В НИИАР в пятый раз модернизировали старейший исследовательский реактор СМ-3

В НИИАР в октябре после глубокой модернизации активной зоны запустили высокопоточный исследовательский материаловедческий реактор СМ‑3. Аббревиатура расшифровывается как «самый мощный», а теперь у СМ‑3 и самая молодая активная зона. С ввода в эксплуатацию в 1961 году он прошел уже пятую реконструкцию. Атомщики не просто меняют выработавшие ресурс компоненты, но в первую очередь совершенствуют экспериментальные возможности и технические характеристики реактора.

«Ловушечную» концепцию СМ предложил физик-ядерщик Савелий Фейнберг, один из сподвижников Игоря Курчатова. Говорят, что название для установки предложил сам Курчатов. «Игорь Васильевич, ну зачем же с моими инициалами?» — ​смущенно спросил Фейнберг. «Савелий Моисеевич, это не ваши инициалы. СМ значит «самый мощный», — ​ответил Курчатов.

И тогда, и теперь реактор занимает лидирующие позиции в мире по плотности потока нейтронов и благодаря этому обладает уникальной возможностью нарабатывать трансплутониевые элементы: изотопы америция, кюрия, берклия, эйнштейния. Промежуточный спектр нейтронов в экспериментальных ячейках позволяет создавать условия для испытаний материалов и топлива и быстрых, и тепловых, и даже термоядерных реакторов. За почти шесть десятилетий эксплуатации в СМ выполнено множество исследований влияния облучения на конструкционные и топливные материалы. Помимо научно-исследовательской экспериментальной программы на реакторе нарабатывается широкий спектр радиоизотопов медицинского, научного и индустриального назначения.

Готовьтесь к лучшему

Главными задачами модернизации были замена внутрикорпусных элементов и продление срока эксплуатации установки. «Ученые и инженеры института подошли к делу творчески. Усовершенствовали конструкцию для существенного улучшения экспериментальных возможностей реактора. Следует отметить, что без замены элементов активной зоны продолжение эксплуатации было бы просто невозможно», — ​рассказал «СР» начальник реакторного исследовательского комплекса НИИАР Алексей Петелин, технический руководитель проекта.

Концепция очередной модернизации активной зоны СМ‑3 в институте зрела с начала 2000-х годов. После изучения многочисленных вариантов была разработана новая конфигурация активной зоны. Сделали технический проект, рабочую конструкторскую документацию и изготовили конструктивные компоненты активной зоны. В результате применения уникальных инженерных решений количество каналов со сверхвысокой плотностью потока нейтронов выросло с 27 до 57, что на 40 % увеличит наработку трансплутониевых элементов и радионуклидов с высокой удельной плотностью потока нейтронов.

«Внедрение новой конструкции нейтронной ловушки потребовало новых внутрикорпусных элементов, исполнительных механизмов и рабочих органов системы управления и защиты. Были выполнены все расчетные исследования физических и теплогидравлических характеристик реактора, проведены эксперименты на критическом стенде — ​физической модели реактора. После подготовки госкорпорация одобрила выполнение работ в формате инвестиционного проекта», — ​вспоминает Алексей Петелин.

Реконструкция своими силами

Реактор остановили в июле 2019 года, и уже через год были смонтированы новые компоненты активной зоны, аппаратура СУЗ и пульт управления. Все основные этапы модернизации специалисты НИИАР провели самостоятельно: проектно-конструкторские разработки, изготовление компонентов активной зоны, демонтажно-монтажные и пусконаладочные работы. Разработкой, изготовлением и шефмонтажом аппаратуры СУЗ занимался «­СНИИП-Систематом» (Москва), разработкой, изготовлением и шефмонтажом аппаратуры электромеханических приводов СУЗ — ​«Диаконт» (Санкт-Петербург).

