Сразу после завершения разработок атомных энергетических установок второго поколения для подводного флота СССР была организована разработка ППУ под перспективные АПЛ, рассматриваемые как корабли третьего поколения. На основании проработок головного института ВМФ были выдвинуты основные требования к новым установкам, из которых исходили проектанты при создании облика установок и исполнения главного оборудования.
Проектирование и строительство АПЛ третьего поколения потребовало создания таких корабельных атомных энергетических установок (АЭУ), которые по своим качественным показателям существенно превосходили бы корабельные АЭУ второго поколения. В частности, для создания установок третьего поколения была поставлена задача повышения их мощности более чем в 2 раза по сравнению с предшествующими, но без существенного изменения массы и габаритов. При этом требовалось обеспечить более высокую по сравнению с установками второго поколения безопасность, надежность, ремонтоспособность, акустическую скрытность, маневренность. Эта задача осложнялась тем, что планировалось создать одну унифицированную паропроизводящую установку (ППУ) для различных классов АПЛ третьего поколения.
Для решения всех этих проблем разработка ППУ осуществлялась на конкурсных началах. В конкурсе принимали участие ОКБМ, НИКИЭТ, ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, а также конструкторское бюро Ижорского завода.
В результате рассмотрения выполненных к 1965 году проектов научно-технический совет 1-го ЦНИИ МО с участием всех заинтересованных предприятий, а затем и НТС МСМ рекомендовали для дальнейшей разработки установку ОК-650Б, предложенную Особым конструкторским бюро машиностроения (ОКБМ). Тем самым сбылась мечта И.И. Африкантова о разработке всего оборудования транспортных ППУ в ОКБМ. Над созданием установки трудился большой коллектив высококвалифицированных сотрудников под руководством Ф.М. Митенкова.
Реакторная установка третьего поколения принципиально отличалась по компоновке. Это было связано с тем, что перед конструкторами стояла задача сокращения времени монтажа установки на судостроительном заводе, которая решалась за счет укрупненной сборки узлов и агрегатов на машиностроительных заводах.
Проблема обеспечения высокой компактности установки была решена путем значительного повышения энергонапряженности активной зоны. Кроме того, была повышена энергонапряженность парогенератора, а также предусмотрено агрегатирование основного оборудования. Благодаря указанным техническим решениям удалось создать установку, парогенерирующий блок которой мог транспортироваться по железной дороге. Это позволяло изготавливать весь блок, включающий корпус реактора, парогенераторы, насосы и фильтры очистки первого контура, на машиностроительном заводе и тем самым повысить качество изготовления ответственных элементов ППУ. Для повышения надежности и безопасности установка ОК-650Б была выполнена с обеспечением достаточно высокого уровня естественной циркуляции теплоносителя первого контура. Это достигалось за счет размещения парогенераторов выше активной зоны, а также значительного уменьшения гидравлического сопротивления первого контура, для чего в ОКБМ был разработан парогенератор с движением теплоносителя первого контура в межтрубном пространстве. Обеспечение естественной циркуляции теплоносителя первого контура позволяло не только осуществлять расхолаживание с использованием системы безбатарейного расхолаживания, но и работать на ходовых режимах без насосов первого контура при мощностях примерно до 30 % от номинальной. Последнее дало возможность уменьшить число насосов первого контура до двух, что в определенной мере компенсировало увеличение габаритов ядерной реакторной установки, вызванное необходимостью естественной циркуляции.
На ОК-650 существенно изменилась система управления и защиты реактора. Внедрение импульсной аппаратуры позволило контролировать его состояние при любом уровне мощности, в том числе и в подкритическом состоянии. На компенсирующие органы был установлен механизм «самохода», который при исчезновении электропитания обеспечивал опускание решеток на нижние концевики. При этом происходило полное «глушение» реактора даже при опрокидывании корабля.
