Читать книгу Архив «Экологической гласности». 1988-2016 - Vladislav Larin - Страница 28

Владислав Ларин

Журнал Президиума РАН «Энергия: экономика, техника, экология», №11 ноябрь 2012 г.;

Материал написан в декабре 2009 г.

Географические ограничения

Одной из серьезных проблем, связанных с эксплуатацией и дальнейшим развитием географии применения судов с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ) гражданского назначения, является необходимость их захода в иностранные порты. Для захода в иностранный порт судна с ЯЭУ требуется предварительное заключение двустороннего межгосударственного соглашения. Для этого необходимо за несколько месяцев до захода в порт предоставить принимающей стороне информацию в объеме, достаточном для принятия портовыми властями решения о безопасности судна для принимающего порта. Несмотря на соответствие атомных судов стандартам и рекомендациям авторитетных классификационных обществ, переговоры перед заходом в порт часто оказываются весьма длительными. Фактически, требуется производить полное лицензирование судна с ЯЭУ и получать разрешительные документы для каждого захода в порт.

В связи с такими сложностями, плавание судов с ЯЭУ по двусторонним соглашениям оказалось несовместимым с экономически эффективной коммерческой эксплуатацией. Дело в том, что в бизнесе требуется сбалансированность выгоды и риска для всех участников. В то же время, при заходе в порт основному риску подвергается принимающая сторона, а выгода достается оператору судна с ЯЭУ. Хотя грузовые операции приносят некоторую прибыль портам, но заранее крайне сложно определить соотношение и сбалансированность пропорции выгода – риск.

Кроме того, в принимающем порту должна быть подготовлена, а точнее – создана специальная инфраструктура для обслуживания судов с ЯЭУ, включающая в себя: обособленный причал, находящееся на постоянном дежурстве буксировочное судно, способное в случае аварии быстро вывести из порта аварийное судно, средства для радиационного обследования судна перед заходом в порт, и т. д.

Единственным специализированным предприятием для обслуживания судов с ЯЭУ в России является мурманское ФГУП «Атомфлот». В то же время не следует забывать об ограниченности возможностей этого предприятия, на котором отсутствуют условия для полноценного – по принципу замкнутого цикла обращения с ОЯТ и РАО, а также для содержания и утилизации списанных из состава флота судов с ЯЭУ.

Сейчас для специалистов стало достаточно очевидно, что суда с ЯЭУ могут быть использованы лишь в качестве ледоколов в российском секторе Арктики. Считается, что именно в ледовых условиях наилучшим образом раскрываются преимущества ядерной энергетической установки транспортного назначения.

Коммерческая перевозка грузов по маршруту Европа – Азия – Европа (по так называемому «короткому» Северному морскому пути – СМП) до настоящего времени не получила развития из-за непредсказуемой продолжительности срока доставки, которая может увеличиваться на две недели и более за счет трудно прогнозируемого изменения состояния ледовой обстановки – по сравнению с традиционными длинными южными путями, проходящими по обычным для международных коммерческих рейсов маршрутам в водах теплых морей. Подобные возможные задержки и неопределенность со сроками доставки делают неконкурентными грузовые транзитные перевозки по Северному морскому пути.

В связи с этим есть основания полагать, что транспортировка грузов в сопровождении российских атомных ледоколов может получить хоть сколько-нибудь заметное применение только для обслуживания сырьевых и промышленных городов Сибири. В первую очередь речь идет о Норильской агломерации. По мере сокращения населения северной Сибири и связанным с этим ростом себестоимости перевозок, потребность в атомных ледоколах будет сокращаться. Можно предположить, что период активного применения атомных ледоколов близок к завершению.

Правда, в конце 2009 г. была опубликована информация о рейсе двух грузовых судов немецкой компании «Beluga» по маршруту Ульсан (Ю. Корея) – Владивосток (Россия) – Архангельск – (Россия) – Онне (Нигерия). Значительную часть маршрута они совершили по СМП – в сопровождении двух российских атомных ледокола – «50 лет Победы» и «Россия». Рейс был выполнен в начале сентября 2009 г. и его целью была доставка энергетического оборудования в район Норильской агломерации.

