Jaderné ledoborce (3. část) - ledoborec nové generace LK-60

V minulých dílech našeho povídání (část 1, část 2) jsme se věnovali jaderným ledoborcům, které již byly postaveny, dnes se zaměříme na právě se rozvíjející projekt 22220, čili ledoborec, který zatím nemá jméno a je znám pod svým kódovým označením LK-60. Povíme si, proč ruská jaderná flotila potřebuje ještě větší a výkonnější plavidla a proč bude mít ledoborec LK-60 právě takové rozměry, jaké bude mít.

Vizualizace podoby jaderného ledoborce typu LK-60. (Zdroj: Barentsobserver.com)

Rusko dosud provozovalo jaderný ledoborec Lenin, jakousi nultou třídu o jednom plavidle, a pak dvě generace, které již byly zastoupeny větším množstvím plavidel. Jedna z nich vznikla jaksi nouzově, aby doplňovala třídu Arktika, která nemohla operovat v mělkých vodách. Od sedmdesátých let minulého století do roku 2007 bylo postaveno celkem šest jaderných ledoborců třídy Arktika a dva třídy Tajmyr. Nyní přichází třetí generace, která má nahradit současná plavidla, z nichž některá již přesluhují. Jak ale může jedno plavidlo nahradit výkonný jaderný ledoborec pro hluboké vody a ledoborec s omezeným ponorem pracující v mělkých vodách? Na tuto otázku si odpovíme později, nejdříve mi dovolte vrátit se o několik desítek let zpět.

První vize o ledoborci nové generace se objevila již v době po uvedení ledoborce Arktika do provozu, ale vývoj představ o novém plavidle se protáhl na několik desítek let. Nejdříve bylo potřeba poznatky získané provozem jaderného ledoborce Lenin uvést do praxe a nějakou dobu provozovat třídu Arktika, aby byly odhaleny její nedostatky. Provoz ledoborce Arktika byl zahájen v roce 1975 a o dva roky později doplul na Severní pól. Při této náročné cestě se nejlépe projevily její omezení a nedostatky. Další ambiciozní cestu podnikl ledoborec Sibir v roce 1978, kdy doprovázel nákladní loď Kapitan Miševskij po celé délce Severní mořské cesty. Odsud Rusko opět získalo řadu důležitých poznatků, ale to nejdůležitější mělo teprve přijít. Už tehdy ale bylo projektantům jaderných ledoborců jasné, že půjde o poměrně dlouhý proces, protože plánovali zahájení provozu ledoborce nové generace mezi lety 1995 a 2000.

Provoz jaderných ledoborců v mělkých vodách

Konstrukce ledoborce Arktika vycházela ze zkušeností s provozem jednoho jaderného ledoborce, kterým byl Lenin, což nebylo dostatečné. Proto tedy třída Arktika, i když se jednalo o třídu výkonných a velkých ledoborců, nesplňovala představy konstruktérů. Například až po uvedení prvních ledoborců třídy Arktika do provozu vyšla najevo potřeba provozovat tato plavidla v mělkých vodách Obského zálivu a řeky Jenisej, na níž leží přístav Dudinka ležící téměř 400 km od ústí této řeky. V těchto oblastech je požadován ponor maximálně 9 metrů, což je pro ledoborce třídy Arktika s 11m ponorem nepřekonatelná překážka. I kdyby ale došlo ke zmenšení ponoru stejně by tyto oblasti zůstaly zapovězeny, protože jaderný reaktor OK-900A potřebuje poměrně velké množství vody k chlazení, takže by v mělkých vodách nemusel fungovat bezpečně. První dva požadavky na nový jaderný ledoborec tedy byl menší ponor a nový jaderný reaktor.

