Долгая дорога «Прометея»: история быстрого реактора БН-800

Почти полвека прошло от разработки технического проекта БН‑800 до ввода реактора в промышленную эксплуатацию. Его история началась в 1970 году, когда Физико-энергетический институт в интересах Минобороны подготовил задание на разработку на базе реактора БН‑600 усовершенствованного БНК‑600 (быстрый натриевый конвертор) для наработки оружейного плутония с попутным производством электроэнергии. В процессе разработки проекта мощность реактора была повышена до 750 МВт (э), и он получил новое название — ​БНК‑750 «Прометей». Но атомному титану выпала непростая судьба «жить» во время больших перемен.

Из военного в мирный

С самого начала в качестве основного варианта для нового реактора рассматривали использование смешанного уран-плутониевого топлива (МОКС-топлива). Однако в связи с дефицитом плутония расчетные исследования проводились также и для гибридной активной зоны, в которой наряду с МОКС-топливом использовался обогащенный уран.

В дальнейшем необходимость в такой установке для нужд Минобороны отпала, и по решению министра Ефима Славского в 1976 году проект БНК‑600 перепрофилировали на создание быстрого энергетического реактора с улучшенными характеристиками и основной задачей — ​производством электроэнергии. В результате появился проект БН‑800 с полной загрузкой активной зоны МОКС-топливом.

В проекте БН‑800 сохранили принципиальные решения БН‑600, а наибольшие изменения коснулись второго и третьего контуров, включая парогенераторы, натриевые насосы, пароэнергетическую часть.

В 1980 году вышло постановление правительства о сооружении на Белоярской и Южно-Уральской площадках (недостроенная АЭС в Челябинской области) четырех блоков, по два на площадке, с быстрыми энергетическими реакторами, БН‑800 и БН‑1600. Однако в связи с задержкой в разработке БН‑1600 в 1983 году вышло новое постановление ЦК КПСС и Совета Министров о сооружении четырех блоков с БН‑800: трех на Южно-Уральской площадке и одного — ​на Белоярской АЭС.

Чернобыльский фактор

Работы по сооружению блоков начались в 1984 году (пуск первого планировался в 1992-м). На Южно-Уральской станции уже был выкопан котлован, создана практически вся вспомогательная инфраструктура. Начались работы и на Белоярской АЭС.

Но после Чернобыльской аварии в 1986 году сооружение АЭС в стране было заморожено, а все проекты ядерных блоков направлены на дополнительное рассмотрение по обоснованию безопасности в специальную комиссию по анализу новых проектов ядерных энергетических установок под эгидой Академии наук.

Основное замечание, которое выдвинула комиссия при изучении проекта БН‑800, касалось натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЭР), а именно его довольно значительной положительной величины при уходе натрия из активной зоны.

Выход из положения нашли специалисты ФЭИ. Они предложили сделать специальную «натриевую» полость в тепловыделяющей сборке активной зоны за счет удаления верхнего торцевого экрана. Для защиты механизмов, расположенных в поворотных пробках, от нейтронного излучения над натриевой полостью в тепловыделяющей сборке (ТВС) помещается верхняя защита из карбида бора. В случае закипания натрия в активной зоне резко возрастает утечка нейтронов через натриевую полость, она приводит ко вводу отрицательной реактивности и доводит НПЭР до нулевого значения. В обоснование этого проектного решения были проведены многочисленные исследования, включая расчеты и эксперименты на критических сборках.

Также была изменена конструкционная сталь парогенератора, использована одна турбина, система аварийной защиты получила две независимые подсистемы отвода тепла и дополнительные стержни аварийной защиты. Их действие основано на пассивном принципе: при нормальной эксплуатации эти стержни находятся во взвешенном состоянии над активной зоной за счет напора циркулирующего натрия, а при прекращении циркуляции они сваливаются в активную зону и останавливают цепную реакцию.

Ниже активной зоны предусмотрен жаростойкий поддон для сбора и охлаждения фрагментов активной зоны в случае аварии (ловушка расплава). Кроме того, за счет дополнительных технических решений была повышена сейсмостойкость строительных конструкций.

