Технологии
«Ловушка» для кориума

Борьба тенденций

В мире проблема локализации при плавлении активной зоны стала особенно актуальной после аварии на американской АЭС «Три-Майл-Айленд». В СССР же к проблеме создания «ловушки расплава» вплотную подошли в 1980-х годах, когда было принято решение о проектировании АЭС средней мощности с реактором ВВЭР-640. Проект реакторной установки готовился в ОКБ «Гидропресс». «В рамках этого проекта была поставлена задача по разработке специальной системы для локализации расплава активной зоны, к решению которой привлекли меня и моего коллегу Геннадия Ефимовича Носенко», — вспоминает А. Сидоров, который впоследствии защитил диссертацию на эту тему.
 
По его словам, изначально рассматривались два возможных варианта удержания расплава: внутри корпуса реактора и вне его. При внутрикорпусном варианте расплав предполагалось удерживать в охлаждаемом водой корпусе реактора. Однако расчетно-экспериментальные исследования показали, что даже при относительно небольших мощностях энергоблока невозможно полностью исключить разрушение корпуса высокотемпературным расплавом, рассказывает эксперт. «Тогда нам с Г. Носенко пришла идея создать проект «ловушки», которая, с одной стороны, позволила бы обеспечить удержание днища корпуса реактора от разрыва при пластическом деформировании в процессе гипотетической аварии, а с другой стороны — предотвратила бы паровой взрыв в случае локального проплавления корпуса реактора», — рассказывает А. Сидоров. В СССР к тому времени были проведены многочисленные эксперименты, на основе которых была разработана идеология «ловушки» как макропористого тела. Однако в 1990‑х годах работа над проектом ВВЭР-640 была остановлена, и технические разработки многих систем, в том числе проект «ловушки», не были завершены.
 
Работу над созданием принципиально новой пассивной системы управления запроектными авариями удалось продолжить только в конце 1990-х годов в ПКФ «Росэнергоатомпроект», куда из ОКБ «Гидропресс» перешел А. Сидоров. «В этот период был заключен договор о строительстве АЭС в Китае, поэтому возникла необходимость в разработке проекта «ловушки» для АЭС «Тяньвань». Встал вопрос о выборе концепции устройства, над которой в СССР тогда работали несколько организаций», — объясняет наш собеседник. К этому времени европейские ученые уже около 10 лет работали над проектом «ловушки» с растеканием. «Из всех вариантов концепции необходимо было выбрать оптимальный с точки зрения гарантированного расчетно-экспериментального обоснования проекта и изготовления оборудования в жестких временных ограничениях строительства АЭС «Тяньвань»», — говорит эксперт.
 
Под руководством заместителя министра по атомной энергии РФ Булата Нигматулина был проведен тендер с привлечением иностранных экспертов. После анализа предложенных концепций, в том числе и европейской, право на разработку технического проекта «ловушки» было предоставлено ПКФ «Росэнергоатомпроект». В тот период научное руководство проектом и всей расчетно-экспериментальной тематикой, связанной с тяжелыми авариями, осуществлял Владимир Асмолов, который тогда работал в НИЦ «Курчатовский институт», а управление интегрированием «ловушки» в проект АЭС «Тяньвань» и всем комплексом организационно-технических мероприятий, связанных с созданием системы управления запроектными авариями, — Иосиф Кухтевич (СПбАЭП, в настоящее время — «Атомпроект»).
 
«Европейцам так и не удалось доказать, что в случае тяжелой аварии кориум будет растекаться согласно предложенной концепции», — описывает А. Сидоров итоги проведенного тогда анализа зарубежных разработок. Европейский вариант «ловушки» с растеканием предполагал, что расплав в случае повреждения корпуса реактора распределится по огромной — по меркам контейнмента — площади в 100–150 квадратных метров. Тонкий слой расплава разработчики предлагали охлаждать сверху при помощи спринклерной системы, а снизу — с помощью ряда других систем отвода тепла. Это означает, что в случае существенно неравномерного распределения расплава нельзя исключить разрушения защитных барьеров и неконтролируемого выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду. Именно это произошло на АЭС «Фукусима-1».
 
Изучив зарубежные патенты и предлагаемые решения, эксперты остановились на тигельной концепции «ловушки», в разработке и обосновании которой ведущую роль сыграли Владимир Грановский (НИТИ, г. Сосновый Бор) и Валерий Стрижов (­ИБРАЭ РАН).
 
