Реактор-великомученик
Начало долгой и трудной истории «быстрого» реактора БН-800 лежит в далеком 1970 году, когда ФЭИ в интересах Министерства обороны подготовило предварительное задание на разработку на базе реактора БН-600 нового усовершенствованного быстрого реактора БНК-600 (Быстрый Натриевый Конвертор) для наработки оружейного плутония с попутным производством электрической энергии. В процессе разработки проекта мощность реактора была повышена до 750 МВт(э), и он получил новое название БНК-750 «Прометей».
С самого начала разработки проекта нового реактора в качестве основного варианта рассматривалось использование окисного уран-плутониевого топлива (МОХ-топливо). Однако, в связи с существующим тогда, по мнению руководства Министерства среднего машиностроения, дефицитом плутония, расчетные исследования проводились также и для «гибридной» активной зоны, в которой наряду с МОХ-топливом использовалось и обогащенное урановое топливо.
Однако в дальнейшем необходимость в подобной установке для нужд Министерства обороны отпала, и по решению министра Е. П. Славского в 1976 году проект БНК-600 был перепрофилирован на создание быстрого энергетического реактора с улучшенными по отношению к БН-600 характеристиками и основной задачей — производство электрической энергии. В результате появился проект БН-800 с полной загрузкой активной зоны МОХ-топливом.
В проекте БН-800 в основном были сохранены принципиальные решения БН-600, а наибольшие изменения коснулись второго и третьего контуров, включая парогенераторы, натриевые насосы, пароэнергетическую часть. Так, увеличение мощности реализовалось в пределах корпуса реактора БН-600 за счет увеличения размеров активной зоны и выявленных резервов в поверхности теплопередачи промежуточного теплообменника. Активная зона реактора отличалась большим количеством ТВС (516 шт.), большей высотой активной зоны — 1 м, и использованием трехзонного профилирования поля энерговыделения по радиусу.
В 1980 году выходит Постановление правительства о сооружении на Белоярской и Южно-Уральской площадках по два блока быстрых энергетических реакторов, включающих БН-800 и БН-1600. Однако, в связи с некоторой задержкой по разработке реактора БН-1600, в 1983 году вышло новое Постановление ЦК КПСС и Совета министров о сооружении четырех блоков БН-800: трех блоков на Южно-Уральской площадке и одного блока на Белоярской АЭС. Работы по сооружению блоков начались в 1984 году (пуск первого блока предполагался в 1992 году). На Южно-Уральской станции уже был выкопан котлован под 1-й блок, создана практически вся вспомогательная инфраструктура. Начались работы и на Белоярской АЭС.
Но после Чернобыльской аварии в 1986 году сооружение новых АЭС в стране было «заморожено», а все проекты ядерных блоков направлены на дополнительное рассмотрение по обоснованию безопасности и, при необходимости, корректировку в специальную комиссию по рассмотрению и анализу новых проектов ядерных энергетических установок под эгидой Академии наук. Основное замечание, которое выдвинула комиссия при рассмотрении проекта БН-800, касалось натриевого пустотного эффекта реактивности (НПЭР), а именно: его довольно значительной положительной величины при уходе натрия из активной зоны. Выход из создавшегося положения был найден специалистами ФЭИ, которые предложили ввести специальную «натриевую» полость в тепловыделяющую сборку 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, приводя к вводу отрицательной реактивности, доводя НПЭР до нулевого значения. В обоснование этого проектного решения были проведены многочисленные исследования, включая расчеты и эксперименты на критических сборках.
Кроме того, была изменена конструкционная сталь парогенератора, использована одна турбина, система аварийной защиты получила две независимых подсистемы отвода тепла на разных принципах действия и дополнительные стержни аварийной защиты, действие которых основано на пассивных принципах: при нормальной эксплуатации эти стержни находятся во «взвешенном» состоянии над активной зоной за счет напора циркулирующего натрия, при прекращении циркуляции они «сваливаются» в активную зону и останавливают цепную реакцию.
Ниже активной зоны предусмотрен жаростойкий поддон, предназначенный для сбора и охлаждения фрагментов активной зоны в случае аварии (ловушка расплава).
Кроме того, за счет дополнительных технических решений повышена сейсмостойкость строительных конструкций.
Однако в 1990-х годах 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 свои свойства и характеристики, удовлетворяющие всем современным требованиям по безопасности.
В 2006 году финансирование сооружения энергоблока с реактором БН-800 на Белоярской АЭС было включено отдельной строкой в Федеральную целевую программу «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России в 2007-2010 гг. и на перспективу до 2015 года».
Работы по сооружению БН-800 были возобновлены в июне 2006 года.
К сентябрю 2011 года строительная готовность блока оценивалась в 40 %. В связи с длительным сроком строительства объекта за период 1994-2011 гг. произошло изменение требований к сооружаемым АЭС, направленным на дальнейшее повышение безопасности и эксплуатационной надежности; значительно изменилась номенклатура выпускаемого оборудования, нормативная база проектирования. В 2011 году Госкорпорацией «Росатом» было принято решение о корректировке проекта. В 2012-2014 гг. Генеральным проектировщиком АО «Атомпроект» был откорректирован технический проект БН-800, который прошел проверку в ФАУ «Главгосэкспертиза» и получил положительное заключение Государственной экспертизы от 26.06.2015 года.
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 представлял собой вертикальный цилиндрический сосуд с конусной крышкой и эллиптическим днищем с опорным кольцом. Температура теплоносителя на входе в активную зону — 354 0С, а на выходе — 547 0С. Плановый коэффициент использования установленной мощности реактора составил 85 %.
