Электронное издание AtomInfo.Ru публикует сокращенный перевод письма канадского инженера Ф.Р.Грининга, на протяжении 23 лет занимавшегося проблемами тяжёловодных реакторов CANDU. Письмо было написано в августе 2005 года как часть ведущейся в Канаде дискуссии по выбору типа новых реакторов для провинции Онтарио и было передано в энергетический совет провинции.
Введение
Я - вышедший на пенсию специалист атомщик с 23-летним стажем работ в исследовательском дивизионе компании "Ontario Power Generation". Большую часть моей профессиональной карьеры я занимался техническими проблемами, возникающими на принадлежащих компании реакторах CANDU в Пикеринге, Брюсе и Дарлингтоне.
Я пишу это письмо в попытке убедить энергетических экспертов провинции не рекомендовать более к модернизации или строительству новых блоков с реакторами CANDU. Я исхожу при этом из плохих результатов, продемонстрированных рядом важных систем в этом проекте.
Специфические черты CANDU - использование D2O в качестве теплоносителя и замедлителя, природного урана в качестве топлива, а также режим перегрузок на ходу - потребовали от проектантов сложных инженерных решений. Например, в реакторе "Пикеринг-А" содержится более 2 км труб под давлением, сделанных из циркониевых сплавов высокой чистоты, не говоря уж о 7 км питательных трубопроводов.
У активной зоны реактора CANDU предусмотрено 1560 соединений с водной и газовой системами. За герметичностью каждого из этих соединений приходится следить с особой тщательностью, ведь вытекшую тяжёлую воду потребуется заново доводить до реакторных кондиций. Как известно, D2O реакторной чистоты - достаточно дорогой и сложный в производстве материал.
Большое количество топливных каналов и труб, необходимость иметь систему восстановления D2O, а также систему контроля за тритием стали причиной ненадёжной работы стареющих реакторов CANDU, что особенно заметно при сравнении их показателей с положением дел на построенных в те же сроки легководных реакторах в различных странах.
D2O и тритий
В типичном реакторе CANDU содержится порядка 450 тонн тяжёлой воды общей стоимостью, как минимум, 250 млн долларов. В тяжёлой воде при активации нейтронами образуется тритий, который впоследствии химически связывается в оксид дейтеротрития DTO. В реакторах CANDU, построенных в Онтарио, образуется в среднем 1,5 млн Ки трития в год на каждом из блоков.
Несмотря на все усилия персонала, на CANDU регулярно происходят утечки тяжёлой воды. Большую часть D2O удаётся собрать, восстановить и вернуть в систему. Однако значимые объёмы D2O выходят из гермооболочки и попадают в окружающую среду через венттрубу.
Реакторы в Пикеринге, Брюсе и Дарлингтоне сбрасывают в атмосферу до 0,5 кг D2O в час. Зная концентрацию оксида дейтеротрития в D2O, можно рассчитать, что каждая из венттруб CANDU добавляет в окружающую среду 5000 Ки трития в год.
Контроль за эмиссией трития производится при помощи систем сбора влаги и водных паров в контейнменте. Эти системы дорогостоящи и трудоёмки в обслуживании, и их наличие на станции вносит весомый вклад в расходы на эксплуатацию реакторов CANDU.
Трубы под давлением
Проблемы с трубами под давлением (pressure tube) преследуют реакторы CANDU с первых дней их эксплуатации. Организации, входящие в состав "Группы владельцев CANDU", затратили за последние 20 лет в общей совокупности свыше 100 млн долларов на проведение НИОКР, призванных помочь избавиться от этих проблем, однако не достигли сколь-либо значимых результатов.
С чем сталкивается персонал АЭС с CANDU? Трубы под давлением текут в местах соединений, ползут под воздействием нейтронного потока, охрупчиваются, наводораживаются и подвергаются фреттинг-износу.
Начиная с 1974 года, на блоках Пикеринга и Брюса потребовалось провести множество операций по замене труб под давлением. Как правило, для таких операций требовался останов реактора на несколько месяцев, а дозовые нагрузки составляли в среднем до 10 человеко-бэр на каждую трубу. В августе 1983 года произошёл разрыв трубы "G-16" на блоке "Пикеринг-2", после которого было принято решение о замене всех 390 труб на всех четырёх блоках АЭС "Пикеринг А".
Существует мнение, что, после завершения начального периода эксплуатации CANDU, со всеми встретившимися на пути трудностями удалось справиться, и отныне трубы под давлением будут безотказно работать многие годы. Действительно, канадский регулирующий орган постановил, что этот элемент реакторов CANDU удовлетворяет всем современным требованиям.
Но стоит отметить, что среди результатов инспекций труб под давлением, проведенных на канадских АЭС в 90-ые годы, до сих пор остаётся много неясного и не соответствующего расчётным предсказаниям. Это заставляет сомневаться в положительном заключении, выданным атомнадзором, и оставляет опасения, что проблемы с трубами не прекратятся и в будущем.
Среди загадок, остающихся без ответа, можно назвать сильные отличия в скоростях коррозии и поглощения дейтерия в абсолютно идентичных трубах под давлением, стоящих в активной зоне рядом друг с другом. Ещё одна тайна - это распределение концентрации дейтерия в металле. Неумение правильно рассчитывать и объяснять такие параметры и эффекты может поставить под сомнение методики инспекций труб, используемые на АЭС с CANDU.
