Атомный ледокол "50 лет Победы"

[Igor3313]

Наверное пора поговорить о главной энергетической установке корабля...

Вот так, примерно, загружают ядерное топливо в реактор :laughing:

Не-е-е-т! Оказывается не так...
А примерно так. Это "заряжают" реактор "карандашами" на Балтийском заводе.
Фото найдены здесь

[Igor3313]

Конечная и главная задача главной судовой энергетической установки – вращать гребные винты. Гребные винты ледокола вращают электродвигатели и поэтому судно можно назвать электроходом. Так как электродвигатели потребляют электричество в процессе своей работы, то на корабле нужна электростанция с генераторами. Для вращения генераторов и получения электричества используются паровые турбины и поэтому судно можно турбоэлектроходом, в отличие от дизель-электроходов, где генераторы вращаются с помощью дизелей. Впрочем, на «50 лет Победы» есть также и дизели, но они не являются главными. Ну а для вращения паровых турбин, естественно нужен пар. Ну а, чтобы получить пар нужно вскипятить воду в котелке. И принципиально весь процесс не сильно отличается от этого:



Точнее это больше похоже на самовар… В угольном самоваре воду нагревают угли, в электрическом – тэны, а в атомном ядерные угли, а точнее ядерные тэны или ТВС (тепловыделяющие сборки), которые состоят из нескольких десятков герметично запаянных трубок (ТВЭЛ), набитых ядерным топливом, в которых и идет реакция с большим выделением теплоты. Нижние части тепловыделяющих сборок (ТВС) опущены в котелок с водой, которую они и нагревают.

Даже внешне атомный реактор и самовар очень похожи… И кпд не превышает30-40%

[Igor3313]

Igor3313,

у меня где-то было фото по невмообмыву на лк Мудьюг.

Вот нашел такое фото... Это "50 лет Победы", в доке стоял в мае. По-видимому, отверстия, которые видны и есть система пневмообмыва...

[Igor3313]

Атомная паропроизводящая установка (АППУ) ледокола состоит из, собственно, атомного реактора, четырех парогенераторов, четырех главных циркуляционных насосов и др. оборудования. Таких установок на судне две.

Энергетическая установка ледокола состоит из АППУ, турбоэлектрической установки с двумя ГТГ и тремя гребными электродвигателями (ГЭД), электростанции, двух вспомогательных котлов, двух агрегатированных водоопреснительных установок, двух парогенераторов низкого давления, комплекса систем автоматизированного управления и контроля, трубопроводов, систем, вспомогательного оборудования. В целом энергетическая установка ледокола не имеет принципиальных отличий от установок атомных ледоколов «Арктика» и «Сибирь». Основные отличия связаны с заменой некоторых механизмов, приборов и аппаратов на новые, освоенные промышленностью в период постройки, а, также с многочисленными усовершенствованиями отдельных узлов с учетом накопленного опыта эксплуатации

Источник энергии на ледоколе «50 лет Победы» — АППУ, состоящая из двух блоков, каждый из которых включает в себя реактор водо-водяного типа с соответствующим вспомогательным оборудованием. Оба блока работают на общую паровую магистраль. Установка размещена в газоплотном отсеке, разделенном по высоте на 2 помещения; аппаратное и реакторное.
Длительный опыт эксплуатации установок подобного типа на отечественных атомных ледоколах подтвердили высокую надежность и безопасность в работе. При создании АППУ для ледокола «50 лет Победы» в нее внесены некоторые конструктивные изменения, учитывающие выход новых нормативных документов и опыт эксплуатации.
Принятая ранее принципиальная схема цикла «пар — конденсат» подтвердила надлежащие показатели экономичности, и для ледокола «50 лет Победы» сохранена регенеративная тепловая схема с одноступенчатым подогревом питательной воды в деаэраторе отработавшим паром от турбонасосов.


