Критически важные
ТЕХНОЛОГИИ / #9_НОЯБРЬ–ДЕКАБРЬ_2024
Беседовал Максим ГРЕВЦЕВ / Фото: «Страна Росатом», ФЭИ
На фото: Критический стенд БФС-2
Быстрый физический стенд (БФС‑1) и Большой физический стенд (БФС‑2) вместе составляют комплекс БФС — уникальную научную установку, причем сразу по трем параметрам. Во-первых, по «рабочему стажу» — стенды «в строю» с 1961 и 1969 годов соответственно. Во-вторых, по размерам: БФС‑2 — самый крупный действующий критический стенд в мире. В-третьих, по эксклюзивности — Франция, Япония и США закрыли собственные аналоги БФС, теперь у российского комплекса нет конкурентов. Не так давно стенды прошли техническое перевооружение. О последних работах на них рассказывает начальник комплекса критических сборок БФС Физико-энергетического института им. А. И. Лейпунского Александр Жуков.
— Александр, хватает ли работы для БФС? Установка не простаивает?
— Более чем хватает — мы загружены работой. Все дело в особенностях критических стендов. Их мощность совсем не высока по сравнению с энергетическими установками (у БФС‑1 — 200 Вт, у БФС‑2 — 1 кВт), но ее более чем достаточно для того, чтобы проводить исследования и видеть характер активной зоны (АЗ). У каждой АЗ свой характер. И комплекс БФС — единственная в мире установка, на которой можно экспериментально собрать АЗ быстрых реакторов, изучить их и дать заключение о том, соответствуют ли полученные нейтронно-физические параметры АЗ реактора его расчетным характеристикам. Пока атомная отрасль будет развиваться, пока будут создаваться новые реакторы, виды топлива, материалы, критические стенды будут востребованы. В нашей стране атомная промышленность на подъеме, поэтому БФС отдыхать некогда.
— Более чем хватает — мы загружены работой. Все дело в особенностях критических стендов. Их мощность совсем не высока по сравнению с энергетическими установками (у БФС‑1 — 200 Вт, у БФС‑2 — 1 кВт), но ее более чем достаточно для того, чтобы проводить исследования и видеть характер активной зоны (АЗ). У каждой АЗ свой характер. И комплекс БФС — единственная в мире установка, на которой можно экспериментально собрать АЗ быстрых реакторов, изучить их и дать заключение о том, соответствуют ли полученные нейтронно-физические параметры АЗ реактора его расчетным характеристикам. Пока атомная отрасль будет развиваться, пока будут создаваться новые реакторы, виды топлива, материалы, критические стенды будут востребованы. В нашей стране атомная промышленность на подъеме, поэтому БФС отдыхать некогда.
— Перевооружение БФС‑2 завершилось в 2021 году. Какие исследования были проведены за эти три года?
— Первым объектом для изучения стала активная зона БН‑800. Сам реактор работает уже давно, необходимо было провести ряд экспериментов для важнейшего этапа его эксплуатации. До этого реактор был частично загружен МОКС-топливом; полный переход на смешанное оксидное топливо требовал дополнительного исследования.
БФС‑2 был готов к работе в сентябре 2021 года, и за оставшиеся месяцы года мы смогли собрать АЗ БН‑800. Провели эксперименты, позволившие пройти в Ростехнадзоре необходимые процедуры и получить разрешение на полный переход БН‑800 на МОКС-топливо. Это произошло в сентябре 2022 года. БН‑800 и проектировался для МОКС-топлива, так что теперь он работает так, как был задуман изначально.
— Первым объектом для изучения стала активная зона БН‑800. Сам реактор работает уже давно, необходимо было провести ряд экспериментов для важнейшего этапа его эксплуатации. До этого реактор был частично загружен МОКС-топливом; полный переход на смешанное оксидное топливо требовал дополнительного исследования.
БФС‑2 был готов к работе в сентябре 2021 года, и за оставшиеся месяцы года мы смогли собрать АЗ БН‑800. Провели эксперименты, позволившие пройти в Ростехнадзоре необходимые процедуры и получить разрешение на полный переход БН‑800 на МОКС-топливо. Это произошло в сентябре 2022 года. БН‑800 и проектировался для МОКС-топлива, так что теперь он работает так, как был задуман изначально.
Панель управления БФС-2
— Насколько трудоемок и сложен процесс сборки активной зоны реактора в БФС?
— Это ручной труд. Мы наполняем топливные стержни блочками из разных материалов так, чтобы итоговая композиция максимально походила на реакторное соотношение конструкционных материалов, теплоносителя и топлива. Длина стержня на БФС‑2 — 3,2 метра, она вмещает порядка 250 блочков. За смену удается собрать 50−60 стержней, а их в сборках от нескольких сотен до 10 тыс. (это максимум для БФС‑2). В 1970‑х годах была попытка автоматизировать этот процесс, но автоматика не имела чувствительности рук. Зазора между блочками и трубой практически нет. То есть перпендикулярность блочка в трубе должна быть близкой к идеальной. Машина этого не чувствует. При механическом заталкивании блочка повреждались защитные оболочки, а значит, теоретически ионизирующее излучение могло выйти наружу. Поэтому мы вернулись к ручному труду. Наверное, многие знают, что долгое время на Машиностроительном заводе в Электростали проверку кривизны изготовленных твэлов проводили вручную, причем в основном женщины. А у нас, наоборот, этим занимаются преимущественно мужчины.