Эксперты по-разному оценили это событие. Одни рассматривают его как успешное начало активной транзитной навигации в российском секторе Арктики, связанное с потеплением климата и улучшением ледовой обстановки в регионе. Другие оценили его как обычный рейс, выполненный для доставки грузов снабжения в регион Норильской агломерации. Полагаю, что описанный рейс являлся обычным в рамках так называемого «северного завоза», когда стоимость операции не играет определяющей роли, поскольку речь идет о доставке груза на стратегически важное промышленное предприятие Российского Заполярья и расходы в значительной мере покрываются из средств федерального бюджета.

Представители фирмы «Beluga» сообщили, что в результате использования Северного морского пути удалось сократить маршрут на 3.000 миль (5.500 км) и сэкономить 300.000 евро на каждое судно – по сравнению с альтернативным путем через Суэцкий канал. На первый взгляд, экономия составила 100 евро на 1 милю пути.

Однако у экспертов не сложилось впечатление экономической оправданности использования СМП для транзитных маршрутов – не связанных с доставкой грузов на северное побережье Сибири. Эти сомнения были вызваны тем обстоятельством, что участники рейса не сообщили о стоимости услуги сопровождения грузовых судов атомными ледоколами. Также не было сообщений о том, кто получил экономию средств – грузоперевозчик или судовладелец ледоколов сопровождения. Некоторые оценочные сведения о стоимости эксплуатации атомных ледоколов будут представлены ниже.

Характер эксплуатации

В тот период, когда в Арктическом регионе работал единственный атомный ледокол «Ленин», происходило освоение новых направлений применения судов с ЯЭУ для определения их возможностей, а также для выяснения – сколько единиц ледоколов необходимо построить дополнительно для обеспечения советских интересов в Арктике. Одновременно происходила отработка оптимальных маршрутов и изучение ледовых условий на них.

До 1970 г. проводка грузовых судов по СМП была возможна только в летние месяцы, когда мощность льдов становится минимальной. В 1970 г. было положено начало проводке грузовых судов с участием ледокола «Ленин» по маршруту Мурманск – Дудинка – Мурманск в течение всех осенних месяцев – до начала декабря.

Начиная с 1976 г. атомные ледоколы ежегодно проводили караваны судов с грузами для работавших на полуострове Ямал буровиков, искавших месторождения природного газа. Такие проводки осуществлялись в феврале-марте, что было необычно для прежнего опыта работы ледоколов на СМП.

Проблема заключалась в том, что выполнять любые работы на Ямале возможно только в зимние месяцы, когда многолетняя мерзлота и верховые болота надежно промерзают. В другие месяцы, когда происходило их частичное оттаивание, все объекты инфраструктуры начинали тонуть в болотах.

В противоположность этому, прежде доставка грузов была возможна только в летний период. Это создавало неудобства, поскольку приходилось летом привозить грузы на заранее подготовленные участки берега, и зимой развозить их потребителям по территории полуострова Ямал. Так что продление ледокольной навигации на осенние и весенние месяцы помогало лучше обеспечивать буровиков Ямала необходимыми грузами. А поскольку месторождения углеводородов полуострова Ямал были ориентированы на экспорт – расходы на их освоение представлялись оправданными.

После распада СССР и существенного сокращения экономической деятельности в российском секторе Арктики, потребность в ледоколах (в том числе и атомных) существенно сократилась. А высокие эксплуатационные расходы, которые требовалось учитывать в новых экономических условиях, делали применение атомных ледоколов нерентабельным. В связи с этим руководство «Мурманского морского пароходства», которому в то время принадлежали атомные ледоколы, стало использовать их в качестве круизных лайнеров, совершающих туристические рейсы в западном секторе российской Арктики и к Северному полюсу. Всего было совершено около 100 туристических рейсов.

Особенности работы ЯЭУ ледокола

В декабре 2009 г. исполнилось 50 лет с начала эксплуатации первого советского атомного ледокола Ленин. Срок достаточный для того, чтобы сделать некоторые обобщения.

