БН-600 (>U-600)

БН-600
Белоярская АЭС (на ней впервые в мире появился энергоблок промышленного масштаба на быстрых нейтронах)
Тип реактора	На быстрых нейтронах
Назначение реактора	Электроэнергетика
Технические параметры
Теплоноситель	Натрий
Топливо	высокообогащённый 235U, MOX
Тепловая мощность	1470 МВт
Электрическая мощность	600 МВт
Разработка
Научная часть	ФГУП ГНЦ РФ ФЭИ
Предприятие-разработчик	ОАО СПбАЭП
Конструктор	ОКБМ им. Африкантова
Строительство и эксплуатация
Пуск	Апрель 1980
Эксплуатация	С 1980
Построено реакторов	1

БН-600 — энергетический реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, пущенный в эксплуатацию в апреле 1980 года в 3-м энергоблоке на Белоярской АЭС в Свердловской области близ города Заречный. Электрическая мощность — 600 МВт. С момента остановки реактора «Феникс» во Франции в 2009 году и до запуска также на Белоярской АЭС реактора БН-800 10 декабря 2015 года, БН-600 был единственным в мире действующим энергетическим реактором на быстрых нейтронах.

Строительство энергоблока (2-й очереди Белоярской АЭС) началось в 1968 году. В конце декабря 1979 года в реактор БН-600 поместили пусковой источник нейтронов и начали загружать сборки с ядерным топливом. 26 февраля 1980 года в 18 час. 26 мин. была набрана необходимая критическая масса топлива, и в реакторе БН-600 впервые в его «жизни» началась цепная ядерная реакция — состоялся физический пуск реактора. Следующим этапом стал энергетический пуск — 8 апреля 1980 года энергоблок с реактором БН-600 выдал первые киловатт-часы в Свердловскую энергосистему.

В 2015 году на реакторе проводятся испытания уран-плутониевого топлива.

Особенности реакторов на быстрых нейтронах

Главное преимущество ядерных реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что они открывают возможность использования не делящихся в реакторах на тепловых нейтронах изотопов тяжёлых элементов. В топливный цикл могут быть вовлечены запасы ²³⁸U и ²³²Th, которых в природе значительно больше, чем ²³⁵U — основного топлива для реакторов на тепловых нейтронах. В том числе может быть использован и так называемый «обеднённый уран», оставшийся после обогащения ядерного топлива ²³⁵U.

Реакторы на быстрых нейтронах дают реальную возможность расширенного воспроизводства ядерного топлива. Это значит, что, например, на 100 разделившихся ядер топлива в реакторах на быстрых нейтронах образуется примерно 120—140 новых ядер, способных к делению.

Активные зоны (АЗ) реакторов на быстрых нейтронах (БН) весьма существенно отличаются от активных зон реакторов на тепловых нейтронах.

Экономически необходимая средняя глубина выгорания уран-плутониевого топлива в БН должна составлять 100—150 МВт·сут/кг, т. е. она должна быть в 2,5—3 раза выше, чем в реакторах на тепловых нейтронах, что обусловлено высокой стоимостью топлива БН. Для достижения указанной глубины выгорания требуется высокая радиационная стойкость тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) и тепловыделяющей сборки (ТВС) БН, необходимая стабильность геометрических параметров, сохранение герметичности и пластичности оболочек ТВЭЛ, их совместимость с продуктами деления и устойчивость к коррозионному воздействию теплоносителя и т. п. Активная зона БН окружена в радиальном и осевом направлениях зонами воспроизводства (экранами), заполненными воспроизводящим материалом — обеднённым ураном, содержащим 99,7—99,8 % ²³⁸U.

Главная же особенность использования уран-плутониевого топлива в БН состоит в том, что в его активной зоне процесс деления ядер быстрыми нейтронами сопровождается бо́льшим выходом (на 20—27 %) вторичных нейтронов, чем в реакторах на тепловых нейтронах. Это создает основную предпосылку для получения высокого значения коэффициента воспроизводства и обеспечивает расширенное воспроизводство ядерного топлива в реакторах-размножителях.

