Двуликий АРБУС, который так и не добрался до Антарктиды

Мы продолжаем рассказывать об истории отечественных реакторов — ​промышленных и экспериментальных. В середине прошлого века советской научной станции в Антарктиде потребовался мощный источник энергии для проведения исследовательских работ. Так родился проект АРБУС — ​антарктическая блочная установка. В дальнейшем появился второй вариант названия: атомная реакторная блочная установка. Правда, до Антарктиды АРБУС так и не добрался, зато стал первой в СССР атомной станцией теплоснабжения.

Использование атомной энергии для энергоснабжения Крайнего Севера и Дальнего Востока манило ученых Минсредмаша кажущейся простотой и экономической эффективностью. Еще большего удешевления стоимости атомного киловатт-часа можно было достичь при использовании в качестве теплоносителя органических жидкостей вместо воды. Возможность использования в этом случае дешевых конструкционных материалов, серийно выпускаемого оборудования, а также отказ от биологической защиты первого контура реактора, казалось, ставили такой энергоисточник вне конкуренции.

Без воды

Реакторы, в которых в качестве теплоносителя используются органические жидкости, обладают уникальными возможностями. Из-за низкой коррозионной активности в качестве основного конструкционного материала в них можно использовать обычные дешевые углеродистые стали. Кроме того, наведенная активность в органическом теплоносителе крайне низка по сравнению с водой, поэтому без проблем можно проводить обслуживание оборудования первого контура реактора. Высокая температура кипения и низкая упругость паров теплоносителя позволяют снизить давление в первом контуре, что существенно уменьшает вероятность аварии с разрывом корпуса или трубопроводов.

Однако не бывает плюсов без минусов, и главный недостаток заключался в радиационно-термическом разложении органики, сопровождавшемся поликонденсацией продуктов распада на теплообменных поверхностях твэлов. Под действием излучения и высокой температуры в органических жидкостях начинаются процессы, аналогичные нефтяному крекингу. Потери теплоносителя в этом случае составляют от 0,1 до 1 кг вещества на 1 МВт·ч выработанной электроэнергии. Осаждение высокомолекулярных соединений на поверхности твэлов в виде пленки (фаулинг) ухудшает теплообменные процессы, поэтому пленки нужно как можно быстрее удалять из теплоносителя, то есть для реактора с органическим теплоносителем необходима постоянная регенерация теплоносителя и его подпитка.

Эта проблема стала главной для ученых, конструкторов и проектировщиков установки АРБУС. Их основные усилия были направлены на поиск возможности регенерации продуктов крекинга без выведения последних из контура. И такой способ, основанный на процессе каталитического гидрокрекинга, был найден. Петлевые исследования показали, что при поддержании оптимальных параметров процесса он обеспечивает гидрирование непредельных продуктов радиационной дегидрогенизации и селективную деструкцию высокомолекулярных продуктов радиолиза. Это позволило рекомендовать для первого контура реактора АРБУСа гидростабилизированный газойль, который отличала низкая температура замерзания (–40 °C) и невысокая стоимость. Также показали хорошие результаты при испытаниях гидротерфенил и дитолилметан.

Двухконтурная схема

Научное руководство по созданию АРБУСа взял на себя Институт атомной энергии им. Курчатова, главным конструктором стал НИКИЭТ.

Для реактора установки выбрали двухконтурную схему. Теплоноситель первого контура циркулировал по двум петлям и подавался в парогенераторы со свободным уровнем испарения. Каждая петля включала в себя парогенератор и компенсатор объема. Отдав тепло теплоносителю второго контура (воде), теплоноситель первого контура поступал в компенсаторы объема (дегазаторы), где были установлены сетчатые фильтры грубой очистки. Тонкая очистка теплоносителя осуществлялась в металлокерамических фильтрах, установленных на байпасных линиях циркуляционных насосов.