По мнению специалистов-атомщиков, только к концу 80-х годов ХХ века были окончательно доработаны все узлы энергетической установки, а ЯЭУ и паропроизводящая установка (ППУ) доведены до достаточно высокой степени ядерной, радиационной и эксплуатационной безопасности. В течение почти 30 лет в условиях коммерческой эксплуатации проходили проверку и испытание конструктивные решения, выбранные материалы и особенности управления ЯЭУ ледокола.

Основная особенность, отличающая работу ЯЭУ на атомных подводных лодках и на атомных ледоколах, заключается в различии режимов их эксплуатации. В большинстве случаев АПЛ движется с равномерной скоростью, что определяет достаточно стабильный режим работы ЯЭУ. В условиях атомного ледокола, движущегося через ледовое поле, режим работы энергетической установки совершенно иной. Чтобы двигаться вперед во льдах, ледокольное судно должно надвинуться на кромку льда передней частью корпуса и собственной массой проломить его. Для того, чтобы продвинуться на пол-корпуса вперед, штурману приходится включать энергетическую установку ледокола на полную мощность, а потом резко сбрасывать мощность. Такой режим работы получил у моряков название «работа набегами».

Считается, что этот режим эксплуатации при проектировании ледокола предусматривался как кратковременный. В действительности основную часть ледового плавания ледокол проводит именно в таком режиме движения. Чтобы управлять судном по фактическому состоянию льда, не увеличивая нагрузки на реакторную установку и не вызывая тем самым ускоренное выгорание ядерного топлива и изнашивания элементов ЯЭУ, энергетическую установку переводят в режим стабильной нагрузки по паропроизводительности. Мощностью на винтах управляют за счет изменения режимов работы турбогенераторов. Для реализации такой системы автоматического управления энергетической установкой, она разделена на два блока. Один из них управляет реакторной установкой, а второй отвечает за электромеханическую систему управления работой винтов.

Для ядерной энергетической установки АПЛ характерен стационарный режим совместный работы реакторов и винтов. В отличие от этого энергетическая установка атомного ледокола требует управления в оперативном режиме – с учетом нагрузки, определяемой мощностью льда. По сравнению с работой штурмана АПЛ, штурману ледокола гораздо сложнее управлять ЯЭУ. Ему необходимо постоянно поддерживать баланс подводимой к винтам и расходуемой ими мощности. Признаком ошибок в управлении является изменение равномерности скорости движения ледокола – вплоть до полной его остановки и срабатывания аварийной защиты реакторов. Поэтому вахтенный штурман на ледоколе утомляется быстрее, чем на АПЛ. В результате возникают предпосылки к совершению ошибок в управлении, приводящие к аварийным ситуация – например, поломке лопастей винта.

Предельный срок эксплуатации ледоколов

При работе в тяжелых ледовых условиях поддерживать равномерное использование оборудования атомных ледоколов крайне сложно. Для этого надо соблюдать правила эксплуатации, не перегружать механизмы, не выходить за рамки ограничительных характеристик, своевременно производить профилактику оборудования и т. д. Все это практически невозможно делать в условиях штатной эксплуатации ледокола.

При движении во льдах мощностью более 2 м ледоколу требуется совершить около 50 маневро-реверсов в час. Крушение льда корпусом судна сопровождается сильной вибрацией, передающейся фундаментам и вращающимся валам механизмов, вызывая высокие нагрузки, полусухое трение в подшипниках – что приводит к увеличению зазоров, смещению осей спаренных валов и их расцентровке. Сильнее всего вибрация сказывается на роторных механизмах, приводя к резонансным явлениям в результате суммирования внешней вибрации с собственной частотой колебаний узлов и агрегатов. Это является причиной многих неисправностей, приводящих к поломке валов. Иные режимы работы в ледовых арктических условиях невозможны.

Преждевременная выработка ресурса оборудования ЯЭУ привела к стремительному увеличению объема ремонтных работ, которые требовалось производить силами экипажа во время плавания. Необходимость поддерживать работоспособность ледоколов любой ценой вынуждает «Атомфлот» самостоятельно производить комплекты для срочного ремонта, продлевая сроки эксплуатации изношенных узлов и механизмов ледоколов.

