Вторая жизнь реакторов канального типа



В следующем году исполнится 70 лет с момента пуска первой реакторной установки канального направления. Почему сегодня технологии отказано в развитии и кто с этим не согласен? Объясняет и отвечает главный конструктор энергетических канальных реакторных установок, директор отделения АО «НИКИЭТ» Алексей Слободчиков.


Фото: Росатом
Для начала несколько слов об истории канальных реакторов. Их появление было тесно связано с зарождением самой атомной отрасли, как военно-промышленного комплекса, так и энергетического.

Первый канальный реактор был запущен 19 июня 1948 года в Челябинской области. Разработкой промышленного реактора А занимался главный конструктор Николай Антонович Доллежаль, а руководил научным проектом Игорь Васильевич Курчатов. Безусловно, основным предназначением реактора была наработка оружейного плутония, и первый этап развития канального направления реакторостроения неразрывно связан именно с оборонной тематикой.

Первые реакторы были сугубо утилитарными. В их основе — проточная схема и отсутствие замкнутого контура. В процессе отработки эксплуатационных решений появилась возможность перейти к использованию реактора в классическом промышленном понимании — как части энергетического комплекса. Первым реализовал эту задачу реактор Сибирской атомной станции, построенный в 1958 году. В тот период начали открываться перспективы использования ядерной энергии в мирных целях.

Первая АЭС с канальным уран-графитовым реактором была построена в Обнинске. Реактор АМ по энергетическим меркам обладал невысокой мощностью — всего 5 МВт. Но тем не менее его создание, проектирование и эксплуатация (во многом в исследовательском режиме) позволили решить вопросы, связанные с изучением материалов и их поведения при выработке ядерным реактором электроэнергии.


Точка отсчета
После ввода АЭС в Обнинске следующий этап — Белоярская станция. Этот проект стал смелым не только для своего времени, но и вообще для реакторостроения. На Белоярской АЭС была реализована технология ядерного перегрева пара, что позволило существенно повысить КПД энергоустановки и приблизиться к тем показателям, которые характерны для электростанций с органическим топливом. После этого, на рубеже 1960–1970-х годов появилась возможность вплотную приступить к разработке и строительству реактора РБМК‑1000.

Пуск реактора РБМК‑1000 стал точкой отсчета для крупномасштабного применения атомной энергии в народном хозяйстве. Это был первый блок-миллионник, который достаточно долго оставался единственным с такой мощностью.

Первый энергоблок с реакторами РБМК был запущен в декабре 1973 года на Ленинградской атомной станции. Затем, на протяжении 1970–1980-х годов, последовательно были введены в строй 17 энергоблоков с реакторами РБМК.

Сегодня в России эксплуатируются 11 таких энергоблоков на площадках Ленинградской, Курской и Смоленской АЭС. Четыре энергоблока были построены на Украине, и еще два — на территории Литовской ССР. Мощность последних была увеличена в 1,5 раза — до 1500 МВт (номинальная электрическая мощность). Эти энергоблоки были самыми мощными в то время, и в обозримой перспективе для российской атомной отрасли они пока остаются пределом по мощности отдельного энергоблока.
Биография
Алексей Владимирович СЛОБОДЧИКОВ
родился в 1972 году. Окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана по специальности «Ядерные энергетические установки».

С 1995 года работает в АО «НИКИЭТ». Сейчас занимает должность главного конструктора энергетических канальных реакторных установок, директора отделения.

За вклад в работу по восстановлению ресурсных характеристик реакторов РБМК А. Слободчиков в составе авторского коллектива удостоен Премии Правительства Российской Федерации. Создание и промышленное внедрение этой уникальной технологии, разработанной НИКИЭТом совместно с ведущими предприятиями отрасли, российской науки и промышленности, позволяют сохранить АЭС с такими реакторами в единой энергосистеме России до ввода замещающих мощностей.

О настоящем, прошлом и будущем РБМК
Если говорить о доле в энергобалансе реакторов РБМК, то эта цифра в зависимости от года колеблется в районе 39–41%. Пока продолжают эксплуатироваться только блоки, построенные в 1970–1980-х годах. Первый из них был пущен в 1973 году, а самый молодой — третий блок Смоленской станции — в 1990 году. С учетом опыта эксплуатации уран-графитовых реакторов, еще на этапе проектирования был определен срок службы РБМК — 30 лет.

