ДЕШЕВАЯ И БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНИКА

Тот, кто хоть немного понимает в жизни, сразу скажет, что так не бывает - техника либо безопасная, но при этом совсем не дешевая, либо она действительно дешевая, но, как правило, далеко не безопасная. И все же случаются исключения из этого правила.

Несколько дней назад пришло письмо от Александра Владимировича Кудрявцева, редактора уважаемого мною сайта "METODOLOG.RU". "Если будет минутка, - писал он, - подумай над таким вопросом: приближается 26 апреля - 20 лет со дня Чернобыля. Я знаю, что у тебя есть изобретение по тематике безопасности атомных реакторов. Может быть напишешь несколько строк про предысторию его создания, а потом можно будет дать само изобретение - описание или хотя бы формулу... Мне кажется, что это было бы очень здорово - рассказать об этом, пусть и очень кратко. Тем более, что оно было внедрено. Как думаешь?"

Я немного подумал, а потом позвонил в Москву и отказался. Пишу я медленно, история длинная, времени до 26 апреля осталось мало; если просто привести описание изобретения, будет не понятно, так как там на рисунке все показано очень схематически. Перед отпуском работы невпроворот... В общем, не могу.

Александр Владимирович не настаивал. Но мысли про печальный юбилей не уходили. Постепенно вспомнились события, которые, с одной стороны, были очень давно, а с другой - даже трудно поверить, что прошло уже 20 лет. Моего одноклассника, с которым мы рядом за партой сидели, Чернобылем накрыло, а я так и не знаю о его сегодняшней судьбе... Да, есть у меня авторское свидетельство на датчик положения регулирующего органа в активной зоне ядерного реактора (сейчас это два патента - России и Украины); внедрено оно после Чернобыля. Уже много лет эти датчики безотказно работают и в России, и за рубежом... Нам с моим соавтором за него дважды выплатили солидное вознаграждение. Так тоже не часто бывает, обычно одного не дождешься, а тут дважды и солидное... В общем, очень захотелось рассказать эту историю.

Я написал об этом Александру Владимировичу, потом мы поговорили по телефону, и вот до чего договорились. Сейчас я коротко изложу только те проблемы, с которыми задолго до Чернобыля пришлось столкнуться специалистам, проектировавшим датчики и у нас, и за рубежом. А летом, когда я буду в России, мы встретимся с моим соавтором, Романом Владимировичем Гулкой, посидим, повспоминаем и расскажем продолжение этой истории. Это будет еще тем хорошо, что про ядерные реакторы, системы управления и защиты (СУЗ) и датчики он знает гораздо больше и лучше моего и, как говорится, соврать не даст. Ведь я с завода уволился 18 лет назад, а он продолжает там работать и вживую занимается всеми этими системами до сих пор. Да и должность у него теперь такая, что все знать положено - заместитель Главного конструктора.

В 1979 году я уже больше 10 лет работал в отделе Главного конструктора на Ленинградском электромашиностроительном заводе (ЛЭЗ), 2-м заводе объединения "Электросила". Так получилось, что хотя я по специальности и был инженером по электрическим машинам, заниматься приходилось товарами народного потребления (по-простому - ширпотребом). В это время в Институте повышения квалификации Минэлектротехпрома, располагавшемся рядом с 1-м заводом "Электросила", шли занятия по ТРИЗ и ФСА (функционально-стоимостному анализу). Вел занятия Борис Львович Злотин, руководитель службы ФСА головного завода. Правдами и неправдами я постарался попасть на этот месячный семинар. Однако, часто приходилось сначала "появиться" у себя на работе, быстро уладить горящие дела, а затем уже добираться в город на автобусе или электричке. Этот путь занимал час-полтора, а то и больше - как повезет.

Чтобы было веселее, я подбил на обучение своего доброго приятеля Романа, земляка и "однокашника" по Львовскому политехническому институту (мы учились на одном факультете, только я на несколько лет раньше). На ЛЭЗ'е Роман работал в отделе, проектировавшем СУЗ'ы для атомных станций. Ему, как и мне, был не чужд изобретательский дух.

Ближе к концу занятий Борис Львович попросил слушателей семинара выбрать тему выпускной работы. Надо было взять реальную производственную проблему, сформулировать изобретательскую задачу, решить ее с помощью инструментов, о которых он нам рассказывал и оформить отчет о проделанной работе. Потом, в день защиты выпускных работ, надо было выступить перед группой и приемной комиссией и показать то, что получилось. А затем уже, в зависимости от обстоятельств, оформить на работе рацпредложение или заявку на изобретение.

