Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов

Сразу отмечу, что конструкция атомного двигателя для водомётного движителя подстраивалась под технико-тактические требования корабля, а не наоборот, как это делается до сих пор для ледоколов, кораблей и подводных лодок.

Конструкторские бюро ГК «Росатом» исходят из возможностей самого реактора, водо-водяного реактора (ВВР) типа «РИТМ», ОК-650В или др. реакторов более старой конструкции, а не из требований сегодняшнего, а тем более завтрашнего дня.

Атомный двигатель под условия флота это новая парадигма атомных водометных движителей, содержащая принципиально иной подход конструирования с «нуля». В основу конструкции закладываются такие свойства как: приемистость и манёвренность корабля, тепловой шлейф, время вывода на полный ход с момента запуска реактора, необходимость обслуживания и ремонта реактора, контакт реактора с экипажем, занимаемый объём реакторной установкой, длительность и условия перегрузки ядерного топлива, и множество других актуальных на завтрашний день свойств. Применён принцип «plug and play», т.е. подключи и сразу полный ход. Также при разработке идеи были учтены причины и процессы развития аварий на АПЛ с ВВР и реакторами с жидкометаллическим теплоносителем.

Несколько слов о ситуации в атомной отрасли России

В Нижнем Новгороде в АО «ОКБМ Африкантов» 8-9 сентября 2021 прошла научно-техническая конференция  «Проблемы применения и верификации CFD-кодов в атомной энергетике».

Удивительно, но факт, сколько сил и средств расходуется до сих пор на уже изжившие себя конструкции ВВР [1]. Принципиально нового, приемистого реактора нет! Используются всё те же стержневые твэлы, толстостенные бочки, тонны металла трубопроводов и корпусов, а на ВВР продолжают навешивать «плюсики», незаслуженно ему присваивают статус «супернового» поколения реакторов, а, по сути, обманывают всех, в т.ч. и руководство страны, говоря, что это инновационные разработки. ВВР каким был с рождения таким и остался!

 «В любом деле главный человек — это лидер, который соберет команду, они ему поверят, и всё. А в высоких технологиях — конечно, инженер... Как только финансисты [продавцы] приходят к руководству, компания начинает деградировать, а через пять-десять лет исчезает... У меня есть теория, описывающая почему рушатся технологические компании. Сперва компания достигает больших успехов в инновациях, после чего становится монополией или близко к ней в одной из областей. После этого качество становится менее важным. Компания начинает продвигать великих продавцов, потому что именно они могут повысить выручку на данном этапе, а не инженеры и конструкторы (дизайнеры). В конце концов, продавцы начинают править компанией. Когда у вас монополия, новые продукты не так сильно помогают, как маркетинг. Маркетинг становится главным, а то, что изначально сделало компанию великой, исчезает» [3] (Стив Джобс, 1995 год: https://aftershock.news/?q=node/649784).

В России это произошло с НИКИЭТом и ОКБМом, видимо, и другие КБ и НИИ ГК «Росатом» пришли к вырождению. «Конечно, инженеры должны стоять во главе, ...» (https://aftershock.news/?q=node/649282), с этим фактически согласны руководители компаний из двух миров, - китайского (Пит Лау) и американского (Стив Джобс). В России по этому поводу правдиво написал д.ф.-м.н., научный руководитель Института океанологии, академик РАН Роберт Нигматулин [4] - «[23/12/2020] Менеджеры во главе науки - угроза технологическому суверенитету России»: http://proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9488

Маркетинг реакторов «РИТМ» и  ВВЭР-1200/1300 «ослепил» руководство ГК Росатом. Портфель зарубежных заказов обещал большие деньги за ВВЭРы, поэтому в КБ отрасли не спускали сверху (с Ордынки) задания на разработку нового действительно безопасного и дешевого реактора. А самим КБ проявлять инициативу в разработке нового реактора - это головная боль топ-менеджерам. Да и денег на это не дадут, да и нет знающих молодых конструкторов, а старые уже умерли. Вертикаль власти и управления сломалась. Но портфель зарубежных заказов на гигантские АЭС с ВВЭРами в значительной степени оказался виртуальным, спрос на мировом рынке на АСММ на базе реактора «РИТМ-400» невелик (даже за наши кредиты), так что атомную отрасль в России её руководство ведёт к  банкротству.

