27 января 2011

Владимир Шишкин: горячее всегда идёт вверх, а холодное - вниз

 В Москве 11-12 ноября 2010 года в здании президиума РАН состоялась межотраслевая межрегиональная научно-техническая конференция "Перспектива развития системы атомных станций малой мощности в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения" (АСММ-Регионам-2010).

В кулуарах конференции на вопросы электронного издания AtomInfo.Ru любезно согласился ответить первый заместитель директора, главный конструктор транспортных и перспективных установок ОАО "НИКИЭТ" Владимир ШИШКИН.

 

"Унитерм"

Владимир Александрович, стандартный первый вопрос. Расскажите, пожалуйста, о той установке, которую Вы докладывали на конференции "АСММ-Регионам-2010".

Наш доклад был посвящён автономным, экологически безопасным атомным энергоисточникам малой мощности на базе РУ "Унитерм".

Наиболее примечательное качество нашей установки - её необслуживаемость в течение длительного цикла действия. Я имею в виду необслуживаемость именно реакторной части. Персонал работает на оборудовании теплофикации либо электрогенерации.

То есть, правильно ли мы поняли, что персонал у "Унитерма" всё-таки есть?

Да, конечно. На атомной станции, как я уже говорил, имеется персонал, обслуживающий электрогенерирующий и теплофикационный блоки, вспомогательные системы и оборудование. Кроме того, должен быть персонал для обслуживания ТСО (технические средства охраны объекта).

Да и собственно реакторная установка не остается "брошенной". За ней ведется постоянное наблюдение специалистами, например, из регионального центра обслуживания с помощью спутниковой связи.

Далее, система управления реакторной установкой, а также её нейтронно-физические и теплотехнические характеристики обеспечивают следующее: при любом внештатном событии реакторная установка автоматически либо выводится из действия, либо переходит в режим горячего резерва. Первое происходит в том случае, если что-то не в порядке с реакторной частью, второе - при серьёзных сбоях в системах теплоснабжения или электрогенерации.

Чуть-чуть о реакторе. Это водо-водяной реактор?

Да, это реактор водо-водяной. По сути дела, это инновационно-эволюционный путь развития транспортных водо-водяных установок. По параметрам теплоносителя, по конструкционным материалам мы не предлагаем каких-либо революционных решений это эволюционный путь развития реакторов водо-водяного типа.

Инновация заключается в плане новых конструктивно-компоновочных схемных решений. Новшества и изменения, которые мы предлагаем, направлены, в основном, на решение вопросов безопасности и нераспространения.

На каком топливе будет работать "Унитерм"?

Мы выбрали перспективное топливо для корабельных установок. Его можно назвать керметом. Это холодное топливо. Подобного рода топливо сейчас стоит в НИИАРе на испытаниях, и пока никаких неприятностей мы не видим, всё идет так, как мы рассчитывали.

Другое новшество - интегральная компоновка. Я бы сказал: "Настоящая интегральная компоновка". Всё, абсолютно всё оборудование первого контура находится в едином плотном прочном корпусе парогенерирующего агрегата.

В реакторной установке "Унитерм" есть обычные в водо-водяных установках барьеры безопасности - топливная композиция, оболочка твэла, корпус реактора и отсекаемые участки трубопроводов первого контура, всё это здесь присутствует. Добавлен ещё страховочный корпус, который исключает возможность осушения и расплавления активной зоны. Добавлен и промежуточный контур между первым контуром и контурами потребителей.

Страховочный корпус - это не то, что делают у себя американцы?

Нет. То, что делают американцы, выступает своего рода дополнительной оболочкой безопасности. Наш страховочный корпус малого объёма рассчитан на давление примерно 30 атмосфер. При гипотетической аварии с разрывом первого контура, активная зона при этом всегда остаётся под заливом воды. Не разрывается тракт циркуляции, идёт отвод тепла от активной зоны, и, по сути дела, мы избавлены от необходимости городить ловушку для расплава.

Циркуляция у "Унитерма" естественная или принудительная?

Во всех контурах собственно реакторной установки естественная.

Исключительно? А насос есть хотя бы запасной?

Насосы имеются только в контурах потребителя. Если есть турбогенератор с конденсатором, то после конденсатора организована подача питательной воды в парогенератор. Если есть теплофикационный бойлер, оттуда тоже идёт циркуляция.

Но ещё раз я хочу подчеркнуть, что всё это оборудование расположено вне зоны радиационной опасности и обслуживается личным составом без каких-либо ограничений.

Анализ безопасности, который мы провели для самых тяжёлых аварий, показывает - на границе оболочки безопасности радиационный фон превышает уровень естественного фона всего лишь на 10-15%. Фактически, это означает, что полностью снимаются вопросы о санитарно-защитной зоне.

Извините, но у нас большое отторжение вызывает идея о реакторах без насосов. Природные силы - это здорово, но на всякий случай установить насос не мешало бы.