V mělkých vodách měly původně sloužit ledoborce třídy Kapitan Sorokin se vznětovým motorem na těžká paliva, proto nebylo od jaderných ledoborců třídy Arktika požadováno, aby měly menší ponor. Tyto dieselové ledoborce měly délku 131 až 138 metrů, šířku 26,5 až 30,5, ponor 8,5 metru a výtlak 12290 až 17000 tun. Poháněla je dieselelektrická sestava čítající šest dieselových motorů o celkovém výkonu 16,2 až 18,5 MW v závislosti na konkrétním plavidle. Pro srovnání jaderné reaktory v ledoborcích třídy Arktika dodávaly na lodní šroub výkon kolem 54 MW a u ledoborců třídy Tajmyr to bylo 36 MW. Mezi lety 1977 a 1981 vypluly z finských loděnic celkem čtyři dieselelektrické ledoborce této třídy: Kapitan Sorokin, Kapitan Nikolajev, Kapitan Dranicyn a Kapitan Chlebnikov. Jejich provoz by měl skončit před rokem 2020. První dva ledoborce měly zajímavý osud, takže se k nim v textu ještě vrátíme.

Ledoborce třídy Kapitan Sorokin trpěly několika nedostatky. První z nich vás jistě napadne při srovnání jejich výkonu s výkonem třídy Tajmyr, která byla také vyvinuta pro mělké vody. Druhý nedostatek byla závislost na zásobě paliva, protože zajíždění do doku kvůli doplnění paliva a vlastní doplňování omezuje provoz ledoborce. Výkon by šel zvýšit použitím silnější motorů, což by ale znamenalo větší zásoby paliva, čímž by vzrostl výtlak a ponor. Ponor této třídy ledoborců byl 8,5 metru, což je jen o půl metru méně než je minimální ponor požadovaný k provozu ve vodách Obského zálivu a toku řeky Jenisej. Touto cestou tedy nebylo možné jít a konstruktéři ledoborců začali projektovat ledoborec s jaderným pohonem, který by byl výkonnější a lehčí.

Zimní pohled na nákladní přístav v Dudince. (Zdroj: E-river.ru)

Pokusy o nový tvar přídě

Vývojem ledoborců se zabývala laboratoř pro vývoj technologií pro ledoborce při námořním ústavu CNII (V ruštině: лабораторией ледокольной техники ЦНИИ морского флота). V devadesátých letech se začala soustředit na změnu tvaru trupu ledoborců, protože všechny ruské ledoborce tvarem trupu vycházely z ledoborce Moskva dodaného Rusku finskými loděnicemi koncem padesátých let minulého století. Tradiční příď trupu ledoborce připomíná klín, který slouží k lámání ledů. Výsledkem výzkumů ústavu CNII bylo, že díky vhodnějšímu tvaru trupu by bylo dosaženo zvýšení průchodnosti ledy zhruba stejně jako zvýšením výkonu plavidla o 50 %, díky čemuž by provoz nových ledoborců byl ekonomičtější. Ke stejnému závěru došly i loděnice ostatních zemí.

Bylo ale potřeba opustit malé modely a vyzkoušet teoretické poznatky v praxi. Do výzkumu se zapojily i finské a německé loděnice, které přestavěly stávající ruské říční ledoborce. Kapitan Nikolaev dostal ve finských loděnicích příď tvaru kónického válce, která v horní části připomíná lžíci. Tvar přídě můžete porovnat s přídí ledoborce 50 let Pobedy, která také v horní části připomíná lžíci, ale v dolní části si zachovává tradiční tvar klínu, i když upravený oproti původním ledoborcům třídy Arktika. Z toho asi tušíte, který koncept nakonec v Rusku zvítězil, ale nepředbíhejme, protože testování „exotických“ tvarů přídě bylo zajímavé. Německé loděnice se při přestavbě ledoborce Kapitan Sorokin vydaly zcela novou cestou a vytvořili příď vzdáleně připomínající prám, která je ale uzpůsobena k prořezávání ledů.

