Из истории создания БН-600

22 октября 2010

В 2010 г. исполнилось 30 лет с того дня, когда первые два турбогенератора третьего блока Белоярской АЭС с реактором БН-600 были синхронизированы с сетью Свердловэнерго. А рождение идеи создания БН-600 относится к далекому 1962 г., когда велось интенсивное проектирование реактора БН-250 (позднее он стал называться БН-350).

Такое смелое, в какой-то мере рискованное решение – создать в удаленном, изолированном от единой энергосистемы районе опытно-промышленный блок для производства электрической и тепловой энергии, а также питьевой и технической воды мог только министр Е.П. Славский. Он лично и начальник Главка А.Д. Зверев постоянно контролировали ход проектных работ, которые выполнялись многими организациями, в том числе: ОКБМ – главный конструктор реакторной установки, ОКБ ГП – конструктор парогенератора, ВНИПИЭТ – генпроектант установки, ВНИИНМ – конструктор-технолог твэл, ФЭИ – научный руководитель проекта. К разработке корпуса реактора была привлечена Промстальконструкция, к разработке машинного зала – ЛОТЭП; участниками проекта были также ЦНИИМС, ЦНИИКА, СНИИП и др.

Для большинства упомянутых организаций разработка установки с реактором на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем была совершенно новой задачей. В этих условиях роль Физико-энергетического института с его опытом создания и эксплуатации БР-1, БР-2, БР-5, с его уникальной экспериментальной базой по проблемам теплофизики, гидравлики, технологии натриевого теплоносителя, горячими материаловедческими и радиохимическими камерами и критическими стендами БФС-1 и БФС-2 была особенно важной и ответственной. Надо сказать, что ФЭИ вместе с другими организациями старались создать реакторную установку, не уступающую по надежности и безопасности своим конкурентам из Франции (Phenix), Великобритании (PFR), Германии (SNR-300), США (CRFBR).

Текущие дела по проекту, состояние разработок быстрых реакторов в других странах постоянно обсуждались как внутри института, так и на совместных совещаниях в ОКБМ, ВНИИНМ, в 4-м Главке. «Вдохновителем и организатором» этой деятельности был научный руководитель ФЭИ Александр Ильич Лейпунский. Как никто другой он прекрасно знал все, что публикуется по проблемам быстрых реакторов, всячески поддерживал атмосферу поиска, честного и взыскательного отношения к собственным разработкам.

Под его руководством в ФЭИ велась напряженная работа по выбору размеров и материалов твэлов активной зоны БН-350, боковой и торцевых зон воспроизводства, ПЭЛ, внутриреакторной защиты, определению способов сохранения поля энерговыделения и оптимального режима перегрузок, постоянно обсуждалась с коллегами из других организаций разработка основного оборудования. Особенно настораживал неудачный опыт с парогенераторами реакторов БР-5 и «Энрико Ферми». На основе проведенных в ФЭИ экспериментов по большим межконтурным протечкам воды в натрий были разработаны рекомендации по системе защиты второго контура при таких авариях, а на основе коррозионных и нейтронно-физических исследований были сформулированы рекомендации по допустимым примесям натрия. В ФЭИ была выполнена разработка и проведена стендовая проверка приборов контроля межконтурной протечки воды в натрий, индикаторов содержания в натрии окислов натрия, ловушек паров натрия, пробоотборника натрия; были выданы рекомендации по средствам тушения натриевых пожаров, холодным ловушкам окислов, системе КГО.В это время в ОКБМ шла разработка и стендовая проверка главных натриевых насосов, обратных клапанов, системы перегрузки топлива, приводов и механизмов СУЗ. В общем, все причастные организации приступили к интенсивной, тщательно контролируемой разработке проекта.

1.jpgВот в этот период А.И. Лейпунский совместно с О.Д. Казачковским предложили продумать следующий шаг на пути развития ядерной энергетики с БН-реакторами и приступить к разработке новой установки с реактором на быстрых нейтронах на базе усовершенствованного БН-350, но с большим по сравнению с БН-350 приближением к промышленным установкам. В конце ноября 1962 г. на конференции по жидко-металлическим теплоносителям в г. Обнинске А.И. Лейпунский вкратце изложил эту идею. Предлагалось в рамках активной зоны БН-350 повысить нагрев теплоносителя в 1,5 раза, т.е. вместо 200С принять подогрев теплоносителя 300С. Соответственно повысить температуру теплоносителя на выходе из активной зоны до 600С, а мощность с 1000 МВт повысить до 1500 МВт. Это позволяло использовать серийно выпускаемое оборудование машзала и вырабатывать 600 МВт электрической мощности. Это предложение с интересом было встречено организациями – разработчиками проекта БН-350 и поддержано «родным» 16-м Главком и Министерством энергетики.

