Электричество в виде азбуки Морзе: история первого в своем роде реактора ЭИ-2

С пуском первой АЭС научное руководство атомной отрасли вернулось к идее промышленных двухцелевых реакторов. К середине 1954 года Министерство среднего машиностроения приняло решение о проектировании второй очереди агрегатов для производства плутония и попутной выработки товарной электроэнергии. Первый в мире двухцелевой промышленный уран-графитовый реактор получил наименование ЭИ‑2: энергетический изотопный второй.

Проект в четыре года

Для сокращения сроков создания реактора Николай Доллежаль предложил использовать проект реактора И‑2 с добавлением энергетической части, электростанции. Вместе с тем из-за изменения рабочих параметров реактора требовалась разработка ряда совершенно новых узлов, не имеющих аналогов.

Для этого были внесены значительные изменения в конструкцию реактора ЭИ‑2 по сравнению с существовавшими промышленными реакторами. Во-первых, предусмотрен замкнутый контур отвода тепла от активной зоны реактора вместо проточной схемы. Теплоноситель первого, радиоактивного контура нагревал в парогенераторах теплоноситель второго контура, нерадиоактивного, для получения низкотемпературного пара, который направлялся в турбогенераторы для выработки электроэнергии. Во-вторых, были увеличены параметры охлаждающей воды первого контура, что потребовало использования новых конструкционных материалов технологических каналов и оболочек твэлов. В-третьих, была изменена схема перегрузки реактора и конструкция перегрузочных механизмов. Вместо старой системы разгрузки урановых блоков из реактора была разработана новая, обеспечивающая герметизацию технологического канала снизу, чего не требовалось при проточной схеме. В-четвертых, в проекте была предусмотрена система преобразования тепловой энергии реактора в электрическую: имелся машинный зал со всеми необходимыми устройствами и системами.

На разработку проекта первого промышленного энергетического реактора ЭИ‑2 потребовалось около четырех лет. Его проектная мощность была определена в 500 МВт (тепловая), или 100 МВт (электрическая).

С опорой на «Ольгу»

Компоновка реактора ЭИ‑2 в основном повторяла компоновку реактора И‑1. Он размещался в прямоугольной шахте размером 20,6×20,6 м и глубиной 21,4 м, с армированными бетонными стенами толщиной 2 м.

Графитовая кладка реакторного пространства состояла из 2725 колонн, каждая из 14 графитовых блоков сечением 200×200 мм. При наборе колонн для их перевязки по высоте использовали блоки высотой 200, 400, 500, 600 мм. В нижнем слое устанавливали блоки разной высоты, а верхние блоки подбирали для обеспечения общего высотного размера кладки 7600 мм. Блоки имели продольное отверстие диаметром 66 мм со смещением от центра. Кладка со всеми внутриреакторными узлами опиралась на нижнюю опорную металлоконструкцию — ​так называемую схему «О» («Ольга»).

Охлаждающая вода подавалась через верхнюю водную коммуникацию к каждому каналу через расходомерную стойку. Из канала вода поступала в коллектор, а потом отводилась в теплообменник.

Каналы загружали блоками сверху. А выгружали их из канала с помощью разгрузочных механизмов, управляемых дистанционно. Весь столб блоков в канале опирался на запорный «грибок» разгрузочного механизма. При подаче давления на затвор разгрузочного механизма «грибок» отводился в сторону, и столб блоков падал в бункер, из которого блоки гидротранспортом подавались в бассейн выдержки, а затем по технологической цепочке отправлялись на переработку.

Начало разгона

Стройка началась в 1956 году, а к январю 1958-го реактор был смонтирован без паротурбинной части энергоблока: провели промывку и опрессовку первого контура реактора и всех вспомогательных систем, проверили системы контроля, управления и защиты. Реактор был готов к физическому пуску.

Организационно реактор ЭИ‑2 входил в состав завода РЗ‑5, спроектированного ГСПИ‑11 с тремя уран-графитовыми промышленными реакторами (И‑1, ЭИ‑2 и АДЭ‑3), азотно-кислородной станцией и промышленной электростанцией (ЭС‑1) мощностью 330 МВт.

