Перегрузка топлива ВВЭР: перегрузочная машина и бассейн выдержки

• 16 г/кгборной кислоты — минимум в воде реактора ВВЭР-1000 при перегрузке
• 0,02наименьшая допустимая подкритичность реактора во время перегрузки
• 163сборки в активной зоне ВВЭР-1000; за перегрузку меняют несколько десятков
• от 3 летстоят отработавшие сборки ВВЭР-1000 в бассейне выдержки до вывоза

Перегрузка в цикле энергоблока

Реактор ВВЭР работает на одной загрузке топлива 12–18 месяцев, а затем его останавливают, чтобы заменить часть выгоревших сборок. На эту же остановку планируют ремонт оборудования; зачем совмещать одно с другим и что ещё делают в это время, рассказано в статье «Ремонт АЭС: ППР и запасные части». Здесь — сама перегрузка: путь отработавшей сборки из активной зоны в бассейн выдержки и путь свежей сборки на её место.

За одну перегрузку у ВВЭР-1000 меняют несколько десятков из 163 сборок. Остальные остаются в зоне, но переходят на новые места, а выгруженные ещё несколько лет стоят под водой рядом с реактором. Вся работа идёт на остановленном и вскрытом реакторе, под слоем воды с бором, и почти целиком — дистанционно.

Подготовка: от останова до открытого реактора

Реактор глушат органами регулирования и расхолаживают: сначала тепло отводят через парогенераторы, сбрасывая пар в конденсатор турбины, затем — системой планового расхолаживания с насосами и теплообменниками. Одновременно концентрацию борной кислоты в первом контуре поднимают до стояночной — у ВВЭР-1000 не меньше 16 г на килограмм воды. Бор нужен с запасом: при охлаждении воды реактивность ВВЭР растёт, а ксенон, накопленный при работе на мощности, в следующие дни распадается и перестаёт поглощать нейтроны.

Давление в первом контуре снижают до атмосферного. Кабели приводов СУЗ отсоединяют, а их штанги расцепляют с органами регулирования — те остаются в сборках. Затем отворачивают гайки шпилек главного разъёма, и полярный кран, который ходит по кругу под куполом гермооболочки, поднимает верхний блок — крышку вместе с приводами, массой больше 100 т. Его ставят на стенд, где крышку и приводы осматривают и ремонтируют.

Над корпусом теперь открыта бетонная шахта. Её заполняют борированной водой, и получается бассейн перегрузки; уровень в нём выравнивают с уровнем в соседнем бассейне выдержки и открывают затвор между ними. Под водой кран вынимает блок защитных труб, который прижимал головки сборок и прикрывал органы регулирования от потока воды, — как устроены эти внутрикорпусные устройства, рассказано в статье «Корпус реактора». Блок сильно активирован нейтронами, поэтому его переносят в отдельную шахту ревизии, тоже заполненную водой. После этого головки сборок открыты, и за дело берётся перегрузочная машина.

Перегрузочная машина

Перегрузочная машина — по сути, мостовой манипулятор. Её мост ездит по рельсам на полу центрального зала над бассейном перегрузки и бассейном выдержки, по мосту поперёк ходит тележка, а с тележки вниз, в воду, уходит вертикальная рабочая штанга с захватом на конце. Захват опускается на головку сборки и сцепляется с ней, сборку поднимают внутрь штанги и в ней переносят: штанга направляет сборку и защищает её от ударов о соседние конструкции.

На энергоблоках с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 работают машины серии МПС, например МПС-В-1000 и МПС-В-1200. Ими управляют с пульта — вручную или в автоматическом режиме, когда машина сама выходит на нужную ячейку по программе перегрузки. У каждой ячейки активной зоны и стеллажей бассейна есть координаты, положение моста, тележки и захвата отслеживают датчики, и машина выходит на нужную ячейку с точностью до миллиметров. Датчики усилия следят за нагрузкой на захвате: по ним видно, если сборка зацепилась или идёт туже обычного.

