип

АЭУ

Тип подводного корабля

л

И ^1

иа

ность отсеков АЭУ,

о.

о 1^

э

 

о н

-1

     

я а

£ * .§1

іи о

Примечание

ч ча) —-

     

к ^

     

число валов

   

>.

:й я а: о

   

0.2

     

л. сім'

<и о.

 

число цирку-

и .

   

я

X мощность

число

я

я

я а !г ь

СХ

     

и -

 

о

ю „

ляционных

к

   

на валу.

турбин

ив

 

ем-

о ш

о ю

Ов

         

с;

Ч ь с ^J 0) о

насосов

(^|Ь

ч 5 •

 

л, с.

 

ч 5

с

ч о „ о аЄ и о ад

"5 о „ к о <в

Ч 4)

к « ад

     

Ей

 

■ о к

 

о о

         

ш —

(В к.

«о

кость.

     

о<

 

3-

^- и

 

о с

«и

н н

     

«и

 

ач

&■ н !<:

3- ^- ІЄ

1-^

             

Вода под

     

Я

ГТЗА

Двухкор-

               

«Наутиду с» «Сивулф»

64—66

9,8—10,9

 

60—70

давлением

20—40

140

260

 

пусная

18

220

126

4X650

2X300

3X150

Диаметр ак-

1

   

2Х (6700-7500)

             

6

       

2

           

тивной зоны

               

1

               

2,7 м. Диаметр реактора 4,57 л. Наземный прототип имел шифр 5-1\У. Максимальная температура ТВЭЛ 340' С

                     

ГТЗА

Двухкор-

   

126

       

5-20

«Сивулф»

     

55-60

Натрий

90

5-7

500

 

пусная

40—42

410—420

4X650

2X300

3x150

Наземный

   

I

   

2 X7500

                     

1

2

           

прототип имел шифр 5-10. Максимальная температуратвэл

           

Вода под

                       

925 + 165° С

                   

ГТЗА

                 

«Скейт»

60—82

6,0—8,5

 

30—45

давлением

20

140

246

   

15

 

126

2X800

1X500

2X300

Установки

I

   

2Х(3500-5000)

     

5-4\У

«Хэлнбат»

               

1

2

           

5-3\У и 5-4Ш отличаются одна от другой конструкцией биологической

           

Вода под

                       

защиты

                                   

5-40

«Тритон»

 

9,6—10,8

2

ПО —

давлением

 

165

280—

Я

ГТЗА

     

126

4X1500

1X400

2X300

Производи-

       

2х(15,000— — 17000)

Турбоэлект-рическая

                 

—120

Вода под

   

-290

 

2

   

5500

     

тельность испарительной установки 60 тісутки. Наземный прототип имел шифр 5-30

5-2С

• «Таллнби»

       

давлением

       

передача

ТГ

                 

1

11 — 12

       

я

1X3000

             

Высота реак-

                     

2

           

тора 3,7 м. Наземный прототипимел шифр 8-1С

         

Реакторная установка

' Механическая установка Электрооборудование

 

Тип АЭУ

Тип подводного корабля

іьньїй вес . с.

Насыщен-

Кторов

иость.

теплоноситель

іплива

максниальг иые параметры теплоносителя

параметры , " . • тип главных тип рабочего °" , "л 5 л механизмов турбины ^ела «е'її °&

 

ность отсеков АЭУ,

л. сім"

а о г

 

о Н

ш

--- 3>и 'а «я. .я

">,*°2?од'^д'вд' примечание

     

£8

и .

о:і

о<

число реа

тепловая 1 Мет

число циркуляционных насосов

x ^

іи

Зи 2эо

\о о о с

ш а:

її Ч а — та ^ ча

температура, °С

число валов >■ «"«1 §^ о.^ хмощность число 5 а ияв-г навалу, турбин 5^ щ о а о а 0« яг- 3 кость с> а.5 оа.5 о в; 5

свіч щи ^^^'^'^>• !Єр5 Яо» "3» •■! ЧИ Но ач В'ЄМ В-нИ в-ни

   

«Скипджек», «Джордж Вашингтон», «Дредноут» (Англия)

52—58

10,0—11,2

I

60—65

Вода под давлением

7

40

160

280

Одиокор-

; ГТЗА пусиая ^3 210 '26(42)' 2 x 2000- ^^^^^ 2 x 300 Высота-реак-1Х(15 000— 2 ' • 2x1800 —500) тора 5,5 ж, —17 000) диаметр

2,45 м, рас-

1 ход свежего

                     

пара

' 82 тічас, ; Производительность нспаритель-

; ной установки 30 тісутки

 

S-5W-2

«Трешер», «Итэн Аллен», «Лафайет»

52—58

10,0

1

70—75

Вода под давлением

40

   

Одиокор-

ГТЗА пусиая 126 2 X2250- ^ХЗОО Производи-IX (17 500— 2 • 2х- тельиость —20 000) нспарнтель-< ных установок 38 тісут-

 

5-50

«Нарвал»

   

I

70-75

Вода под давлением

     