В охлаждаемом тигле предполагалось разместить жертвенные материалы, необходимые для физико-химического взаимодействия с расплавом, цель которого — получение заранее заданных свойств кориума, позволяющих обеспечить его надежную локализацию и длительное устойчивое охлаждение. По словам А. Сидорова, оставалось придумать, как сконструировать тигель, определить параметры размещаемого в нем жертвенного материала, а также обеспечить защиту оборудования в условиях высоких температур, воздействия теплового излучения, химической активности и аэрозолеобразования. В этом помогли опыт создания «ловушки» для проекта ВВЭР-640 и результаты расчетно-экспериментальных работ, выполненных в РФ под руководством В. Асмолова в 1990-х и 2000-х годах.
 

Парадоксальная идея

Идея состояла в том, чтобы разрушение внутренних элементов «ловушки» в процессе аварии улучшало ее функциональное состояние или, как минимум, не ухудшало его. Конструктивное воплощение этой идеи было осуществлено Андреем Недорезовым, а разработку и расчетно-экспериментальное обоснование специальных неметаллических материалов для реализации задуманного выполнил Юрий Удалов (СПбГТИ (ТУ)).
 
Одно из проблемных мест в «ловушке» — направляющая плита, по которой движется весь расплав, вытекающий из корпуса реактора, объясняет А. Сидоров. Направляющая плита защищает строительные конструкции, сопротивляется обрушению внутрикорпусных устройств реактора, воспринимает ударные и статические нагрузки со стороны днища корпуса реактора при его отрыве — и все эти воздействия она должна воспринимать на стадии вытекания расплава из корпуса реактора без охлаждения. Причем расплав своими металлическими и оксидными компонентами по-разному воздействует на направляющую плиту. Вот почему этот элемент, по словам эксперта, сконструирован таким образом, чтобы по мере увеличения площади его разрушения расплаву, вытекающему из днища корпуса реактора, становилось бы проще перемещаться в корпус «ловушки». В случае возможного сквозного секторного проплавления в 60° направляющая плита позволяет существенно уменьшить время термического воздействия со стороны расплава, сохраняя прочность и функциональные свойства. Это, по-видимому, единственное в мире оборудование, которое сохраняет свои функциональные свойства в полном объеме при заданном секторном разрушении, говорит собеседник журнала. По такому же принципу разработана ферма-консоль. Ее конструктивное исполнение также обеспечивает запас прочности в случае секторного разрушения в 60°.
 
Еще одна серьезная задача — защита керамических элементов наполнителя, выполненных из оксидов железа и алюминия, от всплытия в высокотемпературном расплаве. Для этой цели керамические элементы скрепляются специальным цементом, обеспечивающим их спекание между собой при ослаблении и расплавлении металлического каркаса. Этот каркас, в свою очередь, формирует из керамических элементов макропористое тело наполнителя.
 
Таким образом, на начальной стадии разрушения стальных конструкций, формирующих макропористое тело наполнителя, его керамическая составляющая остается в заданной проектом конфигурации и формоизменяется только под действием поверхностных физико-химических реакций с расплавом активной зоны. Причем в этих процессах сохраняется практически неизменная площадь взаимодействия с расплавом в наиболее ответственный период формирования нового, заранее заданного проектом состава кориума.
Все элементы конструкции «ловушки» взаимосвязаны, они обеспечивают защиту строительных конструкций и окружающего пространства от высокотемпературного воздействия, ударных нагрузок, паровых взрывов, неконденсируемых газов, аэрозолей и других проявлений гипотетической аварии. В «ловушке» заложено очень много технических нюансов, новинок и решений, которые позволяют учесть достаточно большое количество процессов.
 
Охлаждаемая водой «ловушка» может удерживать кориум не менее 10 лет. Опыт аварии на американской станции «Три-Майл-Айленд» показывает, что за это время радиоактивность расплава снизится до уровня, позволяющего начать работы по частичной утилизации.
 
 

Справка

Устройство локализации расплава активной зоны («ловушка») — элемент системы управления запроектными авариями АЭС. «Ловушка» монтируется под корпусом реактора. При запроектной аварии с расплавлением активной зоны топливо и другие материалы реактора, накапливаясь на днище корпуса реактора, проплавляют его и перемещаются в корпус «ловушки», в котором происходят охлаждение расплава и его длительная локализация. «Ловушка» относится к крупногабаритному оборудованию, состоит из нескольких поставочных узлов, ее вес — от 680 до 770 тонн в зависимости от модификации и сопоставим с весом реактора при нормальной эксплуатации.


