Канальные реакторы РБМК: графит, кипящая вода и уроки 1986 года

• ≈ 1700технологических каналов с топливом в РБМК-1000
• 2488графитовых колонн в кладке реактора
• ≈ 7 МПадавление пара в барабанах-сепараторах
• 17энергоблоков с РБМК построено в СССР

Каналы вместо корпуса

В корпусном реакторе — ВВЭР, PWR, кипящем BWR — давление теплоносителя держит один толстостенный стальной сосуд. В канальном реакторе такого сосуда нет: топливо стоит в отдельных прочных трубах — технологических каналах, и под давлением находится только вода внутри них. Замедлитель вокруг каналов давления не несёт: в РБМК это графитовая кладка, в канадском CANDU — тяжёлая вода в баке.

РБМК расшифровывается как «реактор большой мощности канальный». Короткое описание есть в статье «Как устроен ядерный реактор», здесь — подробнее. Главным конструктором реактора был НИКИЭТ, которым руководил Николай Доллежаль, научным руководителем — Институт атомной энергии имени Курчатова во главе с Анатолием Александровым.

У канальной схемы три сильные стороны. Не нужен гигантский корпус, размеры которого ограничены возможностями ковки и перевозки, — мощность наращивают числом каналов. Каждый канал можно вскрыть отдельно, поэтому топливо меняют на ходу. И за каждым каналом следят по отдельности: расход воды, температура, герметичность оболочек твэлов.

Опыт у схемы был давний. Уран-графитовым канальным был реактор АМ-1 первой в мире Обнинской АЭС, пущенной в 1954 году. В 1964 году на Белоярской АЭС заработал канальный АМБ-100, в котором пар перегревали прямо в каналах. Первый РБМК-1000 пустили на Ленинградской АЭС в 1973 году, а в 1983 году на Игналинской АЭС в Литве — первый РБМК-1500: при тех же размерах активной зоны его мощность подняли за счёт более интенсивного теплообмена в сборках.

От АМ-1 до РБМК-1500: канальные уран-графитовые реакторы

• 1954реактор АМ-1 первой в мире Обнинской АЭС
• 1964АМБ-100 Белоярской АЭС: пар перегревают прямо в каналах
• 1973первый РБМК-1000 на Ленинградской АЭС
• 1983первый РБМК-1500 на Игналинской АЭС в Литве

Всего построили 17 энергоблоков с РБМК — на Ленинградской, Курской, Смоленской, Чернобыльской и Игналинской АЭС.

Графитовая кладка и каналы

Основа реактора — графитовая кладка: цилиндр диаметром около 14 м и высотой 8 м из 2488 вертикальных колонн. Колонны набраны из графитовых блоков сечением 250×250 мм, в центре блоков — сквозные отверстия диаметром 114 мм для каналов. Активная зона — цилиндр высотой 7 м и диаметром около 12 м, а наружные слои кладки служат отражателем. Графита в кладке — больше 1700 т.

Графит работает горячим, допустимая температура блоков — до 750 °C, поэтому кладка заключена в герметичную полость с азотно-гелиевой смесью: она защищает графит от окисления и улучшает теплообмен. Несколько процентов энергии деления выделяется прямо в графите, и это тепло тоже уходит к воде в каналах.

Технологический канал — труба диаметром 88 мм со стенкой 4 мм. В активной зоне она из сплава циркония с 2,5 % ниобия, который слабо поглощает нейтроны, выше и ниже — из нержавеющей стали; цирконий со сталью соединяют переходниками. На трубу надеты разрезные графитовые кольца: одни плотно охватывают трубу, другие прилегают к стенке отверстия в блоке. Через них тепло графита уходит в канал, а труба и кладка могут смещаться друг относительно друга.

Кроме топливных, в кладке есть каналы системы управления и защиты (СУЗ) — около двухсот. В них движутся стержни-поглотители: ручного и автоматического регулирования, аварийной защиты, а также укороченные стержни, которые вводят в зону снизу. Каналы СУЗ охлаждает отдельный контур с водой невысокой температуры.

Кладку и каналы держат и закрывают массивные металлоконструкции, которые вместе с бетоном шахты служат биологической защитой.

• Нижняя плита. Толщина около 2 м, диаметр около 14,5 м; стоит на крестообразной опоре на дне бетонной шахты и несёт кладку.
• Кожух. Стальной цилиндр вокруг кладки; вместе с плитами он образует герметичное реакторное пространство.
• Боковая защита. Кольцевой бак с водой вокруг кожуха, а между баком и бетоном шахты — засыпка песком.
• Верхняя плита. Толщина около 3 м, диаметр около 17 м; сквозь неё проходят трубы всех каналов. Обе плиты заполнены серпентинитом.

