Atomowy lodołamacz "Lenin"

Z lodołamaczem "Lenin" zetknąłem się po raz pierwszy na kartach wydawnictwa "Kto, kiedy, dlaczego", które było moim najwcześniejszym źródłem wiedzy z zakresu atomistyki, czytanym na początku szkoły podstawowej. Z tej samej publikacji pochodziły również informacje o samolocie atomowym, który omówiłem w 2017 r. [LINK]. Postanowiłem więc przybliżyć tą niezwykle zasłużoną i ciekawą jednostkę pływającą.

cyt. za: Kto, kiedy, dlaczego, t. II, wyd. Iskry, Warszawa 1958

Idea zbudowania lodołamacza z napędem atomowym podyktowana była m.in. propagandową potrzebą udowodnienia, że energia jądrowa może mieć również zastosowanie cywilne, pokojowe. Do tej pory bowiem atom miał wyłącznie zastosowanie militarne, w którym prym początkowo wiedli Amerykanie - w ramach Projektu Manhattan (1942-1945) zbudowali 4 bomby jądrowe, z których 2 zostały użyte bojowo w ataku na Hiroszimę i Nagasaki. Wkrótce jednak w 1949 r. ZSRR zdetonował pierwszą własną bombę jądrową. Spowodowało to wieloletni wyścig zbrojeń między blokiem państw komunistycznych a Zachodem, stanowiący jeden z aspektów trwającej od 1947 r. tzw. zimnej wojny. Gdy Amerykanie wynaleźli nowy typ bomby, zwanej wodorową lub termojądrową (1952), ZSRR już po 8 miesiącach opracował własną (1953), a arsenały nuklearne obu państw zaczęły gwałtownie rosnąć. Poszukiwano jednocześnie innych zastosowań dla atomu, szczególnie wobec coraz większej psychozy strachu, napędzanej przez propagandę obu stron.

Kiedy więc w USA w latach 1952-1954 zbudowano atomowy okręt podwodny USS Nautilus, znany z przepłynięcia pod pokrywą lodową bieguna północnego (1958), w ZSRR powstał pomysł budowy lodołamacza o napędzie jądrowym. Użycie takiego napędu w jednostce o przeznaczeniu cywilnym miało bardzo istotną wymowę propagandową, szczególnie wobec silnych w latach 50. tendencji rozbrojeniowych i odprężeniowych. Skutkowały one odtajnieniem w 1955 r. technologii jądrowych i powstaniem atomistyki, czyli dziedziny techniki dotyczącej wykorzystania atomu do celów pokojowych. Powstało wówczas wiele reaktorów badawczych (m.in. EWA w Świerku), jak również pierwsze elektrownie jądrowe: radziecka w Obnińsku (1954) i brytyjska w Calder Hall (1956).

Budowa atomowego lodołamacza miała też, oprócz aspektu propagandowego, niezmiernie istotny wymiar praktyczny. Otóż napęd jądrowy jest szczególnie przydany w przypadku statków pokonujących znaczne odległości w bardzo niesprzyjających warunkach klimatycznych i przy dużym obciążeniu jednostki napędowej, bez możliwości częstego pobierania paliwa. Tradycyjny silnik parowy lub spalinowy pozwalał średnio na miesiąc nieprzerwanej żeglugi - na statkach parowych węgla starczało na 20 dni pływania, zaś ropy na motorowcach na 40 dni. Paliwo jądrowe zaś jest nieporównywalnie bardziej skoncentrowanym źródłem energii w porównaniu do paliw kopalnych:

Przeliczając z imperialnych jednostek miar, 1 pastylka paliwa jądrowego (~1 g) odpowiada 4811 m3 gazu ziemnego lub 454 litrów ropy,
przelicznik na węgiel waha się między 1 a 3 t węgla/1g uranu.

Ta cecha napędu jądrowego dawała statkowi przede wszystkim ogromną autonomiczność, pozwalającą na wielomiesięczne rejsy bez zawijania do portu. Drugą zaletą była możliwość osiągnięcia znacznie większej mocy maszyn, przekładającej się na skuteczność w kruszeniu lodu i utrzymanie prędkości statku pomimo przebijania się przez pokrywę lodową. Liczby mówią same za siebie: rosyjski lodołamacz Jermak (1897-1963), o wyporności 8730 ton i z tradycyjnym napędem parowym o mocy 12000 KM miał zasięg 4400 mil morskich (8148 km), podczas gdy "Lenin" z napędem jądrowym przy mocy 44000 KM i wyporności 15300 ton mógł trzykrotnie opłynąć kulę ziemską (3x40000 km) bez uzupełniania paliwa. Praktycznie nie istniało tu więc ryzyko wyczerpania zapasu paliwa i długotrwałego uwięźnięcia statku w lodzie. Przy napędzie atomowym czas pływania jest praktycznie ograniczony tylko ilością zapasów żywności, odpornością psychiczną załogi i, w dłuższej perspektywie, wytrzymałością kadłuba, narażonego na ścieranie przez lód.

