БН-800. На пути к замыканию топливного цикла

Зачем вообще нужны быстрые реакторы

Быстрые реакторы призваны расширить топливную базу атомной энергетики. В настоящее время тепловые реакторы, в подавляющем большинстве представленные на АЭС во всем мире, используют в качестве топлива изотоп U235, которого в природном уране всего 0,7%. Быстрые реакторы позволяют "сжигать" не только U235, но и нарабатывать из U238 новое топливо - Pu239. А заодно и сжигать многие актиниды - изотопы, образующиеся в отработанном ядерном топливе (ОЯТ) других реакторов. Эффективность использования природного урана в быстрых реакторах увеличивается на порядок.

Обычный тепловой реактор типа ВВЭР мощностью 1 ГВт требует для изготовления топлива около 160 тонн природного урана, из которого в отвал уходит 139 тонн обедненного урана, и образуется около 20 тонн ОЯТ. Для загрузки быстрого реактора такой же мощности при замыкании топливного цикла потребуется  лишь 13 тонн ОЯТ ВВЭР и не больше двух тонн отвального урана, а отходов образуется меньше тонны. Для устойчивого замыкания топливного цикла в парке АЭС соотношение мощностей тепловых реакторов и быстрых должно быть примерно 4:1. А значит, в будущем нужно построить несколько типовых коммерческих быстрых реакторов.

Но это в теории. А на практике до сооружения коммерческого блока БН-1200 с приемлемыми экономическими показателями работы еще многое нужно отработать на БН-800, который является переходным проектом между ним и БН-600.  Пока в БН-800 загружено смешанное уран-плутониевое МОКС топливо лишь на четверть, остальное - урановое топливо с высоким обогащением. Полный переход на МОКС-топливо будет достигнут лишь в 2019 году. Тогда можно будет принять обоснованное решение по сооружению БН-1200 на основе опыта эксплуатации БН-800.  

Освоение мощности и испытания

Программа испытаний при освоении мощности расписана в виде подробного плана, как освоение новой модели самолета - нужно проверить заложенные в проект решения на практике, постепенно увеличивая нагрузки. Программа подразумевает ступенчатый набор мощности до 15%, 35%, 67% от номинальной и отслеживание поведения установки и всех ее элементов на выдерживание нагрузки, температурных режимов, правильной работы систем управления и безопасности.

Одно из самых важных испытаний - оценка поведения установки при главной проектной аварии. Это почти фукусимский сценарий, когда полностью отключается внешнее электропитание. Проведенные испытания показали, что заложенные решения работают правильно - реактор самостоятельно глушится и в течение нескольких дней остывает без каких-либо повреждений за счет естественной циркуляции натрия в первых двух контурах и воздуха в третьем контуре. Для воздушного охлаждения третьего контура используются высокие трубы на энергоблоке.

До конца мая блок выйдет на 100% мощности. А окончание всех испытаний и переход к промышленной эксплуатации и выработке электроэнергии намечен на осень этого года.

Общий вид блока №4 c реактором БН-800. Вытянутая часть справа - это машзал. В высокой части слева находится реакторный зал. Трубы на нем - это часть системы аварийного расхолаживания. 

Прогулка по энергоблоку

Блочный пульт управления. Людей тут немного. Перед нами - место начальника смены. Слева впереди - отвественный за реактор. Справа - за турбину. По центру тот, кто отвечает за их взаимодействие. 

Посмотрим внимательно на основной экран. Вверху видна текущая мощность - минус 1 МВт. Реактор заглушен. Блок на плановом ремонте. Он сейчас не вырабатывает, а потребляет электроэнергию. В том числе на разогрев натрия в первом и втором контурах, который иначе превратился бы в твердый металл.

Один из экранов с текущими параметрами. Слева вверху - температура в петлях второго контура. Как видим, даже при остановленном реакторе натрий разогрет до 234 градусов. 