Контур многократной принудительной циркуляции

Воду через каналы гонит контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ). Многократной — потому что за один проход через канал испаряется лишь малая часть воды, в среднем около 14,5 % по массе. Остальная вода проходит через реактор снова и снова.

Контур разделён на две одинаковые петли, каждая охлаждает половину реактора. В петле — четыре главных циркуляционных насоса: три работают, один в резерве. Насосы подают воду в напорный коллектор, оттуда она расходится по раздаточным групповым коллекторам, а из них — по индивидуальным трубам к каждому каналу снизу. На каждой такой трубе стоят запорно-регулирующий клапан и расходомер: расход через канал настраивают по его мощности.

В канале вода поднимается вдоль топливной сборки, нагревается примерно с 270 до 285 °C и частично вскипает. Пароводяная смесь по пароводяным коммуникациям уходит вверх, к барабанам-сепараторам — длинным горизонтальным сосудам, по два на петлю. В них пар отделяется от воды и при давлении около 7 МПа идёт на две турбины энергоблока. Вода, смешавшись с питательной, стекает по опускным трубопроводам — по 12 от каждого барабана — к всасывающему коллектору насосов, и круг замыкается.

Схема одноконтурная: пар из реактора сразу идёт на турбину, парогенераторы не нужны. Плата за простоту — пар слабо радиоактивен, и турбину приходится защищать. Давление в контуре ниже, чем у ВВЭР, зато трубопроводов намного больше: около 1700 нижних водяных и столько же пароводяных труб, опускные трубопроводы и раздаточные коллекторы Ду 300, крупные коллекторы насосов.

Канальный реактор РБМК (схема). Вместо одного корпуса под давлением — графитовая кладка, сквозь которую проходят вертикальные технологические каналы с топливом. Вода снизу поднимается по каналам и частично превращается в пар; пароводяная смесь уходит в барабаны-сепараторы, пар — на турбину, а вода по опускным трубам возвращается к главным циркуляционным насосам и через раздаточные коллекторы снова в каналы. Топливо меняют на ходу разгрузочно-загрузочной машиной.

Топливо и перегрузка на ходу

Топливо РБМК — таблетки диоксида урана в твэлах с оболочкой из сплава циркония с 1 % ниобия, как у ВВЭР, только твэл толще: наружный диаметр около 13,6 мм. Обогащение небольшое: до 1986 года — около 2 % урана-235, тогда как у ВВЭР — 3–5 %. Восемнадцать твэлов собирают в пучок длиной около 3,5 м, а два пучка, один над другим, на общем несущем стержне образуют тепловыделяющую сборку на всю высоту активной зоны.

В каждом канале стоит одна сборка, и каналы независимы, поэтому топливо можно менять, не останавливая реактор. Это делает разгрузочно-загрузочная машина (РЗМ) — массивный механизм на мосту над реактором. Машина встаёт над нужным каналом и герметично стыкуется с его головкой. Давление внутри машины выравнивают с давлением в канале, после чего она вынимает пробку и отработавшую сборку, опускает на её место свежую и снова закрывает канал.

Как разгрузочно-загрузочная машина меняет сборку на ходу

1. Наведениемашина на мосту над реактором встаёт над нужным каналом
2. Стыковкагерметично соединяется с головкой канала
3. Выравнивание давлениядавление в машине выравнивают с давлением в канале
4. Замена сборкивынимает пробку и отработавшую сборку, опускает свежую
5. Закрытие каналаставит пробку на место и везёт отработавшую сборку в бассейн выдержки

Реактор в это время продолжает работать: каналы независимы друг от друга.

Отработавшие сборки машина переносит в бассейн выдержки. Меняют в первую очередь самое выгоревшее топливо, и так, сборка за сборкой, поддерживают запас реактивности и ровное распределение мощности. Останавливать блок ради перегрузки, как ВВЭР, не нужно.

Если в каком-то канале теряет герметичность оболочка твэла, система контроля это замечает, и сборку извлекают, не дожидаясь остановки блока.

В сумме два отечественных реактора на 1000 МВт различаются так.

1986 год: что показала авария

26 апреля 1986 года на четвёртом энергоблоке Чернобыльской АЭС во время испытания произошла авария, разрушившая реактор. Хронология и общие уроки для отрасли — в статье «История атомной отрасли»; здесь — о свойствах реактора, которые тогда проявились.