"Lenin" był zaprojektowany tak, by mógł pływać nieprzerwanie przez 6-8 miesięcy, a w przypadku zadań specjalnych nawet 10-12. Umożliwiło to utrzymanie żeglugi przez cały rok na wielu trasach arktycznych, szczególnie na Północnej Drodze Morskiej:

Statek został zaprojektowany w Centralnym Biurze Konstrukcyjnym nr 15 (CKB-15) w latach 1953-1955. Jego budowa rozłożona była na dwa etapy - najpierw powstał kadłub z większością instalacji (1956-1957), a następnie, po zwodowaniu, rozpoczęto montaż siłowni jądrowej (1958-1959).

Na statku pierwotnie zainstalowano trzy reaktory wodno-ciśnieniowe typu OK-150 o mocy 90 MWth każdy, z których jeden stanowił rezerwę. "Lenin" rozwijał pełną moc na dwóch reaktorach, zaś trzeci zainstalowano na wszelki wypadek, aby wydłużyć czas pływania bez uzupełniania paliwa, szczególnie że dodatkowy reaktor nie zwiększył znacznie ciężaru osłony biologicznej.

Na poniższym przekroju pośrodku widzimy przedział reaktorów - 3 reaktory ustawiono obok siebie, widać tylko jeden z częściowym przekrojem zbiornika ciśnieniowego. Po obu stronach reaktorów znajdują się wytwornice pary (pionowe cylindry), całość umieszczono w betonowej osłonie biologicznej. Poza osłoną znajdują się przedziały turbogeneratorów, po 2 jeden nad drugim przed i za przedziałem reaktorów:

http://atomicpowerreview.blogspot.com/2012/01/nuclear-icebreakers-101.html

Sam rdzeń pojedynczego reaktora miał 1,6 m wysokości i 1 m średnicy, a jego stalowy zbiornik ciśnieniowy średnicę 1,8 m i grubość ścianki 14 cm. Jako osłonę przed promieniowaniem zastosowano beton z dodatkiem opiłków metalowych. Całość osłony ważyła 2000 ton i miała grubość 43 cm.

Poniżej widzimy przekrój przedziału reaktorów wraz z betonową osłoną - z lewej znajdują się silniki pomp cyrkulacyjnych, umieszczone w ścianie osłony biologicznej:

https://www.globalsecurity.org/military/world/russia/reactor-ok-150.htm

Reaktor miał wiele rozwiązań charakterystycznych dla pionierskich konstrukcji, niezgodnych z później opracowanymi zasadami bezpieczeństwa. Przykładowo, pojedynczy wlot wody w dnie reaktora w razie uszkodzenia mógł szybko pozbawić reaktor chłodziwa. Wlot ten obsługuje oba wymienniki ciepła za pośrednictwem rozwidlenia o kształcie litery T. Z kolei silniki pomp (nr 3 na rysunku) wystają poza osłonę biologiczną, co zapewnia dostęp do nich bez narażania się na promieniowanie, ale jednocześnie osłabia konstrukcję osłony:

Zwraca też uwagę zastosowanie napędu parowego do wszystkich pomp, co uzależnia ich działanie od ciśnienia pary i utrudnia zastępcze zasilanie w razie awarii. Dla porównania, nieco młodszy amerykański statek pasażerski NS Savannah (1962-1972), miał większość pomp o napędzie elektrycznym, oprócz głównych pomp zasilających.

***

Reaktory zasilane były paliwem w postaci pastylek dwutlenku uranu o średnicy 4,5 mm, wzbogaconego do 5-6,5%. Reaktor środkowy, mający obudowy zestawów paliwowych ze stali nierdzewnej, potrzebował paliwa wzbogaconego do 6,5%, zaś pozostałe dwa miały obudowy ze stopu cyrkonu i pracowały na paliwie o wzbogaceniu 5%. Zastosowanie stopu cyrkonu w elementach konstrukcyjnych strefy aktywnej zmniejszyło 1,5-krotnie zużycie paliwa jądrowego, zaś użycie specjalnych pochłaniaczy nadmiaru neutronów (burnable absorbers) pozwoliło kompensować początkowy nadmiar reaktywności reaktora załadowanego świeżym paliwem i wydłużyć kampanię paliwową do 200 dni.

