И в США, и в СССР на ранней стадии рассматривались два варианта реакторов для атомных подводных лодок: водо-водяной и с жидкометаллическим теплоносителем. В варианте с жидкометаллическим теплоносителем в обоих странах были построены опытные стенды и по одной подводной лодке. Только в СССР, несмотря на возникающие проблемы, подобные АПЛ получили право на жизнь, а в США этот проект в 1957 году был закрыт окончательно и бесповоротно.
Идея использования в атомной подводной лодке реактора с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ) возникла в сентябре 1952 года, когда по решению правительства СССР началось проектирование первой отечественной атомной подлодки. Предложение об использовании реактора с ЖМТ было выдвинуто А.И. Лейпунским в его письме в Первое Главное управление, отправленном в том же сентябре. Целесообразность развития этого направления, по его мнению, заключалась в возможности получения пара более высокой температуры.
Работы начались с выходом 22 октября 1955 года Постановления «О начале работ по созданию ПЛА проекта 645». Головной корабль проекта, который в итоге станет единственным представителем класса, предназначался для борьбы с надводными кораблями и транспортными судами противника при действиях на океанских и удаленных морских театрах.
За основу проекта АПЛ, вести который было поручено СКБ-143, был взят проект первой атомной подводной лодки К-3, поэтому предэскизный и эскизный проекты не разрабатывались. Осенью 1956 года технический проект АПЛ был готов. Несмотря на то, что изначально ставилась задача создать аналог АПЛ К-3 с водо-водяным реактором, между этими двумя лодками появились кардинальные отличия. Тяжёлые ядерные реакторы были смещены ближе к носу корабля, что позволило улучшить его дифферентовку. Это решение было обусловлено во многом ошибочным мнением о безопасности этого типа реакторов и повлекло за собой ухудшение условий обеспечения радиационной безопасности центрального отсека.
Разработчиками силовой установки стали ОКБ «Гидропресс» при научном руководстве Лаборатории «В» (ФЭИ, А.И. Лейпунский), в 1959 году к проекту подключилось ОКБМ. Техническое задание на проектирование реактора для паропроизводящей установки (ППУ) с жидкометаллическим теплоносителем, разработанное Лабораторией «В», было выдано в ОКБМ 20 февраля 1959 года. Техническим заданием предусматривалось несколько вариантов реактора: с эвтектическим сплавом свинец-висмут, с жидким литием, для одно- или двухреакторной паропроизводящей установки (ППУ). В дальнейшем, учитывая, что литий, как теплоноситель, был менее изучен, было принято решение проектные проработки ППУ вести только со сплавом свинец-висмут и в двухреакторном исполнении (индекс ОК-250). В пользу сплава свинец-висмут также были низкая температура плавления (123 град.), высокая температура кипения (1670 град.), низкая активность при контакте с воздухом или водой, а также исключение возможности образования водорода при любых авариях.
Реализация установки с ЖМТ свинец-висмут по целому ряду ее особенностей оказалась значительно более сложной в отработке и потребовала решения таких проблем, как:
– обеспечение надежной работы активных зон при значительно более высоких температурах (до 500-600°С);
– обеспечение надлежащего качества сплава, названного в документации «технологией тяжелого теплоносителя»;
– обеспечение поддержания сплава в горячем состоянии как корабельными, так и базовыми средствами, что потребовало создания в базах специальной инфраструктуры.
Сложной оказалась и проблема обеспечения надежной работы парогенераторов с многократной принудительной циркуляцией, которые были приняты в этой установке, хотя по условиям гидродинамики в связи с наличием сепараторов во втором контуре проблема надежности трубных систем, казалось бы, должна была решаться проще, чем в прямоточных генераторах.
Очень трудно решались проблемы уплотнений насосов первого контура. Разветвленность первого контура породила и проблему «подмораживания» сплава на отдельных участках, что потребовало принятия специальных мер конструктивного плана, а также привело к значительному усложнению эксплуатации установки.
Для решения этих и других проблем в отрасли была создана мощная экспериментальная база, десятки крупных и небольших стендов, реакторные петли и, наконец, в январе 1959 года в ФЭИ был введен в эксплуатацию полномасштабный стенд-прототип реакторной установки 27/ВТ. Его эксплуатация выявила две важнейшие проблемы.
Так, первая кампания эксплуатации стенда завершилась вполне успешно, однако разборка активной зоны после второй кампании показала наличие большого количества шлаков. Этот факт показал недооценку научным руководителем и проектировщиками важности решения проблемы теплоносителя, вследствие чего начались систематические научные исследования в этой области.
Вторая проблема заключалась в «подмораживании» теплоносителя на отдельных участках свинцово-висмутового контура, в частности, первый пуск стенда начался с «подмораживания» активной зоны. Для её решения также был запущен ряд НИР.
