Они возвращаются?

22.07.08 15:05

Историческая панорама

Атомная энергетика СССР с самого начала развивалась по двум параллельным направлениям. В апреле 1964г. на Белоярской АЭС выдал первые киловатт-часы энергоблок с водографитовым канальным реактором АМБ-100, а всего полгода спустя на Нововоронежской АЭС вступил в строй энергоблок с водо-водяным реактором ВВЭР-210. Этот паритет сохранялся и в дальнейшем. Сегодня в России работают 15 канальных реакторов (11 энергоблоков РБМК-1000 на Ленинградской, Смоленской и Курской АЭС, и 4 блока ЭГП-6 на Билибинской АЭС), и 15 водо-водяных (ВВЭР-440, ВВЭР-1000).

Среди причин такой диверсификации – проблема с изготовлением корпусов реакторов. Количество корпусов, которое могло изготовить за год отечественное машиностроение, было недостаточным для запланированных темпов развития атомной энергетики. Поэтому бескорпусные РБМК (реакторы большой мощности канальные), которым остряки дали кличку «штабель» (имея в виду кладку из графитовых блоков, в которой и размещались каналы) серьёзно облегчали выполнение планов по строительству новых АЭС.

Были и другие аргументы в пользу реакторов канального типа. Например, при сооружении реакторной установки оборудование могло поставляться отдельными узлами и агрегатами, что упрощало транспортировку. Реактор допускал перегрузку ядерного топлива «на ходу» (без останова энергоблока). Его нейтронно-физические характеристики давали возможность «дожигания» топлива ВВЭР (после регенерации). И так далее.

Хотя опыт эксплуатации канальных реакторов к моменту их внедрения в массовую энергетику уже имелся (на предприятиях, занятых производством ядерного оружия), их адаптация к сугубо энергетическим целям шла сложно. Например, 1-й энергоблок Белоярской АЭС проработал до вывода из эксплуатации всего 17 лет, и эта работа сопровождалась частыми остановками. Однако постепенно технология отрабатывалась, и со временем уже пошли в серию РБМК-1000, а на Игналинской АЭС появились даже РБМК-1500.

Чернобыльская авария в 1986г. (причины которой рассмотрим ниже) стала серьёзным препятствием на пути дальнейшего развития канальных реакторов. Ныне действующие реакторные установки (РБМК-1000, ЭГП-6) прошли глобальную модернизацию: были внедрены комплексные системы контроля, управления и защиты, улучшены нейтронно-физические характеристики активных зон и т.д. А энергоблок с реактором АМБ-200, затраты на модернизацию которого в сравнении с объёмом вырабатываемой им электроэнергии были экономически нецелесообразными, досрочно вывели из работы в 1989г.

От дальнейшего строительства канальных реакторов в те годы решено было отказаться, поэтому судьба недостроенного энергоблока №5 Курской АЭС, находящегося в высокой степени готовности, так и пребывает в «подвешенном» состоянии. В принципе, после всех усовершенствований этот реактор удовлетворяет современным (достаточно жёстким) требованиям безопасности. Споры ведутся вокруг экономической эффективности. Ведь когда «старшие братья» (даже с учётом продления срока их эксплуатации) всё же будут остановлены, этот канальный реактор останется в работе «последним из могикан». И ради него одного придётся содержать технологическую линию по производству топлива, а это приведёт к росту удельных затрат (серийное всегда дешевле «штучного»).

В мировой практике, кроме СССР, канальными энергетическими реакторами занималась только одна страна – Канада.

Уроки Чернобыля

Причины аварии канального реактора в Чернобыле изучены, выводы сделаны, уроки извлечены. Однако до сих пор существуют две противоборствующие группы: эксплуатационники считают, что основная вина лежит на конструкторах реактора, учёные же кивают на действия эксплуатационного персонала. Не ввязываясь в их спор по поводу того, «чья вина больше», процитируем заместителя гендиректора концерна «Росэнергоатом» по научно-технической политике Владимира Асмолова: «Причина аварии на Чернобыльской АЭС – это человеческий фактор и незнание, которое вылилось в ошибки в физике и в системе управления реактором. То есть человек допустил, а реактор позволил… С одной стороны, операторы должны были следовать инструкциям и действовать правильно. Но и учёным надо обратить на себя внимание – не должно было быть пропусков при анализе режимов работы реактора... Можно ли винить операторов АЭС в том, что они не знали того, чего не знали разработчики реактора? Ученые, которые проектировали РБМК, только после аварии смогли понять, что не максимальная мощность является для него критической».

А вот какие выводы сделал Юрий Петров, руководитель оперативно-следственной группы КГБ УССР на ЧАЭС: «Среди реальных причин аварии, прежде всего – несовершенство конструкции реактора, неадекватная система защиты. Именно эти обстоятельства, наряду с некачественной регламентной документацией, стали главными причинами аварии…».

Первая международная рабочая группа по тяжелым авариям и их последствиям, которая совещалась в Дагомысе в 1989г., признала причиной аварии возникновение «нестабильности реактора, вызванной как недостатками конструкции, так и режимом работы». Среди конструктивных недостатков отмечены положительный паровой эффект реактивности и «концевой эффект» поглощающих стержней. А действия персонала перед аварией способствовали проявлению этих недостатков: по ряду причин операторы вывели реактор в такой режим, где его поведение не было изучено и оказалось неустойчивым.

Напомню, что перед проведением электротехнического эксперимента (выбег ротора генератора) случайно был допущен провал мощности реактора. И вместо останова реактора операторы попытались вновь поднять его мощность хотя бы до минимального уровня, позволяющего провести этот эксперимент. Делалось это за счёт уменьшения оперативного запаса реактивности (извлечения поглощающих стержней).