Имевшие место факты продления сроков службы старых атомных ледоколов требуют подтверждения от классификационных обществ под солидную страховку. Но этого не делается, что вызывает понятное неудовольствие со стороны международных надзорных организаций.

В связи с этим встает вопрос о выборе предельного срока эксплуатации ледоколов, когда ремонтировать их становится невыгодно. Этот срок был установлен исходя из опыта эксплуатации ледокола «Арктика». Проработав первые 20 лет без особых замечаний со стороны контролирующих организаций, ему продлили разрешенный срок эксплуатации на 5 лет. Затем срок эксплуатации продлили еще на 5 лет – до 30 лет. Дальнейший опыт показал, что нельзя считать этот продленный срок обоснованным для распространения на другие ледоколы.

Полноценный ремонт старого ледокола, позволяющий реально продлить его ресурс до 30 лет, требует расходов, близких по объему к стоимости строительства нового ледокола. Введенный недавно в эксплуатацию атомный ледокол «50 лет Победы» строился в сложных экономических условиях и говорить о качестве материалов и выполненных работ крайне затруднительно. Трудно предположить, что при существующих условиях эксплуатации он сможет отработать полный срок.

На этих ледоколах класса «Арктика» установлено оборудование, начавшее поступать на комплектацию в 1975 г. После распада СССР производство этого оборудования не обновлялось, а с начала 90-х годов ХХ века основная часть ледокольного оборудования вообще была снята с производства. В связи с этим, при ремонте ледоколов используются кустарно изготовленные («смодельные», не промышленного качества) комплекты деталей.

Согласно теории износа, за двадцатилетний период штатной эксплуатации судна его ЯЭУ накапливает 10¹² циклов знакопеременных нагрузок. Это является критическим показателем срока службы металла блоков цилиндров дизелей, корпусов и роторов турбин, корпусов реакторов и парогенераторов, парообразующих трубчатых систем, валов насосов. В узлах и деталях механизмов накапливаются усталостные напряжения, приводящие к изменению кристаллической структуры металла, возникновению трещин и изломов.

Именно это и происходит на российских атомных ледоколах. Несмотря на то, что они проектировались с существенным запасом надежности, ресурс близок к полной выработке. По мнению экспертов, в случае продолжения эксплуатации атомных ледоколов класса Арктика на них возможны серьезные аварии.

Практика продления срока эксплуатации ЯЭУ

Согласно подготовленной в 2000 г. справке Министерства транспорта РФ о состоянии аварийности на морском флоте и мерах по повышению уровня безопасности мореплавания, в период 2005—2008 гг. все действующие ледоколы предполагалось вывести из эксплуатации.

Сейчас эти сроки отодвинуты на 5—10 лет. Работы по обоснованию возможности продления срока эксплуатации ледокольных ЯЭУ с 100.000 часов до 150.000 часов производились в Центральном научно-исследовательском и проектном институте морского флота (ЦНИПИ МФ). Одним из наиболее узких мест в так называемом «продлении ресурса ледокола» является снижение прочности корпуса реактора. Вследствие нейтронной бомбардировки металл корпуса становится хрупким и возникает опасность образования в нем трещин. Решающее влияние на структуру металла оказывает плотность потока нейтронов, вызывающего то, что на языке атомщиков называется «радиационный гамма-отжиг металла». Предельный срок эксплуатации металла реакторов составляет 30 лет. При этом следует иметь в виду, что никаких реальных работ для продления ресурса ледоколов не выполнялось – было произведено лишь теоретическое обоснование такой возможности.

Продление ресурса ЯЭУ потребовалось для того, чтобы атомный ледокольный флот не оказался стоящим в очереди на утилизацию ещё до того, как руководство России примет концепцию освоения ресурсов арктического региона. После чего, быть может, начнется строительство новых атомных ледоколов. Хотя в настоящее время это представляется маловероятным.

В связи с этим после 2010 г. число действующих ледоколов начнет сокращаться. К 2015 г. в эксплуатации останутся 2 ледокола – «Ямал» и «50 лет Победы». А к 2020 г. из всех действующих в настоящее время судов с ЯЭУ гражданского назначения в эксплуатации по своим характеристикам способен остаться только ледокол «50 лет Победы». Правда, еще несколько лет назад были специалисты, которые полагали, что есть возможность оставить ледокол «Сибирь» в строю до 2019 г. Для этого требовался ремонт, связанный с продлением ресурса до 170.000 часов.