Что касается вопроса интеллектуальной собственности. Это мечта всех — бумажки написал, патентики получил, будем продавать патентики... В общем, что уж тут говорить, - в «цивилизованном» мире патентного права особенно актуальна сегодня басенная классика: «У сильного всегда бессильный виноват». https://aftershock.news/?q=node/514793. Изобретатель никогда не будет сильным, если он не миллиардер, как например, Илон Маск.

И дальше от Гапонцева  https://aftershock.news/?q=node/649282 - о дистанции огромного размера между «блестящим образцом» и изделием, запущенным в массовое производство: «Так что, кто говорит, что идея реализуема, вот образцы... Извините, это только несколько процентов, это только первый шажок к успеху. А дальше вам еще надо пройти гигантский путь, полный препятствий. Все полки завалены в любом университете иногда великолепными приборами, но они никому не нужны, это впустую потраченное время. Любой проект вы сразу должны просчитывать: как вы будете конкурировать на рынке, если хотите вернуть вложенные средства, если хотите достичь успеха. Это абсолютно другая стихия. У нас (в России), к сожалению, здесь люди этого абсолютно не понимают» https://raexpert.ru/sproject/innovation/innoday/part4/part4_7.

Поэтому мы не патентуем свои разработки и не раскрываем истинные технические решения в публикациях до момента запуска в массовое производство изделия. Мы пока зондируем рынок, спрос на наши изделия в мире, пытаемся определить уровень знаний у конкурентов, их способность повторить нашу разработку.

Во время двухчасового ужина с журналистом, Пит Лау (босс расположенной в Шеньчжене (Китай) компании OnePlus) постоянно возвращался к идее «беньфень» [2]. Это слово можно примерно перевести с китайского, как «целостность», или, – «делай, как должно». То есть, будь честен по отношению к покупателям своей продукции, в полной мере выполняй свои перед ними обязательства по её качеству. В России покупателями атомной техники является государство (бюджет) или его структуры (фонды), которые дают кредиты на воплощение дорогих проектов АЭС за рубежом. Почему этому государству «впяливают» старые разработки: реакторы «РИТМ», «Шельф», «БРЕСТ», ВВЭРы, БНы, которые продаются лишь на невыгодных России условиях? Нет идеи «беньфень»? Или нет уголовного наказания за блеф? Или менеджеры и чиновники работают по принципу «я тебе, ты мне»?

Атомный водометный движитель (АВМД)

На заре атомной эры великий физик и шутник, лауреат нобелевской премии Ричард Фейнман в полемике бросил крылатую фразу: «Строить ядерный реактор – всё равно, что щекотать за кончик носа спящего дракона»! Собственно, этим мы и занимаемся, создавая радиационно безопасный атомный универсальный малогабаритный  двигатель и для флота, и для подводных и сухопутных электрогенерирующих установок. В начале данной статьи был применен термин «водометный движитель», который принят в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Военно-морской академии им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова (ВМА), поскольку она является патентообладателем множества изобретений, относящихся к судостроению, в т.ч.. к водометным движителям. Однако, исходя из физики процесса работы движителя, он является, по сути, реактивным двигателем. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении движения струи воды из сопла будем также использовать термины реактивного двигателя.

Идея создания  АВМД проста. Соединить в единую конструкцию «Атомный двигатель Виноградова» (АДВ), см. рис. 1 [6], и водометное устройство с большой реактивной тягой, и просчитать их совместную работу во всех режимах нагрузки. АДВ может работать на глубинах до 10000 м. Вопрос только в выборе типа водомета: гребной винт (фото слева) или центробежный насос (фото справа - оба фото из интернета).