С перерывом на лихие 1990-е

В 1990-е годы строительство энергоблока не сдвинулось с места из-за сложной экономической ситуации в стране. Вместе с тем проект энергоблока БН‑800 продолжал совершенствоваться, и к моменту принятия решения о возобновлении его сооружения обрел лучшие свойства и характеристики, удовлетворяющие всем требованиям безопасности.

В 2006 году финансирование сооружения энергоблока с реактором БН‑800 на Белоярской АЭС было включено в федеральную целевую программу «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007–2010 годы и на перспективу до 2015 года». Сооружение БН‑800 было возобновлено в июне 2006 года.

К сентябрю 2011-го блок был готов на 40 %. Но за 1994–2011 годы изменились требования к сооружаемым АЭС, направленные на повышение безопасности и эксплуатационной надежности. Также значительно изменилась номенклатура выпускаемого оборудования и нормативная база проектирования. В 2011 году «Росатом» принял решение о корректировке проекта.

В окончательном варианте была принята тепловая мощность энергоблока с реактором БН‑800 2100 МВт, а электрическая — ​880 МВт. Внутренний диаметр корпуса реактора составил 12,9 м при высоте 15 м. Корпус реактора представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд с конусной крышкой и эллиптическим днищем с опорным кольцом. Температура теплоносителя на входе в активную зону — ​354 °C, а на выходе — ​547 °C. Плановый коэффициент использования установленной мощности реактора — ​85 %.

Реактор имеет интегральную компоновку оборудования первого контура, при которой внутри корпуса реактора размещена активная зона и зона воспроизводства с системой организации теплосъема, органы управления реактивностью, главные циркуляционные насосы, радиационная защита, поворотные пробки, механизм перегрузки, элеваторы загрузки и выгрузки, внутриреакторные устройства временного хранения топлива, подвески ионизационных камер и теплоноситель первого контура.

Активная зона реактора БН‑800 состоит из 1233 ячеек (две из них без установленной сборки, предназначены для перегрузки гильз). Количество сборок — ​1261 штука. Активная зона реактора и боковая зона воспроизводства собираются из шестигранных ТВС сечением 96 мм. Снизу столба топлива в твэлах располагается торцевой экран с обедненной двуокисью урана.

Французский натрий

В мае 2010 года стало ясно, что стартовая загрузка БН‑800 смешанным уран-плутониевым оксидным топливом к директивным срокам пуска энергоблока не будет обеспечена в полном объеме. Задержка произошла из-за того, что при создании промышленной технологии производства МОКС-топлива выявилась необходимость увеличения объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

С учетом этих обстоятельств «Росатом» принял решение о пуске БН‑800 с так называемой гибридной активной зоной реактора, которая содержит 25 % МОКС-топлива и 75 % уранового оксидного (двуокиси урана). Предполагалось, что по мере создания промышленного производства МОКС-топлива реактор БН‑800 будет постепенно переходить на него путем замены топлива из двуокиси урана.

19 декабря 2012 года на площадку строящегося энергоблока № 4 Белоярской АЭС прибыл из Франции первый контейнер с натрием. Поставщиком стала французская компания MSSA, победившая в международном тендере. Первый контейнер, прибывший на площадку энергоблока БН‑800, содержал 18,5 т натрия. Всего в 2012 году поступило 2 тыс. т.

Приемка натрия в энергоблок началась в середине января 2013-го. Из-за длительности периода накопления натрия для заполнения реактора приемка натрия стартовала задолго до окончания работ по монтажу основного оборудования блока, то есть эксплуатация части оборудования блока началась, когда остальное оборудование еще монтировали.

30 августа 2013 года завершили сборку БН‑800 с имитационной активной зоной. 25 декабря начался этап физпуска. 2 февраля 2014 года стартовала загрузка в реактор тепловыделяющих сборок, завершившаяся 23 июля. За два дня до этого количество топлива, загруженного в реактор БН‑800, достигло значения, достаточного для начала ядерной реакции. Стартовая активная зона реактора содержала пусковой источник нейтронов, 648 тепловыделяющих сборок, 36 сборок, участвующих в различных системах управления и защиты.

