Единственный, но повторимый
Главным научным руководителем создания реактора ВК-50 министр Минсредмаша утвердил Институт атомной энергии, Главным конструктором — ОКБ «Гидропресс». Проектировщиком установки стал ВНИПИЭТ.
Техническое задание на проектирование кипящего корпусного реактора ВК-50 и реакторной установки в целом, подписанное И. В. Курчатовым, поступило в ОКБ «Гидропресс» еще в декабре 1955 года. Заданием предполагалось создание комбинированной схемы реакторной установки — с прямой подачей пара из реактора на турбину в количестве до 450 т/ч при давлении в корпусе 100 кгс/см2 и дополнительной выработки около 180 т/ч в парогенераторах петель, работающих на отборе воды из реактора при давлении примерно 30 кгс/см2 (по техническим условиям работы турбины). При этом предусматривалась возможность работы реакторной установки на тепловой мощности до 400 МВт при загрузке так называемой «большой» активной зоны, состоящей из 187 ТВС.
При проектировании новой реакторной установки в ОКБ «Гидропресс» во многом использовались решения, принятые для реактора ВВЭР-1, разработка которого началась годом ранее. В июле 1956 года эскизный проект установки ВК-50 был закончен, рассмотрен секцией НТС МСМ и рекомендован для разработки технического проекта. Технический проект был завершен в октябре 1959 года и отправлен на согласование заказчику — Министерству электростанций СССР. В декабре 1960 года техпроект был утвержден, и в ОКБ «Гидропресс» и на заводах-смежниках началась разработка рабочих чертежей компонентов установки.
Реактор ВК-50 по сути являлся опытной энергетической установкой с одноконтурной схемой. В корпусе на твэлах активной зоны происходит кипение теплоносителя (воды, называемой «котловой») с образованием пара, затем — первичная гравитационная сепарация над уровнем теплоносителя и выход пара во внешние паропроводы. При этом тепло от активной зоны реактора отводится естественной циркуляцией теплоносителя. Характерной для реактора этого типа особенностью являлось существенное (от 0,7 до 0,2 г/см3 для ВК-50) изменение по высоте активной зоны плотности теплоносителя.
На установке применена интегральная компоновка оборудования — активная зона и контур циркуляции воды размещены в одном корпусе. Основное назначение реактора ВК-50 — проведение широкого комплекса экспериментальных и исследовательских работ по изучению работы корпусного кипящего реактора с естественной циркуляцией теплоносителя, а также выработка и выдача в сеть электрической энергии и тепла для нужд НИИАР и г. Мелекеса (в дальнейшем г. Димитровград).
Корпус реактора ВК-50 конструкторы спроектировали аналогичным корпусу реактора ВВЭР-1 — это вертикальный сварной цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем. Сверху корпус уплотнялся плоской крышкой с клиновым уплотнением, на которой размещались чехлы приводов СУЗ и ИК, образующие в совокупности универсальный верхний блок.
Внутренний диаметр корпуса составляет 3550 мм при длине 11230 мм, толщина стенки в зоне патрубков 165 мм, в нижней части — 105 мм. Для восприятия распорных сил от уплотнения верхняя часть корпуса оснащена бандажом. Корпус реактора снабжен буртом, на котором подвешена шахта, разделяющая подъемный и опускной участки контура естественной циркуляции и являющаяся опорой для корзины активной зоны и нижней плиты с чехлами.
Контур естественной циркуляции реактора состоит из системы параллельных парогенерирующих кассет активной зоны, «тягового» участка и двух параллельных опускных каналов. Наружный «холодный» опускной канал вместе с центральной группой кассет активной зоны и внутренний «горячий» опускной канал с периферийными кассетами образуют две ветки контура, имеющие общий тяговый участок.
Теплоноситель (вода) в активную зону поступает снизу по «горячему» и «холодному» опускным участкам и в центральные ТВС поступает с недогревом 3-5ºС, а в периферийные — с нулевым. Она закипает на начальном участке активной части ТВС, и ее паросодержание увеличивается по мере перемещения ее в пучке твэлов.
Разделительная обечайка расположена в опускном канале реактора ВК-50, её верхний обрез (торец) находится примерно на 100 мм ниже нижней кромки переливных окон шахты, разделяя площади проходных сечений опускных каналов как 1:2,5 (меньшая — площадь «горячего» опуска).