Второй контур установки АРБУС представлял собой часть типовой конденсационной паротурбинной электростанции. Насыщенный пар из парогенератора под давлением 25 атмосфер направлялся на турбину, после чего поступал в конденсатор, охлаждаемый водой или азотом.

Образующиеся в процессе разложения теплоносителя низкокипящие фракции газойля конденсировались в ресивере, откуда периодически сбрасывались в дренажный бак. Отбор теплоносителя на регенерацию производился из первого контура, а регенерированный газойль подавался в сливной бак.

Предполагалось, что установку АРБУС будут поставлять в виде отдельных, полностью смонтированных блоков, прошедших стендовые испытания на заводе-изготовителе. Станцию комплектовали 19 блоками, каждый весом не более 20 т, что позволяло перевозить их как наземным, так и водным транспортом. По проекту монтаж установки на промплощадке занимал около трех месяцев.

Тепловая мощность реактора составляла 5 МВт, электрическая — ​750 кВт. Реактор представлял собой сварной цилиндрический сосуд высотой 4365 мм, диаметром 1340 мм, со стенками толщиной 20 мм. В реакторе располагался внутренний корпус, выполняющий сразу две задачи: формирование потока теплоносителя и крепление активной зоны. Выравнивание скоростей теплоносителя по диаметру достигалось за счет установки на входе в активную зону двух перфорированных плит. Температура теплоносителя на входе в реактор составляла 513 °C, на выходе — ​523 °C.

Активная зона комплектовалась 69 тепловыделяющими сборками, состоящими из шести концентрически расположенных твэлов. Твэлы для АРБУСа изготавливали из алюминиевого сплава. В качестве топлива использовали уран-силуминовую композицию, которая гарантировала минимальный выход продуктов распада при нарушении герметичности твэлов. Полная загрузка урана‑235 в активную зону составляла 22,5 кг, обогащение по урану‑235 — 36 %. Реактор мог работать на полной мощности без перезарядки активной зоны два года.

Работу реактора регулировали стержнями системы управления и защиты, изготовленными из бористой стали. Два стержня предназначались для автоматического регулирования, 30 стержней — ​для компенсации температурного эффекта и эффекта ксенонового отравления. Стержень СУЗ перемещался в трубе из нержавеющей стали, расположенной в центре ТВС. При аварийной ситуации стержни падали в активную зону, заглушая цепную реакцию деления.

Обкатка в Мелекессе

Решение о месте размещения экспериментальной установки принимал министр Ефим Славский. Предпочтение отдали Мелекессу (сейчас — Димитровград), где создавался новый центр ядерных технологий — ​Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР). Проект привязки АЭС к промплощадке выполнил ВНИПИЭТ.

На площадке НИИАР АРБУС разместили в отдельном здании. Вне здания располагались электролизер и сливные емкости. Пусковые потребности реактора обеспечивал отдельный дизель-генератор, обслуживанием станции занимались 17 человек.

Для перегрузки активной зоны станцию укомплектовали контейнером, координатно-наводящим устройством, специнструментом для перезарядки, хранилищем отработанного топлива. Выгружали и загружали топливо в активную зону с помощью мостового крана.

Расчеты активности теплоносителя первого контура показали, что даже в случае нарушения герметичности твэлов она будет минимальной, что позволило отказаться от биологической защиты первого контура и ограничиться защитой реактора (железобетон, графит, полиэтилен).

Проект был реализован за 2,5 года, монтаж оборудования занял семь месяцев. После сборки реактора провели тройную промывку горячим дизельным топливом. Пуск установки состоялся 11 августа 1963 года.

Во время физического пуска реактора был определен критический уровень замедлителя для полностью собранной активной зоны, количество регулирующих стержней, необходимых для компенсации полного запаса реактивности, распределение потока нейтронов и др. В результате динамических исследований была выявлена такая особенность аппарата, как сравнительно медленное протекание процессов во всех, в том числе аварийных, режимах работы, благодаря чему твэлы и оборудование первого контура работали в щадящих режимах. Это объяснялось большими объемами теплоносителя в первом контуре и воды в парогенераторах.

