РУ БН-350. Накопленный опыт. Часть I.

Тема реакторов на быстрых нейтронах для нашего издания входит в число приоритетных. Сегодня мы предлагаем читателям вернуться к истокам отечественной быстрой программы - быстрому натриевому реактору БН-350. Какова была роль, отводившаяся энергоблоку в Шевченко, и какой опыт российские организации смогли получить при его эксплуатации?

Разобраться в этом нам поможет Рудольф БАКЛУШИН, эксперт МАГАТЭ с многолетним стажем, долгое время работавший заместителем главного инженера БН-350. Сегодня мы публикуем первую из цикла статей, подготовленных Рудольфом Петровичем.

БН-350 - первый энергетический быстрый реактор

РУ БН-350 - первая в мире установка с энергетическим реактором на быстрых нейтронах. Опыт её создания, сооружения, наладки и эксплуатации позволил понять и решить многие проблемы АЭС типа БН.

В годы создания БН-350 ставилась цель получения возможно большего количества вторичного ядерного горючего - плутония - для обеспечения широкого развития атомной энергетики. Поскольку наработка плутония пропорциональна мощности реактора, масштабное и экономически выгодное производство его могло быть организовано только при достаточно большой мощности реакторной установки. Экономические расчеты показали, что производство плутония в быстром реакторе может быть выгодным при мощности последнего 1000 МВт(тепловых) и выше. Этот вывод был получен к 1960 году и предопределил создание БН-350.

В мае 1960 года ФЭИ было подготовлено техническое задание на разработку проекта установки с реактором на быстрых нейтронах и натриевым теплоносителем тепловой мощностью 1000 МВт. Позднее этот проект получил название БН-350. В том же месяце правительство СССР приняло постановление о начале разработки. Как предполагалось, пуск нового реактора должен был состояться в 1966 году. Однако, сроки пришлось несколько раз сдвигать из-за сложности и новизны возникавших проблем, многие из которых были вызваны влиянием масштабного фактора.

Основные этапы жизненного пути БН-350:

• начало работ над проектом - 1960 год;
• начало строительства - 1964 год;
• энергопуск - 1973 год;
• начало вывода из эксплуатации - 1998 год.

Реакторная установка в Шевченко проектировалась ведущими российскими организациями. Всего в этой работе участвовали десятки организаций разного профиля, но особую роль в создании БН-350 сыграли ФЭИ, ОКБМ, ОКБ ГП и ВНИПИЭТ:

• Физико-энергетический институт (ФЭИ, г.Обнинск) осуществлял научное руководство проектом и отвечал за разработку вопросов физики реактора, натриевой технологии и безопасности;
• Опытное конструкторское бюро машиностроения (ОКБМ, г. Нижний Новгород) выступало в качестве главного конструктора РУ; им разработаны реактор с механизмами СУЗ и перегрузки, главные циркуляционные насосы (ГЦН), натриевая арматура большого диаметра;
• Опытное конструкторское бюро "Гидропресс" (ОКБ ГП, г. Подольск) -конструктор основного теплообменного оборудования, в т.ч. парогенераторов натрий-вода;
• Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт энергетических технологий (ВНИПИЭТ, г. Санкт-Петербург) являлся генеральным проектантом РУ.

Эти же организации вели авторское сопровождение пуска и эксплуатации установки, решали возникающие научно-технические проблемы, оказывали необходимую помощь эксплуатационникам.

Следует подчеркнуть, что на момент начала работ над проектом БН-350 знания и практический опыт работы с жидкими металлами концентрировались в ФЭИ. Там же был построен исследовательский реактор БР-5. Международный обмен в области быстрых реакторов в те годы практически отсутствовал. Отечественным специалистам требовалось сделать гигантский рывок вперёд. Для сравнения, объём натрия в первом контуре исследовательского реактора БР-5 составлял 1,7 м³, а в первом контуре БН-350 речь шла уже о 510 м³.

Реактор БОР-60, который иногда называется предшественником БН-350, начал разрабатываться на 4 года позже. В его проектных решениях и даже программе пуска можно отследить влияние наработок, сделанных для БН-350. Ввод в эксплуатацию БОР-60 состоялся раньше, чем был пущен БН-350, и произошло это благодаря меньшим масштабам димитровградского реактора.

Принципиальные проектные решения, принятые в БН-350

Принципиальные решения, заложенные в проекте БН-350, выбирались с учётом опыта и знаний, имевшихся на начало 60-ых годов. Свой отпечаток на проекте оставило и трёхцелевое назначение нового реактора - производство электрической и тепловой энергии и наработка вторичного ядерного горючего.

Для проекта БН-350 были приняты следующие основные принципиальные решения:

• тепловая мощность - 1000 МВт, что позволяло обеспечить приемлемые технико-экономические характеристики установки;
• активная зона реактора выбрана компактной (диаметр 1,5 м и высота 1 м), но при этом окружённой относительно толстыми боковым и торцевыми воспроизводящими экранами;
• предусмотрено наличие резервной петли для поддержания высокого КИУМ;
• теплоносителем первого и второго контура выбран натрий;
• использованы парогенераторы натрий-вода с разделением сред через одну стенку;
• технологические параметры БН-350 были приняты весьма умеренными; температура натрия на выходе из реактора составляла 500°С, а давление и температура перегретого пара составляли 4,9 МПа и 435°С, соответственно.