27 июня был осуществлен выход на минимально контролируемый уровень мощности — ​была достигнута мощность 0,01 % от номинала, на которой реактор удерживался длительное время. Физпуск реактора завершился 30 июля.

Перенос энергопуска

Энергетический пуск планировали на октябрь 2014 года, но отложили из-за выявленных недоработок в конструкции ТВС. В 2010 году, когда было принято решение использовать гибридную зону, конструктор топлива ОКБМ для перераспределения потока натрия применил дроссельное устройство, которое вкручивалось снизу в топливную сборку. Как позже было установлено, это соединение при значительных расходах натрия ненадежно. Для реактора пришлось изготавливать новую партию ТВС (около 100 штук) с другим креплением, из-за чего энергопуск был отложен.

После модификации активной зоны повторный физпуск состоялся в конце июля 2015 года, а энергопуск реактора стартовал 25 ноября. Тогда на энергоблоке № 4 Белоярской АЭС с реактором БН‑800 впервые был выработан пар, с помощью которого произведено пробное прокручивание турбины по штатной тепловой схеме. Перед этой процедурой мощность реактора подняли до 15 % от номинальной, чтобы парогенератор смог выработать достаточное количество пара. Основная цель процедуры — ​проведение замеров вибрации элементов турбины для последующей виброналадки.

10 декабря энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН‑800 был включен в сеть и выработал первую электроэнергию. Тепловую мощность реактора БН‑800 подняли до 25 % от номинальной, турбину вывели на частоту вращения 3 тыс. оборотов в минуту. Затем генератор энергоблока синхронизировали с энергосистемой, и тепловую мощность реактора увеличили до 35 % от номинальной. Новый энергоблок включился в энергосистему на минимальном уровне электрической мощности 235 МВт. Энергопуск реактора завершился 9 февраля 2016 года после выполнения всех предусмотренных программой испытаний.

В 2016 году шло постепенное освоение мощности на этапах энергопуска, а затем во время опытно-промышленной эксплуатации проводились проверки и испытания оборудования и систем на различных уровнях мощности и в различных эксплуатационных режимах.

Испытания завершились в августе 2016 года 15-суточным комплексным опробованием на мощности 100 %, в ходе которого подтвердилось, что энергоблок способен стабильно нести нагрузку на номинальной мощности в соответствии с проектными параметрами. 31 октября энергоблок был введен в промышленную эксплуатацию и стал самым мощным в мире блоком с реактором на быстрых нейтронах.

Премию в реакторный зал

В 2016 году американский журнал по энергетике Power присудил премию Power Awards за 2016 год проекту четвертого энергоблока Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН‑800. При определении победителя учитывалась возможность решить комплекс задач с помощью атомного энергоблока, в частности по утилизации радиоактивных отходов. Жюри отметило особое значение реактора БН‑800 в реализации российского подхода по замыканию ядерного топливного цикла.

По показателям надежности и безопасности БН‑800 вошел в число лучших ядерных реакторов мира. Неполадки, возникавшие в процессе эксплуатации реактора, не имели критического значения, и их быстро устранял персонал энергоблока. Так, например, в активной зоне появилась гнутая сборка, и ее извлечение механизмом перегрузки оказалось невозможным — ​оператор не видел сборку. Специалисты станции предложили использовать видеокамеру, помещенную в простейшую конструкцию типа водолазного колокола — ​открытую снизу трубу с поддувом аргона сверху. Когда расплав натрия был вытеснен из колокола, операторы с помощью видеосвязи смогли навести механизм захвата, и гнутая сборка была извлечена.

В январе 2020 года, после завершения первого капитального ремонта, в БН‑800 загрузили первую серийную партию МОКС-топлива из 18 тепловыделяющих сборок. А в июле 2020 года Горно-химический комбинат изготовил для БН‑800 первую полную партию для перегрузки уран-плутониевого МОКС-топлива — ​169 ТВС. Поставка активной зоны из МОКС-топлива на Белоярскую АЭС завершится до конца 2020 года, загрузка топлива в реактор запланирована на январь 2021-го.

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.