Итак, на ледоколе установлены два реактора (точнее АППУ) марки ОК-900А, мощностью по 171 МВт, проекта и производства нижегородского объединения ОАО «ОКБМ Африкантов»
("Опытное Конструкторское Бюро Машиностроения им. И.И. Африкантова")
На фото в центре реактор, и к нему присоединены парогенераторы и циркуляционные насосы 1 контура



Вот макет с ледокола «Ленин». Здесь показан реактор ОК-900 в разрезе. Принципиально и внешне он от ОК-900А ничем не отличается

[Igor3313]

А так выглядит "живьем" верхняя часть АППУ алк "Ленин"
Фото из интернета



Фото отсюда



Я говорил выше, что внешне АППУ алк "Ленин" и "50 лет Победы" мало отличаются...
Сравнивайте сами...
Фото отсюда






На судне, во время экскурсии по кораблю, запрещено фотографировать в течении круизов отсек ядерной установки и помещение ЦПУ (центральный пульт управления). Поэтому фото ищу в интернете.

[Igor3313]

Из истории проектирования первого атомного ледокола...

Из истории мы знаем, как много аварий и человеческих жертв сопровождало процесс освоения каждого нового вида энергии или транспортных средств. Вспомнить хотя бы рождение пароходов: сколько судов и человеческих жизней было потеряно, прежде чем судостроители научились создавать надежные и безопасные паровые суда.

Перед проектировщиками была поставлена исключительная по своей трудности задача: выбрать такое оборудование, такой состав атомной энергетической установки, все агрегаты которой в сложных условиях Полярной навигации работали бы с предельной надежностью, исключить опасность радиоактивного заражения не только людей, находящихся на судне, но и водной среды и атмосферы.

Сразу же возник вопрос: какой уровень излучения считать допустимым? Существовавшие в ту пору нормы были недостаточно проверены, не подкреплены жизненным опытом, и поэтому, чтобы не ошибиться, приняли соломоново решение: взяли имевшиеся нормы и... уменьшили их в 10 раз. Впоследствии оказалось, что допустимый уровень радиации, принятый на советских атомных судах, удовлетворяет самым «драконовским» нормам, существующим в мировой практике.

Чтобы исключить возможность лучевого поражения, все части атомной установки, опасные своей радиоактивностью, спрятаны за почти двухметровыми перегородками, заполненными стальными пластинами и водой. Такая защита составляет добрую половину массы всей энергетической установки атомохода, зато обеспечивает высокую степень безопасности. Специальная система предназначена для отвода радиоактивной воды в особую цистерну. Другая система обеспечивает фильтрацию воздуха. Дозиметрическая система непрерывно и неусыпно контролирует уровень радиации на судне.

Из книги
Семен Белкин "СОКРУШАЮЩИЕ ЛЕД"
ИЗДАТЕЛЬСТВО "ЗНАНИЕ"
МОСКВА 1983

[Igor3313]

Немного теории простым языком
Из книги М.И. Ципоруха "Рассказы о корабельной энергетике" 1985 г.

В реакторе ядра атомов урана, поглощая нейтроны, делятся на два разлетающихся с очень большой скоростью осколка. При столкновении этих осколков с атомами соединений урана, составляющими топливную композицию, они передают им энергию движения, и атомы начинают двигаться с большой скоростью.

Так как в реакторе ядерное горючее погружено в охлаждающее вещество, то при делении ядер повышается температура не только топливной композиции, но и самого этого вещества, которое выступает в роли теплоносителя. Тепло поступает в парогенератор, где и расходуется на образование рабочего пара, направляемого затем в турбину.

Ядерный реактор и парогенератор заменяют собой паровые котлы и многочисленные корабельные цистерны, заполненные мазутом. Да и кислорода для получения рабочего пара здесь не нужно, ведь тепло для нагрева и испарения воды получается без сжигания топлива.

А откуда же берутся в реакторе нейтроны, поглощаемые ядрами атомов урана? Они появляются из тех же ядер. Дело в том, что после поглощения одного нейтрона и последующего деления из ядра атома урана вновь вылетают уже 2...3 нейтрона, которые в свою очередь вызывают деление других ядер атомов урана, и т. д.

Возникает цепная реакция деления ядерного горючего. Безусловно, для нормальной работы реактора эту реакцию нужно уметь регулировать, не давая ей возрастать до ядерного взрыва, нужно, как говорят, поддерживать реактор в критическом состоянии.

Каждый блок ядерного горючего в реакторе состоит из тепловыделяющих элементов. В свою очередь каждый тепловыделяющий элемент - это множество таблеток окиси урана, собранных в виде сердечника, закрытого оболочкой из нержавеющей стали или алюминия. Группы тепловыделяющих элементов объединяются в топливные сборки или кассеты.