По имеющейся информации, утилизация ледокол «50 лет Победы» была запланирована на 2009 г., но пока нет сообщений о том, что это намерение выполняется. Это говорит о том, что планы организаций, занимающихся проектированием и эксплуатацией атомных ледоколов, тесно связаны с экономической ситуацией в стране. Они не могут быть реализованы без субсидирования этих работ из федерального бюджета.

Перегрузка топлива и обслуживание реакторов ледокола «Ленин»

На первой загрузке топлива каждый реактор ледокола Ленин отработал около 11.000 часов (выработав 430—490 МВт. ч тепловой энергии). При этом средняя выработка энергии в активной зоне составляла 11.000—13.000 МВт тепловой мощности в сутки на 1 т урана. Максимальная выработка достигала 30.000 МВт тепловой мощности в сутки на 1 т урана. ТВЭЛы находились в воде первого контура примерно 30.000 часов. Реакторы работали устойчиво на всех уровнях мощности – включая максимальный (90 МВт). Полная мощность ледокола, составлявшая на фланце турбины 44.000 л.с., достигалась при одновременной работе трех реакторов на тепловой мощности 65 МВт каждый.

По данным И. И. Африкантова, весной 1963 г. была произведена первая перегрузка ядерного топлива. Для этого было использовано вспомогательное судно ПТБ «Лепсе». Работы по перегрузке ОЯТ и загрузке свежего топлива производились на причале мурманского порта, называвшегося в то время «База 92» (в настоящее время – ФГУП «Атомфлот»). Для этих целей на базе имелось лишь минимально необходимое оборудование для обслуживания ледокола Ленин.

Перегрузка ОЯТ производилась следующим образом. Над извлекаемым каналом активной зоны на защитной плите располагался перегрузочный контейнер. С помощью ручной лебедки внутрь контейнера опускался механический цанговый захват, который зацеплял стержень за верхнюю часть. Контроль за работой механического захвата осуществлялся через перескоп. Той же ручной лебедкой канал с отработавшим тепловыделяющим стержнем (ТВС) поднимался в контейнер, снизу закрывался защитным шибером (заслонкой), передавался с помощью подъемного крана на ПТБ «Лепсе» и в обратном порядке выгружался в хранилище.

В случае механического заклинивания канала в ячейке реактора его сдвигание производилось с помощью домкрата. В источнике не указано, каким образом этот домкрат работал, но известно, что все эти операции выполнялись персоналом вручную – с минимальными средствами защиты. Сообщается, что случаев заклинивания было немного, но общее их число не указывается. Время разгрузки одного канала занимало 15—20 минут. Выше мы отмечали, что активная зона каждого реактора состояла из 219 рабочих каналов. В связи с этим полная выгрузка ОЯТ одного реактора занимала около трех суток. После того, как все каналы освободили от топлива, была произведена промывка реакторов и первичных контуров ЯЭУ.

Современное состояние судов с ЯЭУ

Атомный ледокол «Ленин» выведен из эксплуатации в 1989 г. В середине 2009 г. был установлен у причала в Мурманске в качестве музея.

1963—1965 гг. (точная дата не установлена) – первая перегрузка ядерного топлива. В ходе операции по перегрузке ядерного топлива произошло частичное расплавление активной зоны.

1965—1970 – ремонт после расплавления активной зоны. В ходе ремонта проведена модернизация – вместо 3 реакторов ОК-150 по 90 МВт тепловой мощности были установлены 2 реактора ОК-900 по 159 МВт тепловой мощности. Данные о сроках и количестве перегрузок ядерного топлива не опубликованы. Согласно требованиям регламента, в период с 1970 по 1989 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее трех раз. Предположительно, отработавшее ядерное топливо из активной зоны выгружалось четыре раза.

Атомный ледокол «Арктика» – в августе 2008 г. выведен из эксплуатации. Находится в отстое в Мурманске на ФГУП «Атомфлот». Сроки утилизации не определены.

