Почти одновременно с работами по созданию Первой АЭС в Минсредмаше приступили к разработке ядерных установок малой мощности для генерации электроэнергии в отдаленных, труднодоступных и малоосвоенных регионах, где основным препятствием к электрификации является трудность и дороговизна доставки топлива.

На первом этапе работ в области малой атомной энергетики главной задачей было выяснение практической возможности создания небольших атомных электростанций с габаритными и весовыми показателями, приемлемыми для перевозки оборудования и строительства таких установок в отдаленных районах и позволяющими вместе с тем выполнить требования радиационной безопасности.

Принципиально путь достижения этой цели был очевиден – это блочно-комплектная поставка оборудования и строительных деталей зданий в максимально подготовленном и опробованном на заводах виде. В условиях северных районов подобные мероприятия дают особенно большой эффект из-за сезонности и высокой стоимости строительно-монтажных работ.

Первым такую идею сформулировал руководитель Минсредмаша Е.П. Славский в 1955 году в ходе визита на Кировский завод (ЛКЗ). В его беседе с директором ЛКЗ И.М. Синевым впервые прозвучало предложение о разработке мобильной атомной электростанции, которая могла бы питать электроэнергией гражданские и военные объекты, расположенные в отдаленных районах Крайнего Севера и Сибири.

ЛКЗ, назначенный головным разработчиком и изготовителем, в кооперации с Ярославским паровозостроительным заводом подготовил два проекта атомного энергопоезда – передвижной АЭС небольшой мощности для транспортировки по железной дороге (ТЭС-1 и ТЭС-2). Первый предусматривал одноконтурную схему реактора с газотурбинной установкой, второй – схему с использованием паротурбинной установки самого локомотива. Вскоре Е.П. Славский подключает к разработке проекта Лабораторию «В» (ФЭИ), специалисты которой предложили поставить электростанцию на гусеницы, сделав ее практически вездеходной. Идея передвижной АЭС на гусеницах казалась весьма заманчивой: станция на гусеницах своим ходом может подойти к потребителю, и обеспечивать его электроэнергией требуемое время. Это исключало необходимость возведения зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты.

Параллельно шел широкий поиск с целью отбора наиболее перспективных проектных решений для практической реализации опытно-демонстрационных прототипов малых АЭС. Рассматривалась возможность создания малых АЭС в различных строительно-компоновочных модификациях и с реакторами разных типов, в частности: в виде энергопоезда, на железнодорожных платформах, барже, передвижных на пневматическом и гусеничном ходу и стационарных (блочно-транспортабельных). В качестве реакторной установки изучались реакторы различных типов: водно-графитовые, корпусные легководные (водо-водяные двухконтурные и кипящие одноконтурные), органо-органические и высокотемпературные газовые.

В октябре 1956 года на совещании в Минсредмаше было принято решение, предусматривавшее в качестве основного варианта разработку конструкторским бюро ЛКЗ передвижной АЭС с водо-водяным реактором на тепловых нейтронах электрической мощностью 1,5 МВт, с размещением её на танковых платформах. Решение поручало также проработку вариантов реактора с ртутным теплоносителем и теплоносителем свинец-висмут.

В марте 1957 года эскизный проект передвижной станции с водо-водяным реактором был готов, и в апреле 1957 года выдано техническое задание на промплощадку для размещения и эксплуатации установки на территории ФЭИ (генпроектировщик – ВНИПИЭТ).

При создании ТЭС-3 (Транспортабельная ЭлектроСтанция, 3-й вариант, такой индекс получил проект) конструкторы и проектировщики максимально использовали оборудование и технологические решения, принятые при создании реакторов типа ВМ и ледокола «Ленин».

Все оборудование транспортабельной АЭС ТЭС-3 размещалось на 4-х гусеничных самоходных транспортерах с обогреваемыми утепленными кузовами вагонного типа. На двух из них располагалась реакторная парогенераторная установка, на оставшихся – турбогенератор, пульт управления и вспомогательное оборудование. Общий вес оборудования, установленного на транспортерах, составлял 201 тонну. В качестве транспортеров использовались удлиненные до 10 катков гусеничные шасси на базе танка Т-10. Максимальная скорость транспортера составляла 15 км/час.

Изготовителем установки выступил Кировский завод.

Установка ТЭС-3 создавалась как демонстрационный полномасштабный прототип крупноблочной транспортируемой АЭС, изготавливаемой на заводе в максимально готовом к эксплуатации виде. В неразобранном виде ТЭС-3 легко размещалась на четырех железнодорожных платформах и могла быть доставлена в любое место. А туда, где нет железной дороги, ТЭС-3 приходила своим ходом. Так как ТЭС-3 предполагалось эксплуатировать в основном стационарно, ряд узлов, связанных с ходовой частью энергосамоходов, по прибытии станции на промплощадку, мог быть демонтирован (дизели, гусеницы и т.д.). В этом случае рамы самоходов играли роль фундаментных рам.

Два вездехода, на которых располагались атомный реактор, циркуляционные насосы, парогенераторы, теплообменник, являлись источником сильного излучения, поэтому должны быть хорошо изолированы. Предполагалось их устанавливать или в естественных укрытиях, или же в вырытой траншее с железобетонными щитами, закопанными в землю. Монтаж такой установки на месте ее эксплуатации сводился к прокладке трубопроводов и кабелей между вездеходами. Дизельный двигатель, установленный на шасси с электрогенератором, выполнял также роль пускового и резервного источника питания собственных нужд АЭС.