Всё, что происходит под водой, оператор видит на экране. Рядом с рабочей штангой на машине есть телевизионная штанга с камерой, а правила ядерной безопасности прямо требуют телевизионного контроля перегрузки. Камера помогает навести захват, осмотреть сборку и прочитать номер на её головке.

Вода в этой работе выполняет три задачи. Над поднятой сборкой всегда остаётся слой воды в несколько метров, и он ослабляет излучение настолько, что персонал работает в центральном зале рядом с бассейном. Вода снимает остаточное тепло: только что выгруженная сборка выделяет десятки киловатт, и без охлаждения её оболочки перегрелись бы. Бор в воде поглощает нейтроны и не даёт начаться цепной реакции.

Перегрузка топлива (схема). Реактор вскрыт, шахта и бассейны заполнены водой с бором. Перегрузочная машина ездит по рельсам над бассейном и под слоем воды переносит сборки: отработавшие — в бассейн выдержки, свежие — в активную зону. Вода защищает людей от излучения и охлаждает сборки.

Выгрузка, перестановка, загрузка

Порядок работ задаёт картограмма перегрузки — схема, где для каждой ячейки активной зоны указано, какая сборка в ней стоит и какая должна оказаться после перегрузки, — и рабочий график, по которому машина переносит сборки одну за другой. Картограмму заранее рассчитывают физики по выгоранию каждой сборки, а утверждает руководство станции. Каждое перемещение записывают, и в любой момент известно, где находится каждая сборка.

Отработавшие сборки машина уносит в стеллажи бассейна выдержки, оставшиеся переставляет внутри зоны, а на освободившиеся места ставит свежие, заранее размещённые в бассейне. Расстановку выбирают не случайно. Свежая сборка даёт больше энергии, чем выгоревшая, поэтому их чередуют, выравнивая энерговыделение по зоне: ни один твэл не должен работать на пределе, пока соседние недогружены. А на периферию, к стенке корпуса, ставят наиболее выгоревшие сборки. Такую расстановку называют загрузкой с малой утечкой нейтронов: из зоны вылетает меньше нейтронов, топливо используется полнее, а корпус реактора получает меньше быстрых нейтронов и медленнее охрупчивается.

Как расставляют сборки в активной зоне

Машина работает и с органами регулирования. Приводы СУЗ стоят над определёнными ячейками зоны, поэтому поглощающие стержни переносят из выгружаемых сборок в те, что займут эти ячейки, а отслужившие свой срок стержни заменяют новыми.

Попутно проверяют герметичность оболочек твэлов. Если оболочка повреждена, из сборки в воду выходят газообразные и летучие продукты деления — радиоактивные изотопы криптона, ксенона, йода, цезия. Сборку ненадолго изолируют в небольшом объёме воды — например, прямо в рабочей штанге машины или в специальном пенале — и измеряют активность пробы. Сборки с негерметичными твэлами в зону не возвращают: в бассейне выдержки их ставят в герметичные пеналы.

Когда загрузка закончена, телекамерой обходят всю зону и сверяют номер каждой сборки с картограммой. Затем возвращают на место блок защитных труб, понижают уровень воды, ставят верхний блок, уплотняют главный разъём и стыкуют приводы. Дальше реактор испытывают и пускают, а физические измерения при пуске подтверждают, что зона собрана так, как рассчитано.

Бассейн выдержки

Бассейн выдержки энергоблока с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 находится внутри гермооболочки, в центральном зале, вплотную к шахте реактора. Это глубокая бетонная ёмкость, облицованная нержавеющей сталью; у ВВЭР-1000 она разделена на несколько отсеков. На дне стоят стеллажи — решётки ячеек, в каждую из которых ставят одну сборку.

Вода в бассейне борированная, как и при перегрузке, — около 16 г борной кислоты на литр. Ядерную безопасность здесь обеспечивают и бор, и геометрия: ячейки разнесены так, что цепная реакция в стеллажах невозможна, причём с запасом. Чтобы уместить больше топлива, на ряде блоков поставили уплотнённые стеллажи: ячейки в них стоят теснее, но каждую окружает шестигранная труба из стали с добавкой бора, поглощающей нейтроны.