Еще одну опасность представлял высокорадиоактивный полоний, образующий в активной зоне. На стенде 27/ВТ в 60-х годах произошло несколько аварий с проливом радиоактивного теплоносителя, что потребовало отработки мероприятий и средств защиты персонала от полония, которые в дальнейшем были перенесены и на подводную лодку.
Разработка рабочих чертежей подводной лодки началась в 1956 году и велась в течение 1957 года. По их готовности в 1958 году была составлена вся техническая документация проекта, получившего индекс 645 (645 ЖМТ). Проект предусматривал, что главная энергетическая установка (ГЭУ) АПЛ проекта 645 мощностью 35 тыс. л.с. состоит из двухреакторной паропроизводящей установки (ППУ) и двухвальной паротурбинной установки. В состав ГЭУ входят два ядерных реактора ВТ-1 с жидкометаллическим теплоносителем суммарной мощностью 146 МВт.
Строительство лодки стартовало в сентябре 1957 года, корабль был заложен на заводе 402 (г. Северодвинск) в цехе 42. При разработке проекта новой лодки был внедрён ряд новых конструкторских решений и использованы новые материалы.
Атомная лодка проекта 645, получившая шифр К-27, была спущена на воду 1 апреля 1962 года. Сразу после спуска на воду начались швартовые испытания, которые проводились с 8 мая 1962 по 10 июня 1963 гг. Одновременно с этим велась достройка ПЛА, были проведены комплексные проверки систем, механизмов и вооружения корабля. При этом энергетическая установка в течение 1962 года ещё не была полностью собрана.
17 августа 1962 года началась загрузка топлива: в атомные реакторы были помещены выемные части с активными зонами. Наполнение первых контуров реактора теплоносителем было проведено 6-7 декабря, теплоноситель поддерживался в разогретом состоянии, и все системы и механизмы реактора работали на холостом ходу. До конца года оба реактора были запущены, и 8 января 1963 года началась обкатка механизмов первых контуров. На лодке работала испытательная партия, составленная из сотрудников СКБ-143, вместе с испытаниями проводилась сдача систем управления реактором и передача их под управление экипажа лодки.
22 июня 1963 года на АПЛ К-27 поднят Военно-морской флаг СССР, после чего лодка находилась в море на совместных заводских, ходовых и государственных испытаниях, которые успешно завершились 30 октября подписанием приёмного акта. В нем также было предложено организовать длительный автономный поход лодки К-27 для «более глубокого изучения эксплуатационных качеств лодки и её АЭУ».
За время сдаточных испытаний лодка прошла 5760 миль за 528 ходовых часов, что в 1,5 раза больше, чем у первенца атомного советского подводного флота АПЛ К-3, причем 3370 миль лодка прошла в подводном положении.
Эксплуатация лодки К-27 стала чередой рекордов по дальности походов, а также продолжительности и протяжённости подводного плавания. Техника обладала уникальными на тот момент свойствами и характеристиками, что позволяло показать потенциальному противнику превосходство советского оружия. При этом все системы корабля, в том числе и силовая установка, работали на пределе своих возможностей, и недооценка опасности такой эксплуатации, возможно, и привела, в конечном итоге, к аварии.
Первый поход К-27 начался 21 апреля 1964 года и длился 51 сутки. Задачей похода стало испытание лодки на предельных режимах для выявления возможностей лодки и проверке систем и механизмов корабля в условиях автономного плавания. В походе возникла нештатная ситуация с реактором левого борта подводной лодки: расплавленный металл попал в газовую систему первого контура и застыл там. В результате в системе произошло падение вакуума, а единственным способом устранения неисправности стала работа непосредственно на месте аварии, вблизи активной зоны реактора. Работы выполнил командир дивизиона капитан 3 ранга А.В. Шпаков, который разрезал дефектную трубку и вручную прочистил её, получив при этом значительную дозу радиации. Затем специалисты-сварщики заварили трубку, восстановив работоспособность реактора.
Наиболее экстремальные условия эксплуатации во время похода были в экваториальных водах, когда температура забортной воды превышала 25 град. Системы охлаждения реактора работали на пределе своих возможностей, при этом температура в реакторном и турбогенераторных отсеках была около 60 0C, а остальные отсеки лодки прогревались до температуры в 45 0C при влажности до 100 %. В походе лодка прошла 12 425 миль, и практически все они были пройдены под водой – на тот момент это был мировой рекорд.
Второй поход лодки начался 15 июля 1965 года и длился 60 суток. Задачей похода стало обозначение присутствия советского подводного флота в Средиземном море, где находился 6-й флот США. В походе случилось несколько нештатных ситуаций, в том числе одна «ядерная» – 25 августа произошло снижение мощности реактора в результате его «отравления» ксеноном, из-за чего энергетические установки корабля работали на 35-80 % мощности.
За время похода было пройдено 15 000 миль, и лодка вернулась на базу в Северодвинск для ремонта, в ходе которого было обнаружено большое количество трещин на легком корпусе лодки.