Использование натрия в качестве теплоносителя требует решения следующих задач:

• чистота натрия, используемого в БН. Необходимо достичь 99,95 %, то есть не более 5⋅10⁻⁴ примесей. Большие проблемы вызывают примеси кислорода из-за участия кислорода в массопереносе железа и коррозии компонентов;
• натрий является очень активным химическим элементом. Он горит в воздухе и других окисляющих агентах. Горящий натрий образует дым, который может вызвать повреждение оборудования и приборов. Проблема усложняется в случае, если дым натрия радиоактивен. Горячий натрий в контакте с бетоном может реагировать с компонентами бетона и выделять водород, который в свою очередь взрывоопасен. Для устранения опасности натрий и продукты его сгорания следует тщательно контролировать;
• возможность реакций натрия с водой и органическими материалами. Особенно это важно для конструкции парогенератора, так как утечка из водяного контура в натриевый приводит к быстрому росту давления.

Стабильность быстрых реакторов зависит от параметров, перечисленных ниже:

• Пустотного натриевого коэффициента.
  • Изменение в реактивности происходит при изменении плотности натриевого теплоносителя (или полного оголения АЗ). Натриевый пустотный коэффициент может быть положительным или отрицательным, зависит от размеров АЗ, геометрии и состава материалов;
• Механических расширений ТВЭЛ.
  • При увеличении уровня мощности реактора происходит тепловое расширение топливных сборок. Это эффективно увеличивает размеры АЗ, тем самым уменьшается её реактивность;
• Радиоактивности первого контура.
  • Радиоактивные изотопы ²⁴Na, ²²Na являются продуктами активации, возникающими вследствие нейтронного облучения натрия первого контура. Периоды полураспада ²⁴Na и ²²Na составляют соответственно 15 ч и 2,6 года. Как результат, радиоактивность натрия первого контура остается высокой в течение значительного времени после остановки реактора. Касаясь только ²⁴Na, отметим, что требуется более четырёх суток после остановки реактора, прежде чем персонал сможет находиться вблизи больших количеств натриевого теплоносителя.

Переход к серийному сооружению АЭС с БН осложнён многими не отработанными в промышленном масштабе технологическими процессами и нерешёнными вопросами оптимальной организации их ядерного топливного цикла (ЯТЦ), который должен базироваться на плутонии и может быть только замкнутым с очень коротким (до 1 года) временем внешнего цикла (химическая переработка отработавшего топлива и дистанционно управляемое изготовление свежего топлива).

Удельные капиталовложения в АЭС с БН в настоящее время значительно (1,5—2 раза) превышают удельные капиталовложения в АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. Сдерживающее влияние на развитие БН оказывает также пока благополучное положение в мире с ресурсами относительно дешевого урана.

Конструкция энергоблока БН-600

Общие характеристики

Большая часть оборудования энергоблока №3 Белоярской АЭС находится в отдельном здании длиной 156 м и шириной 117 м. Здание разделено на:

• реакторное отделение;
• отделение вспомогательных устройств;
• парогенераторно-деаэраторное отделение;
• машинное отделение (здесь размещены турбогенераторы);
• отделение вентиляционных устройств.

Реакторное отделение выполнено из монолитного железобетона, остальные -- из сборного железобетона.

Реактор

Макет реактора БН-600 Белоярской АЭС с вырезанными секторами для удобства обзора

Компоновка реакторной установки интегральная (бакового типа): активная зона, насосы, промежуточные теплообменники и биологическая защита размещены в корпусе реактора. Такая компоновка для крупной АЭС была применена в СССР впервые. Теплоноситель первого контура движется внутри корпуса реактора по трем параллельным петлям, каждая из которых включает два теплообменника и циркуляционный центробежный насос погружного типа с двухсторонним всасыванием. Насосы снабжены обратными клапанами. Циркуляция натрия в каждой петле промежуточного контура осуществляется центробежным насосом погружного типа с односторонним всасыванием.