Ledoborec Kapitan Dranicyn s původním klínovitým tvarem přídě byl používán pro srovnání všech tří přístupů. (Zdroj: Polarpost.ru)

Ledoborec Kapitan Sorokin při prorážení plavebního kanálu. (Zdroj:Bankoboev.ru)

Detail přídě ledoborce Kapitan Sorokin. (Zdroj: Shipspotting.com)

Kapitan Nikolaev s přídí ve tvaru kónického válce. (Zdroj: Rusarmy.com)

Výsledky pokusů při lámání ledu byly velice slibné a došlo k přibližnému zvýšení průchodnosti ledy o polovinu, obzvláště při lámání rovných souvislých ledů. Pod pojmem průchodnost ledem rozumíme maximální tloušťku rovného celistvého ledu, kterou je ledoborec schopen překonat při plynulé jízdě rychlostí minimálně 2 uzly (asi 3,7 km/h). Celistvý led znamená, že v něm nejsou zamrzlé různé velké úlomky jako pozůstatky původního ražení kanálu, které znesnadňují pohyb ledoborcům a nutí je zvyšovat výkon, aby mohly nesnadné úseky překonat.

Ruská lodní doprava na Severní mořské cestě požaduje univerzální ledoborce, které by byly schopny operovat v těžkých ledových podmínkách, v mělkých vodách a na volném nezamrzlém moři. Poslední jmenovaná vlastnost dojde k užitku při doprovodu lodí po celé délce Severní mořské cesty z Vladivostoku až k pobřeží Skandinávského poloostrova, kde moře nebývá (obzvláště v létě) tolik zamrzlé. A v tom se nové trupy ledoborců ukázaly nevyhovující. Ledoborec Kapitan Nikolajev byl při plavbě podél Skandinávie zastižen silnou bouří a utrpěl vážná poškození trupu, která měla za následek vnikání vody do strojovny. Na palubě lodi byly tak silné otřesy, že kompletně rozházely veškeré vybavení kajut. Upravený Kapitan Sorokin také trpěl na volném moři silnými otřesy a navíc se ukázalo, že je na zamrzlém moři použitelný jen omezeně. Kvůli tvaru trupu totiž měl v sevření ledem horší manévrovací schopnosti, ale osvědčil se při údržbě plavebních kanálů, při níž si počínal jako buldozer a hrnul ledové úlomky před sebou. Při plavbě tenkým ledem se mu dařilo vyvářet krásně rovné plavební kanály, což je výhoda pro kapitány nákladních lodí, kterým potom stačí držet jeden směr.

Provoz upravených ledoborců tedy ukázal, že má-li být nový ledoborec univerzální, musí se konstruktéři držet tradičního tvaru klínu, který dává lodi poměrně dobré vlastnosti i při plavbě na volném moři.

Průchodnost ledy

Ruské ledoborce současné nejvýkonnější třídy Arktika mohou zajišťovat dopravu po východní části Severní mořské cesty jen po sedm měsíců v roce, takže pro celoroční provoz je nutné zvýšit průchodnost ledy. Konkrétně se ukazuje, že ledoborec, který by byl schopen zabezpečit lodní dopravu po celé délce Severní mořské cesty, by musel mít průchodnost ledem 3,5 metru. Z hlediska zabezpečení současné celoroční lodní dopravy v Karském moři, do nějž se vlévá řeka Jenisej, na níž leží přístav Dudinka, stačí průchodnost ledem 2,6 metru. Takže požadavkem na nový ledoborec je zvýšení průchodnosti ledem z 2,3 metru platících pro třídu Arktika na 2,6 metru.

Ve zprávách o ledoborci LK-60 se dočtete, že bude schopen lámat ledy až téměř čtyři metry silné, což je sice úctyhodný údaj, ale mnohem směrodatnější je jeho průchodnost ledem (tedy tloušťka ledu, kterou je schopen lámat při stabilní rychlosti minimálně 2 uzly). Když ledoborec doprovází nákladní loď a prolamuje jí cestu, je potřeba, aby udržovat stálou rychlost, protože prudké změny rychlosti, obzvláště její pokles při zdolávání ledu, který není homogenní, ale je v něm mnoho různě velkých úlomků, jsou nebezpečné. Obě plavidla se totiž drží poměrně blízko sebe a mohlo by tak docházet ke střetu, tento problém si důkladněji rozebereme v následující části textu o pokusech s ledoborcem Krasin. Nejtlustší ledy, které ledoborec dokáže lámat, zdolává obvykle, když se vydává k nějaké výzkumné stanici, aby jí dovezl zásoby či aby ji evakuoval, nebo když míří na Severní pól, zkrátka když jede sám.