' ки

1 Прямодей-

І ствующая

•турбина • . . '26 . . . Реактор с 1X18 000 ■ ■ естественной

^ циркуляцией

   

Танкер дедвейтом 20 ООО т

 

8,2

1

120

Вода под давлением 4

4

175

290

, теплоиоси-І теля і Одиокор-

ГТЗА пусиая ^ 126 ^х- ЇХ- 2 x 300 Насыщен-1X35 000 2 ■ иость реакторного отсека 32—33 л. сім". Скорость цирку-

   

Танкер дедвейтом 40 000 т

«Вэлиэит»

(Англия)

Р удовоз «Моби Дик» (Англия)

82

9,6

4 1

1

780 80—90

150

Вода под давлением

16

Вода под давлением

4

Кипящая вода

4

175 140

290 260

ляции теплоносителя— 10 л/еек

Двухкор-

ГТЗА пусиая 3^ 126 ^^^^ . . д,,^,„„, ^

4 X 60000 4 • конденсаторе

0,17 кГ/сж^

Одиокор-

ГТЗА пусиая 112 ^Х- Производи-1x22 000 2 • тельиостьиспарительной установки 50 т.сутки

Двухкор-

ГТЗА пусиая , „„„

----- ... . 1x600 • Имеется два

1X50 000 1 резервныхдизеля, работающих на гребной вал через редук-1 тор ГТЗА

Продолжениеа также увеличение кампании активных зон позволили повысить моторесурсы АЭУ подводных лодок до 20—25 тыс. ходовых часов, что соответствует межремонтному периоду около 4,5—5 лет. В дальнейшем предполагают эксплуатировать подводные лодки с той же интенсивностью в течение 8—9 лет без перезарядки и заводского ремонта.

Высокие требования предъявляют к маневренности энергетических установок подводных лодок. Длительность пуска АЭУ из холодного состояния составляет на современных лодках 2— 4 часа, причем вывод реактора на мощность требует 1,5 часа, а турбины и турбогенераторы прогреваются за полчаса до выхода корабля в мореЧ Большое внимание уделяют также таким характеристикам установок, как продолжительность расхолаживания реактора, время изменения режима работы турбин и т. п. Для увеличения маневренных качеств турбинной установки на лодках некоторые зарубежные специалисты предлагают применить винты регулируемого шага. Попытка применить такие винты на дизель-электрической подводной лодке была предпринята в Англии в 1953 г.

Очень важными для АЭУ подводных лодок являются весо-га-баритные характеристики. Однако, по мнению американских специалистов, не следует снижать вес и габариты за счет ухудшения эксплуатационной надежности оборудования энергетической установки.

Основные характеристики существующих и проектируемых энергетических установок атомных подводных лодок и подвод-

Продолжение

Реакторная установка

Механическая установка

Электрооборудование

 

ш н" теплоносн- § макснмаль-

« Насыщен- § = "''ь ё „"ЇЇ^.^ІРЛ- Ш

тип главных механизмов

тип турбины

параметры рабочего тела

аккумуляторная батарея, число элементов

турбогенерз-X мощность.

генера-

[ОСТЬ,

ззовз-юсть.

 

Тип Тип подвод- 2 . ность от- §• д о ^о1ж„теля Ш АЭУ ного корабля 5" <'еков | о ^ лоносителя Щ

ч^ АЭУ. и "-

її л. СІМ? ^ к число цирку- ^ ■

число валов X мощность

число

v

)зтурз,

днзель-

X МОЩЕ

о о

X

Примечание

5 о я ляцнонных З^в я я а» Я І>> §е насосов чЗ си Ш

v і~<. ос«Инн

на валу, л. с.

турбин

5 3

«

«а

сно

емкость, ач

число торов кеш

число торов кет

число тел ей кет

 

Вода под

Тянкрп ІП9 йя 1 1оп давлением , _

ГТЗА

Двухкор-пусная

25,5

250

 

зх-

   

Вес загрузки 7,3 т, расход свежего пара 230 тічас

1 анкер о,Н 1 18и--. 17

дедвейтом 3

30 ООО т ЗШ

(Япония)

2x22000

2

     

* в скобках приведена цифра, относящаяся к подводной лодке Я «Дредноут».

Числа в числителе относятся к ракетоносцам, в .іняменятолр — « торпрдинм ■ подводным лодкам.

ных транспортных судов США и некоторых других капиталистических стран приведены в табл. 26.

РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА

Основной элемент реакторной установки — ядерный реактор. Реакторы находящихся в строю и строящихся лодок ВМС США и Англии принадлежат к типу гетерогенных аппаратов на тепловых нейтронах, использующих в качестве горючего обогащенный уран, а Б качестве замедлителя и теплоносителя — дистиллят природной воды высокой степени очистки (в научно-технической литературе аппараты такого типа часто называют водо-водя-ными реакторами).

Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) лодочных реакторов представляют собой металлические пластины из уран-циркониевого сплава Ч Для предотвращения проникновения продуктов коррозии в теплоноситель на ТВЭЛ наносят покрытие из сплава циркалой-2, содержащего, кроме циркония, до 1,4% олова и 0,18% других примесей (хрома, никеля, железа, углерода). ТВЭЛ реакторов энергетических установок типов 8-3 С и 8-4 С выполнены из тонких листов металлического урана, свернутых в спиралеобразные трубки. Такая форма элементов, по мнению американских специалистов, способствует интенсификации теплообмена в активной зоне.

Для проектируемых подводных танкеров предусматривают стержневые ТВЭЛ, представляющие собой металлическиецилиндры, внутри которых находятся таблетки керамического ядерного горючего (обычно двуокиси урана иОг). ТВЭЛ с вы-сок'ой температурой плавления отличаются высокой сопротивляемостью коррозии; однако повышенная хрупкость керамического горючего значительно снижает взрывостойкость энергетической установки. По этой причине подобные ТВЭЛ не, нашли пока применения на боевых подводных лодках капиталистических государств.

. Для 'получения компактных и в то же время достаточно мощных атомных реакторов на подводных лодках используют обогащенное ядерное горючее. Первая активная зона установки типа 5-2'\¥ была изготовлена из урана с обогащением по П^^* 18— 20%. В дальнейшем обогащение горючего увеличили до 40% и более. В АЭУ типов 5-Ш и 5-20 обогащение достигает 90%. Слабо обогащенное горючее (2—5%) предполагают использовать в установках подводных танкеров. Вес принятого на подводный танкер ядерного горючего может достигать нескольких тонн (например, вес топлива АЭУ подводного танкера японского проекта составляет 7,3 г).

Запасы урана дают возможность 'подводной лодке проходить большие расстояния без перезарядки активной зоны. Активные зоны установок типа 575Ш рассчитаны на дальность плавания полным подводным х^одом более 100 тыс. миль, что соответствует 3500—4000 ходовых часов, при полной мощности. Еще большую дальность плавания (140 тыс. миль) обеспечива.ют активные зоны АЭУ типа 5-5'\¥-2, ТВЭЛ которых имеют удлиненные топливные секции. На скоростях, равных 50—60% скорости полного хода, дальность плавания увеличивается в 2,5—3 раза, а ходовое время возрастает — 20—25 тыс. час. Среднее выгорание топлива "В реакторе установки типа 5-5'\¥' составляет 10 000 Мвт-сутки/т.

Активные зоны АЭУ типа 5-2Ш выполнены в виде единого конструктивного узла, что в значительной степени затрудняет перезарядку реактора (первая перезарядка на подводной лодке «Наутилус» заняла несколько месяцев). В установках типаЗ-ЗШ появилась возможность индивидуальной замены сборок ТВЭЛ при снятой крышке реактора. У активной зоны АЭУ типа 5-40 ТВЭЛ объединены в кассеты, которые можно заменить без демонтажа крышки. Для этой цели в крышке сделаны специальные отверстия, закрывающиеся съемными пробками. По сообщениям печати 2, такая конструкция позволяет сократить фок перезарядки на 3—4 недели и дает возможность производить смену активной зоны, не прибегая к помощи мощных грузоподъемных средств.

Общая конструктивная особенность реакторов подводных лодок США и Англии — вертикальное расположение активных зон и стержней системы управления и защиты. Корпуса реакторов изготовляют из Низколегированной углеродистой стали и плакируют изнутри нержавеющей сталью (в США — сталью марки 304). Из нержавеющей стали изготовляют также оборудование и трубопроводьї, соприкасающиеся с теплоносителем первого контура. '

При проектировании АЭУ подводной лодки «Вэлизнт» английские специалисты отказались от внутренней плакировки корпуса реактора из-за большой сложности нанесения покрытия. Реактор и гіервьій контур установки изготовлены из низколегированной стали, содержащей до 1% Сг и 0,5% Мо. Эта сталь при взаимодействии с водой образует на поверхности стойкую іцагнетитовую пленку. Скорость коррозии, как показали результаты испытаний, не превышает 5—10 мг/дм^ в Месяц 1.

Крышки реакторов соединены с корпусами при помощи стандартных фланцев и крепежных болтов, как, например, а конструкции реактора подводной лодки «Вэлиэнт» (рис. 57). При Установке крышки используют двойїіьіе уплотнительные прокладки или тороидальное уплотнение, внутри которого специальная система поддерживает повышенное давление. Особенность реактора АЭУ

типа 5-5Ш заключается в том, что вместо фланцевого соединения крышки и корпуса установлено специальное соединительное кольцо 2.

Каркас активной зоны — цилиндр, расположенный внутри корпуса реактора,— служит для размещения ТВЭЛ и направляет движение р^гулируюи^их стержней. Сверху и снизу каркас закрыт опорными плитами, одновременно поддерживающими его внутри корпуса.

Система управления и защиты (СУЗ) предназначена для автоматического регулирования мощности реактора (в зависимости от расхода пара) и для остановки его в случае аварии.

Механическая установка

Рис. 57. Реактор атомной подводной лодкн «Вэлнэнт».