— Это ручной труд. Мы наполняем топливные стержни блочками из разных материалов так, чтобы итоговая композиция максимально походила на реакторное соотношение конструкционных материалов, теплоносителя и топлива. Длина стержня на БФС‑2 — 3,2 метра, она вмещает порядка 250 блочков. За смену удается собрать 50−60 стержней, а их в сборках от нескольких сотен до 10 тыс. (это максимум для БФС‑2). В 1970‑х годах была попытка автоматизировать этот процесс, но автоматика не имела чувствительности рук. Зазора между блочками и трубой практически нет. То есть перпендикулярность блочка в трубе должна быть близкой к идеальной. Машина этого не чувствует. При механическом заталкивании блочка повреждались защитные оболочки, а значит, теоретически ионизирующее излучение могло выйти наружу. Поэтому мы вернулись к ручному труду. Наверное, многие знают, что долгое время на Машиностроительном заводе в Электростали проверку кривизны изготовленных твэлов проводили вручную, причем в основном женщины. А у нас, наоборот, этим занимаются преимущественно мужчины.
— Сейчас самый обсуждаемый в России быстрый реактор -БРЕСТ-ОД‑300. По нему тоже проводились исследования на БФС?
— Конечно, ведь комплекс БФС изначально создавался для быстрых реакторов. Была выполнена огромная работа по детальному обоснованию АЗ БРЕСТ-ОД‑300. Создавались различные компоновки активных зон с разной модификацией АЗ, разной геометрией, разными подзонами. Проводились эксперименты по свинцовому пустотному эффекту реактивности, когда моделируется истечение части теплоносителя: лопнула труба, свинец истекает и не поступает для охлаждения в активную зону, образуется пустота. Мы стремились понять, к чему это приведет, какой эффект реактивности вызовет пустота. Также рассматривался водородный эффект реактивности. Ставились эксперименты по определению спектральных индексов, скоростей реакций по АЗ, определению эффективности макетов органов системы управления и защиты (СУЗ) именно БРЕСТа (например, эффекты интерференции органов СУЗ). В апреле 2024 года на научно-техническом совете НИКИЭТа все наши работы были приняты.
— Конечно, ведь комплекс БФС изначально создавался для быстрых реакторов. Была выполнена огромная работа по детальному обоснованию АЗ БРЕСТ-ОД‑300. Создавались различные компоновки активных зон с разной модификацией АЗ, разной геометрией, разными подзонами. Проводились эксперименты по свинцовому пустотному эффекту реактивности, когда моделируется истечение части теплоносителя: лопнула труба, свинец истекает и не поступает для охлаждения в активную зону, образуется пустота. Мы стремились понять, к чему это приведет, какой эффект реактивности вызовет пустота. Также рассматривался водородный эффект реактивности. Ставились эксперименты по определению спектральных индексов, скоростей реакций по АЗ, определению эффективности макетов органов системы управления и защиты (СУЗ) именно БРЕСТа (например, эффекты интерференции органов СУЗ). В апреле 2024 года на научно-техническом совете НИКИЭТа все наши работы были приняты.
Стенд высокого давления (СВД-2). ФЭИ им. А. И. Лейпунского, Обнинск
— То есть исследования по проекту БРЕСТ-ОД‑300 завершены?
— На БФС‑1 программа исследований завершена. Теперь на БФС‑2 мы работаем с активной зоной БН‑1200М со смешанным нитридным топливом. По меркам быстрых реакторов его АЗ огромная, нигде, кроме как на БФС‑2, воспроизвести ее невозможно. Диаметр корзины БФС‑2 — 5 метров. Критическая сборка с моделью АЗ БН‑1200М самая крупная в истории. Мы уже завершили эксперимент по изучению натриевого пустотного эффекта. Летом прошел эксперимент по измерению эффективности макетов органов СУЗ БН‑1200М с помощью разных методик.
Сейчас на БФС‑2 заканчиваются экспериментальные работы по БН‑1200М с нитридным топливом. Дальше будем переходить на МОКС-топливо: блочки с нитридным топливом заменим на блочки с оксидным топливом. Для этого всю сборку придется разобрать и собрать заново. Это огромный труд: для сборки АЗ БН‑1200М нужны около 2 млн различных блочков.
— Сборка и разборка стержней происходят вручную — за время экспериментов блочки не успевают активизироваться?
— Такая проблема — большая редкость. Мощность стендов очень невелика; когда стенд находится на максимальной мощности, мы стараемся не затягивать эксперименты, чтобы не приходилось потом ждать «высвечивания». Очень редко мощность поддерживается 5−12 часов. За это время, конечно, мы сталкиваемся с повышенной активностью реакторных материалов — какая-никакая плотность нейтронного потока на критических стендах есть. В этих случаях приходится ждать несколько суток, чтобы продолжить работы с активной зоной. Повторюсь: к счастью, такие эксперименты — редкость.