Takhle nějak bude moci vypadat provoz nového jaderného ledoborce – sníh, led, zima... (Zdroj: Soliday.ru)

Doprovod velkotonážních plavidel

V současné době dochází k proměně složení arktické flotily, což znamenalo i konec využití nákladní lodi Sevmorput s jaderným pohonem, která byla původně stavěna pro systém LASH. S rozvojem těžby ropy a plynu v šelfových ložiscích roste počet velkotonážních tankerů, které odváží vytěžené suroviny ke zpracování. V Pečorském moři mezi ropným polem Prirazlomnoje a ruským přístavem Varandej se pohybují tankery o celkové nosnosti 70 tisíc tun (tzn. včetně paliva, zásob ad.), které mají šířku 34 až 36 metrů, a tankery o celkové nosnosti 100 tisíc tun s šířkou dokonce 42 až 44 metrů. Takto široká a těžká plavidla s velkou setrvačností vyžadují k plavbě kanál odpovídající šířky, která navíc závisí na zkušenostech a umu posádky tankeru.

Tanker Primorje (od roku 2009 Athena), který se podílel na pokusech s doprovodem ledoborci. (Shipspotting.com)

Ledoborec Krasin při prorážení plavebního kanálu pro velkotonážní nákladní loď. Všimněte si druhého ledoborce, který rozšiřuje kanál, aby se do něj nákladní loď vešla. Na první pohled se může zdát, že lodě jsou od sebe poměrně daleko, ale při setrvačnosti velkých nákladních lodí může náhlé snížení rychlosti ledoborce vyvolat nepříjemnou situaci. (Zdroj: Polarpost.ru)

Ledoborec Magadan při prodírání se ledem. (Zdroj: Trud-ost.ru)

V roce 2002 proběhla v rámci projektu Sachalin-1 pokusná plavba velkotonážního tankeru o celkové nosnosti 105 tisíc tun s názvem Primorje, délkou 244 metrů a šířkou 42 metrů, který byl doprovázen ledoborci Krasin a Magadan. Doprovodný ledoborec Krasin má délku 135 metrů, šířku 26 metrů a výkon na lodních šroubech 26,5 MW. Jako pomocný ledoborec sloužil Magadan o délce 89 metrů, šířce 21 metrů a výkonu 7 MW. Při použití jen jednoho ledoborce byla šířka kanálu nedostatečná a tanker Primorje si dolamoval ledy svým trupem, aby kanálem vůbec mohl proplout, takže jeho rychlost byla neuspokojivě nízká a nestálá. Pokud by tato plavba měla být ekonomická, musel by tanker udržovat stálou rychlost.

Dalším problémem byl výkon ledoborce Krasin, který sice stačil k prolamování jednoletých ledů tlustých 40 až 60 cm, ale neposkytoval dostatečnou rezervu pro náročnější místa s větším množstvím velkých zamrzlých ledových úlomků. Při plavbě celistvými ledy výkon Krasinu kolísal kolem 50 %, avšak v těžkých úsecích mu nestačil ani plný výkon, aby si udržel stálou rychlost. Když docházelo k výraznému poklesu rychlosti ledoborce, signalizoval tankeru Primorje, aby dal okamžitě zpětný chod, jinak by se obě plavidla srazila. Při nasazení obou plavidel byly výsledky pokusů uspokojivější. Doprovod velkotonážního plavidla je velice choulostivá záležitost a vyžaduje neměnnou rychlost ledoborce.

