Гермооболочка энергоблока: две оболочки, преднапряжение, испытания

• 2оболочки у здания реактора ВВЭР-1200 — внутренняя и наружная
• ≈ 0,4 МПарасчётное избыточное давление внутренней оболочки
• ≈ 150 °Cрасчётная температура под оболочкой при аварии
• > 100пучков стальных канатов обжимают внутреннюю оболочку

Последний барьер

Гермооболочка, или защитная оболочка, — герметичное здание из железобетона, внутри которого стоят реактор и всё оборудование первого контура: парогенераторы, главные циркуляционные насосы, компенсатор давления, главные трубопроводы. У энергоблоков с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 там же находится и бассейн выдержки отработавшего топлива.

Среди физических барьеров на пути радиоактивных веществ — топливная таблетка, оболочка твэла, граница первого контура — гермооболочка последний. Она рассчитана на самую тяжёлую проектную аварию — разрыв главного циркуляционного трубопровода, когда вода первого контура вырывается из него, вскипает и заполняет оболочку паром. Давление и температура под куполом растут, и оболочка должна их выдержать, не потеряв плотности. Вторая её задача — защитить реакторную установку от того, что может прийти снаружи. Как оболочка встроена в общую систему защиты станции, рассказано в статье «Безопасность АЭС»; здесь речь о самой конструкции.

Вместе с арматурой, отсекающей трубопроводы, шлюзами, спринклерной и другими системами оболочка образует локализующие системы безопасности. Требования к их устройству, испытаниям и ремонту собраны в федеральных нормах и правилах НП-010-16 «Правила устройства и эксплуатации локализующих систем безопасности атомных станций».

Две оболочки ВВЭР-1200

У российских энергоблоков с ВВЭР-1000 оболочка, как правило, одна. У ВВЭР-1200 их две, одна внутри другой, и обязанности между ними разделены.

Внутренняя оболочка держит давление. Это цилиндр с полусферическим куполом из преднапряжённого железобетона: внутренний диаметр — больше 40 м, высота изнутри — около 70 м, толщина стены — больше метра, купола — около метра. Она рассчитана на избыточное давление около 0,4 МПа — примерно четыре атмосферы сверх наружного — и на температуру около 150 °C.

Внутренняя оболочка ВВЭР-1200 в цифрах

• > 40 мвнутренний диаметр
• ≈ 70 мвысота изнутри
• больше метратолщина стены, у купола — около метра

Зачем бетон «преднапрягать», объясняет простая механика. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и плохо — растяжению. Давление изнутри раздувает оболочку и растягивает её стенку и по окружности, и по высоте, так что обычный железобетон пошёл бы трещинами. Поэтому стену заранее обжимают натянутыми стальными канатами. При аварии давление лишь «съедает» часть этого обжатия, и сквозных трещин в стене не появляется.

Изнутри стену облицовывают сваренными между собой стальными листами толщиной несколько миллиметров. Бетон пористый и может трескаться, а сплошной стальной лист газ не пропускает — именно облицовка делает оболочку герметичной. Прочности она почти не добавляет: давление прижимает её к бетону, с которым она связана анкерами.

Наружная оболочка — монолитный железобетон без преднапряжения, со стенами толщиной меньше метра. Давление изнутри она не держит; её дело — принять на себя удар снаружи: падение самолёта, ураган или смерч, взрывную волну, летящие предметы.

Между оболочками остаётся кольцевой зазор шириной около двух метров — межоболочечное пространство. Вентиляция держит в нём небольшое разрежение, поэтому воздух через неплотности идёт внутрь зазора, а не наружу. Если при аварии из внутренней оболочки что-то просочится, оно окажется в зазоре, пройдёт через аварийную систему очистки с фильтрами, задерживающими радиоактивный йод и аэрозоли, и только потом попадёт в вентиляционную трубу.

Преднапряжение: канаты в бетоне

Обжатие создаёт система преднапряжения. Ещё при бетонировании в стене оставляют каналообразователи — стальные трубы, проложенные в толще бетона по заданным траекториям. Горизонтальные каналы охватывают оболочку кольцами, вертикальные поднимаются по стене, переходят через купол и спускаются с другой стороны. Когда бетон наберёт прочность, через каналы протягивают пучки высокопрочных канатов. У ВВЭР-1200 пучок собирают из нескольких десятков семипроволочных канатов диаметром около 15 мм, а всего пучков больше сотни.