/ — корпус; 2 — экраны тепловой защиты; 3 — оболочка активной зоны; —выходной патрубок; 5 — тороидальное уплотнение; 6 — стержни СУЗ; 7 — нажимной фланец; 8 — выходной патрубок.

Стержни СУЗ (регулирующие, компенсирующие и аварийной защиты) изготовляют из хорошо поглощающих нейтроны материалов: бористой стали, кадмия или гафния (последний применен для стержней СУЗ подводной.лодки «Вэлиэнт»).

Регулирующие стержни СУЗ снабжены электромеханическим реечным приводом, обеспечивающим введение их в активную зону со сравнительно невысокими скоростями, при аварийном сбросе стержни «выстреливаются» с помощью гидравлического или другого быстродействующего привода, в результате чего ядерная реакция мгновенно прекращается. На подводной лодке «Вэлиэнт» дополнительно предусмотрена система принудительного ввода в теплоноситель первого контура соли — поглотителя нейтронов — для остановки реактора в случае, если стержни СУЗ не смогут быть введены в активную зону из-за аварии \

Во время работы реактора в активной зоне накапливаются продукты деления ядер. Некоторые ИЗ них, особенно ксенон-135, захватывают нейтроны интенсивнее, чем ядерное горючее, и действуют на систему как вредные поглотители, нарушая баланс нейтронов в реакторе. Это явление носит название «отравления» реактора. Для борьбы с отравлением в активной зоне реактора размещены компенсирующие стержни, которые выдвигаются из нее по мере накопления продуктов деления. С течением времени в реакторе устанавливается некоторое равновесие 'концентрации вредных поглотителей, при остановке реактора нейтронный поток исчезает, и накопление ксенона сначала значительно возрастает. В результате отравления ^ последующий пуск реактора может оказаться невозможным в течение нескольких часов.

По мнению американских специалистов, для устранения отравления лодочных реакторов ксеноном необходимо:

— работать на мощности, близкой к максимальной, что приводит к незначительному накоплению ксенона при переходных процессах;

— поддерживать мощность реактора на уровне 1 % от полной в течение нескольких дней после остановки корабля, что способствует выгоранию ксенона;

— помещать в реактор избыточное количество горючего для более успешного преодоления последствий отравления 2.

Паропроизводящие установки АЭУ современных подводных лодок выполнены по двухпетлевой схеме. Каждая петля теплоносителя первого контура состоит из парогенератора, несколь ких циркуляционных насосов, трубопроводов и арматуры. В тепловой схеме АЭУ подводной лодки «Вэлиэнт» предусмотрена дополнительная петля аварийного расхолаживания реактора с естественной циркуляцией теплоносителя через забортный холодильник (рис. 58).

Специальная система компенсирует объемные расширения теплоносителя и поддерживает в контуре высокое давление, сохраняя жидкое агрегатное состояние воды (рис. 59). Основнойэлемент системы — паровой компенсатор объема.

Увеличение давления в первом контуре повышает параметры вторичного пара

Механическая установкаМеханическая установка

и, следовательно, увеличивает к. п. д. установки. Однако это в значительной степени затрудняет обеспечение герметичности первого контура. Понижение давления не только ведет к снижению к. п. д., но и вызывает увеличение габаритов паропроизводящей установки (рис. 60).

Трехзаходная схема движения воды в реакторе установки типа 8-5Ш является нововведением по сравнению с предшествовавшими прямоточными системами. Основное преимущество новой схемы состоит в том, что количество прокачиваемой через активную зону воды уменьшено за счет улучшения теплопередачи от горючего к теплоносителю. Недостатками трехзаходной

Механическая установка

схемы иностранные специалисты c4HTaroiv усложнение внутренней конструкции реактора и увеличение активности воды пер вого контура, так как время пребывания воды в активной зоне возрастает. Последнее обстоятельство вынуждает более тщательно очищать воду от продуктов коррозии и радиоактивных веществ, для чего в схему реакторной установки вводится специальная система водоподготовки, в которую отводится 0,05— 0,2% расхода теплоносителя первого контура..

Судя по опубликованным данным, в системе водоподготовки первого контура АЭУ больщинства подводных лодок не предусмотрены деаэраторы, и обработка воды осуществляется деминерализаторами, состоящими из нескольких ионообменных фильтров. Смолы ионообменников химически очищают воду, удаляя из нее растворенные примеси и продукты коррозии. Нерастворимые в воде радиоактивные частицы задерживаются пористыми механическими фильтрами. Циркуляция воды в системе водоподготовки осуществляется за счет разности давлений в первом контуре и этой системе, причем параметры теплоносителя снижаются при прохождении его через ряд холодильников и дроссельных клапанов.

По спецификациям Управления кораблестроения ВМС США соленость воды первого и второго контуров корабельных атомных энергетических установок не должна превышать 0,1 мг/л, а водородный показатель должен быть в пределах рН=6—8. На входе в ионообменные фильтры соленость воды может повышаться 1 до 2,3 мг/л.