Zvětšení rozměrů a hmotnosti

Provedené studie a zkoušky jednoznačně ukázaly, že rozměry ledoborců třídy Arktika musí být zvětšeny, aby byly schopny samostatně doprovázet i velkotonážní plavidla. Jak jsme si už ale řekli, v případě jaderných ledoborců, kterým by se naopak hodilo zmenšení rozměrů, aby mohly využít plný výkon a „nenaskakovaly“ na led, je problém. Z výpočtů laboratoře při CNII plyne, že ledoborec po prodloužení ze 150 na 173 metrů a rozšíření z 28 na 33 metrů bude mít ponor 8,5 metru, což je dostatečné pro cestu do Dudinky a plavbu v Obském zálivu, kde je povolen maximální ponor 9 metrů.

V případě těžkých ledových podmínek bude možno do trupu napustit vodu jako balast a tím zvýšit hmotnost plavidla a zvětšit jeho ponor. Rovněž to pomůže při plavbě na širém moři, kdy zatížená loď s větším ponorem bude stabilnější a bude mít lepší plavební vlastnosti. Pro zvýšení ponoru o dva metry bude potřeba 8 až 9 tisíc tun balastu a takto zatížený ledoborec bude moci plynuleji využívat svůj výkon a svou setrvačnost. Plavidla třídy Arktika byla schopna pojmout 2 tisíce tun vody jako dodatečnou zátěž, takže bylo potřeba vyvinout nové výkonnější balastní systémy.

Možnosti nahrazení stávajících jaderných ledoborců ledoborcem LK-60

Pohonná sestava jaderného ledoborce nové generace bude mít výkon 60 MW, což je o něco více něž 54 MW, kterého dosahují ledoborce třídy Arktika. Hlavní rozdíl přináší nový tvar trupu, který mu bude umožňovat průchodnost ledy 2,8 až 2,9 metrů a lámat ledy až téměř čtyři metry silné, zatímco ledoborce třídy Arktika dokáží lámat ledy maximálně 2,8 metru silné.

Jak se ukázalo, srovnávat průchodnost ledy a výkon ledoborce při plavbě na moři a v mělkých vodách není tak jednoduché a je potřeba udělat trochu výpočtů navíc. Ústav CNII provedl studie kavitace na lopatkách lodních šroubů a studie provzdušnění vody lodními šrouby a došel k závěru, že ledoborec nové generace bude při ponoru 8,5 metru dosahovat jen 80 % výkonu, který by měl na moři při plném ponoru. I tak ale jeho výkon bude 48 MW, takže stále bude výkonnější než současné ledoborce třídy Tajmyr s výkonem 36 MW. Za těchto podmínek bude mít ledoborec LK-60 průchodnost ledy 2,5 až 2,6 metru, která je větší než 2 metry pro ledoborec Tajmyr. Opět se tedy bude jednat o náhradu více než rovnocennou.

Ze studií plyne, že k zabezpečování plavby Karským mořem bude namísto pěti současných ledoborců ve složení dva třídy Tajmyr a tři třídy Arktika potřeba jen tří ledoborců LK-60. Stávající ledoborce bude potřeba během poměrně krátké doby nahradit novými, protože naplní i svou prodlouženou dobu životnosti. Stavba tří nových plavidel namísto pěti podle stávajících projektů povede ke snížení nákladů. K dalším snížením nákladů dojde díky tomu, že závody pro údržbu jaderných ledoborců nebudou muset udržovat zásoby náhradních dílů pro dva typy plavidel a že dojde ke zmenšení prostojů při přechodu nákladní lodi z hlubokých do mělkých vod, při kterém se musí současné ledoborce střídat.

Hlavní výhodu ledoborce nové generace tedy můžeme spatřovat v tom, že v těžkých ledových podmínkách bude moci využít svého plného výkonu a že v mělkých vodách, kde bývají ledy tenčí bude také schopen provozu, i když za sníženého výkonu. Zároveň bude dosahovat lepších plavebních vlastností na volném nezamrzlém moři než ledoborce třídy Tajmyr určené pro mělké vody. Vypuštění balastu bude navíc ledoborci umožňovat vyproštění ze zaklínění na vrstvě ledu při plavbě oblastmi s těžkými ledovými podmínkami.