Начальником реактора назначили Тома Николаева, опытного реакторщика, участника пуска реакторов А, АВ‑3 (комбинат № 817) и И‑1 (комбинат № 816).

В день начала загрузки реактора весь обслуживающий персонал был одет в новые белоснежные комбинезоны или халаты. В центральный зал в специальном контейнере доставили комплект блочков для загрузки первого канала, которая производилась вручную через специальные воронки. В каждый технологический канал, заполненный водой, помещалось 63 блочка.

Честь опустить первый блочок в канал предоставили директору комбината № 816 Михаилу Родионову, затем загрузку продолжили руководители реактора, члены приемочной комиссии, представители проектных и конструкторских организаций. Полностью первый канал заполнился 29 января 1958 года в 21:55. Далее блочки загружал эксплуатационный персонал. Периодически загрузка останавливалась, физики замеряли скорость счета импульсов для расчета критического числа загруженных каналов, при которых коэффициент размножения равен 1. Для реактора ЭИ‑2 число каналов составило 446.

После загрузки 450 каналов в 11:35 30 января 1958 года приборы зафиксировали момент начала разгона реактора — ​начало физического пуска. 31 января в 2:40 загрузка реактора была завершена — ​всего загрузили 1953 технологических канала.

Забытая деревяшка

В феврале 1958 года состоялся пуск реактора ЭИ‑2 в проточном режиме. 12 февраля при работе реактора на мощности 200 МВт произошло первое ЧП — ​сработала аварийная защита реактора из-за сокращения подачи воды на охлаждение в половине каналов аппарата. На следующий день после вскрытия одного из дросселей аварийного канала выяснили, что гидравлический тракт заполнен древесной щепой. Предположили, что при монтаже реактора внутри остался деревянный предмет, который после попадания в главный циркуляционный насос был перемолот им в мелкую щепку.

Руководство реактора приняло решение для очистки активной зоны подать воду обратным током. Однако это не гарантировало извлечение всей щепы из зазоров между блочками и каналами, а досрочное извлечение блочков грозило потерей запланированного количества плутония. Через несколько дней от научных и проектных организаций поступило разрешение на пуск реактора без перегрузки активной зоны, и 20 февраля реактор после промывки стали выводить на мощность. При достижении уровня мощности в 1 % от проектной в реакторе опять обнаружилась щепа. Аппарат вновь заглушили и промыли обратным током, после чего 25 февраля 1958 года начался регламентный вывод его на проектную мощность.

Сначала фильм, потом пуск

Энергопуск реактора ЭИ‑2 был запланирован на 1 августа 1958 года и приурочен к открывающейся в первых числах сентября II Женевской конференции, где планировалось продемонстрировать документальный фильм о пуске первого блока Сибирской АЭС. Однако пуск откладывался, и тогда руководство решило имитировать при съемке рабочее состояние реактора. Фильм показали на конференции, он стал сенсацией. А реальный физпуск начался только 27 августа 1958 года.

Происходили аварии на реакторе и по иным причинам, связанным с человеческим фактором. Так, во время плановых ремонтных работ по ошибке открыли обратный клапан технологического канала, блочки под напором воды стали всплывать и вываливаться на защитные плиты верхней части реактора. Просто подойти и собрать их было невозможно из-за радиационного воздействия. Тогда главный механик реактора Худяков предложил изготовить бочку с двойными стенками, заполнив промежуток между ними свинцовой дробью для радиационной защиты. Вместо дна бочки стояло стекло толщиной 20 см, через него вел наблюдение находившийся там оператор, который ручным манипулятором подхватывал блочок и опускал его в прикрепленную к бочке емкость. Операторы имели личные дозиметры, по показаниям которых определялось время работы в центральном зале реактора. После сбора всех блочков, рассыпанных по настилу, появилась возможность собрать блочки, попавшие под настил. Через несколько суток последствия аварии были ликвидированы.

24 сентября 1958 года состоялся повторный пуск, во время которого был поставлен под загрузку турбогенератор № 1.

Недовольство энергетиков

Освоение энергетического режима оказалось трудным и длительным. Сказывалось отсутствие глубоких экспериментальных работ, и в первую очередь по ресурсному обоснованию живучести и надежности материалов активной зоны. Вскоре после энергопуска стали разгерметизироваться оболочки твэлов, появились течи труб технологических каналов, часто отказывали разгрузочные механизмы, установленные на каждом канале и управляемые гидравликой. Необходимо было оптимизировать водно-химический режим реактора.