Вы знаете, такой позиции мы придерживаемся, разрабатывая установки транспортного назначения. Именно транспортного - для судов, для кораблей. Почему? Они сталкиваются с внешними воздействиями, качками, дифферентами, кренами.

В транспортных установках для более надёжной работы активной зоны мы считаем необходимым иметь насосы и реализовывать комбинированную циркуляцию. Такие установки у нас созданы, они работают сегодня. На них мы снимаем до 70% мощности при естественной циркуляции теплоносителя.

В отличие от них, "Унитерм" - установка наземного исполнения. В ней лучше естественных процессов ничего придумать нельзя. Природу не обманешь - горячее всегда идёт вверх, холодное идёт вниз.

Владимир Александрович, почему, всё-таки, выбрано водо-водяное направление для "Унитерма"? Не будем скрывать, что, если говорить о перспективных реакторах, то НИКИЭТ ассоциируется, в первую очередь, со словом БРЕСТ.

Я фактически уже ответил вам на этот вопрос. "Унитерм" - инновационно-эволюционная технология. Разрабатывая и предлагая нашу установку, мы исходили из того, что при возникновении к ней интереса она должна быть создана в течение 5-6 лет. Поэтому выбор водо-водяного реактора был очевиден. Все другие направления… я бы сказал, они уже не стадии НИР, но ещё на стадии НИОКР.

Реакторная установка "Унитерм".
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.

 

Унитерм

 

 

Энергетическим источником атомной станции "Унитерм" является интегральный водо-водяной реактор, разработанный на основе 30-летнего опыта создания и эксплуатации судовых и корабельных ядерных реакторных установок.

Основным элементом АСММ "Унитерм" является высоконадёжная длительного действия реакторная установка с мощностью одного блока до 10 МВт электрических.

Конкурентные преимущества АСММ "Унитерм".

1. Автономный режим работы РУ в течение 20-25 лет периодами по одному году без участия оператора и без технического обслуживания РУ.

2. Отсутствие перегрузки топлива в течение всего срока службы. 

3. Дополнительный барьер безопасности для защиты контура потребителя от радиационной активности (трёхконтурная схема передачи тепла потребителю).

4. Применение воздушного охлаждения конденсаторов и теплообменников расхолаживания без использования водных источников.

5. Минимальное воздействие на природу в процессе доставки и монтажа блоков оборудования, малая площадь, занимаемая станцией.

Цитируется по: "Автономные, экологически безопасные атомные энергоисточники малой мощности на базе реакторных установок типа "Унитерм" // Ю.Г.Драгунов, Е.Н.Гольцов, Г.И.Гречко, В.А.Шишкин // Доклад на конференции "АСММ-Регионам-2010", Москва, 11-12 ноября 2010 года.
 

 

Владимир Шишкин (слева) и Владимир Емельянов, фото AtomInfo.Ru

 

Владимир Шишкин (слева) и Владимир Емельянов, фото AtomInfo.Ru

Доставка и саморегулирование

Как будет организована доставка вашей установки к потребителю?

Доставка предполагается в специальном транспортно-упаковочном контейнере, рассчитанном на все те воздействия, которые прописаны в сегодняшней нормативной документации. Это и перевозка свежего топлива, и перевозка отработанного топлива. Все эти темы мы проработали со специализированными организациями и принципиальных сложностей не видим.

Каков вес АСММ "Унитерм"? В докладе звучала цифра 180 тонн.

180 тонн - это вес блока, когда мы вывозим реактор в отработанном состоянии, с защитой. А так он гораздо легче.

Как вы будете вывозить такой груз? По железной дороге или автотранспортом?

Мы с КБ тяжёлого транспортного машиностроения и со специализированными кафедрами МГТУ им. Н.Э. Баумана эти вопросы прорабатывали. По состоянию на сегодня, у России есть опыт доставки в отдалённые регионы тяжёлого трансформаторного или иного технического оборудования весом до 200-220 тонн. Мы со своими 180 тоннами в эти границы вписываемся.

Были когда-то красивые идеи завозить блоки АЭС до места вертолётом. Не потянет?

Не в том дело. По массе потянет, можно предусмотреть такую блочную структуру для завоза вертолётами и сборке на месте. Но, с точки зрения безопасности, по земле надёжнее. По земле, либо водным путём.

Про саморегулирование в "Унитерме" Вы не могли рассказать? На каких принципах оно основано и в каких пределах по параметрам оно действует?

Принцип обычный, общепринятый для водо-водяных установок. Пустотный эффект, температурный эффект, мощностной, Доплер… Разница состоит лишь в том, что в "Унитерме" мы используем их в максимально возможной степени.

В обычных условиях падение реактивности с выгоранием и отравлением компенсируется перемещением органов регулирования. А у нас в конструкцию заложен запас на снижение температуры первого контура. Идёт выгорание, снижается температура, и реактивность поддерживается нулевой. Как я уже сказал, в конструкции "Унитерма" есть запасы по теплообменной поверхности, чтобы в течение года компенсировать снижение температуры.