Pohonná sestava ledoborce LK-60

Univerzální ledoborec bude vybaven principiálně novými zařízeními, především novou pohonnou sestavou, která se bude skládat ze dvou zcela nových jaderných reaktorů RITM-200 s celkovým tepelným výkonem 175 MWt, paroturbínového zařízení se třemi turbosoustrojími a tří pohonných motorů se třemi lodními šrouby s pevným stoupáním.

Projekt jaderných reaktorů rozpracovala konstrukční kancelář OKBM Afrikantov. Oproti stávajícím reaktorům používaných na jaderných ledoborcích, OK-900A a KLT-40, bude mít nový reaktor zvýšenou bezpečnost a prodlouženou palivovou kampaň. Mezi výměnami paliva nově uběhne 7 let, což je více než dvojnásobek ve srovnání s KLT-40, u nichž je palivo měněno jednou za 2,5 až 3 roky. Koeficient využití bude zvýšen na 0,75. K vyšší bezpečnosti budou přispívat především konstrukce reaktoru jako monobloku, o 60 % vyšší míra přirozené cirkulace chladicí látky a chlazení vzduchem. Plánovaná životnost reaktoru RITM-200 bude 40 let a jako palivo bude používat uran obohacený pod 20 %.

Turbosoustrojí vyrobí ruská společnost Kalug Turbine Plant, která již podobné zařízení vyrábí pro plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov.

Pohonná sestava jaderného ledoborce typu LK-60 na 3D modelu ruské projektantské společnosti Soliday, která model vytvářela pro konstrukční kancelář OKB Iceberg. (Zdroj: Soliday.ru)

Průběh projektu

Přípravou projektu ledoborce nové generace se zabývala konstrukční kancelář CKB Iceberg, která v rámci koncepčního designu provedla srovnávací testy hydrodynamických a plavebních vlastností modelů ve zkušebních bazénech ústavu CMII a kontrolní zkoušky v ledovém bazénu finské společnosti Aker Arctic Technology. Tyto testy přinesly kladné výsledky, takže projekt mohl postoupit do další fáze.

V roce 2009 byla dokončena příprava projektové dokumentace konstrukční kanceláří CKB Iceberg a v červenci 2012 bylo vypsáno výběrové řízení na stavbu prvního ledoborce nové generace. V srpnu 2012 byl oznámen vítěz, kterým jsou Baltické loděnice, a 23. srpna s ním byla podepsána smlouva v hodnotě 37 miliard rublů (cca 21 miliard korun). Řezání první oceli bylo v Baltické loděnici zahájeno 1. listopadu 2012. Kýl byl položen 5. listopadu 2013 a plavidlo má být spuštěno na vodu v listopadu 2015. Podle zadání tendru jsou námořní zkoušky plánovány na srpen 2017, zkoušky v lámání ledu na listopad 2017. K poslednímu kroku má dojít 30. prosince 2017, kdy bude nový ledoborec přepraven do Murmanského přístavu.

Druhá zakázka na ledoborce nové generace byla oznámena v listopadu 2013, s tím, že v lednu 2014 budou oznámeny výsledky výběrového řízení. Podle této druhé smlouvy v celkové hodnotě 84,4 miliardy rublů (cca 49 miliard korun) má být jeden ledoborec dodán 25. prosince 2019 a druhý o rok později.

Jaderný ledoborec typu LK-60 při prodírání se ledem. (Zdroj: Soliday.ru)

Představa autorů 3D modelu o kotvení budoucího ledoborce typu LK-60 v přístavu. (Zdroj: Soliday.ru)

A na závěr jeden nevirtuální model ledoborce nové generace. (Zdroj: Rosatomflot.ru)

Aktuální informace o jaderných ledoborcích (a jiných jaderných oborech) je možné nalézt na webu Atominfo.cz. 

Videorozhovor s kapitánem jaderného ledoborce 50 let pobedy, Valentinem Davydjancem, naleznete zde.

Zdroje:

Borshec.ru

Rusnavy.com

Barentsobserver.com

World-nuclear-news.com

Ria.ru

Atominfo.cz

Bbc.co.uk

Cargo-vessels-international.at