При подготовке к новому походу в январе-феврале 1967 года на лодке были установлены активные зоны с удвоенной длительностью компании. Операция перезарядки прошла с определёнными сложностями, так как атомоход был загрязнен радиоактивными элементами от первого до девятого отсека. 13 октября 1967 года состоялся выход подлодки в море для проверки систем и механизмов лодки. В море создалась аварийная ситуация, результатом которой стал заброс жидкометаллического сплава в газовую систему 1 контура реактора правого борта. Причиной инцидента стало окисление сплава свинец-висмут, в результате которого образовались шлаки, которые закупорили проход для теплоносителя. В результате два насоса были залиты застывшим радиоактивным сплавом. Для работы реактора потребовалось срочно устранить последствия, в результате ряд специалистов получил предельную годовую дозу радиации, и не был допущен к третьему походу.
Уборка радиоактивного сплава из отсека проводилась по возвращении на базу личным составом других боевых частей и дивизионов, а также вторым экипажем лодки. Для очистки необходимо было кувалдой и зубилами извлекать застывший среди трубопроводов реактора радиоактивный металл. Сроки работы из-за высокой радиоактивности были ограничены десятью минутами, моряки делали по два-три пятиминутных захода, но все равно получили высокие дозы радиоактивного облучения.
После окончания работ началась подготовка к походу. В рамках подготовки была проведена высокотемпературная регенерация сплава для устранения окисей, однако под давлением руководства Северного флота сроки работ были сокращены с затребованных трёх недель до одной.
24 мая 1968 года АПЛ К-27 вышла в Баренцево море для испытаний энергетической установки и отработки задач боевой подготовки. В 11:30 при выводе установок на режим полного хода (80 % мощности) мощность реактора левого борта самопроизвольно начала снижаться. Личный состав, не разобравшись в ситуации, попытался поднять мощность ядерного реактора, но безуспешно. В 12:00 уровень радиации в реакторном отсеке вырос до 150 Р/ч, произошёл выброс радиоактивных газов в помещения реакторного отсека, что являлось признаком повреждения ядерного топлива, и оператор сбросил аварийную защиту левого реактора. Как выяснилось позже, из-за нарушения теплоотвода от активной зоны разрушилось около 20 % тепловыделяющих элементов. Лодка всплыла, провентилировала заражённые отсеки и на одном реакторе правого борта, который работал на обе турбины, добралась до базы. Возвращение в базу стало последним самостоятельным походом лодки.
25 мая был создан штаб по ликвидации последствий аварии на лодке К-27, который принял решение с целью локализации зоны радиоактивного заражения и последствий радиоактивного загрязнения двигательной установки левого борта усилить защиту реактора и заложить аварийный отсек мешками со свинцовой дробью.
В начале июня 1968 года состояние лодки оценила специальная комиссия, которая приняла решение о расхолаживании реакторов. К 20 июня 1968 года машины и механизмы АПЛ были остановлены и законсервированы, лодка выведена из эксплуатации и поставлена на прикол в губе Гремихе.
В январе-феврале 1973 года на АПЛ К-27 был проведен важный эксперимент. Исправную ППУ правого борта успешно «разморозили» и вывели на мощность 20 % от номинальной с подачей пара. Эксперимент обосновал возможность восстанавливать работоспособность реактора с жидкометаллическим теплоносителем после долгого простоя.
В апреле 1980 года было решено законсервировать реакторный отсек лодки, чтобы затопить К-27 в море. С мая 1980 года лодка прошла докование на ЦС «Звездочка», где реакторные установки со всеми трубопроводами были заполнены специальным составом. Поверх этого отсек залили 270 тоннами битума, который полностью закрыл реакторы, чтобы препятствовать проникновению морской воды к радиоактивным частям лодки, вымыванию и заражению моря.
10 сентября 1981 года АПЛ К-27 была затоплена в Карском на глубине 75 метров.
Использование реактора с жидко-металлическим теплоносителем породило немало проблем. Так, например, для поддержания реактора в «горячем» состоянии в Западной Лице на берегу была построена котельная для подачи пара на подводные лодки, а также пришвартованы эсминец и плавбаза. Но в связи с низкой надежностью берегового комплекса подводные лодки «грелись» от своего ядерного реактора, который постоянно работал на минимально контролируемом уровне мощности.
Ещё в процессе конструирования было выявлено несовершенство конструкции реактора, поэтому против использования его в реальных условиях выступили несколько учёных. Так, один из ведущих специалистов СКБ-143 по энергетике Р.И. Симонов на научно-техническом совете по выдвижению на премию за разработку ППУ на ЖМТ попросил снять свою кандидатуру по причине того, что он считал применение этих установок ошибочным.
Тем не менее, созданный реактор ВТ-1 стал значительным шагом в деле развития корабельной атомной энергетики. Он показал принципиальную возможность реализации преимущества ППУ с ЖМТ и определил круг проблем, которые необходимо было решать в будущем при создании установок подобного типа.
