СУДОСТРОЕНИЕ 4'2015
ПРИНЦИПЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ О СОЗДАНИИ НАЗЕМНОГО СТЕНДА-ПРОТОТИПА ТРАНСПОРТНОЙ ЯДЕРНОЙ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ
С. М. Бор, докт. техн. наук, В. А. Фролов, канд. техн. наук, П. А. Федотов, канд. техн. наук, И. Ю. Констанденко (АО «ЦКБ МТ «Рубин», e-mail: neptun@ckb-rubin.ru) удк 621.039.5:629.5.018
Отечественный и зарубежный опыт создания судовых ядерных энергетических установок (ЯЭУ) показывает, что сначала проходят отработку прототипы ЯЭУ на наземных стендах, а после завершения работ на стендах проводят испытания элементов перспективных или усовершенствованных ЯЭУ (активные зоны, системы, отдельное оборудование, материалы). Исследования на наземном стенде продолжаются в течение всего жизненного цикла серии прототипа судовой ЯЭУ — от создания до вывода из эксплуатации.
Корабельные ЯЭУ зарубежных стран проходят всестороннюю отработку на наземных стендах-прототипах. Так, стенды, расположенные в Великобритании, Франции и США, функционируют и в настоящее время.
В России не всегда созданию транспортной ядерной реакторной установки предшествовала разработка и строительство наземного стенда-прототипа. Так, например строительство II поколения атомных подводных лодок (АПЛ) проходило без таких стендов, что было связано с дефицитом времени для обеспечения стратегических и тактических задач, стоявших перед ВМФ в период противостояния СССР и агрессивных империалистических блоков. Результатом отсутствия наземного стенда явилось множественное число отказов в первые годы эксплуатации, включая межконтурные течи, течи стоек крышек реакторов, зависание и обрыв стержней автоматического регулирования и аварийной защиты, выходы из строя циркулярных насосов первого контура, заклинивания компенситующих групп.
Созданию АПЛ I и III поколений предшествовала разработка наземных стендов-прототипов, благодаря которым получены уникальные экспериментальные данные, на основании анализа которых были введены различные улучшения в паропроизводящих установках для обеспечения надежности и безопасности, в том числе и для АПЛ IV поколений.
От поколения к поколению изменялись тактические свойства АПЛ, которые выявляли необходимость принятия новых конструктивных решений по увеличению номинальной мощности реакторных установок, повышению их надежности и безопасности при сохранении приемлемых габаритных характеристик главной энергетической установки, а также по обеспечению необходимой скрытности АПЛ при возрастающих харак-
теристиках средств обнаружения и поражения у противоборствующей стороны.
Анализ опыта создания I, II, III и IV поколений АПЛ показывает, что внутри каждого поколения существовала и существует как внутрипроектная, так и межпроектная унификация всех основных составных частей ЯЭУ с водо-водяными реакторами, основного оборудования и их элементов. Очевидно, что аналогичный подход должен применяться и в отношении создания ЯЭУ перспективных АПЛ.
Для обеспечения разработки перспективной ЯЭУ необходимо учитывать:
1. Создание наземного стенда позволит:
— осуществлять отработку технических решений с помощью средств сбора и обработки информации до создания транспортной установки;
— оценить заложенные показатели надежности;
— совершенствовать методики расчета, программные продукты и т.д.;
— снизить затраты на эксплуатацию транспортных ядерных установок в связи с уменьшением количества отказов ЯЭУ;
— снизить затраты на проектирование и изготовление серийных установок;
— осуществлять реализацию всех этапов жизненного цикла транспортной установки с опережением по времени;
— выполнять работы по совершенствованию эксплуатируемой реакторной установки;
— осуществлять модернизацию наземного стенда для получения информации, используемой при создании перспективных установок;
— снизить стоимость разработки ЯЭУ последующих поколений;
— использовать наземный стенд для обучения обслуживающео персонала (личного состава).
2. К недостаткам, связанным с созданием наземного стенда, относятся:
— большие капитальные затраты;
— большие затраты на эксплуатацию, возрастающие по мере увеличения срока эксплуатации;
— ограниченные возможности наземного стенда из-за отличий новых технических решений от серийных;
— снижение эффективности после начала эксплуатации транспортных установок;
судовые эн«тш«сш УСТАНОВКИ судостю«™« ^
— повышенные затраты на обеспечение ядерной и радиационной безопасности.
Таким образом, вопрос о создании наземного стенда можно рассматривать как задачу принятия решений, заключающуюся в выборе следующих вариантов: создавать транспортную ЯЭУ без (вариант 1) или со строительством наземного стенда (вариант 2).
Каждый вариант характеризуется вектором показателей качества К1 (без строительства наземного стенда) и К2 (со строительством наземного стенда).
К1 = {х11,х12,-х1п}; К2 = {х21,х22,"х2п}<
где х1; — показатели качества варианта без строительства наземного стенда; х2/ — показатели качества варианта со строительством наземного стенда; / = 1, 2, 3,.., п — номер показателя качества.
Выбор предпочтительного варианта является задачей многокритериальной оптимизации, для решения которой наиболее широко используется сведение сравниваемых векторов к скалярным величинам (с использованием различного рода сверток) [1], [2], [3]. Определение номенклатуры показателей качества является сложной задачей, которая решается методом экспертных оценок [4], [5].
В общем случае все показатели качества рассматриваемых вариантов могут быть разделены на три группы: показатели назначения, эффективности и экономические показатели.
Показатели назначения сравниваемых вариантов должны быть одинаковы. В качестве такого показателя принимается обоснованность решения о создании ЯЭУ, вырабатываемая в ходе опытно-конструкторских работ (ОКР).
В качестве показателей эффективности может приниматься подтверждение основных групп показателей эффективности транспортной реакторной установки (численное значение подтверждения может оцениваться в виде вероятности или баллов), а именно: акустических характеристик, надежности, безопасности, живучести, массогабаритных характеристик, экологичности.
В качестве экономических характеристик можно рассматривать приведенные затраты за весь жизненный цикл транспортной установки, включая затраты на проектирова-
ние, ОКР, изготовление, эксплуатацию и утилизацию.
Комплексные показатели эффективности могут быть представлены в виде взвешенных аддитивных сверток:
Мз
= X С;Х
/=1
1/, К2Э = Х
■¡л 2/'
(1)
/=1
К
: К1Э/С
пр
; К2и = К2Э/С2пр . (2)
Для варианта транспортной ядерной установки создаваемой с наземным стендом приведенная стоимость С2пр без учета дисконтирования затрат будет равна:
С2про + С2окр + Сст С2экс С2ут , ,
V т +1 р + Ь С2из + — + ~7,(4) т + 1 т + I т +1
где К^, К23 — комплексные показатели эффективности вариантов К1 и К2 соответственно; Х1 — оотно-сительные значения показателей эффективности варианта К1; Х2/ — относительные значения показателей эффективности варианта К2; С/ — весовые коэффициенты.
Для принятия решения о предпочтительном варианте используем интегральные критерии, которые представляют собой отношение комплексных показателей эффективности к приведенным затратам.
где Спро — затраты на проектирование; Сокр — затраты на ОКР; Сиз — затраты на изготовление; Сэкс — затраты на эксплуатацию; Сут — затраты на утилизацию; Сст — затраты на стенд; ^ — коэффициент уменьшения затарт; т — число установок в серии.
Индекс «1» относится к варианту без наземного стенда, индекс «2» относится к варианту с наземным стендом.
Коэффициент уменьшения затрат ^ учитывает зависимость стоимости от объема серии и имеет следующий вид:
где <1и, 1<2и — интегральные критерии эффективности вариантов К1 и К2 соответственно; С1 — приведенные затраты для варианта 1; С2пр — приведенные затраты для варианта 2.
Рассмотрим подход к определению эффективности рассматриваемых альтернатив.
Акустические характеристики определяются энергией, излучаемой работающими механизмами и движущимися по трубопроводам средами. Надежность — комплексное свойство, включающее единичные показатели: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. В качестве показателей безопасности могут быть приняты известные показатели, используемые при разработке технического проекта. Живучесть определяется стойкостью к аварийным воздействиям. Массогабаритные характеристики определяются при проектировании и уточняются при изготовлении.
Как уже отмечалось, для выявления интегрального критерия необходимо определить приведенную стоимость.
Для варианта транспортной ядерной установки, создаваемой без наземного стенда, приведенная стоимость С1пр без учета дисконтирования затрат будет равна:
С1про+ С1окр С1экс С1ут , ,
С1пр = —-^ к1С1из + — + —, (3)
к1 = X
¡=1
/ -0,25
/т,
(5)
где / — номер установки в серии.
Определение величин показателей качества и затрат требует большого объема информации о том, как влияет наличие наземного стенда на показатели эффективности и экономические характеристики. В настоящее время этой информации недостаточно и возможны только качественные оценки.
Наличие стенда позволяет повысить радиационную безопасность, поскольку дает возможность проверить соответствие радиационных доз требуемым значениям.
На стенде могут быть экспериментально определены эксплуатационные характеристики ЯЭУ (коэффициент использования мощности, коэффициент использования времени и т.д.), а также отработаны режимы и варианты использования ЯЭУ. Эксплуатационные характеристики ЯЭУ, режимы и варианты ее использования должны основываться на результатах исследования совокупного положительного опыта эксплуатации ЯЭУ СССР и России.
Что касается ядерной безопасности, то ее проверка на стенде связана в основном с подтверждением работоспособности систем, совмещающих штатные функции с функциями обеспечения безопасности.
Данные по акустическим характеристикам, полученным по результатам испытаний, могут быть исполь-
п
п
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2015
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Показатели качества альтернативных вариантов
Альтернативные
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.