Парогенераторы подводных лодок представляют собой вертикально расположенные теплообменные аппараты с естественной циркуляцией воды второго контура. Применение естественной циркуляции повысило надежность аппаратов по сравнению с прямоточными парогенераторами или генераторами с принудительной циркуляцией вторичного теплоносителя. Конструктивно парогенераторы выполнены в виде двухзаходных теплообменников с трубными досками; U-образные трубки для циркуляции воды первого контура развальцованы и приварены к доскам.

Парогенераторы установки типа 5-2'\^ — однозаходные с синусоидальным изгибом трубок для компенсации температурного расширения. На подводной ^одке «Вэлиэнт» парогенераторы имеют двойньїе трубные доски, и-образные трубки которых приварены с внутренней стороны

В верхней части парогенераторов располагают паросборники и сепараторы, они бывают одноступенчатыми (циклонного типа — на американских лодках) или двухступенчатыми (первая ступень циклонного, вторая ступень шевронного типа — на подводной лодке «Вэлиэнт»). Сепараторы поддерживают влажность свежего насыщенного пара не более 0,25%2.

Для каждой автономной петли первого контура установлено два-три основных циркуляционных насоса и один резервный. В установках типа 5-5Ш резервный насос по мере необходимости можно подключать к любой из двух петель теплоносителя; Циркуляционные насосы АЭУ подводных лодок имеют электропривод переменного тока. Отличительная особенность насосов — герметизация ротора электродвигателя, исключающая возможность утечки воды через сальники вала.

На первых атомных лодках скорость вращения приводных двигателей регулировали путем изменения частоты переменного тока с 60 до 30 гц (с помощью турбогенераторов) или 15 гц (при использовании мотор-генераторов). Электродвигатели насосов установки типа 5-5Ш — двухобмоточные. Обмотка, соот^ ветствующая высокой скорости вращения, подключается к ши-^ нам турбогенераторов, а низкоскоростная обмотка — к шинам обратимых преобразователей подводной лодки (см. раздел «Электрооборудование»).

Отдельные узлы первого контура и биологическую защиту охлаждают с помощью вспомогательных систем. В одной из этих систем (внутренней) циркулирует дистиллят, отдающий свое тепло забортной воде в холодильниках внешней системы охлаждения. Схема последовательных контуров предназначена для предотвращения возможного засоления теплоносителя первого контура или радиоактивного загрязнения забортной воды.

Все активное оборудование реакторной установки-расйоло-жено в необитаемой части реакторного отсека и закрыто экранами биологической защиты. Для контроля и управления установкой там же размещена контрольно-измерительная аппаратура и клапаны с дистанционным приводом (гидравлическим и электромагнитным). Число таких клапанов в установке подвода ной лодки «Вэлиэнт» не превышает двадцати четырех.

Разно віидность рассмотренной реакторной установки — паропроизводящая установка с естественной циркуляциейтеплоносителя в первом контуре. Особенность такой установки заключается в том, что вода под давлением циркулирует вследствие конвекции. Наземный прототип установки под шифром 5-50 начал действовать в США в 1965 г.'

Кроме водо-водяных, на подводных лодках используют реакторы других типов. На подводной лодке «Сивулф», например, первоначально использовали установку с реактором, охлаждаемым жидким натрием. При проектировании этой АЭУ предполагали, что высокий коэффициент теплоотдачи металла позволит получить рабочий пар повышенных параметров. Теоретически параметры пара^ могут быть доведены до-46 кГ/см^ и 455° С, причем давление в первом контуре не превысит 5—7 кГ/см^. На практике применение натрия в качестве теплоносителя первого контура связано с рядом трудностей. Большая химическая активность щелочных металлов вызывает усиленную коррозию, а значительный температурный перепад в реакторе (достигающий 250° С) увеличивает напряжения в материале.

Конструктивно АЭУ типа 5-20 была выполнена по двухкон-турной схеме: парогенераторы имели двухстенные трубки, внутри которых циркулировал жидкий металл, а снаружи — вода второго контура. Промежуток между стенками был залит калиево-натриевым сплавом, передававшим тепло от первичного теплоносителя рабочему телу. Аналогичны по конструкции и пароперегреватели реакторной установки. В качестве циркуляционных насосов первого контура использовали насосы электромагнитного типа. Производительность их можно регулировать, изменяя напряжение электрического тока.

В английском проекте подводного грузового судна и шведском проекте подводного танкера предусмотрены энергетические установки с кипящими реакторами, значительно упрощающими тепловую схему АЭУ. Однако повышенная радиоактивность рабочего пара вынуждает защищать не только реакторную, но и турбинную установку корабля. Кроме того, уменьшение плотности воды при парообразовании снижает ее эффективность как замедлителя, что приводит к увеличению веса и габаритов атомного реактора.

Реакторы с органическим теплоносителем-замедлителем (например, терфенилом) близки по своей принципиальной схеме к водо-водяным, однако размеры их активной зоны меньше и давление в первом контуре ниже. Отсутствие коррозии ТВЭЛ и Малая активация теплоносителя в нейтронном потоке — основные преимущества этих реакторов. К их недостаткам американские специалисты относят высокую стоимость органическойжидкости, ее разложение и полимеризацию при облучении и нагреве. Кроме того, существенный недостаток органических теплоносителей — низкие коэффициенты теплоотдачи, что связано с необходимостью увеличения поверхностей теплосъема в реакторе и парогенераторах, а также с возрастанием мощности циркуляционных насосов.

