Новый LEGO для быстрых реакторов
ТЕХНОЛОГИИ / #8_2021
Текст: Александр ЮЖАНИН / Фото: Росатом
На фото: активная зона критического стенда БФС-2
ГНЦ РФ — ФЭИ располагает уникальной экспериментальной базой для исследования моделей быстрых реакторов, ее основа — стенды БФС‑1 и БФС‑2. После более чем 50 лет эксплуатации стенды модернизировали, и весной 2019 года был пущен обновленный БФС‑1. Физический пуск БФС‑2 ожидается в ближайшее время. Что представляют собой стенды, какие исследования на них проводят, в чем заключалась модернизация и какие новые возможности появились после ее проведения? Во всем этом нам помогли разобраться специалисты ФЭИ.
Первые в мире стенды для моделирования нейтронно-физических процессов, происходящих в реакторах на быстрых нейтронах, начали создавать в начале 1950-х годов. На них строили и изучали модели проектируемых реакторов. В СССР первый критический стенд БФС‑1 (быстрый физический стенд) был построен в ФЭИ в 1961 году. Однако его скромные размеры не позволяли реализовать полномасштабное моделирование реакторов большой мощности, и в 1969 году в ФЭИ был введен в эксплуатацию второй стенд, более крупный — БФС‑2. В дальнейшем на этих стендах моделировались все советские быстрые реакторы. На них изучались такие параметры, как эффективность органов СУЗ, распределение полей энерговыделения, запас реактивности компенсирующей системы, натриевый пустотный эффект реактивности (НПЭР), реактивность при различных сценариях разрушения топлива, эффекты реактивности при попадании водородсодержащих материалов в активную зону. Что же собой представляют эти стенды? Давайте разберемся!
БФС‑1
Критический стенд БФС‑1 предназначен для экспериментальных исследований полномасштабных моделей быстрых реакторов мощностью до 1 тыс. МВт (т) с различными видами топлива и воспроизводящих материалов, различными компоновками активных зон и экранов, а также нейтронно-физическими характеристиками сборок простого состава — бенчмарков.
В качестве теплоносителя могут использоваться натрий, свинец, свинец-висмут, вода и газ. Корпус БФС‑1 представляет собой вертикальный стальной бак, полностью заполненный стальными или алюминиевыми трубами — 1500 шт.— диаметром 50×1 мм. В трубы загружаются таблетки топливных, воспроизводящих, конструкционных материалов и теплоносителя в том порядке, количестве и пропорциях, в которых эти материалы входят в состав активных зон, зон воспроизводства и отражателей моделируемых реакторов. Часть труб, размещенных в центральной части бака, выполняют функции органов аварийной защиты, компенсации реактивности и регулирования цепной реакции в активной зоне. В качестве ядерного топлива используется композиция блочков металлического плутония, урана или диоксида урана (обогащение по 235U — 36% или 90%) с блочками воспроизводящих или сырьевых материалов: металлического тория, урана или диоксида обедненного урана.
Критический стенд БФС‑1 предназначен для экспериментальных исследований полномасштабных моделей быстрых реакторов мощностью до 1 тыс. МВт (т) с различными видами топлива и воспроизводящих материалов, различными компоновками активных зон и экранов, а также нейтронно-физическими характеристиками сборок простого состава — бенчмарков.
В качестве теплоносителя могут использоваться натрий, свинец, свинец-висмут, вода и газ. Корпус БФС‑1 представляет собой вертикальный стальной бак, полностью заполненный стальными или алюминиевыми трубами — 1500 шт.— диаметром 50×1 мм. В трубы загружаются таблетки топливных, воспроизводящих, конструкционных материалов и теплоносителя в том порядке, количестве и пропорциях, в которых эти материалы входят в состав активных зон, зон воспроизводства и отражателей моделируемых реакторов. Часть труб, размещенных в центральной части бака, выполняют функции органов аварийной защиты, компенсации реактивности и регулирования цепной реакции в активной зоне. В качестве ядерного топлива используется композиция блочков металлического плутония, урана или диоксида урана (обогащение по 235U — 36% или 90%) с блочками воспроизводящих или сырьевых материалов: металлического тория, урана или диоксида обедненного урана.