 

Вне конкуренции

Российская «ловушка» пока остается единственным в мире подобным оборудованием, установленным на действующих АЭС, отмечает А. Сидоров. Первые модификации российской «ловушки» были разработаны для АЭС «Тяньвань» в Китае и АЭС «Куданкулам» в Индии. Первый и второй блоки АЭС «Тяньвань» успешно эксплуатируются, третий и четвертый — строятся. Первый блок АЭС «Куданкулам» передан в гарантийную эксплуатацию. Пуск второго энергоблока станции ожидается в ­нынешнем году. Начиная с 2015 года также будут вводиться в строй энергоблоки на Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2, оснащенные «ловушками» второго поколения. Новые российские проекты АЭС с ВВЭР имеют в своем составе «ловушки» третьего поколения, адаптированные под соответствующие условия площадок и требования безопасности, рассказывает эксперт.
 
По его данным, французские атомщики доработали свою «ловушку» с растеканием расплава. В настоящее время это техническое решение применено на третьем блоке АЭС «Олкилуото» в Финляндии и на строящемся блоке АЭС «Фламанвилль» во Франции. «Коллеги из США пошли по пути локализации расплава в охлаждаемом корпусе реактора — этот принцип заложен в проекте АР1000, который реализуется на двух строящихся АЭС в США, — добавляет наш собеседник. — В несколько измененном виде этот проект реализуется на строящихся АЭС в КНР».
 
«По капитальным вложениям, материалоемкости, трудоемкости изготовления и затратам на эксплуатационные расходы наша разработка значительно проще и дешевле «ловушки» с растеканием расплава и гораздо безопаснее локализации расплава в корпусе реактора, — убежден А. Сидоров. — Оба конкурирующих варианта имеют слабые стороны, отсутствующие в российской «ловушке»; кроме того, они далеки от совершенства в плане обеспечения собственной безопасности при тяжелых запроектных авариях, чего нельзя сказать о нашей разработке».
 

Будущее «ловушки»

Работа по совершенствованию технических и технологических параметров «ловушки» продолжается. Недавно «Атомэнергопроект» представил турецким специалистам усовершенствованное устройство локализации расплава для АЭС «Аккую» и АЭС «Бушер-2», где компания выступает генеральным проектировщиком. Это модернизированный вариант «ловушки», установленной на Нововоронежской АЭС-2, которая является референтной для турецкой станции, уточняет А. Сидоров.
«Модернизированная «ловушка» сохраняет преемственность и не отличается от «предшественников» по физическим процессам и химическим реакциям, но при этом обладает повышенной сейсмостойкостью, гидродинамической и ударной прочностью, защитой от затопления, упрощенной технологией монтажа и рядом других преимуществ, в числе которых — уменьшенная материалоемкость. И это еще не вершина эволюции устройства», — рассказывает эксперт. По его оценке, если в последующих проектах АЭС будет принято решение об оптимизации объема контейнмента, то может быть выполнена и дальнейшая модернизация «ловушки» с уменьшением ее массово-габаритных характеристик. «Резервы для этого есть, и мы понимаем, как это сделать», — заключает он.
 
 

Биография

Александр Стальевич Сидоров родился в 1955 году. В 1982 году окончил Обнинский филиал Московского инженерно-физического института (сейчас — ИАТЭ НИЯУ МИФИ). В 1981 году начал работу в ОКБ «Гидропресс», где прошел путь от техника до начальника группы. В 1997 году перешел на работу в ПКФ «Росэнергоатомпроект», где занимал посты главного инженера проекта и начальника отдела. С 2007 по 2009 год — начальник отдела в СПбАЭП. С 2009 года работает в АО «Атомэнергопроект» в должности начальника отдела схемно-режимного бюро комплексного проектирования. Кандидат технических наук (тема диссертации — «Локализация и охлаждение кориума в запроектной аварии водо-водяного энергетического реактора при разрушении активной зоны»). Соавтор патента «Система локализации и охлаждения кориума аварийного ядерного реактора водо-водяного типа» и ряда других, автор нескольких научных работ.
 
Елена ЛАЗАРЕНКО

 

01.04.2015

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Справка

"Ловушка расплава"

Устройство локализации расплава активной зоны («ловушка») — элемент системы управления запроектными авариями АЭС. «Ловушка» монтируется под корпусом реактора. При запроектной аварии с расплавлением активной зоны топливо и другие материалы реактора, накапливаясь на днище корпуса реактора, проплавляют его и перемещаются в корпус «ловушки», в котором происходят охлаждение расплава и его длительная локализация. «Ловушка» относится к крупногабаритному оборудованию, состоит из нескольких поставочных узлов, ее вес — от 680 до 770 тонн в зависимости от модификации и сопоставим с весом реактора при нормальной эксплуатации.

Аналитика