Испускаемые при делении урана нейтроны обладают большой энергией и, следовательно, большой скоростью. Для повышения вероятности захвата нейтронов другими ядрами атомов урана их скорость нужно понизить. Поэтому тепловыделяющие элементы погружены в вещество, замедляющее движение нейтронов. В корабельных атомных установках в качестве теплоносителя и замедлителя используется одно и то же вещество - обычная вода высокой чистоты.



Обратимся к принципиальной схеме ядерного реактора и парогенератор a (рис. 3 1). Пространство внутри корпуса, занятое тепловыделяющими элементами и замедлителем-теплоносителем, называется активной зоной реактора. В этой зоне размещены полые гнезда для установки регулирующих и аварийных стержней из кадмиевой или бористой стали, которая хорошо поглощает нейтроны. Если стержни продвинуть внутрь активной зоны, то ядерная реакция деления замедлится, а при дальнейшем передвижении и вовсе прекратится.

В результате ядерных реакций примерно 4/5 энергии превращается в тепловую, а 1/5 выделяется в виде опасных для жизни излучений, от которых необходимо защищать обслуживающий состав. Вот почему активная зона реактора окружена защитным экраном из листов нержавеющей стали, а вокруг реактора, механизмов и трубопроводов, внутри которых движется радиоактивная вода, побывавшая в реакторе, установлен воздухо- и водонепроницаемый экран биологической защиты из стальных и бетонных плит толщиной 300...420 мм.

В процессе работы реактора ядерное горючее непрерывно расходуется и после того, как оно «выгорит» до определенной степени, его заменяют.

Вода-теплоноситель, называемая водой первого контура, прокачивается электронасосом через реактор, а затем попадает в трубки парогенератора. Здесь она отдает тепло воде второго контура, которая омывает трубки первого. Вода второго контура нагревается, закипает, превращается в пар, который поступает в паровые турбины, где и производит полезную работу. Далее пар конденсируется как в обычной котлотурбинной установке, а конденсат вновь возвращается в парогенератор.

Для того чтобы вода первого контура сумела нагреть воду второго и передать достаточно тепла для получения пара, она сама должна иметь достаточно высокую температуру, превышающую температуру производимого пара. С другой стороны, во избежание вскипания воды в реакторе эта температура должна быть ниже температуры парообразования при принятом для первого контура давлении. Для того чтобы выполнить эти противоречивые условия, в первом контуре приходится поддерживать давление 180...200 Кгс/cм2.

Для возмещения изменения объема теплоносителя при его нагреве и охлаждении и поддержания высокого давления в первом контуре к нему подключены компенсаторы объема - сосуды, заполненные наполовину водой-теплоносителем, а наполовину инертным газом под высоким давлением.

Рассмотренная энергетическая установка называется двухконтурной с водо-водяным реактором, так как в обоих контурах (и в реакторе, и вокруг трубок парогенератора) движется вода.

[Igor3313]

Ледокол оснащён атомной энергетической установкой (АЭУ), состоящей из двух водо-водяных реакторов - ОК-900А, каждый мощностью 171 МВт (указана тепловая мощность, мощность на валу примерно в шесть раз меньше) и трёхвальной турбоэлектрической установки с распределением мощности по валам 1-1-1. Для обеспечения корабля энергией достаточно только одного из двух ядерных реакторов, однако во время плавания задействованы оба (не менее чем 50% мощности).

Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) атомного судна состоит из двух автономных атомных паро-производящих установок (АППУ), паротурбинной (ПТУ) и гребной электрической установок (ГЭУ), двух судовых электростанций, вспомогательных механизмов, обслуживающих систем, судовых устройств и оборудования.

Компоновка всех установок - блочная. Каждый блок включает в себя реактор водо-водяного типа (т.е. вода является и теплоносителем, и замедлителем нейтронов), четыре циркуляционных насоса и четыре парогенератора, компенсаторы объёма, ионообменный фильтр с холодильником и другое оборудование. Реактор, насосы и парогенераторы имеют отдельные корпуса и соединены друг с другом короткими патрубками типа «труба в трубе». Всё оборудование расположено вертикально в кессонах бака железоводной защиты и закрыто малогабаритными блоками защиты, что обеспечивает лёгкую доступность при ремонтных работах.

Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов с освобождением ядерной энергии. Реактор состоит из активной зоны и отражателя. Активная зона содержит ядерное топливо в защитном покрытии (тепловыделяющие элементы - ТВЭЛы) и замедлитель. ТВЭЛы, имеющие вид тонких стержней, собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие конструкции называются тепловыделяющими сборками (ТВС). Активная зона реактора состоит из 241 ТВС.

Корпус реактора с эллиптическим днищем изготовлен из низколегированной теплостойкой стали с антикоррозийной наплавкой на внутренних поверхностях.

Тепловая схема АППУ состоит из 4-х контуров:

•Через активную зону реактора прокачивается теплоноситель I контура (вода высокой степени очистки). Вода нагревается до 317°С, но не превращается в пар, поскольку находится под давлением. Из реактора теплоноситель 1 контура поступает в парогенератор, омывая трубы, внутри которых протекает вода II контура, превращающаяся в перегретый пар. Далее теплоноситель I контура циркуляционным насосом снова подаётся в реактор. Следует заметить, что вода первого контура никогда не попадает в воду второго контура и утечка радиации, соответственно, не происходит.


•Из парогенератора перегретый пар (теплоноситель II контура) поступает на главные турбины производства Кировского завода, каждая из которых, в свою очередь, состоит из трёх турбогенераторов. Параметры пара перед турбиной: давление - 30 кгс/см2 (2,9 МПа), температура - 300°С. Затем пар конденсируется, вода проходит систему ионообменной очистки и снова поступает в парогенератор.


•III контур предназначен для охлаждения оборудования АППУ, в качестве теплоносителя используется вода высокой чистоты (дистиллят). Теплоноситель III контура имеет незначительную радиоактивность.


•IV контур служит для охлаждения воды в системе III контура, в качестве теплоносителя используется морская вода. Также IV контур используется для охлаждения пара II контура при разводке и расхолаживании установки.

АППУ выполнена и размещена на судне таким образом, чтобы обеспечить защиту экипажа и населения от облучения, а окружающую среду - от загрязнения радиоактивными веществами в пределах допустимых безопасных норм как при нормальной эксплуатации, так и при аварии установки или судна. С этой целью на возможных путях выхода радиоактивных веществ созданы четыре защитных барьера между ядерным топливом и окружающей средой:

•первый - оболочки топливных элементов активной зоны реактора;


•второй - прочные стенки оборудования и трубопроводов первого контура;


•третий - защитная оболочка реакторной установки;


•четвёртый - защитное ограждение, границами которого являются продольные и поперечные переборки, второе дно и настил верхней палубы в районе реакторного отсека.

Безопасность АППУ обеспечена устройствами и системами нормальной эксплуатации и системами безопасности, предназначенными для надёжного выключения реактора, отвода тепла от активной зоны и ограничения последствий возможных аварий.

Проектный ресурс энергетической установки составляет 100 тысяч ходовых часов, но на аналогичных судах он продлевался до 175 тыс., а на сегодняшний день рассматривается вариант продления ресурса до 200 тыс. ходовых часов.

http://army.lv/ru/proekt-10521/3075/719

Схема установки по подробнее...

[Igor3313]

Водо-водяные реакторы обладают свойством саморегулирования. Это свойство проявляется в том, что реактор в силу внутренних обратных связей (главным образом температурных) стремится изменить режим и перейти в новое состояние так, чтобы скомпенсировать изменение реактивности, вызванное внешними возмущениями.

Это свойство упрощает управление атомной установкой во всех режимах работы, включая режим взаимосвязанного управления: мощность установки должна следовать за нагрузкой главных двигателей.

Таким образом, при нормальном режиме (применительно к ледоколам это значит - плавание на чистой воде, когда не требуется частое маневрирование мощностью) энергетическая установка работает по принципу авторулевого, оператор становится просто наблюдателем, который вмешивается в процесс управления только при отклонениях от нормы.

[Igor3313]

Из книги М.И. Ципоруха "Рассказы о корабельной энергетике" 1985 г.