Система аварийной защиты реактора состоит из трех аварийных кассет в центральной области активной зоны. В рабочем положении поглотители аварийных кассет находятся над активной зоной, свободно падая в неё при аварийной ситуации. Кроме аварийных кассет в реакторе ВК-50 находятся 16 компенсирующих сборок, которые при работе реактора находятся в промежуточном или верхнем положении, и при аварии вводятся в активную зону. Впоследствии проведенные эксперименты показали, что введение компенсирующих кассет в активную зону реактора, работающего на номинальной мощности, обеспечивает надежное его глушение.
Одной из проблем, которую приходилось решать на кипящем реакторе с одноконтурной схемой — обезвреживание газовых выбросов из конденсаторов турбин. Для реактора ВК-50 была разработана и изготовлена установка, снижающая радиоактивность газовых выбросов в 300-400 раз, что позволяло даже при появлении негерметичных твэлов гарантировать соответствие выбросов требованиям радиационной безопасности.
Строительство реактора началось в октябре 1957 года. В 1961-1963 гг. велось изготовление оборудования ВК-50. Кроме завода им. Орджоникидзе (ЗиО), где изготавливали все внутрикорпусные устройства, универсальный верхний блок с чехлами СУЗ и ИК, баки борной системы и теплообменное оборудование, в изготовлении частей и деталей реактора были задействованы Ижорский и Ленинградский металлический заводы, Машиностроительный завод в Электростали, Коломенский завод тяжелых станков и ряд других.
На стенде Р-ЗиО-К предварительно была выполнена контрольная сборка внутрикорпусных элементов. К концу 1963 года все оборудование было поставлено в НИИАР, где к этому времени силами НИКИМТ был смонтирован кольцевой бак и опорное кольцо реактора.
Весной 1964 года корпус реактора был смонтирован на штатном месте и начался монтаж комплектующего оборудования реакторной установки, турбины АК-70-30, однотипной с примененными на строящемся блоке ВВЭР-1, трубопроводов, насосов, градирни. В пусконаладочных работах на реакторной установке помимо сотрудников НИИАР участвовали также специалисты ОКБ «Гидропресс», ИАЭ, ВНИПИЭТ, ВНИИКА и др.
В середине 1964 года была проведена холодная, а осенью 1964 года — горячая обкатка оборудования, в декабре 1964 года осуществлен физический пуск реактора ВК-50 с «малой» активной зоной. Для изучения стабильности реактора в период пуска мощность реактора увеличивалась ступенями по 10 МВт при фиксированном давлении путем извлечения из активной зоны рабочих органов регулирования реактивности. На каждой ступеньке определялся показатель затухания автокорреляционной функции, который с ростом мощности уменьшался.
Весной 1965 года состоялся энергетический пуск реактора ВК-50 на контур с конденсатором аварийного расхолаживания, 30 октября 1965 года – энергетический пуск реакторной установки в полном комплексе. Однако затем в декабре 1965 года парогенераторы были исключены из работы и выполнен переход на прямую схему генерации пара со снижением давления в корпусе реактора до 70 атм.
Активная зона реактора ВК-50 с момента пуска была ограничена установкой в ячейки центральной части только 72 рабочих тепловыделяющих сборок, 16 ячейками компенсирующих сборок и 3 сборок аварийной защиты («малая» активная зона). Общее количество ячеек этой зоны — 91. Во все остальные ячейки (из полного числа 187) установлены в нижней части «глухие» пробки для мест расположения рабочих ТВС и «глухие» цилиндры в местах расположения компенсирующих сборок «большой» активной зоны.
Рабочие ТВС для реактора ВК-50 имели различные типы исполнения (всего 15 модификаций по количеству топлива, его обогащению и др.), но каждая ограничена чехлом со стенкой циркониевой шестигранной трубы толщиной 1,4 мм, размером «под ключ» 176,5 мм, общей высотой топливного столба 2005 мм и шагом решетки твэлов 13,1 мм. Концевые (стальные) головки, нижняя (опорная) образует уплотнение «шар по конусу» с ячейкой в плите корзины диаметром 110 мм и 120 мм — в головке, а верхняя головка максимально расширена (до шестигранника с размером «под ключ» 160 мм) и имеет также несколько модификаций исполнения. Общая высота ТВС с головками — 2500 мм. Обогащение урана-235 в различном топливе составляло 2 %, 2,4 % или 3 %, топливные таблетки делались как с центральным отверстием, так и без. В каждой микрокампании реактора ВК-50 обычно эксплуатировалось несколько модификаций ТВС.