С самого начала было решено, что первый образец ядерной установки обязательно должен быть отработан на наземном полномасштабном стенде. В 1965 году было утверждено техническое задание на сооружение стенда КВ-1, которому был присвоен индекс ОК-650БК, в создаваемой Государственной испытательной станции (филиал ИАЭ, НИТИ, г. Сосновый Бор).
Параллельно с сооружением стенда КВ-1 по заданиям проектантов АПЛ конструкторы разрабатывали модификации проекта ОК-650 с привязкой их к конкретным судам. Для АПЛ проекта 945 «Барракуда» (проектное бюро «Лазурит») предназначалась ППУ ОК-650А с одной реакторной установкой. Для АПЛ проекта 971 «Щука-Б» (проектное бюро «Малахит») предназначалась ППУ ОК-650Б с одной реакторной установкой. Для АПЛ проекта 685 «Плавник» (проектное бюро «Рубин») предназначалась ППУ ОК-650Б-3 с одной реакторной установкой. Для АПЛ проекта 941 «Акула» (проектное бюро «Рубин») предназначалась ППУ ОК-650ВВ с двумя реакторными установками. Для АПЛ проекта 949 «Гранит» (проектное бюро «Рубин») предназначалась ППУ-650Б с двумя реакторными установками, а для АПЛ проекта 949А «Антей» – ОК-650В с двумя реакторными установками.
Доработанный унифицированный под все проекты АПЛ третьего поколения технический проект ППУ типа ОК-650 на мощность на винтах до 50 тыс. л.с. был утвержден в 1967 году. Тепловая мощность ППУ ОК-650 составляла 190 МВт.
В качестве топлива использовался уран обогащением 21-45 %. На третьем поколении АЭУ было применено профилирование активной зоны ядерным топливом и выгорающим поглотителем. Для ППУ ОК-650 были созданы крестообразные твэлы, имевшие целый ряд преимуществ. Крестообразная конструкция обеспечивала максимальную площадь обогрева. Кроме того, закрученный профиль твэла позволяет турбулизировать поток теплоносителя, а также использовать принцип самодистанционирования.
В отличие от реакторов предыдущих поколений в технический проект ОКБМ был включен ряд оборудования, проектированием и изготовлением которых ранее занимались предприятия судостроительной промышленности, например, баки железоводной защиты (ЖВЗ). В связи с этим специалистам ОКБМ пришлось осваивать ранее не применявшиеся марки корабельной стали, методы сварки и контроля. Так, три бака ЖВЗ изготавливались из высокопрочной стали толщиной 16-100 мм и отличались обилием сварных соединений. Нижний бак, представляющий собой крупногабаритную сварную конструкцию, наполненную свинцовыми блоками и водой, являлся фундаментом всего агрегата, и устанавливался с помощью специальных опорных плит на фундамент основного корпуса судна.
Изготовление блока ППУ для стенда КВ-1 было закончено в феврале 1974 года и после проведения его контрольной сборки блок был доставлен в г. Сосновый Бор. Монтаж стенда наземного прототипа ППУ ОК-650 завершился в конце 1975 года. В течение следующего года стенд КВ прошел в полном объеме сдаточные испытания, а в последующем и ресурсные испытания энергоустановки с имитацией автономного похода.
В процессе испытаний были не только подтверждены основные характеристики установки, но и выявлена возможность увеличения мощности при работе на естественной циркуляции, а также скорости разогрева теплоносителя первого контура при вводе установки в действие.
В результате впервые в отечественной практике более чем за два года до монтажа ядерной энергетической установки (ЯЭУ) на первой АПЛ нового поколения на стенде была получена важная информация по монтажу ЯЭУ и работе её оборудования и систем, устранены выявленные недостатки, касающиеся например, течи некоторых соединений. Благодаря этому испытания и сдача головных а затем и серийных АПЛ третьего поколения с ППУ ОК-650 проходили практически без задержек.