Одним из перспективных является также газоохлаждаемый реакторПо мнению иностранных специалистов, атомные газотурбинные установки, выполненные по одноконтурной схеме, должны быть на 20—25% легче АЭУ с реакторами водо-водяного типа. Параметры (не более 50—75 кГ/см^ и 700—800° С) обеспечивают повышенные коэффициенты полезного действия теплового цикла энергетических установок. После тщательной отработки можно будет успешно применять в подводном кораблестроении одноконтурные АЭУ с высокотемпературными реакторами и газовыми турбинами.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА

Работа ядерного реактора связана с интенсивным радиоактивным излучением, причем наибольшую опасность для личного состава подводной лодки, а также для различных приборов и аппаратуры представляют нейтронное и у-излучения. При решении проблемы биологической защиты подводных лодок необходимо учитывать основные требования: защита должна быть эффективной, легкой и компактной.

Биологическая защита наземных атомных установок и транспортных судов отличается значительным весом. На атомном грузо-пассажирском судне «Саванна», например, суммарный вес защиты превышает 2100 т.

Для уменьшения веса биологической защиты подводных лодок американские конструкторы применяют так называемый «теневой» способ ее размещения. Защиту реакторного отсека при этом делят на полную и частичную. Полная биологическая защита отделяет реакторный отсек от жилых помещений и постов управления подводной лодки. На первых атомных подводных лодках, где жилые помещения расположены в. носовой и кормовой оконечностях, полная защита установлена на обеих поперечных переборках реакторного отсека; вес ее достигает 30— 35% веса всей энергетической установки. На подводных лодках более поздней постройки полная биологическая защита установлена лишь на носовой переборке реакторного отсека, а на кормовой переборке и палубе — частичная защита, так как личный состав находится в соседних с реакторным отсекомпомещениях в течение ограниченного времени (не более 8 час. в сутки). Толщина частичной биологической защиты составляет обычно половину от полной 1.

с бортов реакторный отсек окружен сравнительно тонким слоем защитного материала, дающим возможность осматривать корпус лодки в доке, когда реактор не работает. Кроме того, предусмотрено, чтобы излучение, проникшее за этот слой во время работы энергетической установки и отраженное от забортной воды, не представляло опасности для обитаемых помещений корабля, в наименьшей степени демаскировало подводную лодку.

На подводных лодках типа «Скейт» с АЗУ типа S-4W горизонтальную защищенную палубу в реакторном отсеке заменили цилиндрическим проходом через отсек. Однако, по сообщениям иностранной печати 2, подобная компоновка защиты не привела к снижению ее весо-габаритных характеристик.

По расположению относительно источника излучения биологическая защита подразделяется на первичную и вторичную з. Первичная защита, непосредственно окружающая активную зону реактора, должна настолько ослаблять поток быстрых нейтронов, чтобы не допускать сильной активации теплоносителя второго контура и свести к минимуму у-'излучение, сопровождающее захват нейтронов во вторичной защите. Кроме того, первичная защита должна снижать остаточное излучение до безопасного уровня, что дает возможность входить в отсек реакторной установки через некоторое время после остановки реактора. По опубликованным данным, первичная защита реакторов подводных лодок выполнена в виде водяных цистерн, окружающих, активную зону. Сверху и с боков цистерны облицованы свинцовыми листами. На подводной лодке «Наутилус», например, диаметр цистерны первичной защиты равен 4,5 м при диаметре активной зоны 2,7 м.

Вторичная биологическая защита, окружающая активное оборудовайие реакторной установки, снижает потоки нейтронного и у-излучения до безопасных уровней и препятствует радиоактивному загрязнению воздуха в жилых и служебных помещениях. При компоновке рборудования реакторной установки используют принцип самоэкранирования: менее активное оборудование прикрывает более активное (реактор, ионообменные фильтры) в направлении обитаемых отсеков*.

'Б. Прайси др.. Защита от ядерных излучений (перевод с английского), ИЛ, 1959.

= Nucleonics, 1959, т. 17, № 9.

^ Т. Р о KB ел л. Требования к защите реактора, в кн. Защита транспортных установок с ядерными двигателями (перевод с английского), ИЛ, 1961.

■♦Б. Прайс и др.. Рекомендации к расчету защиты атомных энергетических установок, в кн. Защита транспортных установок с ядерными двигателями (перевод с английского), ИЛ, 1961.

По материалам биологическая защита подводных лодок ->-композитная, т. е. содержит тяжелые и легкие элементы. Обычно применяют металло-водородную защиту, обеспечивающую наименьшие вес и объем на единицу площади Ч В Качестве компонентов, защищающих от у-излучения, используют сталь и свинец. На атомных подводных лодках «Скейт», «Тритон», «Скипджек» и других использованы плиты из свинца, изготовленные американской фирмой Федерэйтед Металле Дивижн. Фирма применяет' специальную технологию литья, обеспечивающую высокое качество металла, отсутствие пустот и пористости. Несмотря на^ большой удельный вес использование свинца в ме-талло-водородной защите на атомных подводных лодках дает выигрыш в весе по сравнению со сталью не менее чем на 20%.

