Ядерный реактор для НАПЛ. Отложит ли «Посейдон» яйцо Доллежаля?

Ядерный реактор для неатомной подводной лодки (НАПЛ). Противоречие заложено в самом названии, тем не менее, этот вопрос вполне серьёзно рассматривался ещё в СССР. В частности, идея размещения малогабаритного ядерного реактора рассматривалась применительно к подводным лодкам проекта 651. Дизель-электрическая подводная лодка (ДЭПЛ) проекта 651 носитель крылатых ракет стала самой крупной неатомных подводных лодок того времени, построенных в СССР.

Яйцо Доллежаля

С самого начала, стремясь увеличить дальность подводного хода ДЭПЛ проекта 651, конструкторы заложили серебряно-цинковые аккумуляторные батареи вместо свинцово-кислотных. На практике оказалось, что у серебряно-цинковых аккумуляторов имеются два критичных недостатка: высокая стоимость и малый срок службы (до 100 циклов заряд-разряда), что предопределило возврат к свинцово-кислотным аккумуляторам.


Однако, помимо аккумуляторов увеличенной ёмкости, для ДЭПЛ проекта 651 рассматривались и более радикальные решения. В принципе, военно-морской флот (ВМФ) СССР параллельно постройке лодок проекта 651, готовился к строительству атомных подводных лодок (АПЛ) проекта 675, с теми же крылатыми ракетами П-6, что были установлены на ДЭПЛ проекта 651. Однако АПЛ проекта 675 были существенно дороже ДЭПЛ проекта 651. Требовалось решение, которое позволило бы получить подводным лодкам (ПЛ) проекта 651 неограниченную дальность хода подводных субмарин при сохранении остальных характеристик на уровне ДЭПЛ исходного проекта.




В качестве пути решения рассматривалось создание малогабаритного ядерного реактора, так называемого «яйца Доллежаля», по имени его создателя Николая Доллежаля – главного конструктора атомных реакторов для ВМФ СССР. На начальном этапе проект предполагал размещение реактора в отдельной капсуле и буксировку его на тросе с кабелем, для того, чтобы отказаться от тяжёлой биологической защиты. Впрочем, такая концепция сразу была отвергнута, как из-за высокой вероятности потери капсулы с реактором, так и из-за потенциальной возможности отслеживания ПЛ по радиоактивному следу. В дальнейшем рассматривалось размещение реактора вне прочного корпуса ДЭПЛ, но в рамках единой «жёсткой» конструкции ПЛ.

Очевидно, что технологии того времени не позволили создать достаточно компактный и надёжный необслуживаемый реактор с приемлемыми характеристиками. В дальнейшем к идее установки ядерной энергетической установки (ЯЭУ) на ДЭПЛ ещё не раз возвращались. В частности, на базе ДЭПЛ проекта 651 разрабатывался проект 683 по созданию массовой подводной лодки, оснащённой ЯЭУ малой мощности. Данная ПЛ должна была в больших количествах строиться на заводах, ранее выпускавших ДЭПЛ. Проект 683 затянулся и не получил развития, предположительно потому, что к этому времени СССР уже обладал достаточными производственными мощностями для выпуска полноценных атомоходов в необходимых ВМФ количествах.




Не был забыт и проект 651. В 1985 году одна из лодок этого проекта была переработана по проекту 651Э, разработанному ещё в 1977 году. В рамках модернизации ПЛ была оборудована компактной ЯЭУ малой мощности, разработанной в «Научно-исследовательском и конструкторском институте энерготехники» («НИКИЭТ») – в настоящее время «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля». В рамках проекта 651Э ЯЭУ малой мощности была размещена в нижней кормовой части ПЛ вне прочного корпуса. Использовался одноконтурный реактор кипящего типа. Впрочем, ПЛ проекта 651Э также не вышла из стадии опытного образца.