Конструктивно гребной винт проще в изготовлении. Но на больших оборотах гребного винта наблюдается кавитация, и от неё избавиться нельзя даже теоретически. Кавитация, во-первых создаёт характерный шум подлодки, по которому легко можно определить тип подлодки и её координаты. Во-вторых - ограничивает максимальную подводную скорость. В то время как АДВ, наоборот, лучше скомпонован и отлично работает на больших оборотах. На больших скоростях к.п.д. выше у АВМД с центробежным насосом, чем с гребным винтом. Для подводных лодок, несомненно, АВМД с центробежным насосом, более привлекателен. При движении под водой на максимально возможной скорости он создаёт меньше шума и обеспечивает большую маневренность. При установке на поворотной колонке, например, на горизонтальных рулях АВМД позволяет развернуть подлодку на 180 градусов за несколько минут. И скорость заднего хода может быть такой же, как и переднего. А для малых скоростей можно применить, регулирующую реактивную струю, диафрагму на сопле.

Мои конструкции ядерных двигателей и идеи, опубликованные в статьях на PRoAtom начиная с 24.04.2018 [8,7,6], в т.ч., «Ядерная батарейка» и «Атомный двигатель Виноградова»  со значительно более высоким к.п.д., чем гигантская АЭС, поняты за рубежом: в отношении «ядерной батарейки» и в Массачусетском технологическом институте (MIT) USA и в Национальной инженерной академии (NEA) USA [9]. Но эта принципиально новая парадигма электрообеспечения и конструкции атомных движителей для флота упорно не воспринимается в ГК «Росатом». Странно, но факт, что в борьбе с потеплением климата, ГК «Росатом» продолжает для АСММ применять водо-водяные реакторы (ВВР) с турбиной на влажном паре с к.п.д. 33 - 35%. Т.е. продолжают греть планету и выбрасывать водяной пар с градирен, создающий боле существенное воздействие на повышение температуры планеты, нежели углекислый газ СО₂. А для ледоколов и подлодок ГК «Росатом» продолжает делать ВВР «РИТМ» и ОК-650В (190 МВт) с низким к.п.д. и большим выбросом тепла, видимо, для того, чтобы были видны противнику  по большому тепловому шлейфу наши АПЛ.

Для АДВ (см. рис. 1) разработана высокотемпературная активная зона (АЗ) ядерного реактора (ЯР).

Рис. 1 Атомный двигатель Виноградова, 2018 г. [6].

АДВ состоит из: шестигранной в поперечном сечении корзины, поз. 4 рис. 5, соединённой с безвальной турбиной (БТ) поз. 1, состоящей из лопаточного аппарата компрессора поз. 2 и лопаточного аппарата турбины поз. 3. АЗ заполнена шаровыми твэлами с гидродинамически прозрачной оболочкой (твэлов-ШГПО) поз. 5. АЗ состоит из свинцовых отражателей и нейтронной защиты вокруг корзины поз. 6; гибких стержней поз. 7, для управления реактивностью с помощью поглотителей нейтронов; привода поз. 8 стержней управления; системы раскрытия корзины АЗ, поз. 9; контейнер («гробик»), поз. 10,  для вывода из корзины АЗ,  удержания  и охлаждения твэлов-ШГПО; центробежной соединительной муфты, поз. 11;  стартёра инерционного запуска, поз. 12. Все элементы АДВ размещены в герметичном корпусе, поз. 13, который имеет по продольной оси с одной стороны специальный сальник, поз. 14, для выхода вала для нагрузки, с противоположной стороны имеется шлюз, поз. 15, для установки контейнера, поз. 16, аппаратуры управления и запуска АДВ. АЗ является двухходовой. Разворот теплоносителя на 180⁰ производится в зоне умеренного нагрева со стороны, где расположены стержни управления ЯР.  Вал для нагрузки не имеет теплового контакта с нагреваемыми до высокой температуры деталями ротора безвальной турбины (БТ).