Całkowity ładunek reaktora wynosił 75-85 kg i umieszony był w 219 zestawach paliwowych po 36 prętów każdy, czyli łącznie 7704 pręty paliwowe. Chłodziwem i moderatorem była woda destylowana pod ciśnieniem 160 atm. Reaktory typu wodno-ciśnieniowego (PWR, pressurized water reactor) mają dwa obiegi wody. Woda z obiegu pierwotnego, stanowiąca również moderator (spowalniacz) neutronów, oddaje ciepło wodzie obiegu wtórnego, która zamienia się w parę, napędzającą turbogenerator wytwarzający prąd dla silników i innych instalacji statku. Taki układ zapewnia rozdzielenie wody mającej bezpośredni kontakt ze strefą aktywną reaktora od wody, która napędza turbogeneratory.

https://alchetron.com/Nuclear-marine-propulsion

Odróżnia to reaktor wodno-ciśnieniowy (PWR) od wodno-wrzącego (BWR, boiling water reactor), w którym para wodna powstaje bezpośrednio w strefie aktywnej reaktora i z niej jest kierowana do turbogeneratorów. Upraszcza to konstrukcję (jeden obieg zamiast dwóch), jednak kosztem kontaktu turbin bezpośrednio z radioaktywną parą pochodzącą prosto z reaktora.

***

Zainstalowane reaktory doznały szeregu awarii:

W lutym 1965 r. podczas planowanego remontu głównych pomp obiegu pierwotnego reaktora nr 2, z powodu błędu operatora, na krótko zatrzymano obieg wody przez rdzeń, co doprowadziło do przegrzania rdzenia. Stopieniu uległo 124 zestawów paliwowych, które utknęły w rdzeniu. Wymontowano je w całości wraz z prętami kontrolnymi i innymi elementami, w całości i umieszczono w specjalnym pojemniku, gdzie zostały zestalone. Po dwóch latach przechowywania na brzegu, gdy radioaktywność odpadów zmniejszyła się, zatopiono je w Zatoce Cywolki k. Nowej Ziemi. Pozostałe paliwo wyładowano na statek obsługi okrętów jądrowych "Lepse". W wyniku wypadku 30 osób zmarło w wyniku przyjęcia nadmiernej dawki promieniowania.
w 1965 r. podczas rejsu nastąpiło rozszczelnienie w jednej z wytwornic pary reaktora nr 3 - wyciek nastąpił z obiegu pierwotnego do wtórnego. Awaria miała miejsce po 3000 godzin pracy. Do końca rejsu uszkodzona wytwornica mogła dostarczać tylko połowę mocy.
1966 - pożar w sterowni podczas spawania
latem 1966 lub w 1967 r. wkrótce po załadunku paliwa nastąpił wyciek w samym zbiorniku ciśnieniowym reaktora. Aby go zlokalizować, przebijano się przez osłonę biologiczną za pomocą młotów. Gdy ustalono miejsce wycieku, okazało się, że uszkodzenia dokonane podczas przebijania osłony są niemożliwe do naprawienia. Przyspieszyło to decyzję o wymianie reaktorów. Dokonano jej, płynąc nad miejsce zatapiania odpadów radioaktywnych w Zatoce Cywolki, a następnie wycinając otwór w dnie kadłuba za pomocą ładunków kumulacyjnych. Ładunki takie, używane głównie w pociskach przeciwpancernych, mają silnie kierunkowe działanie i przy odpowiednim uformowaniu mogą wyciąć wąski pas w metalu, bez naruszania sąsiadującego materiału.

Źródło

Po tych incydentach na lodołamaczu zamontowano dwa nowsze reaktory OK-900A. Pracowały one na paliwie wzbogaconym do 90% (150,7 kg) i generowały moc 170 MWth każdy. Wymiana reaktorów oraz współpracujących systemów pozwoliła obniżyć koszt energii o 50% i zmniejszyć załogę o 30%. Źródła nie podają incydentów z udziałem nowych reaktorów, co oczywiście nie pozwala wykluczyć takich zdarzeń. O awariach poprzednich reaktorów, podobnie zresztą jak o innych wypadkach jądrowych, szersza opinia dowiedziała się dopiero po upadku ZSRR.

***

Lodołamacz pracował do 1989 r., pokonując 654000 mil morskich, z czego 563600 w lodzie. Był w stanie pokonywać pokrywę lodową do 2,5 m grubości, utrzymując przy tym prędkość 2 węzłów (3,7 km/h).

"Lenin" został wycofany ze służby kiedy stopień zużycia kadłuba z powodu tarcia o lód był już znaczny i uniemożliwiał dalszą bezpieczną eksploatację. Rok później ze statku wyładowano paliwo jądrowe. Wycofanej jednostce groziło złomowanie, jednak protesty opinii publicznej, w tym wielu naukowców spowodowały, że ten pierwszy w historii cywilny statek z napędem jądrowym został przekształcony w muzeum. Przystosowany do zwiedzania lodołamacz jest zacumowany w Murmańsku. W 2018 r. "Lenin" uzyskał status zabytku kultury o znaczeniu federalnym.