Многоцелевые российские АПЛ

С развалом СССР и утерей значительной части промышленного потенциала Россия вновь столкнулась с проблемой нехватки атомных субмарин. Проект многоцелевой атомной подводной лодки (МЦАПЛ) 885/885М «Ясень», несмотря на все свои преимущества, оказался чрезвычайно дорог и сложен в постройке. Всего планируется построить семь МЦАПЛ проекта 885/885М, что совершенно недостаточно в условиях стремительного устаревания имеющихся в ВМФ России АПЛ третьего поколения проектов 971, 945/945А.




В настоящий момент осуществляется проектирование многоцелевой АПЛ нового поколения «Хаски». Проект «Хаски» пока больше полнится слухами, нежели реальной информацией. Предположительно АПЛ этого проекта будут меньше и дешевле МЦАПЛ проекта 885/885М, что позволяет провести аналогию со сверхдорогими американскими АПЛ «Seawolf» и разработанными им на замену более универсальными и относительно недорогими АПЛ типа «Virginia».





В то же время есть риски, что проект «Хаски», особенно если в нём будет реализован высокий коэффициент технической новизны, может столкнуться с непредвиденными задержками и ростом стоимости.

НАПЛ в России и в мире

Другим способом усиления подводного компонента ВМФ является строительство неатомных подводных лодок. И в этом сегменте в ВМФ РФ также не всё гладко. В настоящее время общемировым трендом является оснащение неатомных подводных лодок воздухонезависимыми энергетическими установками (ВНЭУ), выполненными на различных принципах – топливные элементы, двигатель Стирлинга. Наличие ВНЭУ позволяет радикально увеличить дальность подводного хода НАПЛ, приблизив её возможности к атомным субмаринам, при существенно меньшей стоимости первых.




К сожалению российские проекты ВНЭУ для НАПЛ проекта 677 «Лада» столкнулись с проблемами, как собственно и весь проект 677, вследствие чего первые подводные лодки этого проекта предположительно будут реализованы без установки ВНЭУ.

Аккумуляторы для НАПЛ

Другой вариант – оснащение НАПЛ литиевыми аккумуляторами увеличенной ёмкости выбрали японские военно-морские силы (ВМС), эксплуатирующие также НАПЛ с двигателем Стирлинга. Предполагается что применение литиевых аккумуляторов высокой ёмкости позволит даль НАПЛ автономность сравнимую с той, что позволяет обеспечить применение ВНЭУ, но при этом литиевые аккумуляторы обеспечивают большую дальность подводного хода на больших скоростях.

Критики литиевых аккумуляторов говорят об их склонности к возгоранию и взрыву. Однако, можно предположить, что промышленное, и тем более военное использование таких аккумуляторов будет подразумевать повышенное внимание к вопросам безопасности и минимизации потенциальных рисков перегрева или деформации аккумуляторов. Наибольшим препятствием при внедрении литиевых аккумуляторов на НАПЛ является их высокая стоимость.




Перспективность применения литиевых аккумуляторов в интересах ВМФ подтверждается активизацией их разработки европейскими производителями.

На проходящей в 2018 году в Париже выставке Euronaval 2018 о создании собственных литий-ионных аккумуляторных батарей для подводных лодок объявили французское судостроительное объединение Naval Group и германское объединение TKMS. Обе компании независимо друг от друга осуществляют разработку литиевых аккумуляторов для подводных лодок совместно с крупным французским производителем промышленных литиевых батарей и аккумуляторов, компанией SAFT.

Компания Naval Group планирует применять литиевые аккумуляторы LIBRT в перспективных НАПЛ SMX-31, в то время как TKMS разрабатывает универсальное решение, которое может быть интегрировано в существующие и строящиеся немецкие НАПЛ проектов 212 и 214.




В России ситуация с производством современных литиевых аккумуляторов достаточно неопределённая.