Испытывали режим выбега турбогенератора: проверяли, сможет ли ротор, вращаясь по инерции после потери внешнего электроснабжения, какое-то время питать насосы, пока не запустятся резервные дизель-генераторы. К началу испытания мощность реактора была намного ниже предусмотренной программой, а оперативный запас реактивности — суммарная эффективность стержней, погружённых в зону, — оказался меньше допустимого регламентом.

Международная консультативная группа по ядерной безопасности при МАГАТЭ в докладе INSAG-7 (1992 год) пришла к выводу, что авария стала следствием сочетания трёх факторов: физических особенностей реактора, особенностей конструкции стержней СУЗ и того, что реактор вывели в состояние, не предусмотренное процедурами и не исследованное заранее с точки зрения безопасности.

Первая особенность — положительный паровой коэффициент реактивности. В РБМК нейтроны замедляет графит, а вода в каналах больше поглощает их, чем замедляет. Когда воды становится меньше, а пара больше, поглощение падает, и реакция усиливается: растёт мощность, вода кипит сильнее. У ВВЭР обратная связь противоположная — без воды нет замедлителя, и реакция затухает. На малой мощности и при малом числе стержней в зоне паровой эффект перевешивал другие обратные связи — в таком состоянии реактор и оказался.

Вторая — конструкция стержней. Под поглотителем каждого стержня был подвешен графитовый вытеснитель длиной 4,5 м. Когда стержень был полностью поднят, под вытеснителем в канале оставался столб воды высотой около 1,25 м. Начиная движение вниз, вытеснитель сначала замещал эту воду, и в нижней части зоны реактивность в первые секунды не уменьшалась, а росла. Полный ввод стержней занимал около 18 с.

Время ввода стержней аварийной защиты: до аварии и после модернизации

• ≈ 18 сстержни исходной конструкции
• 12 сстержни после модернизации
• меньше 2,5 сбыстродействующая защита БАЗ

Новые стержни и БАЗ появились при доработке всех РБМК после аварии 1986 года.

После сигнала аварийной защиты мощность за несколько секунд выросла во много раз, и реактор был разрушен. По Международной шкале ядерных событий INES авария отнесена к высшему, седьмому уровню.

Модернизация, продление и останов

После аварии все реакторы РБМК доработали: уменьшили паровой эффект и изменили аварийную защиту. Главные изменения такие.

• Дополнительные поглотители. В 80–90 каналов вместо топлива установили неподвижные поглотители — это уменьшило паровой коэффициент реактивности.
• Обогащение. Чтобы компенсировать лишнее поглощение, обогащение топлива подняли с 2 до 2,4 %. Позднее перешли на уран-эрбиевое топливо с обогащением 2,6–2,8 %: эрбий — выгорающий поглотитель, который тоже снижает паровой эффект, и часть дополнительных поглотителей удалось извлечь.
• Запас реактивности. Оперативный запас в нормальной работе увеличили с 26–30 до 43–48 стержней в пересчёте на стержни ручного регулирования.
• Стержни. Конструкцию изменили так, чтобы под стержнями не оставалось столбов воды, а время полного ввода сократили с 18 до 12 с.
• Быстродействующая защита. Появилась отдельная группа стержней быстродействующей аварийной защиты (БАЗ), которая вводит отрицательную реактивность меньше чем за 2,5 с.

Проектный срок службы РБМК-1000 — 30 лет. Его продлевали после обследования и модернизации, почти на всех российских блоках заменив технологические каналы. Главным ограничением стал графит: под облучением блоки меняют размеры, колонны кладки искривляются, а вместе с ними и каналы. С 2013 года колонны выпрямляют прямо в реакторе — об этой технологии и о том, что ждёт блоки после останова, рассказано в статье «Вывод АЭС из эксплуатации».

Остальные блоки Чернобыльской АЭС остановлены в 1991–2000 годах, Игналинской — в 2004 и 2009 годах. Первыми из российских РБМК окончательно остановили блоки № 1 и 2 Ленинградской АЭС (2018 и 2020 годы) и № 1 и 2 Курской АЭС (2021 и 2024 годы) — каждый проработал около 45 лет. Их мощность замещают новые энергоблоки с ВВЭР на соседних площадках.

Что важно изготовителю

У РБМК вместо одного корпуса — почти две тысячи каналов, графит и разветвлённые трубопроводы, и особые требования относятся к нескольким группам изделий.