Реактор имеет интегральную компоновку оборудования первого контура, при которой 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 размещены внутри корпуса реактора.
Активная зона реактора БН-800 состоит из 1233 ячеек (2 из них без установленной сборки, предназначены для перегрузки гильз). Количество сборок (ТВС, РО СУЗ, гильз СУЗ) составляет 1261 штук. Активная зона реактора и боковая зона воспроизводства собираются из шестигранных ТВС размером «под ключ» 96 мм. Снизу столба топлива в твэлах располагается нижний торцевой экран с обедненной двуокисью урана.
Еще в мае 2010 года стало ясно, что стартовая загрузка БН-800 смешанным уран-плутониевым оксидным топливом (МОКС-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 Госкорпорация «Росатом» приняла решение о пуске БН-800 с так называемой гибридной активной зоной реактора, которая должна содержать 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 натрия для реактора БН-800 стала французская компания MSSA, которая победила в международном тендере. Первый контейнер, прибывший на площадку энергоблока БН-800, доставил 18,5 тонн натрия. Всего в 2012 году для энергоблока № 4 поступило 2000 тонн натрия.
Приемка натрия в энергоблок началась в середине января 2013 года. Ввиду длительности периода накопления натрия для заполнения реактора приемка натрия стартовала задолго до окончания монтажных работ на основном оборудовании блока, т.е. начавшаяся эксплуатация части оборудования блока совместилась с продолжением строительно-монтажных работ на остальном оборудовании.
30 августа 2013 года завершилась сборка реактора БН-800 с имитационной активной зоной.
25 декабря 2013 года с разогрева реактора для дальнейшего ввода теплоносителя начался этап физического пуска реактора БН-800. 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 2014 года на реакторе БН-800 осуществлён выход на минимально контролируемый уровень мощности (МКУ) — примерно в 21.46 по московскому времени была достигнута мощность 0,01 % от номинала, на которой реактор удерживался длительное время. Завершение этапа физического пуска реактора пришлось на 30 июля.
Энергетический пуск планировался на октябрь 2014 года, но был отложен из-за выявленных недоработок в конструкции ТВС. В 2010 году, когда было принято решение использовать гибридную зону, ОКБМ, как конструктор топлива, чтобы перераспределить поток натрия, применил дроссельное устройство, которое вкручивалось снизу в топливную сборку. Как было установлено, это соединение при значительных расходах натрия оказалось ненадёжным — оно вывинчивалось и выпадало. 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 2015 года в 03:35 по московскому времени. 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 (первый «толчок» турбины). Перед выполнением этой процедуры мощность реактора была поднята до уровня 15 % от номинальной, чтобы парогенератор смог выработать достаточное количество пара для пробного «толчка» турбины. Основная цель процедуры – проведение замеров вибрации элементов турбины для последующей виброналадки. На новом энергоблоке установлена паровая конденсационная турбина К-800-130/3000 мощностью 885 МВт производства Ленинградского металлического завода.
10 декабря 2015 года в 19:21 по московскому времени энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН-800 был включен в сеть и выработал первую электроэнергию в энергосистему Урала. Тепловая мощность реактора БН-800 была поднята до уровня 25 % от номинальной, турбина выведена на частоту вращения 3000 оборотов в минуту. Затем была произведена синхронизация генератора нового энергоблока с энергосистемой, и тепловая мощность реактора увеличена 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 течение 2016 года шло постепенное освоение мощности на этапах энергопуска, а затем на этапах 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 100 % уровне мощности, в ходе которого энергоблок подтвердил, что способен стабильно нести нагрузку на номинальной мощности в соответствии с проектными параметрами.
31 октября 2016 года энергоблок был введен в промышленную эксплуатацию, став крупнейшим в мире энергоблоком с реактором на быстрых нейтронах.
В 2017 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 решать с помощью атомного энергоблока комплекс задач, в частности по производству энергии и утилизации радиоактивных отходов. Жюри также отметило особое значение реактора БН-800 в реализации российского подхода по замыканию ядерного топливного цикла.
Возникающие на реакторе БН-800 в процессе эксплуатации неполадки не имели критического значения и быстро устранялись персоналом энергоблока. Так, например, при появлении в активной зоне гнутой сборки её извлечение механизмом перегрузки оказалось невозможным из-за отсутствия визуального контакта оператором сборки. Специалистами станции было предложено 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 успешно извлечена.
К 10 декабря 2018 года, своему трехлетию, энергоблок с реактором БН-800 выработал 13,7 млрд кВтч электроэнергии, а по показателям надёжности и безопасности БН-800 вошел в число лучших ядерных реакторов мира.
В январе 2020 года, после завершения первого в своей истории капитального ремонта, в реактор БН-800 была загружена первая серийная партия МОКС-топлива из 18 тепловыделяющих сборок.
В июле 2020 года Горно-химический комбинат изготовил первую полную перегрузку уран-плутониевого МОКС-топлива в количестве 169 тепловыделяющих сборок. В феврале 2021 года в ходе ремонта в активную зону реактора было загружено только уран-плутониевое топливо в количестве 160 ТВС. Таким образом, активная зона БН-800 оказалась уже на треть заполненной инновационным топливом, а Белоярская АЭС стала ещё на шаг ближе к реализации стратегического направления развития атомной отрасли — созданию новой технологической платформы на основе замкнутого ядерно-топливного цикла.
Полная загрузка МОКС-топлива в реактор БН-800 запланирована на 2022 год.
Фотогалерея4