2000—2003 гг. – находился в ремонте. Была произведена перегрузка ядерного топлива. Других данных о датах и сроках перегрузки ядерного топлива не опубликовано. Согласно требованиям регламента, в период с 1975 по 2000 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее трех раз. Вероятно, реальное число перегрузок было меньше.

Атомный ледокол «Сибирь» – в 1992 г. выведен из эксплуатации. Находится в отстое в Мурманске на ФГУП «Атомфлот». Есть данные о том, что на 2009 г. была запланирована утилизация ледокола, но на конец 2009 г. об этом нет конкретных сведений.

Причина вывода из эксплуатации – большое количество негерметичных секций парогенераторов и невозможность эксплуатации реакторной установки №2 без замены парогенераторов. Наработка реакторов на момент вывода из эксплуатации была ниже нормативной. Согласно требованиям регламента, в период с 1978 по 1992 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее одного раза, но у экспертов есть предположение, что в действительности этого сделано не было.

Атомный ледокол «Россия» – находится в эксплуатации. Вывод из эксплуатации намечен на период 2011—2015 гг. Реальные сроки не определены.

Есть данные о том, что в 2003 г. была произведена последняя замена ядерного топлива. Одновременно с этим проведена замена парогенераторов, после чего ресурс ЯЭУ был продлен до 175.000 часов. Согласно требованиям регламента, в период с 1985 по 2003 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее двух раз, но конкретных данных об этом не опубликовано.

Атомный ледокол «Советский Союз» – находится в эксплуатации. Вывод из эксплуатации намечен на период 2011—2015 гг. Реальные сроки не определены.

В 1999 г. был выведен в отстой по причине выработки ресурса активной зоны. Есть данные о том, что в 2002 г. была произведена последняя перегрузка ядерного топлива. Одновременно с этим прошел процедуру замены парогенераторов, после чего ресурс ЯЭУ был продлен до 175.000 часов. Согласно требованиям регламента, в период с 1989 по 2002 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее одного раза, но конкретных данных об этом не опубликовано.

Атомный ледокол «Ямал» – находится в эксплуатации. Вывод из эксплуатации намечен на период 2015—2020 гг. Реальные сроки не определены.

В 2000 г. был выведен в отстой по причине выработки ресурса активной зоны. Есть данные о том, что в 2002 г. была произведена последняя перегрузка ядерного топлива. Согласно требованиям регламента, в период с 1992 по 2002 г. ядерное топливо требовалось перегружать не менее одного раза, но конкретных данных об этом не опубликовано.

Атомный ледокол «50 лет Победы» – находится в эксплуатации. Спущен на воду в 2007 г. Вывод из эксплуатации намечен на период после 2020 гг. Перегрузка ядерного топлива не производилась.

Атомный ледокол «Таймыр» – находится в эксплуатации. Вывод из эксплуатации намечен на период 2011—2015 гг. Реальные сроки не определены.

Есть данные о том, что в 2001 г. была произведена первая перегрузка ядерного топлива. Одновременно с этим прошел процедуру замены парогенераторов, после чего ресурс ЯЭУ был продлен до 175.000 часов.

Атомный ледокол «Вайгач» – находится в эксплуатации. Вывод из эксплуатации намечен на период 2011—2015 гг. Реальные сроки не определены.

Есть данные о том, что в 2004 г. была произведена первая перегрузка ядерного топлива. Одновременно с этим прошел процедуру замены трубопроводов парогенераторов, после чего ресурс ЯЭУ был продлен до 175.000 часов.

Атомный лихтеровоз «Севморпуть» – в 2007 г. временно выведен из эксплуатации. Реальные сроки утилизации не определены. Было заявлено о возможном продлении его ресурса и переоборудовании в буровое судно. Это представляется маловероятным в связи с большой стоимостью ремонта, высоким износом ППУ и существенными коммерческими рисками.

В 2000 г. выведен в отстой по причине выработки ресурса активной зоны. Есть данные о том, что в 2002 г. была произведена первая перегрузка ядерного топлива, после чего судно находилось в эксплуатации до 2007 г.