Здесь стоит сделать маленькую ремарку. История развития всего канального направления — если говорить конкретно о реакторах РБМК — это процесс его совершенствования и модернизации в соответствии с последним словом техники на определенный момент. Например, нельзя сравнить техническое состояние реактора 1973 года (такого, как на Ленинградской АЭС) с тем, что мы имеем сегодня. За 40 с лишним лет произошли значительные изменения в системах управления, безопасности, непосредственно в топливном цикле и физике активной зоны.

Черной страницей в истории развития как канального, так и вообще мирового реакторостроения стала чернобыльская авария. Но после нее были сделаны соответствующие выводы. Сейчас реактор РБМК называют «реактором чернобыльского типа», но это не совсем корректное определение. Сравнивать то, что было, с тем, что мы имеем сегодня, нельзя. Непрерывный процесс модернизации, о котором я говорил, позволил поставить на рубеже 1990–2000-х годов вопрос о продлении срока службы реакторов до 45 лет. Таким образом, продленный срок службы первого блока ЛАЭС завершится в 2018 году, а эксплуатация третьего блока Смоленской станции закончится в 2035 году.
О графитовых элементах и прогнозировании искривлений
Существуют разные виды канальных реакторов. Например, в Канаде основу атомной энергетики составляют реакторы CANDU с тяжелой водой. В нашей стране эксплуатируются только уран-графитовые канальные реакторы. Графит — это нетривиальный материал, он не похож по своим свойствам на сталь или бетон. Изучение графита как элемента активной зоны началось с первого дня эксплуатации промышленных аппаратов.

Уже тогда было понятно, что под влиянием высокой температуры и высокоэнергетических потоков этот материал подвержен деградации. При этом изменения физико-механических свойств графита, его геометрии отражаются на состоянии активной зоны в целом. Изучением этого вопроса подробно занимались не только советские ученые. Изменения состояний графита интересовали также наших американских коллег.

Одна из основных проблем — изменение геометрии графитовых элементов. Активная зона реактора РБМК состоит из графитовых колонн. Каждая колонна имеет высоту 8 метров и состоит из 14 графитовых блоков — параллелепипедов высотой 600 мм и сечением 250×250 мм. Всего таких колонн 2,5 тыс.

Сама же активная зона имеет высоту 7 метров, длина тепловыделяющей сборки, которая находится в ней, — также 7 метров, а общая длина топливного модуля — 16 метров.

Нужно понимать, что активная зона представляет собой единое целое, поэтому изменения одного элемента по цепочке — кумулятивным эффектом — передаются сначала на близлежащие области, а впоследствии могут охватить всю геометрию активной зоны. Один из самых негативных факторов изменений графитовых блоков — искривление колонн и, как следствие, прогибы топливных каналов и каналов СУЗ.

При монтаже все колонны, разумеется, вертикальны, но в процессе эксплуатации эта вертикальность теряется. Если снова обратиться к истории, то можно увидеть, что для промышленных аппаратов и первых уран-графитовых реакторов этот процесс начался в первые годы эксплуатации. Тогда же были поняты механизмы этого явления. При разработке реактора РБМК часть процессов удалось предотвратить конструкторскими решениями.

Полностью избавиться от изменений невозможно. Прогнозировать их появление сложно. При 45-летнем сроке службы реактора предполагалось, что процесс изменений войдет в активную фазу на рубеже 43–44-го годов. Но получилось, что с проблемой мы столкнулись на рубеже 40-го года эксплуатации. То есть погрешность прогнозирования составила порядка трех лет.