Все ледоколы прошлого страдали, говоря профессионально, избыточной остойчивостью: из-за размещения всех тяжелых машин и механизмов и запасов топлива в нижней части корпуса центр тяжести судна неизбежно смещался вниз. Бортовая качка становилась очень сильной и порывистой. Вспомним, что, когда «Красин» спешил через два океана на помощь челюскинцам. угол крена в Атлантике во время штормов достигал 43 градусов.

На атомном ледоколе, где больших запасов топлива не требуется, проблема качки была решена весьма оригинальным способом. Отсек с парогенераторной установкой общей массой свыше 3000 тонн подняли над вторым дном на 5,7 метра. В результате бортовая качка уменьшилась настолько, что на атомном ледоколе люди страдают от морской болезни не более, чем на любом другом самом комфортабельном судне.

По опыту первого атомохода вся пароподогревательная установка высоко поднята над двойным дном, что позволило существенно улучшить параметры качки. Период качки составляет 19-21 секунду, как на самых больших пассажирских судах.

[Igor3313]

На ледоколе установлена совершенная компактная атомная паропроизводительная установка, состоящая из двух независимых блоков, разделенных непроницаемой выгородкой. Каждый блок состоит из ядерного реактора, четырех парогенераторов, четырех циркуляционных электронасосов первого контура, компенсаторов объема и другого оборудования. За счет такой блочной компоновки сокращена длина трубопроводов первого контура, уменьшены масса и размеры атомной установки.

Следует особо отметить, что при создании атомной установки ледокола предусмотрены все необходимые меры для предотвращения аварий, тщательно продумана конструкция каждого узла, каждой детали оборудования. Например, напорные и отводящие трубы, соединяющие циркуляционные насосы первого контура с корпусом реактора, присоединены к верхней части корпуса. И это не случайно.

Представьте себе, что циркуляционный насос во время действия реактора по какой-то причине остановился и прекратил прокачку воды. Благодаря принятому расположению труб вода из корпуса реактора не сольется, что предотвратит перегрев тепловыделяющих элементов и
расплавление их оболочек. То же самое произойдет и при большой утечке воды из первого контура: внутри корпуса реактора останется вода до уровня напорных и отводящих труб.

В активной зоне реактора в направляющих трубах перемещаются регулирующие и аварийные стержни. Регулирующие, или, как их еще называют, компенсирующие, стержни с течением времени постепенно поднимают из активной зоны. Это сокращает поrлощение нейтронов, что возмещает уменьшение мощности реактора при «выгорании» ядерного горючеrо. Кроме тoгo, возмещается и уменьшение мощности от появления в рабочих кассетах продуктов деления ядер атомов урана, сильно поглощающих нейтроны.

Аварийные стержни (их в реакторе ледокола 16 штук) вводятся в активную зону автоматически в случае какой-либо аварии. Конструкция реактора полностью исключает возможность ядерного взрыва даже при расплавлении оболочек тепловыделяющих элементов.

На ледоколе установлен постоянный контроль за состоянием наиболее ответственных участков первого контура. Тщательно контролируется и состояние корпуса реактора. Для этих целей используются приборы ультразвукового просвечивания, применяются и другие способы для обнаружения мельчайших трещин и дефектов в металле корпусов и трубопроводов.

Для контроля широко используется метод акустической эмиссии, основанный на улавливании «голоса» металла, подающего как бы сиrнал SOS. Ученые обнаружили, что при образовании и росте трещин в металле возникают звуковые волны. Конечно, человек их услышать не может: частота этих звуков лежит выше границы чувствительности уха. А чуткие приборы регистрируют звуковые импульсы, возникающие при зарождении и развитии трещин, преобразуют их в электрические сигналы, своевременно оповещают о дефекте и предупреждают возможную аварию. Такие акустические датчики монтируют на корпусах реакторов, парогенераторов и на наиболее важных трубопроводах.

Все оборудование атомной установки сконструировано таким образом, чтобы избежать малейших протечек радиоактивной воды..теплоносителя. Именно поэтому при создании циркуляционного насоса первого контура пришлось совсем отказаться от уплотнительного сальника на eгo оси. Как же это удалось сделать?