Результаты первой кампании установки АРБУС выявили недостатки конструкции ТВС. Так, использование дистанцирующей решетки привело к накоплению в ТВС продуктов разложения, поэтому ее заменили продольными ребрами. Проверка новой конструкции ТВС после 170 суток работы показала хорошее состояние твэлов, которые после удаления отложений путем отжига проработали еще 110 эффективных суток (время работы реактора на полной мощности в течение 24 часов). Также были внесены некоторые изменения в конструкцию ТВС для ликвидации выявленных застойных зон и увеличения скорости теплоносителя.

В Антарктиду путь закрыт

Однако к тому времени оказалась скомпрометирована главная цель создания АРБУСа как энергоисточника для Антарктиды. Одна из ключевых статей Договора об Антарктике от 1959 года запрещала проводить там ядерные взрывы как в военных, так и в мирных целях. Вкупе с запретом захоронения в Ан­тарктике радиоактивных материалов это превратило ее в безъядерную зону.

Впрочем, договор не предусматривал запрета на использование в Антарктике ядерного оборудования или ядерной техники. На американской базе Мак-Мердо была сооружена атомная электростанция, она функционировала в 1960-е и первой половине 1970-х годов. Но затем американские исследователи обнаружили, что при работе этой АЭС происходит утечка радиоактивных отходов. АЭС пришлось демонтировать, а загрязненный район тщательно очистить. Поскольку АРБУС вырабатывал радиоактивные отходы, проект размещения атомной установки в Антарктике осуществлен не был, хотя ряд сотрудников НИИАР прошли медкомиссию и уже готовились к поездке в Антарктиду.

Как атомную электростанцию установку эксплуатировали 15 лет, за это время наработка реактора составила 789 эффективных суток. Она зарекомендовала себя как высоконадежная и безопасная, простая и удобная в управлении — ​для ее обслуживания требовались всего три человека в смену. За этот период отработали регенерацию газойля, позволявшую исключить его потери вследствие образования высококипящих продуктов радиолиза, и технологию очистки твэлов от нерастворимых отложений вакуум-дистилляционным методом. Теплоноситель первого контура заменили на гидротерфенил, как более стойкий к воздействию радиации.

С 1963 по 1978 год были зафиксированы только незначительные неполадки, связанные с конденсатором и деаэратором, а также один крупный инцидент из-за поломки турбины. Отказов в работе оборудования АРБУСа, способных привести к тяжелой аварии, не было.

Тепло для ученых

В 1978 году руководство отрасли приняло решение о переводе установки на работу в режиме выработки тепла для поселков и промышленных предприятий. Для этого турбина, конденсатор и деаэратор были демонтированы и заменены теплообменниками, вместо гидротерфенила в первый контур залили дитолилметан. Пар из парогенераторов теперь подавался в бойлер, где конденсировался, подогревая сетевую воду. Установка получила второе название АСТ‑1 (атомная станция теплоснабжения). Фактически установка АРБУС стала в СССР первой атомной станцией теплоснабжения.

19 ноября 1979 года был осуществлен пуск установки в режиме выработки тепла. В этот день она была выведена на мощность 5 МВт и дала тепло для отопления зданий института. В дальнейшем мощность реактора увеличили до 8,1 МВт (ограничение на мощность реактора накладывала низкая производительность системы очистки). В таком режиме установка проработала 735 эффективных суток.

В мае 1988 года в связи с отсутствием финансирования АСТ‑1 была остановлена и переведена в режим временной консервации. Отработанное ядерное топливо выгрузили из реактора в приреакторное хранилище и после выдержки в 1989 году вывезли в центральное хранилище ОТВС института. В 1990 году руководство отрасли приняло решение о выводе АСТ‑1 из эксплуатации. В 1997–1998 годы провели комплексное обследование установки и приняли программу по остановке станции.

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.