Пультовая критического стенда БФС-2
На БФС‑1 изучались модели активных зон быстрых реакторов ИБР‑2, БОР‑60 и БН‑350, МБИР, СВБР, а также зарубежных реакторов. Были выполнены исследования в обоснование безопасной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах с натриевым, свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителем, а также реакторов типа ВВЭР с МОХ‑топливом, разработаны и внедрены новые методики определения нейтронно-физических характеристик реакторов на быстрых нейтронах и реакторов типа ВВЭР, проведены эксперименты по обоснованию безопасности топливного цикла и захоронения ядерных материалов в геологических формациях. На БФС‑1 также могут моделироваться ядерные реакторы с металлическим, оксидным, монокарбидным и нитридным топливом. Количество делящихся материалов позволяет собирать полномасштабные модели активных зон и зон воспроизводства быстрых реакторов малой и средней мощности. Наличие значительного количества диоксида нептуния и металлического тория позволяет проводить экспериментальные исследования активных зон быстрых реакторов, предназначенных для сжигания (трансмутации) младших актиноидов или наработки 233U.
БФС‑2
Критический стенд БФС‑2 конструктивно аналогичен стенду БФС‑1, но он больше, что позволяет собирать на нем модели более мощных быстрых реакторов. Количество труб (топливных стержней) в баке — около 10 тыс. БФС‑2 — самый большой действующий критический стенд в мире. Размеры стенда позволяют осуществлять полномасштабное моделирование активных зон и экранов быстрых реакторов мощностью до 3 тыс. МВт (э), а также внутрикорпусных защит и внутриреакторных хранилищ с различными видами топлива, воспроизводящих материалов.
В качестве теплоносителя могут использоваться натрий, свинец, свинец-висмут. БФС‑2 оснащен различными экспериментальными устройствами, позволяющими быстро проводить исследования, в частности, с использованием координатного манипулятора, осуществляющего перестановку труб в баке критсборки, перемещение образцов и детекторов по объему критсборки в автоматизированном режиме управления, работу в режиме осциллятора. На стенде проводилось полномасштабное моделирование активных зон и внутренних зон воспроизводства, в том числе перспективных реакторов нового поколения типа БН‑800. Исследовались композиции с урановым, плутониевым и смешанным топливом как с гомогенной, так и с гетерогенной композициями активных зон.
Критический стенд БФС‑2 конструктивно аналогичен стенду БФС‑1, но он больше, что позволяет собирать на нем модели более мощных быстрых реакторов. Количество труб (топливных стержней) в баке — около 10 тыс. БФС‑2 — самый большой действующий критический стенд в мире. Размеры стенда позволяют осуществлять полномасштабное моделирование активных зон и экранов быстрых реакторов мощностью до 3 тыс. МВт (э), а также внутрикорпусных защит и внутриреакторных хранилищ с различными видами топлива, воспроизводящих материалов.
В качестве теплоносителя могут использоваться натрий, свинец, свинец-висмут. БФС‑2 оснащен различными экспериментальными устройствами, позволяющими быстро проводить исследования, в частности, с использованием координатного манипулятора, осуществляющего перестановку труб в баке критсборки, перемещение образцов и детекторов по объему критсборки в автоматизированном режиме управления, работу в режиме осциллятора. На стенде проводилось полномасштабное моделирование активных зон и внутренних зон воспроизводства, в том числе перспективных реакторов нового поколения типа БН‑800. Исследовались композиции с урановым, плутониевым и смешанным топливом как с гомогенной, так и с гетерогенной композициями активных зон.
БФС — аналогов нет
О результатах модернизации стендов, а также технических аспектах обновленной экспериментальной базы ФЭИ рассказал начальник комплекса критических сборок БФС Александр Жуков.
Расскажите, пожалуйста, в чем заключалась модернизация стендов? Какие новые возможности для исследований появились после ее проведения?