Сборки в бассейне продолжают выделять тепло, и воду непрерывно прокачивают через теплообменники; у ВВЭР-1000 это делает та же система, что расхолаживает первый контур при останове. Воду очищают на ионообменных фильтрах, чтобы она оставалась прозрачной и чистой, а её уровень и температуру непрерывно контролируют: падение уровня означало бы и потерю охлаждения, и ослабление защиты от излучения.

Ёмкость бассейна рассчитывают на топливо, выгруженное за несколько лет работы, и всегда с резервом, чтобы при необходимости в бассейн можно было выгрузить всю активную зону. В проекте Белорусской АЭС с ВВЭР-1200, например, бассейн рассчитан на десять лет хранения, аварийную выгрузку зоны и пеналы для дефектных сборок.

В бассейне сборки стоят несколько лет — у ВВЭР-1000 не меньше трёх. За это время распадаются короткоживущие продукты деления, тепловыделение и активность снижаются, и сборки можно перевозить. Их загружают под водой в транспортный контейнер, установленный в особом гнезде бассейна; у ВВЭР-1000 такой контейнер, ТК-13, вмещает 12 сборок. Контейнер герметизируют, дезактивируют снаружи и отправляют по железной дороге в централизованное хранилище или на переработку — о контейнерах и дальнейшем пути топлива рассказано в статье «Радиоактивные отходы и ОЯТ».

Из бассейна выдержки — в контейнер и в путь

1. Выдержканесколько лет под водой: тепловыделение и активность снижаются
2. Загрузка в контейнерпод водой, в особом гнезде бассейна; ТК-13 вмещает 12 сборок
3. Подготовка контейнераего герметизируют и дезактивируют снаружи
4. Вывозпо железной дороге — в хранилище или на переработку

Что важно изготовителю

Стеллажи, пеналы, детали перегрузочной машины, инструмент для работы под водой десятилетиями находятся в борированной воде, поэтому их делают из коррозионностойких сталей. В борсодержащей стали стеллажей контролируют содержание бора: от него зависит запас до критичности. Ячейки и направляющие должны быть прямыми и точными, ведь сборка длиной около 4,6 м должна входить в ячейку свободно. И, как везде на станции, нужна чистота: стружка или окалина, попавшие в бассейн, мутят воду и могут оказаться в активной зоне.

Свежее топливо

Свежие сборки поступают на станцию заранее, до остановки блока. Их везут с завода спецэшелоном в транспортных контейнерах, которые исключают цепную реакцию при любых условиях перевозки. Как делают сами сборки, рассказано в статье «Как делают ядерное топливо».

На станции топливо проходит входной контроль: проверяют документы, пломбы и целостность контейнеров, осматривают каждую сборку и сверяют её номер с паспортом. Сборку, повреждённую при перевозке, в реактор не ставят. Затем топливо хранят в хранилище свежего топлива — сухом помещении со стеллажами, ячейки которых разнесены так, чтобы цепная реакция не возникла даже при случайном затоплении водой. Свежее топливо слабо радиоактивно, поэтому с ним работают без тяжёлой защиты, но под контролем физика и с записью каждой операции.

Перед перегрузкой сборки во внутристанционном контейнере привозят в здание реактора, через транспортный шлюз подают в гермооболочку и машиной расставляют по ячейкам бассейна выдержки. Оттуда во время перегрузки они уходят в реактор.

Путь свежей сборки на станции

1. Доставкаспецэшелоном, в контейнерах, исключающих цепную реакцию
2. Входной контрольдокументы, пломбы, осмотр сборки, номер сверяют с паспортом
3. Хранилище свежего топливасухое; ячейки разнесены так, что реакции не будет и при затоплении
4. Бассейн выдержкичерез транспортный шлюз — в ячейки бассейна
5. Реакторво время перегрузки — на освободившееся место

Ядерная безопасность при перегрузке

Во время перегрузки всё топливо реактора по-прежнему собрано в одном месте, а сборки перемещаются, поэтому главное требование — исключить цепную реакцию при любых операциях. Правила ядерной безопасности требуют, чтобы подкритичность реактора — запас до критического состояния — была при перегрузке не меньше 0,02 с учётом возможных ошибок, то есть коэффициент размножения нейтронов не превышал примерно 0,98. Этот запас держат несколько рубежей.