В 2011 году на первом энергоблоке Ленинградской станции были зафиксированы изменения геометрии: искривление технологических каналов (в них устанавливается ядерное топливо — тепловыделяющие сборки), каналов стержней управления и защиты. Я хотел бы обратить ваше внимание на то, что эксплуатация РБМК предполагает постоянный контроль параметров, определяющих безопасность. С помощью ультразвукового контроля ведется наблюдение за диаметром каналов и искривлением, целостностью, взаимным состоянием элементов, которые определяют работоспособность при различных (как номинальных, так и переходных) режимах. Когда при плановом контроле было обнаружено начало процесса изменений, стало понятно: раз процесс начался, то его скорость будет достаточно высока; эксплуатация реакторной установки в таких условиях требует дополнительных решений.
Основные показатели реакторов РБМК
Поиск правильных решений
При искривлении технологических каналов и каналов СУЗ в первую очередь необходимо обеспечить безоговорочную работоспособность исполнительных механизмов систем управления и защиты, а также тепловыделяющих сборок в условиях изменяющейся геометрии.

Также требуется подтвердить способность технологических каналов, работающих в условиях прогиба, сохранять прочностные свойства. На первом блоке Ленинградской станции количество технологических каналов — 1693, и ни один из них при эксплуатации в условиях искривления не находится в зоне риска с точки зрения его работоспособности.

Еще один важный момент: должны быть обеспечены все технологические операции, связанные с загрузкой и выгрузкой тепловыделяющих сборок. Отличительная черта, она же преимущество, реактора РБМК — возможность его эксплуатации в условиях непрерывных перегрузок. Конструкция позволяет проводить перегрузку при эксплуатации непосредственно на мощности. Это обеспечивает гибкий топливный цикл, формирует активную зону и увеличивает выгорание. Собственно, это и определяет экономику: реактор не работает кампаниями, он работает в режиме постоянных перегрузок.

В 2011 году на Ленинградской станции был выполнен ряд работ, подтвердивших работоспособность элементов реакторной установки в условиях прогиба до 100 мм. После этого первый энергоблок ЛАЭС на короткое время ввели в эксплуатацию под усиленным контролем параметров. Спустя семь месяцев его повторно остановили для расширенного контроля геометрии: было зафиксировано развитие процесса, связанного с изменением формы графитовой кладки. Тогда стало ясно, что дальнейшая работа реактора невозможна. В мае 2012 года первый энергоблок Ленинградской станции остановили.

Одновременно начало изменений было зафиксировано на втором энергоблоке ЛАЭС и на втором энергоблоке Курской атомной станции. Выявленные прогибы говорили о том, что процесс приближается к активной фазе.

Требовалось решение, применимое для всех энергоблоков Ленинградской, Курской и Смоленской атомных станций с реакторами РБМК. Рассматривалось несколько путей. Можно было использовать пассивный метод управления искривлениями, но стало очевидно, что процессы деградации графита и, как следствие, формоизменения связаны с уровнем повреждающих факторов. В первую очередь, с температурой и потоком быстрых нейтронов.

Соответственно, пассивные методы управления этим процессом могли быть таковы: радикальное, до 50%, снижение мощности энергоблоков, для того чтобы появился значимый эффект; или их эксплуатация в сезонном режиме. То есть четыре месяца блок эксплуатируется, потом несколько месяцев стоит. Но эти методы подходили только для тех реакторов, где процесс изменений не зашел далеко.

Второе направление — активное, как тогда мы его называли, — это разработка и внедрение ремонтных технологий. Их периодическое применение позволило бы эксплуатировать реакторную установку дольше.

Почему вообще зашла речь о возможности ремонта? Отвечая на этот вопрос, нужно вернуться к опыту промышленных аппаратов, так как для них проблема формоизменения существовала многие десятилетия. Значительные прогибы каналов были зафиксированы в реакторе Сибирской атомной электростанции ЭИ‑2. Если для реактора РБМК прогиб составлял 100 мм, то прогибы технологических каналов в реакторе ЭИ‑2 достигали 400 мм.

С помощью различных технологических приемов на примере промышленных аппаратов была показана возможность частичного ремонта графитовой кладки. Даже сам опыт реактора РБМК говорил о том, что графитовая кладка — элемент сложный, большой, но в какой-то мере ремонтопригодный. На каждом энергоблоке с РБМК проводились замены технологических каналов — это, в числе прочего, связано с воздействием на графитовую кладку.