Техническое перевооружение критических стендов БФС включало две основные части. Первая — замена систем критических стендов, например пультовых (КС БФС‑1 и КС БФС‑2); замена всей аппаратуры СУЗ, автоматизированной системы радиационного контроля (АСРК), системы аварийной сигнализации для обнаружения самоподдерживающейся цепной реакции (САС СЦР), вентиляции, спецвентиляции, всей электропроводки, мостовых кранов и многое другое. По сути, от старого оборудования остались только стены и сами стенды.
Вторая часть техперевооружения включала дооснащение стендов новыми материалами и изготовление дополнительных партий (например, еще 100 тыс. блочков с натрием реакторной чистоты) к уже имевшимся на комплексе БФС материалам. Техническая модернизация, в первую очередь, позволила продлить срок эксплуатации критических стендов минимум на 20−25 лет. Во-вторых, она позволила расширить возможности и точность реакторного эксперимента. Например, в части полномасштабного (или крупномасштабного) моделирования активных зон с МОХ- или СНУП‑топливом таких проектов, как БН‑800, БН‑1200, БРЕСТ-ОД‑300, БРЕСТ‑1200 и др.
В чем различие между БФС‑1 и БФС‑2 помимо размеров? Какие именно работы можно проводить на БФС‑2, но нельзя на БФС‑1?
Размеры БФС и определяют их возможности. Диаметр корзины (бака) БФС‑2 составляет 5 метров, а БФС‑1 — 2 метра. Именно таких размеров (по диаметру) активные зоны можно собирать на каждом аппарате. В проектах современных реакторов активным зонам стремятся придать более плоские — блинообразные — формы, на БФС‑1 такую геометрию не разместить. А размеры БФС‑2 позволяют решить эту задачу. При этом существуют проекты реакторов малой мощности, для моделирования которых отлично подходит БФС‑1. Также в зависимости от геометрических размеров, состава топлива, теплоносителя нейтронно-физические параметры моделируемых активных зон значительно различаются, по-разному проявляются эффекты реактивности. Наличие двух стендов разных размеров позволяет эти параметры определять.
В чем принципиальное отличие исследовательского реактора от стенда?
Экспериментальные модели активных зон на комплексе БФС можно сравнить со сборкой моделей из конструктора LEGO: на стендах можно собрать самые разнообразные зоны как по топливу (оксидное, металл, нитрид) и конструкционным сталям, так и по теплоносителю. При этом мощность критстендов минимальна (они так и называются в научной литературе — «реакторы нулевой мощности»), а поток нейтронов достаточен для экспериментального моделирования. Поэтому для изучения нейтронно-физических параметров активных зон критические стенды, конечно, подходят лучше.
А вот для облучения различных образцов, например, стали, топлива, или иных мишеней больше подходят исследовательские реакторы, где плотность потока нейтронов значительно выше, чем на критических стендах, а условия облучения соответствуют большим энергетическим реакторам.
Существуют ли подобные стенды в других странах? Планируют ли страны — члены ядерного клуба строительство собственных стендов, аналогичных БФС?
Подобные стенды раньше имелись в США, Японии и Франции, но по различным причинам все они остановлены или выведены из эксплуатации. В данный момент, по-моему, у французов есть сильное желание и возможности восстановить свою экспериментальную базу для моделирования активных зон быстрых реакторов.
Как долго стенды ФЭИ смогут работать после модернизации? Планируется ли дополнительное обновление оборудования? Какие еще перспективные исследования могут проводиться на БФС в будущем?
Срок службы стендов продлен еще на 20−25 лет (для БФС‑1 и БФС‑2), при необходимости его можно будет продлить дополнительно. Комплекс оснащен большим количеством современного цифрового оборудования и систем, которые требуют иного (по сравнению с аналоговыми приборами) подхода к их эксплуатации, ремонту и содержанию, что необходимо учитывать. Модернизация оборудования, связанная с эксплуатацией установок, — это постоянная составляющая работы критических стендов и весьма затратная ее часть. Возможности критических стендов БФС после модернизации позволяют экспериментально изучать не только реакторы на быстрых нейтронах, но и другие типы реакторов, например, ВВЭР-СКД, жидкосолевые и пр.