Для ослабления нейтронного излучения свинцовую защиту комбинируют с водородосодержащими веществами. Широко применяют в биологической защите воду и вещества с более высоким содержанием водорода в единице объема — полиэтилен и полистирин. в качестве компонента защиты на американских атомных подводных лодках используется запас дизельного топлива.

Фирма Империэл Кемикал Индастрис (США) разработала новый материал — боропласт, эффективно защищающий людей и аппаратуру от нейтронного излучения и уменьшающий, по сравнению с водой или полиэтиленом,'выход захватного у-излу-чения^. Боропласт представляет собой полиуретановую пластмассу с добавлением полиэтиленовых или нейлоновых гранул, содержащих до 10% карбида бора. Выпускают его листами толщиной 3—25 мм и шириной 915 мм. На каждой атомной подводной лодке применяют около 23 т такого материала.

В биологической защите АЭУ подводных лодок используют также бораль^-металлокерамическую композицию,состоящую из мелкодисперсных частиц карбида бора, распределенных в алюминии. Весовое соотношение обоих металлов 1:1. Бораль выпускают в виде листов толщиной 6 мм.

Английская фирма Ассошиэйтед Лид Мэньюфекчурерс предложила комбинированный защитный материал, названный ден-ситеном. Материал представляет собой механическую смесь свинцового порошка и полиэтилена. При шести весовых частях свинца и одной весовой части полиэтилена удельный вес ден-ситена равен 3,9 г/см^. Материал легко обрабатывается и хорошо скрепляется с металлическими поверхностями*.

' Б. П р а й с и др., Металло-водородиая защита, в ки. Защита транспортных установок с ядерными двигателями (неревод с английского), ИЛ, 1961. 2 Financial Times, 1961, 20/IV.

^ Копелылан, Материалы для ядерных реакторов (перевод с английского), Госатомиздат, 1962.

* Financial Times, 1961, 13/УП.

Примерные толщины основных материалов биологической защиты, обеспечивающие десятикратное ослабление радиоактивного излучения, приведены в табл. 27. На практике для нейтронного и у-излучения требуется ослабление порядка 10«—10^. Суммарная толщина первичной и вторичной биологической защиты при этом может достигать нескольких метров (на «Си-вулфе», например, толщина защиты 2,4 м)

Таблица 27

Примерные толщины материалов биологической защиты, дающие десятикратное ослабление излучения

 

Толщина, см

Ой ГТЯГТЬ НГП П ПК-

 

зования Материал

 

материалов

 
   
 

' ~ ^ ^ ^

" a. tfC^

 

^ о Cm ^

 

P ' 2 a" ^ ^^ «OS

Защита'от Полиэтилен

0,9 96,4 20,3 60,9

быстрых ней- Вода

1,0 96,4 22,8 60,9

тронов Дизельное

0,8 122,0 22,8 76,2

топливо ■

 

Защита от •(- Сталь

7,8 11,7 14,0* 9,1

излучения Свинец

11,3 5,1 20,3* 5,3

Комбинирован- -Бетон

2,3 44,5 25,4 30,5

ная защита Бариевый бетон

* С учетом слоя воды, полиэтилена ил

3,5 23,9 . 19,1 19,1

I топлива толщиной 30—45 см.

Расчет биологической защиты АЭУ — весьма трудоемкий процесс 2. Особенно усложняет его возможность «прострела» излучений, вызванная местной неоднородностью материала, (в состав защиты могут входить корпусные конструкции — шпангоуты, стойки переборок, балки набора цистерн" и т. п.). Следует учитывать также радиационную, тепловую и химическую стойкость применяемых материалов. В состав биологической защиты иногда включают специальный слой тепловой изоляции или предусматривают систему охлаждения элементов защиты.

1 Our Navy, 1958, № 6.

^ Процесс расчета защиты описан в статье Б. Прайса и др., Рекомендации к расчету защиты, опубликоваииои в ки. Защита транспортных установок с ядерными двигателями (перевод с английского), ИЛ, 1961.

Для расчетов биологической защиты подводных лодок в научно-исследовательских и конструкторских организациях США широко используют электронные вычислительные машины.

МЕХАНИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Механическая установка

Ввиду относительно невысокой температуры первичного теплоносителя перегрев пара в АЭУ с реакторами водо-водяного типа трудно осуществить, и паротурбинные установки подводных лодок работают на насыщенном паре с температурой 200—250° С и давлением 12—25 кГ/см^. В дальнейшем предполагают повысить параметры пара, однако это повышение будет незначительнымтак как увеличение давления свежего пара более 30—35 кГ/см^ ухудшает весовые характеристики установок этого типа (рис. 61). Более высокие па.ра-метры пара у АЭУ с жидкоме-талличесжими реакторами: так, в паротурбинной установке подводной лодки «Сивулф» предпола1гали использовать перегретый пар с температурой 410—420° С и давлением более 40 кГ/см^. ■

Главные турбины первых атомных подводных лодок, выполненные двухкорпусными, состоят из турбин высокого давления (ТВД) и турбин низкого давления (ТНД). Турбина заднего хода размещена в корпусе ТНД. Низкие начальные параметры пара заставляют осушать его в процессе расширения в турбине, для чего между ТВД и ТНД установлен сепаратор пара, а часть ступеней главной турбины оборудована влагоотделителями.