Сообщество расчётчиков CANDU не знает ответа, почему на ряде труб в реакторах "Брюс-А" в регионах с высоким потоком нейтронов образовывались толстые окисные плёнки. Эта проблема усугубляется также наблюдавшимся на этих установках скалыванием оксидов и их выносом в теплоноситель. Согласно оценкам, выполненным для третьего блока АЭС "Брюс", за 15 лет службы в теплоноситель попало в общей сложности несколько килограмм материалов труб под давлением. Стоит добавить, что в окисных плёнках обнаруживаются литий, обогащённый по изотопу 6Li, и различные продукты коррозии.
Питательные трубопроводы
Трещины и утонения питательных трубопроводов (feeder pipe) были впервые обнаружены на реакторе CANDU на АЭС "Пуан-Лепро" в 1997 году. В дальнейшем, аналогичные проблемы были найдены и на других стареющих тяжёловодных реакторах.
Причиной утонения стенок считается эрозионно-коррозионный износ ЭКИ (по западной терминологии - flow accelerated corrosion, FAC). Предположительно, ЭКИ возникает в изгибах трубопроводов из углеродистой стали, по которым течёт с большой скоростью нагретая вода.
На блоках "Пикеринг-А" проблема ЭКИ стоит особенно остро по следующим причинам:
ЭКИ - чрезвычайно сложное явление, и у расчётчиков отсутствует его полное понимание. Поэтому персоналу приходится полностью полагаться только на результаты обследований трубопроводов. Каждое полное обследование питательных трубопроводов реактора CANDU обходится в 10 млн долларов и 27 человеко-бэр. Замена одного дефектного трубопровода стоит порядка 1 млн долларов.
Кольцевая газовая система
Кольцевая газовая система - это уникальная система, присущая только реакторам CANDU. Она обеспечивает теплоизоляцию между нагретым теплоносителем и холодным замедлителем (для повышения эффективности эксплуатации реактора замедлитель должен быть холодным). Операторы блоков с CANDU используют также результаты измерений паросодержания в кольцевой системе для детектирования малых течей из труб под давлением.
Исходно в кольцевой системе циркулировал азот, однако наличие этого газа приводило к образованию значимых (порядка нескольких кюри) объёмов 14C в газообразной и твёрдой формах. В начале 90-ых годов все канадские CANDU перешли на работу с CO2 вместо азота. Это техническое решение обернулось своими недостатками - в газовой системе стали образовываться радиолитические полимеры, забивавшие линии и расходомеры.
В 1991 году на "Пикеринге-3" была проведена серия экспериментов с целью определить, насколько верно соответствует расчётным показателям "отклик" газовой системы на впрыскивание заданного количества влаги (имитировались малые течи из труб под давлением на уровне 20 г/ч).
Результаты оказались неутешительными - после 5 часов непрерывного впрыскивания D2O, аппаратура, связанная с газовой системой, показала только 25% от использованной в экспериментах скорости утечки. В ходе детального анализа было установлено, что часть попадавшей в систему воды просто накапливалась (поглощалась) в ней из-за наличия в системе большого количества продуктов коррозии. Не исключено, что коррозионные продукты попали в газовую систему в начале 70-х годов, когда на блоке происходили серьёзные утечки, и - как свидетельствуют записи в оперативных журналах - газовая система несколько раз была полностью залита водой.
Обсуждение и заключение
Как уже отмечалось, в проекте CANDU предусмотрен ряд сложных инженерных систем, для эксплуатации и обслуживания которых требуются большие усилия со стороны персонала. Более того, многие из компонентов расположены в труднодоступных местах или высокоактивны. Это обстоятельство добавляет трудностей при эксплуатации реакторов.
Для того, чтобы оценить масштаб эксплуатационных расходов и расходов на профилактику и ремонт для реакторов CANDU, можно обратиться к финансовым показателям компании "Ontario Power Generation".
Так, в первом полугодии 2005 года компания показала прибыль 1120 млн долларов от продажи 21,4 ТВт×час электричества, произведённого на её атомных станциях. За тот же период, компания потратила на эксплуатацию и ремонт своих атомных блоков 859 млн долларов (40 долларов за 1 МВт×час), иными словами, 79,5% от доходов.
Можно возразить, что "Ontario Power Generation" как государственная компания не вела бизнес эффективным образом. Однако анализ финансовых результатов частной компании "Bruce Power" показывает сходную картину - её расходы на эксплуатацию и ППР (без учёта стоимости ядерного топлива!) - составили за тот же период 39 долларов за 1 МВт×час.
Кроме этого, АЭС с CANDU требуют присутствия значительного количества персонала, в чём можно убедиться из следующей таблицы.
Для сравнения, средний показатель количества персонала на АЭС США с легководными реакторами составляет порядка 0,5 человек на 1 МВт установленной мощности.
В 60-ых годах королевская корпорация AECL называла реакторы CANDU надёжным и экономически выгодным средством получения электричества. Но годы эксплуатации этих установок выявили у них множество серьёзных проблем. В 80-ые атомщики боролись с трубами под давлением, в 90-ые их внимание было уделено проблемам с парогенераторами и кольцевой газовой системой, в наши дни они заняты исправлением тяжёлой ситуации с питательными трубопроводами.
Те черты CANDU, которые делали его инновационной технологией в 60-ые годы, стали его ахиллесовой пятой в начале XXI века. Но, в конце концов, чего ещё можно ожидать от разработок 50-летней давности?
Реакторы CANDU всегда были и остаются экспериментальными установками. Да, благодаря им, мы сумели далеко продвинуться вперёд в научном плане. Но настала пора положить этому затянувшемуся эксперименту конец и перейти на использование более простых и более надёжных технологий.
ИСТОЧНИК: Доктор Ф.Р.Грининг
ДАТА: 01.08.2008
Темы: АЭС, Канада, CANDU, Безопасность, Экономика