Компания «Лиотех», дочернее общество «РОСНАНО», осуществляет производство аккумуляторов, выполненных по литий-железо-фосфатной технологии (LiFePO4). Данные аккумуляторы обладают определёнными преимуществами, в частности высокой безопасностью использования, возможностью безопасной быстрой зарядки и безопасного разряда высокими токами. В то же время ёмкость LiFePO4 существенно (примерно в два раза) уступает литиевым аккумуляторам, выполненным по литий кобальтовой или иным технологиям. Несколько раз в СМИ появлялась информация о банкротстве компании, однако сайт предприятия на текущий момент функционирует.




В 2015 году «Научный центр «Автономные источники тока» совместно ПАО «Завод автономных источников тока» сообщали об открытии производства полного цикла литий-ионных аккумуляторов. Однако на текущий момент информация о масштабах производства и степени локализации отсутствует.

Технологии как LiFePO4 аккумуляторов, так и других типов литиевых аккумуляторов будут развиваться, и их реализация в России, а также возможность применения в качестве источника энергии для НАПЛ, заслуживают пристального изучения профильными организациями.

Современные российские ЯЭУ

Отсутствие рабочей отечественной ВНЭУ и решений на базе высокоэффективных литиевых аккумуляторов, в сочетании с высокой стоимостью и задержками строительства многоцелевых АПЛ, могут вынудить российский ВМФ вернуться к концепции оснащения ДЭПЛ ЯЭУ малой мощности. В настоящий момент в мире, под влиянием «зелёных», наблюдается отход от ядерной энергетики. Россия же в ближайшей перспективе не планирует отказываться от «мирного атома», активно ведёт разработки в этом направлении, и скорее всего является «первой среди равных» в области ядерной энергетики.

Одним из примеров появления прорывных технологий у российских атомщиков являются примеры создания малогабаритной ЯЭУ для беспилотного подводного аппарата (БПА) «Посейдон» и ядерного ракетного двигателя для крылатой ракеты «Буревестник» с неограниченной дальностью полёта.




Достоверные данные о ЯЭУ БПА «Посейдон» отсутствуют. Предположительно это может быть реактор с жидкометаллическим теплоносителем мощностью порядка 8-10 МВт, на основе разрабатываемого Научно-исследовательским технологическим институтом имени А.П. Александрова (НИТИ) проекта АМБ-8, с бесшумными магнитогидродинамическими насосами охлаждения первого контура.

Учитывая специфику применения БПА «Посейдон», его ЯЭУ может иметь ограниченный срок службы, продолжительностью несколько тысяч часов, что не позволит напрямую заимствовать её для перспективных ПЛ, но оставляет в качестве источника технологических решений.

Под вопросом находится наличие радиационной защиты на ЯЭУ в БПА «Посейдон». С одной стороны, отсутствие экипажа не требует полноценной радиационной защиты, возможна лишь т.н. «теневая» защита отсеков с чувствительными приборами. С другой стороны, отсутствие радиационной защиты может усложнить эксплуатацию БПА «Посейдон» — установку/снятие с носителя, проведение технического обслуживания даже несмотря на то, что его реактор по умолчанию «заглушен».

И в СССР, и в России реакторы с жидкометаллическим теплоносителем разрабатывались весьма активно, вплоть до серийного применения на подводных лодках проекта 705 «Лира», обладающих сколь выдающимися техническими характеристиками, столь же и обширным набором неразрешимых проблем. Вполне вероятно, что и «жидкометаллическая» (предположительно) ЯЭУ БПА «Посейдон» эффективна лишь в рамках решаемой задачи и не может быть адаптирована для длительной безаварийной эксплуатации.




Если ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем и с длительным циклом автономной безаварийной работы реализовать невозможно, то может быть рассмотрен вариант создания ЯЭУ малой мощности на базе реакторов, разрабатываемых в том самом «НИКИЭТ», где ранее проектировалось «яйцо Доллежаля».