Большой опыт, накопленный в проектных институтах и непосредственно на станциях в области ремонта в активной зоне, позволил создать и реализовать новые технологии ремонта.

Анализ технологических приемов, использовавшихся на промышленных аппаратах, показал, что для реактора РБМК их применение невозможно по разным причинам. Часть операций неэффективны в условиях РБМК; другие невозможны с точки зрения конструктивных особенностей. Инженеры и конструкторы стали искать новые решения. Требовалась технология, которая позволила бы воздействовать непосредственно на причину формоизменения и изменения геометрии отдельного графитового блока, то есть уменьшала бы его поперечный размер.

Масштаб проблемы предполагал последовательное выведение реакторов РБМК из эксплуатации. В 2012 году — первого, в 2013 году — второго блока Ленинградской станции; в 2012 году — второго блока Курской станции; в течение 2012–2014 годов должна была быть выведена половина реакторов РБМК — 20–25% всей атомной генерации России!

Большинство специалистов понимали, что методы, применимые для промышленных аппаратов, не дадут нужного эффекта в случае с реакторами в силу различных особенностей.
Выручка АЭС с РБМК по годам
Накопленная выручка АЭС с РБМК (2014–2035 гг.)
Определяющее решение
Наконец в июне 2012 года появилось интересное техническое предложение. А спустя месяц, в июле, на Ленинградской АЭС прошло совещание под руководством Сергея Владиленовича Кириенко, в результате которого было принято решение о разработке и внедрении проекта ремонтной программы.

На тот момент гарантий успеха никто дать не мог. Предложенный технологический прием был сложен; в первую очередь, это было связано с тем, что все работы должны были выполняться робототехническими комплексами на глубине порядка 18 метров, в отверстии диаметром 113 мм. Плюс производился ремонт не одной конкретной колонны, а всего реактора.

Работы на первом энергоблоке Ленинградской станции начались в первой декаде января 2013 года.

Получается, что за полгода был продуман весь комплекс операций. Это была напряженная и многофакторная работа, в которой были задействованы три альтернативных разработчика технического комплекса: АО «НИКИМТ-Атомстрой» и две организации вне контура Росатома.

Разработка технических средств стала началом решения проблемы. Параллельно проводился целый комплекс расчетных, научных, экспериментальных работ по подтверждению и изучению возможностей эксплуатации всех элементов активной зоны в условиях искривления, в сочетании с воздействием ремонтной технологии.

Прежде чем выйти на реакторную установку, даже для опытной эксплуатации разрабатываемых устройств, требовалось проведение широкомасштабных испытаний технологии. Безусловно, приоритетным принципом был «не навреди», потому что любое действие было необратимо. Поэтому необходимо было выверить каждый шаг еще на стадии разработки как технологии, так и оснастки.

В научно-исследовательском институте ЭНИЦ, в Электрогорске, на стенде, созданном ранее для других испытаний, прошли полномасштабные испытания оснастки как для резки графитовых колонн, так и для силового воздействия на элементы графитовой кладки. Особое внимание уделялось вопросам обеспечения радиационной безопасности. При проведении любых механических операций по удалению графита (являющегося радиоактивным материалом) нужно учитывать, что он не должен контактировать с окружающей средой.

Все это досконально проверялось в условиях стендовой базы. Еще раз подчеркну: опыта таких работ у нас не было, поэтому все подготовительные процессы велись постепенно. Все технические материалы проходили тщательную экспертизу в Ростехнадзоре. При необходимости проводилась корректировка, вносились дополнения. Только после всех этих процедур мы получили разрешение и начали работы на Ленинградской станции. Они проводились в несколько этапов: первые девять ячеек, один ряд, потом — три ряда, пять рядов, и лишь после этого было принято решение об эффективности технологии и возможности ее применения для всего аппарата.


Технология, как она есть
Первопричина формоизменения графитовой кладки — изменение геометрии графитового блока. После длительной эксплуатации графит переходит в так называемую стадию «распухания»: его слои, наиболее подверженные воздействию температуры и флюенса, увеличивают плотность. А внешние слои графитового блока продолжают усадку. Возникает внутреннее напряжение, приводящее к образованию трещин.