Нейтронно-физический расчет двухходовой АЗ с твэлами-ШГПО на первом этапе производился на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем вместо газового. Расчет выполнялся в 26-групповом диффузионном приближении для одномерной цилиндрической геометрии. Определили обогащение топлива, обеспечивающее критическое состояние реактора, в условиях использования различных конструкционных материалов (материалов оболочек твэлов) и композиции ядерного топлива, как вариант, смешанного  обогащённого мононитрида (U-Pu)N. В качестве материала оболочек ШГПО рассматриваются  сталь ЭП-823, вольфрам (W), сплав молибдена с 3,2 % вольфрама (Mo + 3,2% W). Выявлено, что для обеспечения жаропрочного исполнения корзины АЗ и твэлов, с применением вольфрама и молибдена, для получения эффективного коэффициента размножения нейтронов К_эф  больше 1,06 требуется высокое обогащение топлива β, что реализуемо. В дальнейшим будут использоваться расчетные коды и  константное обеспечение CONSYST/ БНАБ-РФ, РОСФОНД и CONSYST-RF01. Причем,  нейтронно-физический расчет будет соединен с газодинамическим расчетом с использованием CFD-кодов, с целью оптимизации засыпки твэлами АЗ, подбора свойств ШГПО и рабочего тела.

В качестве рабочего тела БТ (он же является теплоносителем  ЯР) использован углекислый газ (или ионномодифицированный теплоноситель - «слабая плазма»), закаченный в корпус АДВ под давлением выше критического. Длина контура циркуляции теплоносителя составляет примерно 7-8 м, время оборота теплоносителя – 0,1 с,  что обеспечивает большую приемистость двигателя. Конструкция корзины сделана из жаропрочного слоёного материала и имеет возможность «дышать» при быстром разогреве и охлаждении. Равно как и твэл-ШГПО, корзина АЗ позволяет производить быстрый нагрев АЗ до 10 ⁰С на один слой твэлов по ходу теплоносителя менее чем за 1 секунду. Скорость разогрева (расчётная) до 1 ⁰С/с.  Это позволяет делать быстрый запуск АДВ в работу.  Сверхкритическое давление теплоносителя держит относительно холодный корпус АДВ, поэтому толщина корпуса БТ и корзины ЯР минимальны, поскольку должны держать только напор теплоносителя, создаваемый осевым компрессором c полной степенью повышения давления  до 38:1.

Аварийная защита от расплавления. В случае перегрева АЗ происходит автоматическое раскрытие створок свинцового отражателя и корзины АЗ поз.9 и шаровые твэлы поз. 5 высыпаются под действием гравитации в контейнер охлаждения поз. 10 - «гробик», в котором твэлы укладываются в один слой и пропитываются жидким свинцом, который выливается из свинцового отражателя поз. 6. Остаточное тепловыделение сбрасывается в окружающую среду - воду прямо через стенку поз. 18 корпуса поз. 13. Таким образом, шаровые твэлы из компактного расположения в АЗ, обеспечивающего критическую массу ядерного топлива, переходят в значительно подкритическое состояние, в котором они охлаждаются в пассивном режиме до температуры застывания свинца и ниже.

Рис. 2. АВМД, 2020 г.

Где: 1 - решетка от мусора в набегающем потоке, 2 - корпус водометного движителя, 3 - атомный двигатель Виноградова, 4 - ребра охлаждения, 5 - узел крепления к поворотной колонке водометного движителя, 6 - центробежный спаренный насос, 7 - система снижения гидродинамического сопротивления в проточной части, 8 - напорная камера, 9 - узел диафрагмы сопла реактивной струи. На рисунке 2 многие узлы скрыты.

Принцип работы АВМД инженеру понятен из рисунка. Вода, поступающая в корпус поз. 2 водомета через решетку поз. 1, захватывается центробежным насосом поз. 6 и выбрасывается наружу, проходя перед этим формирующую напорную камеру поз. 8 и далее через узел диафрагмы поз. 9. Вращение вала центробежного насоса обеспечивается напрямую соединением с валом АДВ через муфту. В АВМД применена система снижения гидравлического сопротивления потоку воды, как внутри корпуса, поз. 7, так и в части выделения реактивной струи от воды, контактирующей со струёй.  Причём, при увеличении скорости подлодки, на которой установлен АВМД, набегающий и проходящий поток воды внутри корпуса движителя, улучшает охлаждение АДВ с помощью ребер поз. 4. Энергетический баланс АДВ в отношении количества не использованного в термодинамическом цикле тепла сделан само настраивающимся, т.е. чем больше скорость подлодки, тем больше может дать мощность АДВ на валу. В стоячей воде этого эффекта не будет.