Пучок натягивают гидравлическими домкратами — в современных системах с обоих концов сразу — до усилия порядка тысячи тонн и закрепляют анкерами. Каждый канат зажимают клиньями в коническом отверстии анкерной головки, а головка передаёт усилие на стальную опорную плиту, заделанную в бетон. Пучки натягивают в заданной последовательности, чередуя горизонтальные и вертикальные, чтобы обжимать оболочку равномерно. Натяжение контролируют дважды: по усилию — через давление масла в домкрате — и по удлинению канатов. Если удлинение расходится с расчётным, ищут причину, например повышенное трение в канале.

Затем каналы заполняют специальным цементным раствором, который защищает канаты от коррозии. Систему при этом устраивают так, чтобы усилие в пучках можно было проверять весь срок службы.

Как обжимают оболочку канатами

1. Каналы в бетонеканалообразователи закладывают ещё при бетонировании стены
2. Протяжка пучковкогда бетон наберёт прочность
3. Натяжениедомкратами до усилия порядка тысячи тонн, контроль по усилию и удлинению
4. Анкеровкаканаты зажимают клиньями в анкерной головке
5. Заполнение каналовцементный раствор защищает канаты от коррозии

А проверять есть что. Под постоянной нагрузкой бетон годами понемногу укорачивается — сказываются усадка и ползучесть, — а сталь канатов релаксирует, и усилие в пучках медленно падает. Поэтому часть пучков оснащают датчиками усилия, а остальные периодически проверяют специальным домкратом: он подхватывает анкерную головку, и по усилию, при котором она отходит от опоры, узнают, сколько натяжения осталось. Картину дополняют датчики деформаций, заложенные в бетон при строительстве. По этим данным судят, сохранит ли оболочка расчётное обжатие до конца срока службы.

Для изготовителя система преднапряжения — это серия точных изделий: анкерные головки с коническими отверстиями, клинья с насечкой, опорные плиты, детали домкратов. От точности конусов, качества насечки и термообработки клиньев зависит, удержит ли анкер усилие порядка тысячи тонн десятилетиями. Такие детали делают по документации разработчика системы, с контролем материала, размеров и твёрдости.

Проходки и шлюзы

Оболочка герметична, но не глуха: сквозь её стену идут трубопроводы десятков систем и множество кабелей, а людям и грузам нужно попадать внутрь. Каждое такое место — проходка — должно быть таким же прочным и плотным, как стена вокруг.

Проходка трубопровода — стальная гильза, заделанная в стену при бетонировании и герметично соединённая с облицовкой. Трубопровод приваривают к гильзе напрямую или через переходную деталь. Сложнее всего с горячими линиями — паропроводами и трубопроводами питательной воды: проходка должна пропустить тепловое удлинение трубы и не перегреть бетон вокруг.

На каждом трубопроводе, который пересекает оболочку, стоит локализующая арматура — обычно два запорных органа, внутри оболочки и снаружи. При аварии они по сигналу закрываются и отсекают линию, чтобы радиоактивная среда не ушла по ней за пределы оболочки; второй орган страхует на случай, если первый не сработает. Как устроена такая арматура и как её проверяют, рассказано в статье «Трубопроводная арматура для АЭС».

Кабельные проходки пропускают через стену силовые и контрольные цепи. Кабель не тянут сквозь стену целиком: в гильзу ставят герметичный узел, через который проходят проводники, заделанные в уплотняющий изоляционный материал, и к нему с двух сторон подключают кабели. Узел должен сохранить и изоляцию, и плотность при давлении, температуре, влажности и облучении, возможных при аварии.

Людей и грузы пропускают шлюзы — стальные камеры с двумя герметичными дверями, внутренней и наружной. Блокировки не дают открыть обе двери сразу, поэтому граница оболочки не размыкается ни на минуту. Через самый крупный, транспортный шлюз, ввозят и вывозят оборудование и тяжёлые грузы. Персонал ходит через основной шлюз, а аварийный оставляет второй путь, если основной недоступен.

Гильзы проходок, закладные детали, двери шлюзов с замками и уплотнениями — изделия крупные, но с точными уплотнительными поверхностями. Закладные части остаются в бетоне навсегда, и исправить ошибку в них потом не удастся. Поэтому материал, сварные швы и размеры проверяют до установки, а плотность готовых узлов — давлением.