На новых атомных подводных лодках применяют однокорпусные паровые турбины. С целью повышения надежности установки, а также сокращения длины турбинного отсека каждая подводная лодка оборудована двумя турбинами, работающими на один гребной вал через двухступенчатый зубчатый редуктор.

Главные конденсаторы подводных лодок, охлаждаемые забортной водой, могут выдерживать давление, соответствующее расчетной глубине погружения; в них поддерживается абсолютное давление, равное 100—130 мм рт. ст. при температуре забортной воды 18° С 2. На подводной лодке «Наутилус» в главные

' Transactions SNAME, 1957, т. 65.

^ Tidskrifft і Sjöväsendet, 1961, X; Shipbuilder and Marine Engine-Builder. 1961,T. 68, №641.

конденсаторы сбрасывается отработавший пар и от турбин, и от турбогенераторов общесудового назначения. На лодку установлены также вспомогательные конденсаторы, обслуживающие турбогенераторы реакторной установки, и резервные для сброса пара (минуя турбины) при уменьшении потребной мощности турбозубчатого агрегата паротурбинной установки. На подводных лодках более поздней постройки сброс пара осуществляется непосредственно в главные конденсаторы.

Серьезный недостаток конденсаторов подводных лодок — малая коррозионная стойкость их трубной системы и недостаточная надежность заделки трубок в трубных досках. Чтобы устранить этот недостаток, в конденсаторах подводной лодки «Вэлиэнт» применили двойные трубные доски.

Для передачи мощности паровых турбин к гребному валу на большинстве атомных подводных лодок применяют двухступенчатые зубчатые редукторы с достаточно высокими коэффициентами контактного напряжения на рабочих поверхностях зубцов: у подводных танкеров 7 кГ/см^ для колес первой и 9 кГ/см^ для колес второй ступени редуктора. У боевых атомных лодок эти коэффициенты составляют 14—19 и 12—14 кГ/см^ соответственно'. Повысить удельные нагрузки на зубцы удалось в результате применения высокотвердых материалов для изготовления колес, а также в результате повышенной точности и чистоты обработки зубцов и соответствующей коррекции их профиля.

Как уже отмечалось, для новых атомных подводных лодок в США разрабатывается прямодействующая паровая турбина, испытания которой предполагали начать в 1966 г. на подводной лодке «Джек».

Вспомогательные механизмы паротурбинных установок подводных лодок имеют электрический привод. Для привода циркуляционных питательных насосов подводных танкеров американского проекта предполагают применить вшоїмогательньїе паровые турбины, работающие на свежем паре.

Несмотря на ряд конструктивных мероприятий, утечки пара и питательной воды второго контура АЭУ подводных лодок весьма значительны. При проектировании современных подводных кораблей эти утечки принимают равными 0,25% от расхода свежего пара в главном паропроводе энергетической установки 2. Для восполнения потерь питательной воды на лодках применяют испарительные установки производительностью 30—60 т дистиллята в сутки. Соленость получаемого дистиллята ^ не превышает 1—2 мг/л.

Все оборудование паротурбинной установки подводных лодок типов «Наутилус», «Сивулф», «Скейт» и «Хэлибат» размещается в одном отсеке. На кораблях более поздней постройки между реакторным и турбинным отсеками размещен дополнительный отсек вспомогательных механизмов.

Кроме паротурбинных установок, на подводных лодках могут найти применение газовые турбины, работающие по замкнутому циклу. Корабельную атомную газотурбинную установку мощностью на валу 15 000 л. с. разрабатывает английская фирма Роллс-Ройс. Конструктивная особенность установки состоит в том, что турбины, компрессоры и теплообменники будут размещены в одном корпусе цилиндрической формы диаметром 2,5 м. Доступ к оборудованию ГТУ в судовых условиях исключается. Агрегат рассчитан на длительную безаварийную работу без вскрытия и, в случае необходимости, может быть заменен на базе новым. Компрессоры и турбины расположены в корпусе установки осесимметрично, а теплообменники — в два яруса вокруг компрессоров. В качестве рабочего тела в ГТУ предполагается использовать сжатый воздух.

Наконец, на атомных подводных лодках могут применяться и гребные электродвигатели, в частности, на подводной лодке «Таллиби» использованы подобные двигатели. Мощные погружные электродвигатели предполагается применить ' на лодках с роторными движителями (рис. 62).

Американская промышленность накопила опыт изготовления гребных электродвигателей мощностью 10—20 тыс. л, с. при напряжении 500—1000 в для дизель-электрических подводных лодок.

Предыдущая глава Оглавление Следующая глава