Применительно к АВМД следует отметить следующие основные позитивные его свойства,  определяемые в основном свойствами АДВ:

1.      Отсутствует кризис теплоотдачи и ядерная опасность расплавления активной зоны.

2.      АДВ не боится коротких перегрузок на валу.

3.      К.п.д. более 70%, что почти в 2 раза снижает выбросы тепла в окружающую среду, практически устраняется тепловой шлейф за подлодкой.

4.      Реализован принцип «plug and play», т.е. присоединил АВМД через поворотную колонку к судну (кораблю, подлодке), - и полный вперёд.

5.      АВМД обладает высокой приемистостью, время выхода на полный ход десятки секунд.

6.      Используется дешевое и доступное в большом количестве ядерное топливо - уран 238.

7.      Сокращается потребление природного урана до уровня добычи сегодня его в России,            до 3500 т./год (не потребуется закупать уран за рубежом).

8.      Сокращается накопление отходов ядерного топлива (ОЯТ), поскольку «гробик» извлекается сразу на заводе и отправляется на переработку (не требуются спецконтейнеры для перевозки отработанных твэлов, ТВС как для ВВЭР).

9.      Оборот "железа": завод - потребитель - завод, переработка ядерного топлива сразу (без многолетней выдержки) на заводе.

10.  У потребителя АМВД вообще нет никаких хлопот по обслуживанию и ремонту.

11.   АМВД значительно дешевле силовых установок на базе ВВР типа «РИТМ», ОК-650В  и др., что делает реальным получить предоплату или оплату сразу по факту поставки установки покупателю, а не давать кредиты, а потом ждать десятилетия их возврата, или не возврата!

12.  Продаём мощность, а не "железо", для флота - это мощность на валу.

13.  Малый срок окупаемости.

14.  Маленькая масса одного блока АМВД (транспортного места-блока), позволяющая быстро доставить его в любую точку на планете любым транспортом, есть возможность десантирования прямо на площадку размещения (на плоту в открытое море).

15.  Монтаж (замена на новый) АМВД может производиться в полевых условиях, в т.ч. в открытом море.

16.  Производство массовое, конвейерное.

Для оценки возможностей АМВД применительно к подводной лодке приведены данные в таблице 1, которая позволяет сравнить расчетные скорости движения под водой  и другие параметры лучших подводных лодок США и России.

Является очевидным значительное преимущество подводной лодки с АВМД вариантов ШАТР 100.2 по сравнению с гребным винтом проектов США и России, особенно в части: времени разгона до максимальной подводной скорости, расстояния ухода от точки залпа ракеты за 150 сек., температурный шлейф.

Полагаю, других сложных или неоднозначных моментов в описании реализации идеи АСММ с АДВ нет, так что инженеру должно быть всё понятно.

Таблица 1

Если такой атомный движитель использовать на всех судах и ледоколах на Северном морском пути, то за счет малого количества сбрасываемого тепла в воду мы сделаем ещё один шаг к применению природоподобных технологий. Льды не будут таять, ледяная корка будет отражать солнечное тепло, возможно, восстановится природный тепловой баланс в Заполярье.

Жду от читателей конструктивной дискуссии и дельных советов,  мнений с обоснованием, и, конечно, вопросов по теме статьи.

Ссылки:

1.      PRoAtom - Проблемы существующей технологии водо-водяного реактора

2.      AfterShock, 00499_Россия – «резкий» поворот (5г). О секретах СпецМастеров: «если люди хочут, то они можут» (с).

3.      Стив Джобс, 1995 год: https://aftershock.news/?q=node/649784

4.      PRoAtom - Менеджеры во главе науки - угроза технологическому суверенитету России. Д.ф.-м.н. академик РАН, Роберт Нигматулин

5.      Водомет по сути реактивный двигатель...

6.      PRoAtom - Атомный двигатель Виноградова

7.      PRoAtom - «Ядерная батарейка» для Норильска

8.      PRoAtom - Российский турбо-ядерный реактивный движитель для подводного судна.

9.      Якопо Буонджорно, профессор ядерной инженерии MIT_ “Микрореакторы могут полностью изменить правила игры в атомной отрасли” Атомная энергия 2.0.pdf