• Трубы каналов. Сплав циркония с 2,5 % ниобия, жёсткие допуски на диаметр и стенку, сплошной ультразвуковой контроль. Под давлением и облучением труба медленно растёт в диаметре, а зазор между ней и графитом заложен в расчёт.
• Переходники сталь — цирконий. Обычной сваркой плавлением цирконий со сталью не соединить: в шве образуются хрупкие интерметаллиды. Переходники получают способами соединения в твёрдом состоянии, например диффузионной сваркой, и каждый проверяют на прочность и герметичность.
• Графит. Блоки и кольца из реакторного графита высокой чистоты: примеси, поглощающие нейтроны, например бор, строго ограничены. Механообработка — с точными размерами отверстий и колец, без загрязнения маслом и чужими материалами.
• Трубопроводы Ду 300. Трубопроводы контура циркуляции диаметром 325 мм — из аустенитной стали 08Х18Н10Т. В зонах термического влияния их сварных швов находили межкристаллитное коррозионное растрескивание — механизм описан в статье «Коррозия на АЭС». Поэтому особое внимание — технологии сварки, чистоте от хлоридов и ультразвуковому контролю швов.
• Ремонт каналов. Для замены каналов и восстановления кладки нужны специальные инструменты и оснастка: для резки и извлечения труб, калибровки отверстий в графите, установки новых каналов. Такие изделия делают небольшими партиями по чертежам разработчика.

Документы — те же, что для другого оборудования АЭС: класс безопасности в чертеже, паспорта на оборудование и трубопроводы по НП-089-15, сварка и контроль металла по НП-104-18 и НП-105-18, сертификаты на металл. Типичные ошибки тоже знакомы: хлоридсодержащие жидкости при обработке и промывке нержавеющей стали, общий инструмент для стали и циркония, небрежное обращение с пожароопасной циркониевой стружкой.

Термины

• РБМКРеактор большой мощности канальный — уран-графитовый реактор, в каналах которого кипит вода.
• Технологический каналПрочная вертикальная труба в графитовой кладке, в которой стоит топливная сборка и кипит теплоноситель.
• Графитовая кладкаЦилиндр из графитовых колонн с отверстиями для каналов; замедляет нейтроны и служит отражателем.
• КМПЦКонтур многократной принудительной циркуляции: насосы, коллекторы, каналы, барабаны-сепараторы и опускные трубопроводы.
• Барабан-сепараторГоризонтальный сосуд, в котором пар отделяется от воды перед подачей на турбину.
• Разгрузочно-загрузочная машинаМашина, которая меняет топливные сборки в каналах работающего реактора.
• Паровой коэффициент реактивностиИзменение реактивности при росте доли пара в теплоносителе; у РБМК исходного проекта он был положительным.
• Оперативный запас реактивностиСуммарная эффективность стержней, погружённых в активную зону, в пересчёте на число стержней ручного регулирования.

Частые вопросы

Сколько каналов и графита в реакторе РБМК-1000?

Технологических каналов с топливом — около 1700, каналов системы управления и защиты — около двухсот. Графитовая кладка из 2488 колонн весит больше 1700 т и образует цилиндр диаметром около 14 м и высотой 8 м.

Как в РБМК меняют топливо без остановки реактора?

Разгрузочно-загрузочная машина герметично стыкуется с головкой канала, выравнивает давление, извлекает отработавшую сборку и ставит свежую. Каналы независимы, поэтому остальной реактор в это время продолжает работать.

Почему у РБМК был положительный паровой коэффициент реактивности?

Нейтроны в нём замедляет графит, а вода в каналах в основном их поглощает. Когда вода вскипает, поглощения становится меньше и реакция усиливается; после аварии 1986 года этот эффект уменьшили дополнительными поглотителями и более обогащённым топливом.

Где работали реакторы РБМК?

РБМК-1000 — на Ленинградской, Курской, Смоленской и Чернобыльской АЭС, РБМК-1500 — на Игналинской АЭС в Литве, всего 17 энергоблоков. Чернобыльская и Игналинская станции остановлены, первые блоки Ленинградской и Курской АЭС окончательно остановлены в 2018–2024 годах.

Что изменили в РБМК после аварии 1986 года?

Установили дополнительные поглотители, повысили обогащение топлива и минимально допустимый запас реактивности, изменили конструкцию стержней и ускорили их ввод, добавили быстродействующую аварийную защиту.