Вывели реактор на проектный уровень мощности на месяц раньше, чем было запланировано в инвестиционном проекте. СМ‑3 стал более надежным и безопасным, срок его работы может быть продлен до 2040 года и дальше. «Выполнение такого сложного проекта еще раз показало исключительные компетенции института. Мы модернизировали активную зону самого высокопоточного исследовательского реактора, мы обладаем технологиями изготовления и замены внутрикорпусных устройств, — ​отметил директор НИИАР Александр Тузов. — ​В этом важном для отечественной и мировой атомной науки и техники проекте были задействованы специалисты целого ряда подразделений института. Работы выполнены на высоком уровне».

ИЗ ИСТОРИИ

Реактор СМ стал первой исследовательской ядерной установкой в Димитровграде, с его строительства начинается история НИИ атомных реакторов. Первый научный руководитель СМ Владимир Цыканов в своих воспоминаниях пишет: «13 июля 1958 года группа геодезистов и сотрудников института в дремучем лесу определила точку левого угла здания будущего реактора. По обычаю предков в честь этого события была принесена жертва — ​за отсутствием добровольцев первая попавшаяся лягушка». Установку ввели в эксплуатацию в 1961 году. Изначально мощность СМ составляла 50 МВт.

Пять модернизаций СМ

1964–1965 годы

Пластинчатые тепловыделяющие элементы заменены на крестообразные, увеличена высота активной зоны с 250 до 350 мм. Произведена замена центральной зоны, вместо оксида бериллия в отражателе применен металлический бериллий. Введена в строй система контроля герметичности оболочек с индивидуальным отбором теплоносителя от каждой ТВС. Заменены насосы первого контура. Мощность реактора выросла с 50 до 75 МВт. Нейтронно-физические, технические и эксплуатационные характеристики существенно улучшены.

1974 год

Замена теплообменного оборудования, увеличена эффективность системы управления и защиты. Мощность реактора достигла 100 МВт. Плотность потока тепловых нейтронов возросла до 5·1015 см‑2 × с‑1, что позволило СМ стать самым высокопоточным в мире.

1977–1978 годы

Выполнена замена центральной зоны реактора: бериллий исчерпал ресурс. Внедрено гидропрофилирование ячеек активной зоны, расход теплоносителя увеличен с 2 тыс. до 2,4 тыс. м3/ч, что позволило почти вдвое повысить запас до кризиса теплообмена. В компенсирующих органах системы управления и защиты кадмиевый поглотитель заменен на оксид европия, бериллиевые вытеснители в стержнях, расположенных по углам активной зоны, заменены на топливо. Установлены защитные кожухи на входные и выходные патрубки корпуса. Установлен новый пульт управления реактором, введена в эксплуатацию водно-химическая петля. Сокращена численность обслуживающего персонала с 17 до 12 человек в смене.

1991–1993 годы

Новый корпус с внутрикорпусными устройствами установлен внутрь старого, ставшего страховочным. Создана дополнительная система аварийного охлаждения реактора, новые системы контроля радиационной безопасности и сбора информации на ЭВМ. Обновлена система электроснабжения и система пожаротушения. Впервые в институте применен дополнительный источник электроснабжения реактора — ​дизельная электростанция. В ходе реконструкции изменилось количество и расположение экспериментальных каналов в отражателе при сохранении конфигурации активной зоны. Петлевой канал в центральной нейтронной ловушке заменен на бериллиевый блок с 27 отверстиями для облучаемых мишеней, что увеличило эффективность производства одного из наиболее востребованных радионуклидов — ​калифорния‑252.

2019–2020 годы

Вновь заменена центральная зона и внутрикорпусные элементы. Создана цифровая система управления и защиты. Заменены электромеханические приводы рабочих органов СУЗ. Обоснована возможность перевода реактора на более эффективное топливо. Изменена конструкция центральной нейтронной ловушки, что позволило более чем вдвое увеличить количество экспериментальных каналов со сверхвысокой плотностью потока нейтронов и значительно увеличить срок службы реактора.