Из статьи заместителя директора — генерального конструктора по гражданским объектам АО «НИКИЭТ» А.О. Пименова:



В частности, минимальными габаритами и высокой автономностью должны обладать атомные станции малой мощности (АСММ) «Витязь», «Шельф» и «АТГОР». Они проектируются в капсулированном исполнении, что дает повышение уровня безопасности АСММ. Блочная транспортабельная интегральная энергоустановка «Витязь», на базе водо-водяного реактора с водой под давлением, электрической мощностью 1 МВт и тепловой мощностью 6 МВт, весом не более 60 тонн. Кампания активной зоны составляет 40 000 часов, периодичность перезагрузки – шесть лет, охлаждение воздушное, с механической прокачкой воздуха.




В диапазоне мощности от 1 до 10 МВт предлагается проект АСММ «Шельф» и перспективный проект «АТГОР» на базе газоохлаждаемого реактора малой мощности с открытым циклом. Передвижная установка "АТГОР" на автомобильном полуприцепе способна выдавать 3,5 МВт тепловой и 0,4-1,2 МВт электрической мощности. Срок службы составляет 60 лет, перезагрузка ядерного топлива производится один раз в десять лет.




АСММ «Шельф» является основной разработкой «НИКИЭТ», может поставляться в виде готовой к эксплуатации энергокапсулы и предназначена для энергоснабжения технических средств, работающих на нефтегазовых месторождениях, в том числе удаленных на значительное расстояние от берега и имеющих круглогодичный цикл работы в течение 25-30 лет. АСММ «Шельф» включает двухконтурную атомную реакторную установку с водо-водяным интегральным реактором тепловой мощностью 28 МВт, турбогенераторную установку, обеспечивающую выработку электроэнергии мощностью 6 МВт и систему автоматизированного и дистанционного управления, контроля и защиты техническими средствами установки.

Срок службы АСММ «Шельф» составляет 60 лет, кампания активной зоны 40 000 часов, периодичность перегрузки шесть лет. Вес транспортируемого модуля составляет 375 т. Реактор находится под защитой страховочного корпуса, который при авариях с потерей теплоносителя обеспечивает 72 часа на принятие решения о дальнейших действиях. Турбогенератор доступен для ремонта. От воздействия внешних факторов все элементы АСММ «Шельф» закрыты защитной оболочкой.




Таким образом, можно предположить, что наработки российских атомщиков вполне позволяют создать компактную автономную ЯЭУ электрической мощностью 1-6 МВт со сроком работы до десяти (а возможно и более) лет между перезагрузками активной зоны реактора. Если же компактная ЯЭУ может быть создана на основе реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, то её характеристики могут быть ещё более впечатляющими. Размещение реактора в изолированной капсуле позволит максимально изолировать его от корпуса ПЛ и не допустить существенного повышения шумности по сравнению с НАПЛ/ДЭПЛ.

НАПЛ или ДЭПЛ со вспомогательной ядерной энергетической установкой?

Прежде всего надо сказать о том, что заявления «нам не нужны НАПЛ, вполне достаточно обычных ДЭПЛ» не выдерживают никакой критики, и относятся к попытке самоуспокоения – «раз у нас не получается, то значит нам и не надо». Время классических ДЭПЛ подходит концу, их экспортный потенциал будет стремительно снижаться отнюдь не из-за «моды» на НАПЛ, а из-за того, что необходимость частого всплытия для подзарядки аккумуляторных батарей гибельна для подводной лодки. С учётом стремительного увеличения количества беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), разрабатывающихся в том числе в интересах ВМС, всплывшая на перископную глубину и заряжающая аккумуляторы ДЭПЛ, с высокой вероятностью будет обнаружена РЛС или тепловизором БПЛА и уничтожена.

Нужны ли ВМФ России ДЭПЛ со вспомогательной ядерной энергетической установкой, или лучше сосредоточиться на разработке ВНЭУ и современных аккумуляторов для НАПЛ? Ответ на это вопрос требует получения ответов на несколько других вопросов:

1. Насколько удачным и дорогим (недорогим) получится АПЛ проекта «Хаски» и сколько будет стоить ДЭПЛ с вспомогательной ЯЭУ?

