Обращение к сайту «История Росатома» подразумевает согласие с правилами использования материалов сайта.
Пожалуйста, ознакомьтесь с приведёнными правилами до начала работы

Новая версия сайта «История Росатома» работает в тестовом режиме.
Если вы нашли опечатку или ошибку, пожалуйста, сообщите об этом через форму обратной связи

История атомных реакторов /

ВК-50

Реше­ни­ями XX съезда КПСС был утвер­жден обшир­ный план раз­ви­тия в СССР атом­ной энерге­тики. Преду­смат­ри­ва­лось, в част­но­сти, стро­и­тельство Бело­яр­ской и Уральской АЭС, Мос­ков­ской и Ленинград­ской АТЭЦ. Кроме того, Поста­нов­ле­нием Совета Мини­стров СССР № 351-223 от 15 марта 1956 года Мин­сред­машу пору­ча­лось соору­дить в г. Меле­кесе для нового науч­ного цен­тра (НИИАР) четыре экс­пе­римен­таль­ных реак­тора раз­лич­ного типа мощ­но­стью 50 МВт: ТГ-50 — гомо­ген­ный на уране и тории, ГН-50 — гра­фи­то­вый с натри­е­вым теп­ло­но­си­те­лем, ВК-50 — водя­ной кипящий и БН-50 — быст­рый натри­е­вый. Пер­во­на­чально весь комплекс реак­то­ров в Меле­кесе име­но­вался Улья­нов­ской АЭС. В после­дующие годы наме­чен­ные планы и сроки неод­но­кратно пере­смат­ри­ва­лись, и, в конеч­ном счете, в Меле­кесе были постро­ены только два послед­них (БОР-60 вме­сто БН-50).

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.