Ширина вертикальной трещины в графитовом блоке со временем увеличивается. Таким образом, геометрические размеры графитового блока, первоначально составлявшие 250×250 мм, увеличиваются до 255×257 мм. Поскольку в кладке тысячи контактирующих между собой графитовых блоков, то возникновение большого количества трещин в них и увеличение их геометрических размеров приводят к тому, что они начинают расталкивать друг друга и постепенно перемещаются от центра к периферии, определяя изменения геометрии.

Появление искривлений также связано с нейтронным потоком, который выглядит как полка со спадом на периферии. Собственно, вся эта полка ведет себя одинаково. В одном ряду находятся 24 графитовых блока, и каждый отталкивает соседа: допустим, первый блок толкнул на 2 мм, следующий — еще на 2, все это суммируется, и в результате получаются достаточно высокие стрелы прогиба на периферии.

Механика этого процесса была подтверждена при измерениях первого энергоблока Ленинградской станции, что и позволило разработать технологию ремонта. Расталкивание, связанное с образованием трещин, и увеличение геометрии — это первопричины формоизменения всей графитовой кладки. Отсюда вывод: в качестве купирующей меры необходимо уменьшить поперечные размеры графитового блока.

Вся технология строится на том, что если негативный фактор — это увеличение размера, то позитивным будет его уменьшение. Такая технология включает, если не останавливаться на промежуточных стадиях, три операции для одной ячейки, которые на первый взгляд выглядят достаточно просто. Первая: с помощью режущего инструмента производится вертикальная резка графитовых блоков. Ширина реза последовательно меняется от 12 до 36 мм — графитовый блок режется с двух сторон, в процессе удаляется «излишек». Вторая операция — сближение разрезанных графитовых блоков, которые подверглись механической обработке. Третья операция — восстановление отверстия.

Для восстановления геометрии реактора в целом разрабатывается схема, учитывающая влияние ячеек, находящихся на периферии, на центр, и наоборот. Это взаимовлияние —определяющий фактор при выборе схемы ремонта, которая в свою очередь влияет на объем работ. Так, для первого блока Ленинградской станции объем ремонта в 2013 году составил 300 ячеек из общего количества — 1693.
Основные принципы технологии ремонта
Для ремонта выбираются схема и геометрическое положение тех ячеек, которые уменьшат общее искривление, что позволит эксплуатировать реактор дальше.

Наряду с проработкой технологии ремонта и ее внедрением выполняется целый научно-технический и расчетный комплекс мероприятий по подтверждению возможности эксплуатации всех элементов реакторной установки после выполнения работ и в условиях продолжающегося формоизменения.

В работах по обоснованию возможности эксплуатации реакторной установки после ремонта участвовали многие предприятия отрасли: НИКИЭТ, ВНИИАЭС, ВНИИЭФ, ОКБМ им. И. И. Африкантова, ЭНИЦ, НИКИМТ.

Общую координацию проводил НИКИЭТ. Он также выполнял функции генподрядчика в сфере разработки, обоснования и выполнения ремонта энергоблока Ленинградской атомной станции.

Общая задача
При таком большом количестве участников процесса не возникало проблем во взаимодействии между ними. Работа на Ленинградской атомной станции стала одним из ярких примеров общего дела, достижения результата, сформулированного следующим образом: разработать и внедрить технологию, выполнить ремонт и обосновать возможность дальнейшей эксплуатации, определить оптимальные условия. При выполнении всех операций также учитывались дальнейшая деградация графита и последующие формоизменения.

Пуск первого блока Ленинградской станции состоялся в ноябре 2013 года. Между моментом принятия решения и пуском энергоблока прошло чуть больше года. В результате мы разработали техническое решение, позволяющее восстанавливать работоспособность графитовой кладки и продлевать срок службы реактора путем повторного проведения аналогичной операции.

Еще одна особенность процедуры восстановления ресурсных характеристик (именно так называется такой ремонт) состоит в том, что невозможно с помощью этой операции сделать из реактора новый. То есть процесс формоизменения будет продолжаться: режется ограниченное количество ячеек, при этом остаются ячейки, которые ремонту не подвергаются, поэтому процесс формоизменения и, соответственно, искривления будет продолжаться. Его скорость фиксируется посредством последовательного контроля.