2. Способна ли промышленность РФ в разумные сроки и по приемлемой стоимости создать ВНЭУ или выпускать современные аккумуляторы, применение которых на отечественных НАПЛ позволит им конкурировать с лучшими мировыми аналогами?

По пункту 1. В случае, если по каким-либо причинам АПЛ проекта «Хаски» окажутся дороги и их постройка будет занимать длительное время, а ДЭПЛ с вспомогательной ЯЭУ окажутся существенно дешевле, пусть и за счёт более скромных характеристик, и проще в постройке, то такой проект вполне может быть рассмотрен и реализован для обеспечения ВМФ достаточным количеством подводных лодок.

Стоимость МЦАПЛ проекта 885/885М составляет от 30 до 47 млрд. руб. (от 1 до 1,5 млрд. долларов), стоимость РПКСН проекта 955/955А составляет порядка 23 млрд. руб. (0,7 млрд. долларов). Экспортная стоимость ДЭПЛ проекта 636 составляет 300 млн. долларов, соответственно их стоимость для российского ВМФ должна быть порядка 150-200 млн. долларов. Даже если их стоимость, в случае оснащения вспомогательной ЯЭУ, вырастет в два раза, то и в этом случае стоимость ДЭПЛ с ЯЭУ будет в три-четыре раза меньше стоимость МЦАПЛ проекта 885/885М. Это вовсе не означает, что необходимо отказаться от «настоящих» атомоходов в пользу ДЭПЛ с ЯЭУ, но то, что их существование во флоте может быть вполне рентабельно, подтверждает.

По пункту 2. Проблему ВНЭУ и аккумуляторов увеличенной ёмкости так или иначе придётся решать, как минимум для обеспечения судостроительной отрасли экспортными заказами. Если сроки создания ВНЭУ и аккумуляторов увеличенной ёмкости будут затягиваться, а их полученные характеристики и стоимость не будут удовлетворять требованиям ВМФ России, то проект ДЭПЛ с вспомогательной ЯЭУ может быть востребован, в обратном случае его целесообразность может быть поставлена под вопрос.

Возможна ли врезка отсека с ЯЭУ в существующие проекты 636 или 677? Проект 636 слишком стар для того, чтобы реализовывать на нём столь радикальные нововведения как вспомогательная ЯЭУ. Возможность врезки вспомогательной ЯЭУ в ПЛ проекта 677 могут оценить только разработчики данной ПЛ, совместно с разработчиками ЯЭУ. Судьба проекта 677 и так находится в подвешенном состоянии, по некоторым данным как раз из-за проблем с силовой установкой. В этом случае проработка установки вспомогательной ЯЭУ может как реанимировать, так и окончательно похоронить проект 677.

Ещё меньше информации имеется о проекте российской НАПЛ пятого поколения «Калина». В отрывочных сведениях содержится информация о разработке нескольких версий, как с ВНЭУ, так и с аккумуляторами увеличенной ёмкости. Является ли эта информация достоверной, или является благим пожеланием, остаётся только гадать, соответственно нет и смысла строить домыслы о возможности применения вспомогательной ЯЭУ на ПЛ проекта «Калина».

Таким образом, необходимость разработки ДЭПЛ с вспомогательной ЯЭУ для российского ВМФ можно увязать с соотношением следующих основных факторов: стоимостью и сроком строительства перспективных АПЛ проекта «Хаски» и стоимостью и сроком создания НАПЛ с ВНЭУ или аккумуляторами увеличенной ёмкости.

С другой стороны, прогресс в создании малогабаритных ЯЭУ может привести к тому, что они будут развиваться независимо от успехов в создании ВНЭУ или аккумуляторов увеличенной ёмкости и будут реализованы и востребованы в рамках единого проекта перспективной ПЛ.