В 1963 г. ФЭИ выпустил первое техническое задание на разработку проекта БН-600; вскоре проект был включен в стратегию развития атомной энергетики до 1980 г., а ОКБМ приступил к конструированию реакторной установки. Началась кропотливая работа по анализу, оптимизации и постепенному «приземлению» первоначальных рекомендаций с учетом проводимых расчетных и экспериментальных работ, опыта создания и пуска БН-350 и БОР-60 и публикаций в иностранных журналах. Уже накануне пуско-наладочных работ на БН-350 был выявлен ряд неприятных проблем:

- из-за рубежа была получена информация о значительном распухании и изменении механических свойств аустенитных сталей при облучении их нейтронами интегральными дозами (1,0-1,5) . 10²³ н/см²;
- в результате проведенных в ФЭИ экспериментов было выяснено, что возникшая малая межконтурная протечка воды (пара) в натрий в теплопередающих поверхностях парогенератора за несколько минут увеличивается до большой течи (от 30-50 г/с до 0,5-1,0 кг/с ) и за это же время происходит разрушение соседних трубок, попавших в зону «факела»;
- было установлено плохое качество натрия, прибывшего с Чирчикского завода.

С последней проблемой справились довольно быстро: была разработана технология и создана установка, которая позволяла нагревать транспортные однокубовые емкости с натрием и отгонять из них парафин, после чего натрий через фильтр направлялся в емкости натриевых контуров. Количественных данных по радиационному воздействию на конструкционные материалы еще не было, поэтому ограничились приваркой к стенкам чехла ТВС БН-350 дистанционирующих пластин. Для предотвращения массового разрушения трубной поверхности парогенераторов при межконтурных течах в них в первую очередь нужна была разработка высокочувствительного, быстродействующего прибора контроля возникновения межконтурной протечки, что с некоторым запозданием в ФЭИ было сделано.

Начальный период эксплуатации БН-350 также сопровождался рядом нарушений условий нормальной эксплуатации и предаварийных ситуаций:
- в первые месяцы после пуска были выведены из эксплуатации 5 из 6 парогенераторов по причине межконтурных течей;
- наблюдались массовые разгерметизации оболочек твэлов;
- проявилось радиационное формоизменение (распухание и прогиб) чехловых труб ТВС.

Все это потребовало дополнительных исследований и внесение изменений в проектные решения и соответственно учитывалось в разработках БН-600. Так, в частности, временно было ограничено выгорание топлива в твэлах БН-350 значением 5,7% . Было установлено, что массовая разгерметизация оболочек твэлов обусловлена недооценкой газовыделения и недостаточным объемом газовой полости твэлов, что потребовало соответствующего изменения конструкции твэлов. Но наиболее тяжелые последствия были связаны с авариями практически всех парогенераторов. Именно из-за этого пришлось услышать горькое резюме при обсуждение возникшей ситуации в ЦК КПСС: «Ну что ж, довольно наигрались с быстрыми реакторами?!» И что бы дальше было, если бы не министр Е.П. Славский...

Были организованы срочные исследования и установлено, что причиной многочисленных межконтурных протечек в парогенераторах было грубейшее нарушение технологического процесса при изготовлении деталей и сварке труб Фильда на Подольском заводе – изготовителе парогенераторов. После этого Е.П. Славский организовал ремонт – а по сути дела изготовление на месте новых парогенераторов. Уникальная работа была выполнена НИКИМТом при участии ОКБ ГП, ФЭИ и эксплуатационников. Старые парогенераторы были отмыты от натрия, демонтированы в них трубки Фильда, изготовлены и приварены к трубной доске новые трубы Фильда, и после проведения контрольных операций парогенераторы были введены в работу, обеспечив впоследствии эксплуатацию установки с КИУМ (80-90)%. А Долгий А.А. – директор Подольского завода, Герой соцтруда, в 1974 г. был уволен с работы.

В 1965-1968 гг. были приняты важные решения по проекту БН-600. В отличие от БН-350 было решено перейти на интегрированную баковую компоновку первого контура с размещением насосов и промтеплообменников внутри корпуса реактора. С учетом результатов проведенного эксперимента отказались от корпусного типа парогенератора в пользу прямоточного секционно-модульного с использованием феррито-мартенситной стали 1Х2М для испарительных модулей и нержавеющей стали ОХ18Н9Т для пароперегревательных и промперегревательных модулей. По настоянию ВНИИНМ была снижена температура натрия на выходе из реактора с 600С до 550С.