Двойная гермооболочка энергоблока с ВВЭР-1200 в разрезе (схема). Внутренняя оболочка — из преднапряжённого железобетона со стальной облицовкой изнутри, наружная защищает от внешних воздействий. Трубопроводы проходят сквозь стены через проходки с запорной арматурой внутри и снаружи, люди и грузы — через шлюзы. Спринклеры под куполом при аварии снижают давление внутри оболочки.

Что работает внутри

Сама оболочка — пассивный барьер: ей нужно только выстоять. Но при аварии давление и температуру под ней снижают, а опасные вещества из её атмосферы убирают несколько систем.

• Спринклерная система. Под куполом проложены кольцевые коллекторы с форсунками. Когда давление под оболочкой растёт, насосы подают в них раствор борной кислоты, и форсунки распыляют его мелкими каплями. Капли конденсируют пар — давление и температура падают, — а химические реагенты, которые добавляют в раствор, связывают радиоактивный йод. Вода стекает вниз, в приямки, откуда насосы снова подают её на распыл.
• Рекомбинаторы водорода. Пассивные устройства с катализатором, на котором водород без пламени соединяется с кислородом. Их расставляют там, где водород может скапливаться; как они работают, рассказано в той же статье о безопасности АЭС.
• Пассивный отвод тепла. Даже при полном обесточивании станции тепло из-под оболочки должно куда-то уходить. В проекте Ленинградской АЭС-2 и Белорусской АЭС для этого в верхней части оболочки стоят теплообменники-конденсаторы, связанные с баками аварийного отвода тепла наверху здания реактора: пар конденсируется на трубках, а нагретая вода естественной циркуляцией уходит к бакам.

Как строят оболочку

Оболочку возводят на фундаментной плите здания реактора ярус за ярусом, и первой появляется не бетонная стена, а стальная облицовка. Её собирают из крупных блоков, сваренных заранее на укрупнительной площадке, и ставят краном кольцо за кольцом. Нижний ярус облицовки одного из блоков ВВЭР-1200 — кольцо высотой около 10 м и массой порядка 150 т — подняли целиком гусеничным краном грузоподъёмностью 2000 т.

Облицовка служит внутренней несъёмной опалубкой. Снаружи от неё собирают арматурный каркас из нескольких рядов толстых стержней, укладывают каналообразователи, гильзы будущих проходок и закладные детали, ставят наружную опалубку и бетонируют. Свежая бетонная смесь давит на тонкую облицовку, как вода на стенку бака, поэтому бетон укладывают слоями ограниченной высоты и уплотняют вибраторами, следят за его температурой при твердении, а в мороз прогревают. На внутреннюю оболочку одного энергоблока уходит порядка 11 тысяч кубометров бетона и трёх тысяч тонн арматуры.

Стройка внутренней оболочки в цифрах

• ≈ 150 тнижнее кольцо облицовки высотой ≈ 10 м, поднятое целиком
• 2000 тгрузоподъёмность гусеничного крана, который его поднял
• ≈ 11 тыс. м³бетона на внутреннюю оболочку одного энергоблока
• ≈ три тысячи тарматуры на неё же

Пока стена открыта, проверяют всё, к чему потом не подобраться: сварные швы облицовки — на плотность, положение каналообразователей и гильз — инструментально. Трубу, смещённую в бетоне, уже не переложить, а шов облицовки за метром бетона не переварить.

Купол облицовки собирают на земле, на специальном стапеле, поднимают на оболочку целиком или несколькими крупными частями одним из самых мощных кранов стройки и бетонируют поверх него купол внутренней оболочки. Над ним возводят купол наружной. Как ведут стройку энергоблока в целом, рассказано в статье «Как строят АЭС: от котлована до купола».

Пучки натягивают, когда бетон всей оболочки, включая купол, наберёт проектную прочность. Натяжение больше сотни пучков занимает недели, и только после него оболочку можно испытывать давлением.