Справка

Проектирование ЭИ‑2 поручили НИИ‑8, местом строительства был выбран Томск‑7 (комбинат № 816, сейчас — СХК). Техническое задание и условия на проектирование реакторов ЭИ‑2 и АДЭ были составлены в ЛИПАН (будущий Курчатовский институт). Генеральным проектантом установок стал Ленинградский ГСПИ (ВНИПИЭТ). Металлоконструкции реакторов проектировал ЦНИИПСК им. Мельникова. Твэлы разрабатывались в НИИ‑9 (ВНИИНМ). В качестве топлива использовали природный уран в виде металлических цилиндрических блоков в оболочке из алюминиевого сплава. Для увеличения запаса реактивности, а также для выравнивания мощности по радиусу и высоте активной зоны использовали блочки из металла, обогащенного по урану‑235.

ЭИ‑2 оказался экспериментальным полигоном и научной лабораторией, в которой отрабатывали новые материалы и сплавы, оптимизировали технологию эксплуатации. Наладка и освоение реактора продолжались до 1960 года. За это время модернизировали и усовершенствовали ряд технологических устройств: разгрузочный механизм, узел уплотнения низа технологического канала, систему контроля герметичности каналов и др. За два года работы коллектив эксплуатационников совместно со специалистами проектных и научных институтов создал практически новый реактор, который мог устойчиво работать в энергетическом режиме.

Вместе с тем частые остановки реактора из-за зависания урановых блоков отрицательно влияли на реактор как источник электроэнергии. Энергетики возмущались остановами турбины и утверждали, что поступление электричества «в виде азбуки Морзе» никому не нужно, что оно раскачивает энергосистему. Они были правы. Но приоритетом для реактора была наработка плутония, а не электроэнергии, которая являлась побочным продуктом. Тем не менее первый заместитель министра средмаша Александр Чурин поставил перед учеными и специалистами завода — производителя блочков задачу по разработке новых технологий, обеспечивающих производство надежного топлива. Совместными усилиями эта задача была решена, и остановки реактора стали редкостью. Всего за 1961–1987 годы произошло девять аварий, связанных с нарушением целостности оболочки блочков.

Захоронен на месте

По мере работы реактора возникали новые проблемы. Из-за несимметричного расположения отверстий в графитовых блоках под воздействием излучения и высоких температур блоки стали деформироваться, что привело к постепенному искривлению всех графитовых колонн с максимумом прогиба в центре кладки. К 1979 году деформация достигла предельных значений, и встал вопрос: либо останавливать реактор, либо разрабатывать технологию его ремонта в условиях высоких радиационных полей. Выбрали второй вариант, и специалисты комбината, завода и НИИ провели капитальный ремонт, установив в активной зоне натяжители из циркония, после чего работоспособность реактора была восстановлена.

В результате 32-летнего непрерывного совершенствования конструкций узлов, деталей, систем контроля и автоматики, технологии ремонта и обслуживания реактора мощность ЭИ-2 была увеличена более чем в два раза, а по числу внеплановых остановок в год эксплуатационники подошли к показателю на уровне лучших зарубежных АЭС.

28 декабря 1990 года реактор ЭИ‑2 был навсегда остановлен, хотя техническое состояние позволяло дальнейшую эксплуатацию. Для вывода из эксплуатации впервые использовались технологии, позволившие реализовать вариант захоронения на месте. Из активной зоны ЭИ‑2 удалили отработанное ядерное топливо, демонтировали и дезактивировали оборудование и металлоконструкции реактора, провели все необходимые научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и создали защитные барьеры на основе природных глин, обеспечившие ядерную и радиационную безопасность объекта на десятки тысяч лет.

При подготовке использованы материалы из архива газеты «Атомпресса», электронной библиотеки «История «Росатома» (elib.biblioatom.ru) и других открытых источников. Если вы были участником описываемых событий, знаете интересные факты о создании реакторов или обнаружили неточность в статье, напишите автору по адресу atom‑55@mail.ru.