— На БФС‑1 программа исследований завершена. Теперь на БФС‑2 мы работаем с активной зоной БН‑1200М со смешанным нитридным топливом. По меркам быстрых реакторов его АЗ огромная, нигде, кроме как на БФС‑2, воспроизвести ее невозможно. Диаметр корзины БФС‑2 — 5 метров. Критическая сборка с моделью АЗ БН‑1200М самая крупная в истории. Мы уже завершили эксперимент по изучению натриевого пустотного эффекта. Летом прошел эксперимент по измерению эффективности макетов органов СУЗ БН‑1200М с помощью разных методик.
Сейчас на БФС‑2 заканчиваются экспериментальные работы по БН‑1200М с нитридным топливом. Дальше будем переходить на МОКС-топливо: блочки с нитридным топливом заменим на блочки с оксидным топливом. Для этого всю сборку придется разобрать и собрать заново. Это огромный труд: для сборки АЗ БН‑1200М нужны около 2 млн различных блочков.
— Сборка и разборка стержней происходят вручную — за время экспериментов блочки не успевают активизироваться?
— Такая проблема — большая редкость. Мощность стендов очень невелика; когда стенд находится на максимальной мощности, мы стараемся не затягивать эксперименты, чтобы не приходилось потом ждать «высвечивания». Очень редко мощность поддерживается 5−12 часов. За это время, конечно, мы сталкиваемся с повышенной активностью реакторных материалов — какая-никакая плотность нейтронного потока на критических стендах есть. В этих случаях приходится ждать несколько суток, чтобы продолжить работы с активной зоной. Повторюсь: к счастью, такие эксперименты — редкость.
Модернизированный комплекс критических стендов (БФС). ФЭИ им. А. И. Лейпунского, Обнинск
— На БФС‑1 программа исследований была такой же насыщенной, как и на БФС‑2?
— Критический ядерный стенд БФС‑1 также не простаивал. За три года на нем выполнены масштабные экспериментальные исследования нейтронно-физических характеристик активной зоны многоцелевого быстрого исследовательского реактора (МБИР), который сейчас строится на площадке НИИАР в Димитровграде.
Также проведены экспериментальные исследования нейтронно-физических характеристик макетов органов регулирования на основе гидрида гафния в быстром спектре нейтронов. Этот поглощающий нейтроны материал рассматривается в качестве альтернативы карбиду бора, который сейчас используется в органах СУЗ.
— Можно ли на БФС после модернизации проводить эксперименты не только для АЗ быстрых реакторов?
— На самом деле и до техперевооружения наши критические стенды можно было использовать для проверки активных зон других типов реакторов. В начале 2000‑х годов на критстенде БФС‑1 выполнялась серия экспериментов с использованием твэлов с МОКС-топливом для реакторов типа ВВЭР. А сейчас мы готовим БФС‑1 к уникальному эксперименту в рамках проекта ВВЭР-С. Очень важно использовать нейтроны того же энергетического спектра, который будет в реальном реакторе, — только тогда мы получим нейтронно-физическую картину, описывающую ВВЭР-С. Будем проводить эксперименты с изменением положений вытеснителей, изучать различные эффекты и т. д. — исследовательская программа огромная. Но выводы пока делать рано.
В целом наши стенды — это сочетание науки и эксплуатации. Именно тут появляется научно-практическая база для регламентов и руководств будущих реакторных установок.
— Критический ядерный стенд БФС‑1 также не простаивал. За три года на нем выполнены масштабные экспериментальные исследования нейтронно-физических характеристик активной зоны многоцелевого быстрого исследовательского реактора (МБИР), который сейчас строится на площадке НИИАР в Димитровграде.
Также проведены экспериментальные исследования нейтронно-физических характеристик макетов органов регулирования на основе гидрида гафния в быстром спектре нейтронов. Этот поглощающий нейтроны материал рассматривается в качестве альтернативы карбиду бора, который сейчас используется в органах СУЗ.
— Можно ли на БФС после модернизации проводить эксперименты не только для АЗ быстрых реакторов?
— На самом деле и до техперевооружения наши критические стенды можно было использовать для проверки активных зон других типов реакторов. В начале 2000‑х годов на критстенде БФС‑1 выполнялась серия экспериментов с использованием твэлов с МОКС-топливом для реакторов типа ВВЭР. А сейчас мы готовим БФС‑1 к уникальному эксперименту в рамках проекта ВВЭР-С. Очень важно использовать нейтроны того же энергетического спектра, который будет в реальном реакторе, — только тогда мы получим нейтронно-физическую картину, описывающую ВВЭР-С. Будем проводить эксперименты с изменением положений вытеснителей, изучать различные эффекты и т. д. — исследовательская программа огромная. Но выводы пока делать рано.
В целом наши стенды — это сочетание науки и эксплуатации. Именно тут появляется научно-практическая база для регламентов и руководств будущих реакторных установок.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