Я выбрал тему "Изменение способа раскроя листового изоляционного материала". Упомяну только, что удалось найти хорошее решение, позволившее сильно экономить этот дорогостоящий материал, было оформлено и внедрено рацпредложение. Но это все отдельная история, тянувшаяся несколько лет; она довольно интересная, и я ее расскажу как-нибудь в другой раз.

Роману начальник предложил в качестве объекта анализа взять датчик серии ЛД (линейный датчик), который делали на нашем заводе, и цель поставил такую - попробовать упростить конструкцию и, за счет этого, снизить себестоимость.

Б.Л.Злотин не возражал, чтобы мы решали свои проблемы вместе, помогая друг другу. Роман подключился к обучению не с самого начала, и кое в чем я помогал ему разобраться. Поэтому, когда дошло до выпускной работы, мы начали делать ее вместе. Тем более, что мне самому было интересно "потрогать" серьезную технику, а не привычные уже электромясорубки, соковыжималки и даже электрические машины, которые меняются очень редко. Но в транспорте чертеж не развернешь, поэтому объяснялись мы преимущественно "на пальцах" или на клочках бумаги - почеркушках.

Роман говорил мне примерно так:
- Представь себе колодец, в котором ведро с водой поднимают с помощью длинного шеста с крючком на конце (рис.1).

Рис. 1.

Мне это было легко представить, так как я родился и прожил до 17 лет в деревне. Не раз самому приходилось пользоваться таким простым и, в то же время, надежным способом. По длине шеста, торчавшего над землей, можно было судить, далеко ли до воды.
- Теперь представь трубу (рис.2); снаружи на ней расположены катушки индуктивности, а внутри на конце штока размещен магнитный шунт. Что будет, если мы начнем перемещать шток вверх-вниз?

Рис. 2. 1 - труба; 2 - катушки индуктивности; 3 - шток; 4 - магнитный шунт

- Ясно, что будет... Индуктивность у катушек будет меняться, при этом и ток, который по катушкам идет, тоже поменяется. А уже по этому изменению можно будет судить, где находится шунт... А как вы шток вверх-вниз перемещаете?

- Это неважно, мы же сейчас про датчики говорим, а не про привод. Но вообще-то все очень просто. Раньше, например, делали так: шток выполняли в виде зубчатой рейки и перемещали ее с помощью электродвигателя с редуктором (рис.3 и 4).

Рис. 3. Cхема механизма управления ВВЭР-440 (1-я модификация): 1 - охладитель; 2 - рейка; 3 - статор электродвигателя; 4 - ротор электродвигателя; 5 - охладитель; 6 - редуктор; 7 - узел отключателя; 8 - индуктивный датчик положения [1, рис. 3.15]	Рис. 4. 1 - труба; 2 - катушки; 3 - шток; 4 - магнитный шунт;

- Получается, что все у вас хорошо и никаких проблем?
- Нет, не так. Сложности есть, но они больше из-за условий эксплуатации. Все элементы механизма управления - двигатель, редуктор, шток, шунт и т.д. - находятся в воде первого контура. Давление там сотни атмосфер, температура больше 100 градусов по Цельсию, сильная радиация. Воду хоть и фильтруют, но все же возможны отложения на деталях, поэтому стараются делать меньше трущихся поверхностей. Туда ведь не заберешься и не почистишь... После начала эксплуатации доступа внутрь нету минимум 5 лет, а потом этот срок может быть продлен. Поэтому все материалы используются только самые прочные, их обрабатывать очень трудно. Датчик стoит дорого, несколько тысяч рублей...
- А у американцев как, они ведь тоже атомные станции строят?
- Если судить по публикациям, например, по патенту 1974 г. № 3 846 771, то все очень похоже (рис.5 и 6). Фактически система индикации аналогична нашей, показанной на рис.4. Не очень понятно только, кто у кого "содрал"...

Рис. 5. 72 - регулирующий орган; 74 - шток; 62 - труба; 30 - датчик положения; [2]

Рис. 6. График изменения индуктивности катушки [2]

- Ты сказал: "Раньше"... А что было позже?
- На некоторых станциях, например, "Ловиса" в Финляндии, применили привод с более простой кинематической схемой (рис.7). Там двигатель низкооборотный, это удобнее. Поэтому и линейный датчик удалось сделать по-другому. Хотя он и стал более сложным кинематически, но зато теперь по размерам гораздо компактнее предыдущего (рис.8).