Центробежный насос и вращающий eгo электродвигатель объединены в единый блок. Ротор электродвигателя вместе с крылаткой насоса вращаются прямо в полости блока, заполненной водой первого контура, статор же, в обмотки которого подводится ток, отделен от ротора водонепроницаемой рубашкой из нержавеющего сплава. Вот таким образом избавились от сальника, а, следовательно, и от неизбежных протечек через него радиоактивного теплоносителя. Удалось добиться и побочноrо эффекта: вода первого контура смазывает и охлаждает трущиеся поверхности подшипников ротора, а также охлаждает сам ротор и водонепроницаемую рубашку.

Все оборудование атомной установки смонтировано в баках из нержавеющей стали, заполненных водой. Вода и стальные листы задерживают и в значительной степени ослабляют радиоактивное излучение реактора. Целиком же атомная установка размещена в газонепроницаемом судовом отсеке, в котором постоянно поддерживается некоторое разрежение за счет отсоса воздуха вентиляторами. Благодаря этому зараженный воздух в случае утечки радиоактивных веществ из первого контура не будет распространяться по судну.

[Igor3313]

В отсек атомной установки можно попасть только через герметичную дверь, а осмотреть оборудование только через смотровые окна, сделанные в переборках. Для детальноrо осмотра служит телекамера, управляемая из ЦПУ энергетической установкой.

Это окно для осмотра реакторного отсека на алк «Ленин». На «50 лет Победы» очень похожее помещение с двумя такими окнами
Фото отсюда


Еще пара фотографий АППУ атомного ледокола «50 лет Победы»
Найдены здесь






На атомных ледоколах действует строгая и четкая система радиационного контроля, основу которой составляют автоматические приборы. Они выдают постоянную информацию об уровнях различноrо рода излучений в помещениях атомной установки и вблизи нее, а также об уровне радиоактивности теплоносителя в первом контуре, который как бы характеризует состояние активной зоны. Непрерывно ведется контроль за радиоактивностью воздуха во всех помещениях, а данные сразу же отображаются на пульте вахтенного дозиметриста в ЦПУ. Кроме тoгo, у всех дозиметристов есть переносные приборы для контроля уровня радиоактивности в любой точке судна. К их услугам сложное оборудование радиохимической и радиометрической лабораторий, где выполняют контрольные анализы радиоактивности образцов материалов и проб воды, масла, любой другой жидкости, используемой при работе энергетической установки.

[Igor3313]

Ядерным топливом, «пищей» для ядерного реактора является вещество, в котором возможна цепная реакция деления ядер. Существует только одно природное ядерное топливо — уран, точнее его изотоп U-235, способный к делению нейтронами и поддержанию цепной реакции (ядерное горючее).
Содержание этого изотопа в добываемом природном уране составляет всего 0,7%, остальные 99,3% - изотоп U-238. Поэтому сначала природный уран «обогащают», повышая процентное содержание U-235. Далее на заводах-изготовителях ядерного топлива прессуются и спекаются таблетки из двуокиси урана с добавлением необходимых компонентов.



Естественная радиоактивность свежего топлива достаточно низка — ни облучение людей, ни сколько-нибудь значительное загрязнение местности даже в случае транспортной аварии невозможны.

[Igor3313]

Далее на на других заводах-изготовителях производится изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ),


из которых собирают тепловыделяющие сборки (ТВС).

Эти ядерные «кипятильники» (ТВС) изготавливают разной формы и размеров, для разных типов реакторов. Некоторые шестигранной формы. Видимо, поэтому их называют «карандашами»





Тепловыделяющая сборка - огромный "карандаш", внутри которого находится кассета с ТВЭЛ-ами - тепловыделяющими элементами (на фото - зеленые цилиндры). Внутри ТВЭЛ-ов - ядерные "таблетки" и поджимающая пружина. Именно в ТВЭЛ-ах происходит ядерная реакция, сопровождающаяся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. ТВЭЛ реактора представляет собой трубку, заполненную таблетками из двуокиси урана UO2 и герметично уплотненную. Трубка ТВЭЛа изготовлена из циркония или легированного ниобия.

[Igor3313]

ТВС реактора паропроизводящей установки атомного ледокола выглядят так:


Несколько фото макета ТВС, найденных в интернете, с АЛК «Ленин». На «50 лет Победы» - точно такие же.