А через год?

А через год приезжает бригада, проводит профилактические работы и выставляет новое положение стержней.

Реактор при этом останавливается?

Останавливается, да.

А ксенон, отравление, йодные ямы?

Это всё просчитано. Было просмотрено и получено, что мы с ними справляемся.

Здесь необходимо отметить следующий немаловажный фактор. В реакторной установке "Унитерм" удельная энергонапряжённость активной зоны в 4-5 раз меньше, чем у обычных энергетических реакторов водо-водяного типа и в 10 раз меньше, чем у реакторов, используемых на транспортных установках. В связи с этим эффекты, о которых вы говорите, также существенно меньше.

В каких пределах реактор будет справляться с эффектами реактивности? Если, например, из базового режима у вас мощность сбросится на 50%...

Мы неприятность эту спокойно переживём. Мы проводили анализ даже таких крайних случаев, когда идёт полное отключение потребителя. При этом реактор перейдёт в режим горячего резерва и будет стоять на мощности, отвод которой обеспечивает наша система расхолаживания. Это где-то 5-7% от номинала.

Извините, забыли задать с самого начала вопрос о мощности установки.

По мощности так. По тепловой мощности РУ мы просматривали линейку от 15 до 50 МВт. По электрике это соответствует от 3 до 10-12 МВт в одном блоке.

Почему 50 МВт? Потому что, когда мы уходим за этот предел, то начинают сказываться эффекты отравления и выгорания, о которых вы спрашивали. Они будут вынуждать нас чаще выполнять операцию перестановки органов регулирования, а мы считаем это нецелесообразным.

Северные помидоры

И снова про саморегулирование. Всё-таки, это самая интересная тема для малых реакторов. Вы регулируете падение реактивности за счёт снижения температуры. Соответственно, у вас, наверняка, сильные отрицательные коэффициенты по топливу и теплоносителю. Но что произойдёт, если потребитель резко включит нагрузку и в реакторе начнётся захолаживание?

Хочу отметить, что реактивностные коэффициенты, о которых вы говорите, вполне умеренной величины. При этом эффект саморегулирования работает в обе стороны. Как только происходит захолаживание, так у реактора начинает расти мощность. Аппарат выйдет на уровень, который нужен потребителю, но выйдет не скачкообразно.

Но, всё-таки, при захолаживании активной зоны возникнет значительная положительная реактивность за счёт отрицательных обратных связей по воде. А Доплер-эффект сработает не мгновенно, потому что топливо нагреется не мгновенно.

На самом деле, это просчитывается. Доплер- и температурные эффекты помогут нам справиться с таким большим набросом положительной реактивности. Но, чтобы не нарваться на неприятную ситуацию, мы вводим определённое ограничение на скорость набора мощности.

А каким образом?

Это уже регулируется у потребителей.

И скорость сброса тоже регулируется?

А вот скорость сброса нет. Скорость сброса мощности может быть любой. При моментальном отключении нагрузки (предельный случай сброса мощности) все реактивностные эффекты, о которых мы говорили, работают только на защиту. Не волнуйтесь, все эти сценарии мы очень внимательно моделировали расчётным путём.

Расчёты - это очень хорошо. Но проверялась ли осуществимость саморегулирования в течение столь долгого срока (как минимум, год) экспериментально?

Я скажу так. В тех действующих установках, которые можно назвать прототипами "Унитерма", принципы саморегулирования были заложены и проверены на практике. На них оператор мог бы даже не присутствовать за пультом управления.

Одна из проблем режима саморегулирования заключается, на наш взгляд, в том, что при резком сбросе нагрузки у горячего реактора запасённое тепло никуда не уходит. Реактор разогревается, получается слишком большая отрицательная реактивность, и мощность реактора уходит далеко-далеко вниз…

В докладе, который мы представили на конференции "АСММ-Регионам-2010", отмечается, что в "Унитерме" по этим и другим причинам мы пошли на определённую потерю к.п.д. станции, введя в состав установки постоянно действующую систему аварийного отвода атомного тепла.

Поэтому я не считаю, что в "Унитерме" мы столкнёмся с такой ситуацией, когда нагрузка резко сброшена, а тепло девать некуда. Система аварийного отвода работает постоянно, и она подхватит высвободившееся тепло.

Куда эта система отводит тепло, например, в обычных условиях эксплуатации? Греет ближайший парник с помидорами?

Вы знаете, я уверен, что для наших потребителей - особенно в отдалённых районах Крайнего Севера - это станет только дополнительным преимуществом. Да, кроме АСММ, они могут получить в своё распоряжение ещё и парник с помидорами.

В заключение могу сказать, что, разумеется, на реакторных установках в обязательном порядке перед сдачей в эксплуатацию проверяются режимы такого рода, будь то полное обесточивание, либо прекращение отбора пара, прекращение подачи питательной воды. При этом смотрится, как системы безопасности справляются с возникшей ситуацией.

Большое спасибо, Владимир Александрович, за интересное интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.