Рис. 7. Cхема механизма управления ВВЭР-440 (2-я модификация): 1 - редуктор; 2 - пружинный демпфер; 3 - центробежный тормоз; 4 - электродвигатель; 5 - датчик положения; 6 - электроввод [1, рис. 3.20]	Рис. 8. 1 - труба; 2 - катушки; 3 - шток № 1; 4 - магнитный шунт; 3 - шток № 2;

- Послушай, Роман... Ты сказал, что датчики и так дорого стoят. Зачем же тогда понадобилось их усложнять, ведь теперь они стали еще дороже?
- Ты прав, но не все так просто... Конечно, хотелось бы иметь датчики подешевле, кто спорит? Но надо учитывать еще одно обстоятельство. Датчики возвышаются над уровнем пола машинного зала (рис.9). Когда на 3,5- 4,0 метра, то это одно, а когда в 3 раза меньше, совсем другое. Устанавливают и снимают датчики с помощью крана, который перемещается под самой крышей здания станции. Вот и получается, что в первом случае высота стен у здания должна быть на несколько метров больше. А это уже не тысячи рублей... В литературе встречаются приблизительные данные - от 4-х до 5-ти миллионов рублей за один метр высоты капитальных строений АЭС; дальше сам можешь прикинуть...

Рис. 9.

- Здорово! Проиграли тысячи рублей, а выиграли миллионы. Красивое решение.
- Так-то оно так, да не совсем. Ведь датчик стал сложнее, в нем появился передаточный механизм типа "винт-гайка", т.е. трущаяся пара, подшипники... Надежность при этом, конечно, снизилась, ведь у прототипа нечему было заклинивать и ломаться, а тут есть...
- Но ведь все проверили?
- Конечно. Пока все работает нормально, без сбоев.
- А что начальство предложило в твоей выпускной работе улучшить?
- Договорились, что я посмотрю, нельзя ли конструкцию катушек слегка поменять, уж больно их трудоемко делать. Но внедрить, даже если удастся что-то дельное придумать, будет трудно. Сам понимаешь - конструкция всего механизма управления вместе с датчиком в головном институте в Москве разработана, а мы на нашем заводе делаем эти датчики по готовым чертежам. Любое изменение в чертеже, даже ерундовое, согласовывать очень долго приходится...
- Послушай, ведь если все равно не внедрить, зачем ты будешь с этими катушками возиться? Ну, сделаешь ты их немного дешевле, и что?.. Экономия на высоте стен по сравнению со стоимостью всех датчиков на станции в сто раз больше. А ведь ты, скорее всего, не сможешь сильно упростить и удешевить катушки. Стоит ли тогда время тратить? Давай лучше задачку покруче порешаем, ведь сам видишь - тут четкое противоречие просматривается... Чем ситуация для датчика лучше, тем она для станции хуже и наоборот.
- Давай, - легко согласился Роман. У моего земляка покладистый характер, и подбить на авантюру его не трудно. Может и другими немного словами мы все это обсуждали, этого я, конечно, не помню, 27 лет прошло, но за смысл ручаюсь - все так и было.

Мы вместе сформулировали техническое противоречие (рис.9):

• если магнитный шунт датчика связан с регулирующим органом ядерного реактора напрямую, то конструкция получается простая и надежная, но из-за большой высоты датчика приходится увеличивать высоту стен капитальных строений, что сильно удорожает строительство;

• если магнитный шунт связан с регулирующим органом через передаточный механизм, то строения АЭС можно сделать пониже и хорошо на этом съэкономить, но из-за повышенной сложности конструкции снижается надежность работы всей станции.

Можно сказать и короче:

• Если датчики положения работают НАДЕЖНО, то станция стoит ДОРОЖЕ;

• Если станция сто'ит ДЕШЕВЛЕ, то датчики (а при этом и вся АЭС ) работают МЕНЕЕ НАДЕЖНО.

Получилось до боли знакомое, "классическое" противоречие, которое встречается сплошь и рядом буквально на каждом шагу. Осталось только задать такой же классический тризовский вопрос: КАК БЫТЬ?

На этом предыстория заканчивается. До Чернобыля оставалось еще целых 7 лет.

Литература

1. Емельянов И.Я. и др. Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1978

2. Патент США № 3 846 771, кл. 340-195 POSITION INDICATION SYSTEM (заявлено 3 янв. 1973 г., опубликовано 5 ноя. 1974 г.)

23 Dec 2012