Испытания давлением

Перед вводом энергоблока в эксплуатацию оболочку проверяют самым прямым способом — давлением; это один из рубежей пусконаладки, о которой рассказано в статье «Пуск энергоблока». Все проходки и шлюзы закрывают, и мощные компрессоры несколько суток ступенями накачивают в оболочку воздух. При испытании на прочность давление поднимают выше расчётного: у энергоблоков с ВВЭР-1200 — до 4,6 кгс/см², то есть около 0,45 МПа.

На каждой ступени следят, как ведёт себя конструкция: датчики в бетоне показывают деформации, измеряют перемещения стены и купола, и всё сравнивают с расчётом. После сброса давления оболочка должна вернуться в исходное состояние — без недопустимых остаточных деформаций и трещин.

Испытание на герметичность отвечает на другой вопрос: сколько воздуха уходит из оболочки. Увидеть утечку нельзя, её вычисляют. Внутри расставляют много датчиков температуры, давления и влажности и по их показаниям рассчитывают массу воздуха в оболочке; если со временем масса убывает, разница и есть утечка. Точность нужна высокая: стоит воздуху под куполом потеплеть на градус, и давление вырастет, хотя воздуха не прибавилось. Допустимая утечка — доли процента объёма оболочки в сутки при расчётном давлении.

Два испытания оболочки давлением

Испытания повторяют и в эксплуатации. Испытания всей оболочки — их называют интегральными — проводят периодически, во время остановок блока на ремонт, в сроки, установленные нормами и проектом. Чаще и по отдельности проверяют то, что открывается и изнашивается: проходки, двери и уплотнения шлюзов, локализующую арматуру. Такие локальные испытания находят негерметичный узел, не нагружая давлением всю оболочку.

Облицовку и доступные поверхности бетона осматривают, а данные о натяжении пучков и деформациях копят с первого дня: оболочка почти никогда не работает всерьёз, и её готовность приходится подтверждать весь срок службы энергоблока.

Термины

• ГермооболочкаГерметичное железобетонное здание вокруг реактора и оборудования первого контура — последний физический барьер на пути радиоактивных веществ.
• Преднапряжённый железобетонЖелезобетон, заранее обжатый натянутой стальной арматурой, чтобы под нагрузкой в нём не возникали опасные растягивающие напряжения и трещины.
• ОблицовкаСваренные между собой стальные листы на внутренней поверхности оболочки, которые делают её газоплотной.
• КаналообразовательТруба, забетонированная в стене оболочки, через которую протягивают пучок канатов системы преднапряжения.
• АнкерУзел на конце пучка, который удерживает натянутые канаты и передаёт их усилие на бетон.
• Межоболочечное пространствоЗазор между внутренней и наружной оболочками, в котором держат разрежение и откуда протечки уходят наружу только через фильтры.
• ПроходкаГерметичный узел в стене оболочки, через который проходит трубопровод или кабель.
• ШлюзКамера с двумя сблокированными герметичными дверями для прохода людей и провоза грузов без нарушения герметичности.

Частые вопросы

Зачем у энергоблока с ВВЭР-1200 две оболочки?

Обязанности разделены: внутренняя оболочка из преднапряжённого железобетона со стальной облицовкой держит давление при аварии и удерживает радиоактивные вещества, а наружная защищает её от падения самолёта, урагана и взрывной волны. Протечки из внутренней оболочки попадают в зазор между ними и уходят наружу только через фильтры.

Зачем бетон гермооболочки натягивают канатами?

Бетон плохо сопротивляется растяжению, а давление изнутри растягивает стену оболочки. Натянутые пучки канатов заранее обжимают бетон, и при аварийном давлении в стене не появляются сквозные трещины.

На какое давление рассчитана гермооболочка?

Внутренняя оболочка энергоблока с ВВЭР-1200 рассчитана на избыточное давление около 0,4 МПа и температуру около 150 °C. Перед пуском её испытывают давлением воздуха выше расчётного — около 0,45 МПа.

Как проверяют герметичность гермооболочки?

Оболочку закрывают, накачивают в неё воздух и по показаниям множества датчиков давления, температуры и влажности вычисляют, сколько воздуха уходит за сутки. Проходки, шлюзы и локализующую арматуру дополнительно проверяют по отдельности — локальными испытаниями.

Как люди попадают внутрь гермооболочки?

Через шлюзы — камеры с двумя герметичными дверями, которые блокировки не дают открыть одновременно. Крупные грузы ввозят через транспортный шлюз, а аварийный шлюз даёт второй путь выхода.