К слову, очевидцы всегда отмечали значительную нагрузку на операторов РБМК: если на других типах реакторов операторы большую часть времени лишь контролируют ситуацию (режимы пуска и останова – не в счёт), то на РБМК им даже в ходе стабильной работы на номинальной мощности приходилось постоянно «шевелиться», вносить коррективы и оказывать управляющие воздействия.

Наконец, операторам удалось поднять мощность до уровня около 10% от номинала. Но этот режим был крайне нестабилен, а разработчики реактора в своё время не подвергли его серьёзному анализу (считалось, что основное внимание необходимо уделять режимам работы на больших мощностях). В результате произошли нежелательные изменения в циркуляции теплоносителя, а ввод аварийной защиты лишь усугубил процесс, поскольку и в ней скрывался конструктивный недостаток, не замеченный разработчиками.

Рассмотрим два основных недостатка в конструкции РБМК. Реактор обладал положительным коэффициентом реактивности: то есть, чем больше производилось пара, тем большую энергию выделяли ядерные реакции. На уровне больших мощностей этот эффект удерживался «в узде» другими физическими процессами. Но они переставали компенсировать его при работе на малой мощности. В результате образовывалась «положительная обратная связь»: рост мощности реактора приводил к ещё большему росту мощности.

Второй недостаток крылся в стержнях аварийной защиты, превратив её из последнего шанса безопасности в союзника аварии. Управление ядерной реакцией осуществляется стержнями-поглотителями нейтронов. Когда они подняты над активной зоной, в каналы попадает вода, которая ухудшает протекание ядерной реакции. Чтобы «не пустить» эту воду в каналы, стержни оснастили достаточно длинными концевиками из графита. Однако в нижней части каналов вода всё равно оставалась. И когда в результате запуска аварийной защиты графитовые концевики всех стержней одновременно вошли в активную зону и вытеснили остававшуюся в каналах воду, они вызвали добавочный всплеск мощности уже и без того нестабильного реактора.

На ныне действующих реакторах РБМК неизменным осталось только название. По сути, это уже совсем другой реактор.

«Сегодня на реакторе типа РБМК ничего подобного произойти не может, поскольку изменилась его физика. «Обратные связи» вернут реактор в нормальное состояние, если только он начнет разгоняться до каких-либо критических значений. Не люди, не техника, не какие-то регуляторы, а именно физика сейчас обеспечивает безопасность РБМК», – отмечает Владимир Асмолов. То же касается и изучения особенностей «поведения» реактора: на сегодня предметом подобного анализа являются режимы работы на всём диапазоне мощностей. А приоритетом для персонала АЭС стала культура безопасности – новый подход в организации всего производства и деятельности каждого работника, достойный отдельного рассмотрения.

Помимо этого, изменился подход к организации систем безопасности реактора. Теперь они основываются только на информации, получаемой с технических устройств контроля параметров, и не могут быть ограничены по воле оператора. Например, автоматизированная система расчета оперативного запаса реактивности, в случае уменьшения этого запаса ниже допустимого уровня, тут же остановит реактор.

Поэтому ныне действующие канальные реакторы гарантируют безопасную работу как сегодня, так и на период продления расчётного срока эксплуатации. А из НИКИЭТа доходят сведения о продолжении конструкторских работ в данной области.

Новый шанс для буквы "К"

В качестве эволюционного проекта, базирующегося на опыте эксплуатации РБМК, предлагается многопетлевой канальный энергетический реактор (МКЭР). Он позиционируются создателями не только для выработки тепла и электроэнергии, но и как возможный производитель изотопов для промышленности, медицины, науки.

В проекте МКЭР устранены недостатки, некогда присущие РБМК. Например, реакторная установка будет заключена в контайнмент из двух герметичных защитных оболочек (внутренняя – металлическая – будет в случае аварии удерживать давление изнутри реактора, а наружная – бетонная – защитит реактор от внешних воздействий) Разработаны пассивные системы расхолаживания активной зоны в случае прекращения циркуляции теплоносителя. Многократно увеличено число независимых петель циркуляции теплоносителя (поэтому в названии и появилось слово «многопетлевой»). Причём эти петли будут разведены по группам технологических каналов реактора в шахматном порядке. То есть, при отказе одной из петель, лишённая циркуляции теплоносителя группа каналов не перегреется: тепло от неё будет отводиться соседними петлями, оставшимися в работе. (Таким способом устраняется проблема «локальных козлов», из-за которых часто останавливались ещё «дедушки» нынешних канальных реакторов АМБ-100 и АМБ-200).

По электрической мощности предлагается три вида энергоблоков с реактором МКЭР – на 860, 1000 и 1500 МВт. Причём на первых двух видах предусматривается наиболее безопасная естественная циркуляция теплоносителя (насосы служат лишь для её усиления). Зато последний может использовать не только уран, но и уран-плутониевое топливо. Срок службы МКЭР рассчитан на 50 лет.

Надежду на внедрение этого проекта конструкторам даёт начавшийся ренессанс атомной энергетики, который сопряжён с той же, что и в СССР, проблемой: неготовностью машиностроителей выдать необходимое количество корпусов для реакторов ВВЭР, работающих под давлением.

Впрочем, Росатом пока ориентируются на массовое строительство по одному серийному проекту – «АЭС-2006» с водо-водяными реакторами ВВЭР. Возможно, атомные топ-менеджеры пока что не намерены распылять силы и средства на внедрение параллельных проектов, избрав наиболее отработанный и готовый к применению. А проблему с изготовлением корпусов надеются решить путём наращивания российских машиностроительных мощностей и мировой интеграции. Есть ли у канальных реакторов шанс на возрождение – покажет будущее.

Руслан Новорефтов

Читайте также: