Двуликий «АРБУС»
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 дешевые обычные углеродистые стали. Кроме того, наведенная активность в органическом теплоносителе крайне низка по сравнению с водой, что без проблем допускает проводить обслуживание оборудования первого контура реактора. Высокая температура кипения и низкая упругость паров теплоносителя позволяют снизить давление в 1-м контуре, что существенно снижает вероятность аварии с разрывом корпуса или трубопроводов.
Однако не бывает «плюсов» без «минусов», и главный из них заключался в радиационно-термическом разложении органики, сопровождавшимся поликонденсацией продуктов распада на теплообменных поверхностях твэлов. Под действием излучения и высокой температуры в органических жидкостях начинают проходить процессы, аналогичные нефтяному крекингу. Потери теплоносителя в этом случае составляют от 0,1 до 1 кг вещества на 1 МВтч выработанной электроэнергии. Осаждение высокомолекулярных соединений на поверхности твэлов в виде пленок (фаулинг) ухудшает теплообменные процессы, поэтому их нужно как можно быстрее удалять из теплоносителя, то есть для реактора с органическим теплоносителем необходимы постоянные регенерация теплоносителя и его подпитка.
Эта проблема стала главной для ученых, конструкторов и проектировщиков АЭС «АРБУС». Их основные усилия были направлены на поиски возможности регенерации продуктов крекинга без выведения последних из контура. И такой способ, основанный на процессе каталитического гидрокрекинга, был найден. Проведенные 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 «АРБУС» гидростабилизированный газойль, который отличали низкие температура замерзания (-40 °С) и стоимость (также испытывались и показали хорошие результаты гидротерфенил и дитолилметан).
Научное руководство по созданию АЭС «АРБУС» взял на себя Институт атомной энергии им. Курчатова, главным конструктором стал НИКИЭТ.
Для реактора установки «АРБУС» была выбрана двухконтурная схема. Циркуляция теплоносителя первого контура осуществлялась по двум петлям с подачей 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 также 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 атм 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 АЭС «АРБУС» будет поставляться в виде отдельных полностью смонтированных блоков, прошедших стендовые испытания на заводе-изготовителе. Станция комплектовалась 19 блоками, каждый весом не более 20 тонн, что позволяло перевозить их как наземным, так и водным транспортом. Монтаж АЭС на промплощадке занимал не более 3 месяцев.
Тепловая мощность реактора составляла 5 МВт, электрическая — 750 кВт.
Реактор установки «АРБУС» представлял собой сварной цилиндрический сосуд высотой 4365 мм, диаметром 1340 мм и толщиной стенки 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 °С, на выходе — 523 °С.
Активная зона комплектовалась 69 тепловыделяющими сборками, состоящими из 6 концентрически расположенных твэлов. Твэлы для «АРБУС» изготавливались из алюминиевого сплава. В качестве топлива использовалась уран-силуминовая композиция, гарантировавшая минимальный выход продуктов распада при нарушении герметичности твэлов. Полная загрузка урана-235 в активную зону составляла 22,5 кг, обогащение по урану-235 — 36 %. Работа реактора на полной мощности без перезарядки активной зоны была рассчитана на 2 года.
Регулировка работы реактора осуществлялась стержнями системы управления и защиты, изготовленными из бористой стали. 2 стержня предназначались для автоматического регулирования, 30 стержней — для компенсации температурного эффекта и эффекта «отравления». Стержень СУЗ перемещался внутри трубы из нержавеющей стали, расположенной в центре ТВС. При аварийной ситуации стержни падали в активную зону, заглушая цепную реакцию деления.
Решение о месте размещении экспериментальной АЭС с теплоносителем — органической жидкостью принимал министр Е. П. Славский. Предпочтение было отдано Мелекесу (г. Димитровград), где создавался новый центр ядерных технологий — научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР). Проект привязки АЭС к промплощадке выполнил ВНИИПИЭТ.
На площадке НИИАР АЭС «АРБУС» размещалась в отдельном здании. Вне его располагались электролизер и сливные емкости. Пусковые потребности реактора обеспечивал отдельный дизель-генератор. Обслуживанием станции занимались 17 человек.
Для проведения перегрузки активной зоны станция укомплектовывалась контейнером, координатно-наводящим устройством, специнструментом для перезарядки, хранилищем отработанного топлива. Выгрузка и загрузка топлива в активную зону осуществлялась 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).
Весь проект был реализован за 2,5 года, при этом монтаж оборудования (19 блоков) занял 7 месяцев. После сборки реактора была проведена его тройная промывка горячим дизельным топливом.
Пуск установки состоялся 11 августа 1963 года.
Во время физического пуска реактора АЭС «АРБУС» были определены 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 протеканий процессов на всех, в том числе аварийных, режимах работы, благодаря чему и твэлы и оборудование первого контура работали в щадящих режимах. Это объяснялось большими объемами, как теплоносителя в первом контуре, так и воды в парогенераторах.
Результаты первой кампании АЭС «АРБУС» выявили недостатки конструкции ТВС. Так использование дистанцирующей решетки привело к накоплению в ТВС продуктов разложения, поэтому она была заменена на продольные ребра. Проверка новой конструкции ТВС после 170 суток работы показала хорошее состояние твэлов, которые после удаления отложений путем отжига проработали еще 110 эффективных суток. Некоторые изменения в конструкции ТВС были также внесены для ликвидации выявленных застойных зон и увеличения скорости теплоносителя.
Однако к тому времени оказалась скомпрометирована главная цель создания АЭС «АРБУС», как энергоисточника для Антарктиды. Одна из ключевых статей Договора об Антарктике от 1959 года запрещала здесь ядерные взрывы, как в военных, так и в мирных целях. Это вкупе с запретом удаления в этот район радиоактивных материалов превратило Антарктику в безъядерную зону. Договор не предусматривал запрета на использование в Антарктике ядерного оборудования или ядерной техники. Ввиду этого обстоятельства на американской базе Мак-Мердо была сооружена и функционировала в 1960-х гг. и первой половине 1970-х гг. атомная электростанция. А затем американские исследователи обнаружили, что при работе этой АЭС происходит утечка радиоактивных отходов. АЭС пришлось демонтировать, а загрязненный ею район тщательно очистить. Поскольку работа АЭС «АРБУС» сопровождалась наработкой радиоактивных отходов, из-за трудности решения для неё в условиях Антарктики проблемы полной ядерной безопасности проект размещения атомной установки для обеспечения электроэнергией научных исследований в Антарктике осуществлен не был, хотя ряд сотрудников НИИАР прошел специальную медкомиссию и уже готовился к поездке в Антарктиду.
Как АЭС установка «АРБУС» эксплуатировалась 15 лет, за это время наработка реактора составила 789 эфф. суток. Она зарекомендовала себя как высоконадежная и безопасная, простая и удобная в управлении — для её обслуживания требовалось 3 человека в смену. За этот период были отработаны регенерация газойля, позволявшая исключить его потери вследствие образования высококипящих продуктов радиолиза, и технология очистки твэлов от нерастворимых отложений вакуум-дистилляционным методом. Также была произведена замена теплоносителя первого контура на гидротерфенил, как более стойкий к воздействию радиации.
За период с 1963 по 1978 гг. были зафиксированы только незначительные неполадки, связанные конденсатором и деаэратором, а также один крупный инцидент из-за поломки турбины. Отказов в работе оборудования АЭС «АРБУС», способных привести к тяжелой аварии, не было.
В 1978 году руководство отрасли приняло решение о переводе установки на работу в режиме выработки тепла для теплоснабжения жилых поселков и промышленных предприятий. Для этого турбина, конденсатор и деаэратор были демонтированы и заменены теплообменниками, вместо гидротерфенила в первый контур был залит 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 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 была увеличена до 8,1 МВт (ограничение на мощность реактора накладывала низкая производительность системы очистки). В таком режиме установка «АРБУС» проработала 735 эффективных суток.
В мае 1988 года в связи с отсутствием финансирования установка АСТ-1 была остановлена и переведена в режим временной консервации. Отработанное ядерное топливо выгружено из реактора в приреакторное хранилище и после выдержки, в 1989 году, вывезено в центральное хранилище ОТВС института.
В 1990 году руководство отрасли приняло решение о выводе АСТ-1 из эксплуатации.
В 1997-1998 гг. было проведено комплексное обследование установки и затем принята программа по выводу АСТ-1 из эксплуатации.
Фотогалерея4