После преодоления «послеродовых» неприятностей и вывода реактора БН-350 в режим устойчивой безаварийной эксплуатации, проведение НИОКР по проекту БН-600 резко интенсифицировалось. В подтверждение и обоснование основных характеристик, безопасности и надежности оборудования БН-600 осуществлялась обширная программа исследований:
- в ФЭИ на стенде БФС-2 исследуются физические характеристики активной зоны и проверяется внутрибаковая защита;
- в горячей лаборатории начаты исследования материалов активной зоны БН-350;
- проведены испытания в реакторе БН-350 и опытная регенерация МОХ-топлива;
- на двух стендах исследуются большие и малые межконтурные течи применительно к новой конструкции парогенератора;
- вместе с Березниковским заводом и Хлорным институтом разрабатывается новая технология производства натрия и с ЛОАЭП – новые транспортные средства, которые исключают контакт натрия с воздухом на всех этапах производства и транспортировки натрия;
- осуществлена разработка новых средств контроля за межконтурными протечками в парогенераторах, новых пробоотборников натрия;
- выполнены эксперименты по истечению в воздушную среду больших количеств натрия и проверены новые средства тушения натриевых пожаров;
- подготовлены подробные программы, методики, контролирующая аппаратура для проведения физического пуска реактора;
- разработаны и изготовлены элементы пускового источника.

Напряженная работа по завершению разработок оборудования и рабочего проекта в целом была выполнена в ОКБМ, ЛОАЭП, ОКБ ГП, ВНИИНМ и других организациях.

Перелом в темпах завершения строительно-монтажных работ наступил летом 1978 г. после известного «совещания министров», которое организовал руководитель областного штаба стройки БН-600, первый секретарь Свердловского Обкома КПСС, Б.Н. Ельцин при большой помощи руководителя Главка Минэнерго бывшего директора Белоярской АЭС В.П. Невского. Это здесь он (Б.Н. Ельцин) скажет: «Я знаю, что дела идут плохо на строй-монтаже не из-за того, что вы, строители и монтажники, любите «протирать штаны», а потому, что сидящие здесь руководители министерств срывают сроки поставки оборудования. Больше этого не будет, иначе прошу на меня не обижаться – я нужные двери открывать умею. А свердловчане, которые и раньше не подводили Партию и Правительство, завершат сооружение БН-600 в установленный срок, до конца пятилетки».

Хотя пуско-наладочные работы, физический и энергетический пуски прошли без каких-либо серьезных происшествий, все же в дальнейшем не удалось избежать проблем с парогенераторами и тепловыделяющими элементами. Были и другие проблемы – с насосами, арматурой, верхней защитной колонной, случались и наружные протечки натрия с его возгоранием. Однако за прошедшие 30 лет усилиями эксплуатационников при помощи участников проекта проведена огромная работа по усовершенствованию оборудования, приборов, систем автоматического регулирования и режимов эксплуатации. Выполнена большая материаловедческая программа, в результате которой удалось повысить выгорание топлива в 1,5 раза – с 7% т.а. до 11,3% т.а. В реакторе проведены испытания большой группы экспериментальных ТВС с МОХ-топливом. С 1985 г. началась переработка ОЯТ БН-350 и БН-600 на заводе РТ. Надежность всего оборудования была повышена.

По важнейшим эксплуатационным показателям, таким как КИУМ, число незапланированных остановок реактора, облучаемость персонала, экологическому воздействию на окружающую среду блок занимает одно из лидирующих мест в концерне Росэнергоатом. В настоящее время с опытом эксплуатации реактора БН-600 связаны наиболее высокие в мире достижения в освоении технологии реакторов на быстрых нейтронах. С учетом этого опыта в нашей стране разработан более совершенный, в первую очередь в отношении безопасности, блок БН-800, сооружение которого находится в завершающей стадии. Важнейшая задача этого блока - освоение замкнутого топливного цикла. В утвержденную Правительством Федеральную целевую программу до 2010 г. включена также разработка коммерческого блока большой мощности БН-1200 МВт эл., на который вместе с замкнутым топливным циклом возлагаются стратегические надежды будущей атомной энергетики. Накопленный положительный опыт блока БН-600 в настоящее время вдохновляет и другие страны приступить к безотлагательной разработке и созданию опытных, а затем и промышленных реакторов на быстрых нейтронах.

Л.А. Кочетков, В.М. Поплавский, М.Ф. Троянов,
Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского
По материалам доклада на Международной научно-технической конференции «БН-600 – 30 лет», г. Заречный, БАЭС