Для установки ТЭС-3 был выбран водо-водяной реактор тепловой мощностью 8,8 МВт с двухконтурной схемой выработки пара, подаваемого на турбину. Электрическая мощность ТЭС-3 составляла 1,5 МВт. В активной зоне реактора, имеющей форму цилиндра высотой 600 мм и диаметром 660 мм, размещались 74 тепловыделяющих сборки из коаксиально расположенных дисперсионных кольцевых твэлов с высокообогащенным ураном. В качестве топливной композиции использовался интерметаллид UAl3, залитый силумином.

Давление воды в корпусе реактора составляло 130 атм, температура на входе в реактор – 275 °С и на выходе – 300 °С.

Реактор рассчитывался на кампанию 250 суток, а при частичной дозагрузке тепловыделяющих элементов – до 1 года. Расход топлива на ТЭС-3 незначителен — до 14 г урана-235 за сутки.

При создании малогабаритной передвижной ядерной энергетической установки разработчикам пришлось к решению многих вопросов подходить с принципиально новых позиций. Например, оригинальной являлась конструкция биологической защиты реактора, состоящей из трех частей. Первая часть в виде свинцового стакана, в котором находится реактор, размещается на реакторном самоходе и служит для защиты от излучения остановленного реактора, например, во время ремонта или транспортировки АЭС на новое место работы. Второй частью защиты является вода или раствор борной кислоты, заливаемые в бак, в котором размещен свинцовый стакан с реактором. Эта компонента защиты служит для снижения активации материалов кузова и ходовой части платформы от нейтронного излучения при работе реактора и перед транспортировкой сливается. Основной защитой при работе реактора служила грунтовая обваловка траншеи, в которой находятся вездеходы с оборудованием первого контура. Такой подход к проектированию защиты позволил обеспечить необходимое снижение уровней излучения при весе транспортируемой защиты 28,5 т, что составляло лишь 13 % общего веса оборудования ТЭС-3.

Примером другой задачи, успешно решенной при создании ТЭС-3, является разработка системы перегрузки реактора в полевых условиях с применением защитного контейнера и обычного подъемного автокрана грузоподъемностью 25 тонн.

К декабрю 1959 года все нестандартное оборудование было изготовлено и к марту 1960 года смонтировано на танковых платформах. В июне 1960 завершилось проведение комплексных заводских испытаний (без загрузки ядерного топлива).

В августе 1960 года установка ТЭС-3 была доставлена на площадку Физико-энергетического института (г. Обнинск) и размещена по соседству с Первой АЭС. Энергосамоходы были установлены в общей траншее глубиной 2,8 м, стены и перекрытие которой выполнены из сборного железобетона и снаружи засыпаны грунтом. Вездеход с турбогенератором и пультом управления располагались на поверхности земли.

7 июня 1961 года реактор ТЭС-3 достиг критичности, а 13 октября 1961 года турбина ТЭС-3 впервые стала под полезную нагрузку и выдала электрический ток в систему Мосэнерго. После отработки проектной кампании в 210 эффективных суток реактор был остановлен для проведения регламентных работ.

Эксплуатация ТЭС-3 показала достаточную надежность, хорошую управляемость и удобство обслуживания. Средний КИУМ за 250 эффективных суток работы реактора составил 0,46, что является хорошим показателем для экспериментальной установки. Из крупных инцидентов следует отметить длительный останов установки из-за выхода из строя главного циркуляционного насоса первого контура, потребовавшее его замены. За весь период работы реактора не было ни одного случая выхода твэлов из строя.

В процессе эксплуатации было выполнено большое количество экспериментов для уточнения характеристик установки, а также для выявления и проверки путей дальнейшего совершенствования малых АЭС. В частности, на установке был проведен ряд экспериментов по проверке возможности и качества работы реактора в режиме саморегулирования и самокомпенсации при «скользящих» параметрах пара, подаваемого на турбину, а также по изучению эффективности биологической защиты при введении в воду борной кислоты.

Эксперименты, например, показали возможность отказа от системы автоматического регулирования мощности, если реактор обладает отрицательным коэффициентом реактивности во всем интервале температур. Оказалось, что разобщенность пультов управления на каждой из платформ затрудняет эксплуатацию и увеличивает численность персонала (на ТЭС-3 эксплуатационный персонал составлял 3 человека в смену).

В ходе эксплуатации из-за неудачной конструкции возникли проблемы и с баком биологической защиты, вследствие чего было высказано предпочтение отказаться от него при дальнейшем совершенствовании конструкции.

В 1963 году в ФЭИ началась подготовка ко второй кампании ТЭС-3, в январе 1964 года утверждено техническое задание на проект второй активной зоны. Программа второй загрузки реактора ТЭС-3 предусматривала массовое испытание новых видов твэлов, ввод бора в первый контур реактора, облучение материаловедческих образцов. Однако из-за отказа Министерства обороны от развития этого направления дальнейшие работы по ТЭС-3 были прекращены.

20 апреля 1966 года началась разгрузка реактора, завершившаяся 5 мая 1966 года. 18 июля 1966 года была завершена консервация 1-го контура. С 1969 года установка ТЭС-3 находилась в ФЭИ в полностью законсервированном состоянии. В 1985 году после ревизии самоходная платформа с турбиной была отправлена на Камчатку в распоряжение геолого-разведочной экспедиции.

В целом создание ТЭС-3 позволило уточнить основные научно-технические принципы проектирования АЭС с водо-водяными реакторами для отдаленных районов СССР.