• Бор. Концентрацию борной кислоты в реакторе и бассейнах поддерживают не ниже стояночной и регулярно проверяют анализом проб. Линии, по которым в контур могла бы попасть вода без бора, отключают.
• Расчёт. Картограмму и порядок перемещений рассчитывают заранее, рассматривая и возможные ошибки — например, сборку, поставленную не в ту ячейку, — и их последствия.
• Контроль нейтронного потока. Пока идёт перегрузка, плотность потока нейтронов непрерывно измеряет аппаратура контроля нейтронного потока — ионизационные камеры вокруг корпуса, которые чувствуют и подкритический реактор; о них — в статье «Управление реактором: СУЗ и приводы». Неожиданный рост показаний — сигнал остановить операции и разобраться в причине.
• Порядок работ. Перегрузку ведёт обученный и допущенный персонал по программе и картограмме, утверждённым руководством станции, и каждое перемещение регистрируют.

Вторая функция безопасности — отвод тепла — на перегрузке тоже не прерывается: охлаждение активной зоны и бассейна работает всё время, пока топливо под водой. Когда номера сборок сверены и реактор закрыт, его топливо снова увидят только через год-полтора, на следующей перегрузке.

Термины

• Бассейн перегрузкиБетонная шахта над вскрытым реактором, которую на время перегрузки заполняют борированной водой.
• Бассейн выдержкиБассейн с борированной водой рядом с реактором, где отработавшее топливо хранят несколько лет, пока не снизятся его тепловыделение и активность.
• Перегрузочная машинаМостовой манипулятор над бассейнами, который под водой переносит тепловыделяющие сборки и поглощающие стержни СУЗ.
• Картограмма перегрузкиСхема размещения сборок в активной зоне, по которой ведут их перемещения при перегрузке.
• Стояночная концентрацияКонцентрация борной кислоты в воде, при которой остановленный реактор остаётся подкритичным с запасом, в том числе при перегрузке.
• ПодкритичностьОтрицательная реактивность остановленного реактора — запас, отделяющий его от критического состояния.
• Загрузка с малой утечкойРасстановка сборок, при которой наиболее выгоревшие стоят на периферии активной зоны; уменьшает утечку нейтронов и облучение корпуса.
• Контроль герметичности оболочекПроверка сборок на негерметичные твэлы по выходу продуктов деления в воду.

Частые вопросы

Как часто перегружают топливо в реакторе ВВЭР?

Обычно раз в 12–18 месяцев, во время планово-предупредительного ремонта. Часть выгоревших сборок — у ВВЭР-1000 несколько десятков — выгружают в бассейн выдержки, остальные переставляют, а на свободные места ставят свежие.

Почему топливо перегружают под водой?

Слой воды над сборкой ослабляет излучение, вода снимает остаточное тепло и остаётся прозрачной, так что за операциями можно следить телекамерой. Растворённая в ней борная кислота поглощает нейтроны и не даёт начаться цепной реакции.

Сколько отработавшее топливо стоит в бассейне выдержки?

Несколько лет — у ВВЭР-1000 не меньше трёх. За это время тепловыделение и активность сборок снижаются настолько, что их можно вывезти в транспортных контейнерах на хранение или переработку.

Как при перегрузке исключают цепную реакцию?

Воду в реакторе и бассейнах борируют до стояночной концентрации, при которой зона остаётся подкритичной с запасом не меньше 0,02. Нейтронный поток непрерывно контролируют, а сборки переставляют строго по заранее рассчитанной картограмме.

Что такое картограмма перегрузки?

Схема, в которой для каждой ячейки активной зоны указано, какая сборка должна в ней стоять после перегрузки. По ней перегрузочная машина выполняет перемещения, а после загрузки положение сборок сверяют с картограммой по телекамере.