Реакторный зал

БН-800, как и другие быстрые натриевые реакторы, имеет интегральную компоновку. Это значит, что весь первый контур - активная зона, главные циркуляционные насосы и теплообменники первого контура находятся внутри одного большого бака, залитого натрием. В реакторном зале мы можем наблюдать лишь верхнюю часть конструкции, сам бак находится ниже уровня пола. Чтобы понять, что мы видим, давайте посмотрим на общий вид зала, и затем - на схему реактора.

Общий вид на реакторный зал. Реактор в центре. Фото: Сергей Тэн, Белоярская АЭС

Схема БН-800. На фото реакторного зала мы видим лишь выступающий вверх оранжевый защитный колпак.  Можно оценить, насколько глубоко вниз уходит сама конструкция в реактором зале.

Еще раз взглянем на реактор поближе. Оранжевый защитный колпак находится прямо над центральной частью бака. Три желтых агрегата вокруг - это главные циркуляционные насосы первого контура. Они обеспечивают циркуляцию натрия внутри бака. Серые трубы вокруг цветных деталей - это трубопроводы второго контура с натрием. По ним тепло отводится от первого контура (бака) к третьему, где уже вода образуется в пар, идущий на турбину. Кстати, давление во втором контуре больше, чем в первом, чтобы в случае протечек чистый натрий попадал в грязный, а не наоборот.

Можно спуститься вниз и потрогать эти трубопроводы. Как мы видели на пульте управления, температура натрия во втором контуре около 230 градусов. А при работе реактора она достигает 500 градусов. Но снаружи трубу можно трогать, она не горячая. Она сделана по принципу "труба в трубе" для герметичности и надежно теплоизолирована.

Тут же рядом - агрегат топливозагрузки. Кстати, свежую кассету с топливом вполне безопасно даже держать в руках. Тем не менее, участие человека в топливозагрузке ограничивается лишь доставкой контейнера со свежим топливом в эту ячейку справа с зубчатым венцом. Далее все происходит в автоматическом режиме. Агрегат топливозагрузки вынимает кассету и переносит ее в один из трех каналов слева, тех что под белыми крышками. Далее топливо с помощью системы барабанов перемещается внутрь бака реактора и попадает в активную зону. Выгрузка толива так же осуществляется автоматически. После его отмывки от натрия оно попадает в бассейн выдержки.

Из урана - в пар и киловатты

А теперь по множеству длинных переходов переместимся в машзал. Здесь находится одна турбина мощностью 880 МВт и турбогенератор. На БН-600 было три турбины по 200 МВт. Здесь же пошли по схеме тепловых реакторов с одной большой машиной. Это позволило сократить удельные затраты на строительство и число обслуживаемых агрегатов в процессе эксплуатации. Со времен первого проекта БН-800 в 1980-х строительство турбин в стране шагнуло вперед, поэтому модернизированная турбина позволяет вырабатывать не 800 а 880 МВт. 

Турбина отечественная. Делали "Силовые машины". Вообще, 90% оборудования отечественное. Правда, натрий пришлось заказывать во Франции.

Общий вид на турбину (справа белая) и генератор (слева желтый). Сейчас тут проводится ремонт, часть кожухов снята.

Турбогенератор №7. Хотя на этом блоке всего один турбогенератор, на всей БАЭС он седьмой по счету. Три турбогенератора стоят в первой очереди у реакторов АМБ, и три турбогенератора стоят в машзале БН-600. 

В России накоплен огромный опыт эксплуатации быстрых натриевых реакторов. 45% мировых реакторо-лет БН приходятся на наши установки - экспериментальные БР-5 и БОР-60, опытно-промышленные БН-350, БН-600 и теперь БН-800. На всех них последовательно отрабатывались инженерные решения, совершенствовались конструкции и технологии, приближающие замыкание ядерного-топливного цикла и приближение БН по экономическим показателям в ВВЭР. Следующий реактор БН-1200 уже должен стать именно серийным.  

Текст и фото: Дмитрий Горчаков