Последующая эксплуатация стенда КВ-1 выявила отдельные недостатки и недоработки, касающиеся активных зон, системы компенсации давления и системы очистки, которые были впоследствии устранены, а установка в целом была модернизирована в направлении упрощения технологии изготовления и повышения энергонапряженности парогенератора.
Для всех модификаций ППУ были определены следующие сроки вступления в строй головной АПЛ каждого проекта: проект 949 – декабрь 1980 года, проект 941 – ноябрь 1981 года, проект 685 – декабрь 1983 год, проект 945 – сентябрь 1984 года и проект 971 – декабрь 1984 года.
Основным назначением новых АПЛ проекта 949 («Гранит») являлось уничтожение авианосных ударных соединений противника. Головная лодка проекта 949 «Архангельск» (К-525) была заложена на Севмашпредприятии 25 июля 1975 года, спущена на воду 3 мая 1980 года и вступила в строй 24 января 1981 года.
Основным назначением новых АПЛ проекта 941 («Акула») являлся пуск межконтинентальных баллистических ракет с ядерными боеголовками по целям на территории противника. Головная лодка проекта 941 «Дмитрий Донской» (ТК-208, «тяжелый крейсер») была заложена на Севмашпредприятии в июне 1976 года, спуск на воду состоялся 29 сентября 1980 года и вступила в строй 12 декабря 1981 года
Основным назначением новых АПЛ проекта 685 («Плавник») являлся поиск, обнаружение, длительное слежение и уничтожение атомных подводных лодок, борьба с авианосными соединениями, крупными надводными кораблями и транспортами противника. АПЛ проекта 685 позиционировалась как самая глубоководная. Головная лодка проекта 685 «Комсомолец» (К-278) была заложена на Севмашпредприятии 22 апреля 1978 года. Строительство корабля велось блочным методом, каждый готовый блок проходил всесторонние испытания в специальных док-камерах. Спуск на воду состоялся 3 июня 1983 года и вступила в строй 28 декабря 1983 года.
Основным назначением новых АПЛ проекта 945 («Барракуда») являлось слежение за ракетными подводными лодками и авианосными ударными группами потенциального противника, а также гарантированное уничтожение этих целей с началом боевых действий. АПЛ 945-го проекта предназначена для ведения борьбы не только с ракетными подводными лодками противника, но и с надводными кораблями из состава авианосных соединений и ударных группировок. Головная лодка проекта 945 «Краб» (К-276) была заложена в Сормове 20 июля 1979 года, спущена на воду 29 июля 1983 года и вступила в строй 21 сентября 1984 года.
Основным назначением новых многоцелевых АПЛ проекта 971 («Щука-Б») являлись борьба с корабельными группировками и подводными лодками противника, а также проведение спецопераций, минные постановки и разведка. Головная лодка проекта 971 «Акула» (К-284) была заложена в Комсомольске-на-Амуре в 1980 году, спуск на воду состоялся 6 октября 1982 года и вступила в строй 30 декабря 1984 года.
В 1987 году на первых АПЛ с ППУ ОК-650 были выявлены несколько случаев преждевременной разгерметизации твэлов в активных зонах и образования трещин в сварных швах у блоков расхолаживания. Причины этих явлений были достаточно быстро установлены и благодаря принятым срочным мерам устранены.
Опыт эксплуатации кораблей с АЭУ третьего поколения показал, что соблюдение на них принципов самозащищенности реакторных установок и множественности защитных барьеров в основном позволили предотвращать выбросы радиоактивных веществ за пределы реакторного отсека и тем самым ограничить последствия аварий АЭУ и/или корабля для личного состава, населения и окружающей среды. Реализация этих принципов обеспечивалась тщательным проектированием и гарантиями качества изготовления, отработанностью, надежностью и живучестью корабельных систем и оборудования, эффективным функционированием систем диагностирования и контроля их состояния, высоким уровнем подготовки и квалификации личного состава.