Особенности быстрых реакторов требовали принципиально нового подхода к конструкциям оборудования и технологическим системам, к средствам управления и защиты, КИПиА, а также к обеспечению надежности и безопасности РУ. Для обоснования физических и технических решений были проведены многочисленные расчеты и эксперименты. Пришлось впервые разрабатывать оборудование для натриевых систем промышленного масштаба, а также создавать уникальные методы контроля технологических параметров натриевых систем, контроля и поддержания качества теплоносителя.

Задачи, поставленные перед реактором БН-350

Прежде всего, российские специалисты планировали в ходе создания и эксплуатации БН-350 подтвердить или скорректировать имевшиеся научные и технические представления о быстрых натриевых реакторах. Речь идёт о характерных особенностях БН и процессах, происходящих как в режимах нормальной эксплуатации, так и при нарушениях и аварийных ситуациях.

Требовалось также подтвердить (или не подтвердить) принятые принципиальные решения по конструкциям оборудования, по построению технологических систем и по принципам обеспечения безопасности. На БН-350 предполагалось рассмотреть целесообразность и необходимость внесения изменений в конструктивные и схемные решения быстрых натриевых реакторов, а также выполнить их оптимизацию для будущих установок.

Несомненно, одной из главных задач БН-350 следует назвать получение реального опыта ввода в эксплуатацию энергетического быстрого реактора с натриевым теплоносителем. От отечественных специалистов требовалось также научиться вести эксплуатационные режимы, пуски, остановы, перегрузки топлива, ремонт и текущее обслуживание, понять правильность предусматриваемых мер предосторожности (или определить их избыточность), и наконец, оптимизировать действия персонала в различных ситуациях.

Из этого, в частности, вытекала необходимость накопить статистику по отказам конкретного оборудования, типовым нарушениям режимов и ошибкам персонала, а также определить их влияние на надёжность и работоспособность установки. Важным моментом являлся сбор данных по исходным событиям, приводящим к тем или иным нештатным ситуациям, которые или не были предусмотрены конструкторами и проектантами или создавались эксплуатационным персоналом по неопытности или небрежности.

И разумеется, особенная важность придавалась задаче подготовить и обучить персонал, имевший опыт работы на тепловых реакторах, к эксплуатации реактора нового типа с экзотическим для тех условий теплоносителем (натрий).

Накопленный опыт - краткие итоги

Прежде всего, следует отметить, что основные научные представления и принципиальные решения, заложенные в проект, были в ходе эксплуатации БН-350 подтверждены. Единственным исключением можно назвать проблему, связанную с саморазвитием малых течей воды в натрий в парогенераторах, более подробно о которой будет рассказано в следующих статьях цикла.

Эксплуатация БН-350 подтвердила надёжность и безопасность энергоблоков с быстрыми натриевыми реакторами, их лёгкость в управлении. Его эксплуатация позволила собрать обширный объём информации, что обеспечило надёжную базу для разработки последующих реакторных установок.

Конечно, при эксплуатации и, особенно, в период пусковых работ и первый период освоения установки наблюдались неполадки, отказы некоторых узлов и элементов. Причиной части из них был недостаток опыта эксплуатационного персонала и наладчиков. Причиной других служила не всегда правильная оценка проектантами и конструкторами реальных условий эксплуатации, влияния масштабного фактора, а также просто ошибки.

Например, неправильная оценка температурного режима оборудования приводила к осаждению натриевых паров в узких зазорах. А это, в свою очередь, вызывало затруднения при пуске ГЦН первого контура после длительной стоянки или при вращении поворотных пробок реактора. Но персоналу удавалось оперативно определять причины отказов и устранять неполадки.

Может быть, одним из самых неприятных дефектов, выявленных при наладке, оказалось почти полуторакратное превышение реального расхода натрия в петлях второго контура над проектной величиной. Это влекло за собой образование воронок и захват газа со свободных уровней, а также гидроудары и перегрузку двигателей ГЦН. Для исправления дефекта потребовалось разрезать трубопроводы 500 мм - часть из которых уже была заполнена натрием - и вваривать в них дроссели. В конечном итоге, по данной причине пуск установки задержался примерно на месяц.

Но знание таких отказов и понимание их причин - не самое главное в опыте эксплуатации. Проанализировав опыт, полученный при создании, пуске и эксплуатации БН-350, российские организации смогли критически оценить решения, принимаемые в проекте энергоблока БН-600, и внести в них своевременные изменения, что обеспечило успешный ввод блока в эксплуатацию.

Накопленные нами к сегодняшнему дню опыт и знания позволяют нам давать ответ практически на любой вопрос, возникающий при проектировании или эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах. И это открывает нам сегодня дорогу к серийным быстрым реакторам.

Какие естественные физические процессы были использованы в проекте БН-350? Что входило в состав программы физических исследований при вводе БН-350 в эксплуатацию? Как показала себя в работе натриевая арматура? Об этом и многом другом читайте в следующей статье цикла.

ИСТОЧНИК: Рудольф Баклушин, AtomInfo.Ru

ДАТА: 16.03.2008

Темы: АЭС, Быстрые натриевые реакторы, История, Рудольф Баклушин, Россия