Сразу после пуска реактора начались исследования гидродинамических характеристик циркуляционного контура, что позволило уточнить количественные значения некоторых параметров и получить экспериментальные данные для проектирования будущих реакторов большей мощности. В частности, было установлено постоянство расхода теплоносителя в широком диапазоне изменения давления и мощности. Это свидетельствовало о надежности работы реактора в стационарных, переходных и аварийных режимах работы, при этом при пониженном уровне мощности (60-70 %) высвобождался дополнительный запас реактивности из-за уменьшения среднего объемного паросодержания в активной зоне.
Как показали исследования, корпусной кипящий реактор с естественной циркуляцией ВК-50 обладает уникальными внутренними свойствами надежности и безопасности. Реакторная установка функционировала достаточно надежно — за первые 8 лет эксплуатации имело место 50 остановов реактора, в том числе из-за срабатывания аварийной защиты примерно 4 раза в год. Следует отметить, что коэффициент использования мощности (КИУМ) реактора ВК-50 за 35 лет его эксплуатации составил более 70 %.
С момента пуска реактора ВК-50 его работу на мощности можно разделить на четыре этапа. На первом из них, продлившемся до 1987 года, реактор в основном работал на мощности 220 МВт при давлении в корпусе реактора 69 атм. На этом этапе предельная электрическая нагрузка реакторной установки составляла 55 МВт (эл.). В этот период был выполнен комплекс работ по модернизации реактора для уменьшения неравномерности энерговыделения в активной зоне, интенсификации естественной циркуляции и повышения эффективности сепарации пара. В 1971 году проводился ремонт патрубков корпуса, который завершился в июне 1972 года. А весной 1973 года в течение более месяца реакторной установке ВК-50 пришлось работать на автономный район, отключенный по электроснабжению от всех других энергоисточников.
На втором этапе, завершившемся в 1991 году, тепловая мощность реактора была понижена до 170 МВт при давлении в корпусе реактора 40 атм. С 1987 года, после выработки проектного ресурса (20 лет), началось интенсивное обследование состояния корпуса и крышки реактора и расчетное обоснование остаточного ресурса. На основании полученных данных в 1992 году было признано целесообразным поднять рабочее давление в корпусе реактора до 50 атм и тепловую мощность до 200 МВт (47 МВт (эл.)) — так начался третий этап «жизни» реактора.
11 апреля 1996 года реакторной установке ВК-50 был присвоен статус исследовательского реактора.
На третьем этапе был продолжен расчетный анализ оборудования и систем реакторной установки, важных для безопасности, на остаточный ресурс, согласно которому 2015 год был определен как год полной выработки физического ресурса эксплуатации оборудования РУ ВК-50.
В 2014-2015 гг. комплексные обследования оборудования и систем, важных для безопасности, подтвердили возможность безопасной эксплуатации РУ ВК-50 в течение дальнейших 10 лет, что дало старт четвертому этапу «жизни» реактора. Тем не менее, осенью 2016 года руководство НИИАР приняло решение о начале подготовки к выводу ВК-50 из эксплуатации.
Опыт работы реактора ВК-50 показал, что реакторные установки кипящего типа могут быть использованы как надежный и безопасный энергоисточник в АЭС средней мощности и в малой энергетике. Однако уже к моменту пуска реактора стало очевидно, что кипящие реакторы по своей технологичности не превосходят водо-водяные реакторы, которые получили широкое распространение. Развивать одновременно оба направления не имело смысла, поэтому в самом начале программа исследований на реакторе ВК-50 была существенно сокращена, а часть опытного оборудования демонтирована. Основным назначением реактора осталась выработка электроэнергии.
Сегодня ВК-50 — старейший энергетический реактор, эксплуатирующийся на мощности, и единственный действующий в мире корпусной кипящий реактор с естественной циркуляцией теплоносителя.
Фотогалерея5