Техническое перевооружение критических стендов БФС включало две основные части. Первая — замена систем критических стендов, например пультовых (КС БФС‑1 и КС БФС‑2); замена всей аппаратуры СУЗ, автоматизированной системы радиационного контроля (АСРК), системы аварийной сигнализации для обнаружения самоподдерживающейся цепной реакции (САС СЦР), вентиляции, спецвентиляции, всей электропроводки, мостовых кранов и многое другое. По сути, от старого оборудования остались только стены и сами стенды.
Вторая часть техперевооружения включала дооснащение стендов новыми материалами и изготовление дополнительных партий (например, еще 100 тыс. блочков с натрием реакторной чистоты) к уже имевшимся на комплексе БФС материалам. Техническая модернизация, в первую очередь, позволила продлить срок эксплуатации критических стендов минимум на 20−25 лет. Во-вторых, она позволила расширить возможности и точность реакторного эксперимента. Например, в части полномасштабного (или крупномасштабного) моделирования активных зон с МОХ- или СНУП‑топливом таких проектов, как БН‑800, БН‑1200, БРЕСТ-ОД‑300, БРЕСТ‑1200 и др.
В чем различие между БФС‑1 и БФС‑2 помимо размеров? Какие именно работы можно проводить на БФС‑2, но нельзя на БФС‑1?
Размеры БФС и определяют их возможности. Диаметр корзины (бака) БФС‑2 составляет 5 метров, а БФС‑1 — 2 метра. Именно таких размеров (по диаметру) активные зоны можно собирать на каждом аппарате. В проектах современных реакторов активным зонам стремятся придать более плоские — блинообразные — формы, на БФС‑1 такую геометрию не разместить. А размеры БФС‑2 позволяют решить эту задачу. При этом существуют проекты реакторов малой мощности, для моделирования которых отлично подходит БФС‑1. Также в зависимости от геометрических размеров, состава топлива, теплоносителя нейтронно-физические параметры моделируемых активных зон значительно различаются, по-разному проявляются эффекты реактивности. Наличие двух стендов разных размеров позволяет эти параметры определять.
В чем принципиальное отличие исследовательского реактора от стенда?
Экспериментальные модели активных зон на комплексе БФС можно сравнить со сборкой моделей из конструктора LEGO: на стендах можно собрать самые разнообразные зоны как по топливу (оксидное, металл, нитрид) и конструкционным сталям, так и по теплоносителю. При этом мощность критстендов минимальна (они так и называются в научной литературе — «реакторы нулевой мощности»), а поток нейтронов достаточен для экспериментального моделирования. Поэтому для изучения нейтронно-физических параметров активных зон критические стенды, конечно, подходят лучше.
А вот для облучения различных образцов, например, стали, топлива, или иных мишеней больше подходят исследовательские реакторы, где плотность потока нейтронов значительно выше, чем на критических стендах, а условия облучения соответствуют большим энергетическим реакторам.
Существуют ли подобные стенды в других странах? Планируют ли страны — члены ядерного клуба строительство собственных стендов, аналогичных БФС?
Подобные стенды раньше имелись в США, Японии и Франции, но по различным причинам все они остановлены или выведены из эксплуатации. В данный момент, по-моему, у французов есть сильное желание и возможности восстановить свою экспериментальную базу для моделирования активных зон быстрых реакторов.
Как долго стенды ФЭИ смогут работать после модернизации? Планируется ли дополнительное обновление оборудования? Какие еще перспективные исследования могут проводиться на БФС в будущем?
Срок службы стендов продлен еще на 20−25 лет (для БФС‑1 и БФС‑2), при необходимости его можно будет продлить дополнительно. Комплекс оснащен большим количеством современного цифрового оборудования и систем, которые требуют иного (по сравнению с аналоговыми приборами) подхода к их эксплуатации, ремонту и содержанию, что необходимо учитывать. Модернизация оборудования, связанная с эксплуатацией установок, — это постоянная составляющая работы критических стендов и весьма затратная ее часть. Возможности критических стендов БФС после модернизации позволяют экспериментально изучать не только реакторы на быстрых нейтронах, но и другие типы реакторов, например, ВВЭР-СКД, жидкосолевые и пр.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #8_2021