Методология подразумевает следующее: при контролируемом процессе, его численном прогнозировании определяются время ремонта, периодичность его выполнения и межремонтные интервалы эксплуатации. Безусловно, этот процесс должен циклически повторяться. На сегодня восстановление ресурсных характеристик графитовых кладок выполнено на двух энергоблоках Ленинградской станции: первом и втором — и на первой очереди Курской станции (также первый и второй энергоблоки).

С 2013 по 2017 год технология значительно модернизировалась. Например, сокращено время выполнения работ, оптимизированы технологические операции, существенно сокращена стоимость — практически кратно, по сравнению с энергоблоками Ленинградской АЭС. Можно говорить о том, что технология внедрена в промышленную эксплуатацию.

Отраслевые эффекты
Применение ремонтных технологий имеет колоссальный экономический эффект Не требуется преждевременно выводить из эксплуатации энергоблоки; восстановление ресурсных характеристик позволяет продлевать срок эксплуатации до запланированного. Общий экономический эффект составляет 670 млрд руб. Помимо экономического, существует еще и научно-технический эффект. При проведении ремонта применялись современные технологии: робототехнические комплексы, автоматизированные системы, системы контроля, наблюдения.

Особенность реактора РБМК в том, что он имеет большие размеры; это позволяет осуществлять контроль с помощью робототехнических комплексов. За четверть века в области мониторинга, контроля и диагностики активной зоны удалось сделать несколько шагов вперед, перейти на существенно другой уровень проведения работ и понимания тех процессов, которые происходят в активной зоне, с точки зрения конструкционных материалов.

Применение робототехнических диагностик дало мощный толчок к развитию одноименных комплексов как инструментов, применяющихся на атомных станциях. В этом есть своя специфика: робототехнические комплексы должны отвечать требованиям радиационной стойкости и при эксплуатации не оказывать негативного влияния на реакторную установку.

Полномасштабный эксперимент, проведенный впервые в истории, подтвердил сейсмостойкость реактора РБМК. Экспериментально доказана работоспособность графитовой кладки и ее элементов в условиях землетрясения 8 баллов. Был изготовлен полномасштабный стенд, который в условиях ЦНИИмаша подвергался соответствующим нагрузкам; одновременно специалисты Курчатовского института, ВНИИЭФа, ОКБМ, НИКИЭТа проводили комплекс расчетных исследований. Большой шаг, на мой взгляд, был сделан для развития методологии, решения нетривиальных задач, которые поставила перед нами жизнь.

Со стороны НИКИЭТа и концерна «Росэнергоатом» в проведении операций на разных стадиях участвовало большое количество молодых специалистов. Совместная работа ветеранов и молодежи дала последним значимую мотивацию.

О перспективах канальных технологий
Чернобыльская авария обусловила остановку развития РБМК. Поэтому новые реакторы такого типа пока строить не планируется.

Следующим этапом развития канального направления мог стать реактор МКЭР. Он уже спроектирован как реактор нового канального поколения на базе всего огромного опыта, накопленного при эксплуатации и проектировании реакторов РБМК. Учтены все недостатки, которые были присущи канальным реакторам, как промышленным, так и, частично, РБМК. Но, к сожалению, это направление устойчивого развития сейчас не имеет.

Решение о полном отказе от развития канального направления особенно негативно воспринимается специалистами НИКИЭТа им. Н. А. Доллежаля, так как институт тесно связан с эксплуатацией РБМК и проектированием нового реактора — МКЭРа. В настоящее время НИКИЭТ занимается сопровождением комплекса ремонтных работ на станции и совершенствованием технологии.

Технология на основании опыта подверглась модернизации; безусловно, будут реализованы технические решения, которые позволят сделать ее еще более эффективной. Совершенствование затронет ремонтные схемы, требования к оснастке и сами технологические операции. Внедрение уникальной технологии позволяет уверенно эксплуатировать энергоблоки РБМК в течение 45 лет и рассматривать возможность их дальнейшей эксплуатации.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА
Made on
Tilda