Активная зона и зона воспроизводства смонтированы в цилиндрической напорной камере, где расход теплоносителя распределяется по топливным сборкам соответственно их тепловыделению. Паспортный расход натриевого теплоносителя через напорную камеру составляет 25 000 тонн в час), объём натрия в первом контуре 820 м³, температура на входе в напорную камеру 380 °C, на выходе 550 °C. Расход натрия через второй контур 7300 тонн в час, объём во втором контуре 960 м³, температура на входе в теплообменник 320 °C, на выходе 520 °C.

Активная зона по торцам и периметру окружена экранами — зоной воспроизводства. По торцам она образована обеднённым ураном в верхней и нижней частях твэлов активной зоны. По периметру напорной камеры зона воспроизводства состоит из 380 тепловыделяющих сборок (ТВС). Каждая ТВС в зоне воспроизводства (ТВС ЗВ) содержит 37 твэлов (тепловыделяющих элементов) — циркониевых трубок с наружным диаметром 14,2 мм, заполненных блочками и втулками из диоксида обеднённого урана. При этом зона воспроизводства делится на внутреннюю (полностью окружает активную зону по периметру слоем в 2...3 ТВС ЗВ) и внешнюю (слой по периметру от 0 до 3 ТВС ЗВ).

Активная зона имеет диаметр 2,06 м и высоту 0,75 м, она значительно меньше, чем у сравнимых по мощности реакторов на тепловых нейтронах. Тепловая мощность, выделяемая в активной зоне и зоне воспроизводства, в рабочем режиме составляет 1470 МВт, поток нейтронов в активной зоне достигает 1·10¹⁶ см⁻²·с⁻¹. Активная зона и соосная с ней колонна управляющих стержней смещены относительно оси напорной камеры (и корпуса реактора) к одному из краёв, в результате чего внешняя зона воспроизводства не полностью охватывает внутреннюю ЗВ, которая у одного из краёв соприкасается со стенкой напорной камеры; у противоположной стенки напорной камеры остаётся место для хранилища ТВС, охватывающего полукругом зону воспроизводства. В хранилище помещаются отработанные ТВС до перемещения в бассейн выдержки.

Количество тепловыделяющих сборок в активной зоне равно 371, полная масса уранового топлива в них 8,5 тонны. Каждая ТВС активной зоны содержит 127 твэлов с внешним диаметром 6,9 мм, заполненных втулками из диоксида обогащённого урана (или из смеси диоксида урана и диоксида плутония — МОКС-топлива). Обогащение урана в твэлах активной зоны различно: 21 % урана-235 в зоне малого обогащения (в центре активной зоны, 208 ТВС) и 33 % в зоне большого обогащения (по краям активной зоны, 163 ТВС, слоем толщиной в 2…3 сборки) для выравнивания тепловыделения и выгорания по объёму активной зоны. В верхней и нижней частях твэлов активной зоны находятся блочки обеднённого урана, образуя торцы зоны воспроизводства.

Реактор управляется 27 стержнями СУЗ (системы управления и защиты), которая включает в себя 6 стержней автоматического регулирования, 2 стержня аварийной защиты и 19 компенсирующих стержней.

Все ТВС (и активной зоны, и зоны воспроизводства), как и каналы стержней управления, имеют шестигранное сечение «под ключ» 96 мм. Нижняя часть ТВС (хвостовик) входит в гнездо напорного коллектора. С помощью дроссельных устройств в хвостовике и напорном коллекторе регулируется расход натрия через ТВС. Полости над уровнем натрия в напорной камере заполнены аргоном.

Корпус реактора представляет собой бак цилиндрической формы с эллиптическим днищем и конической верхней частью. Диаметр корпуса 12,8 м, высота 12,6 м. Материал — жаропрочная нержавеющая сталь марки 12Х18Н9. Общая масса реактора с натриевым теплоносителем 4400 тонн. Корпус через опорное кольцо установлен на катковые опоры фундамента. Внутри корпуса помещена металлоконструкция коробчатого типа — опорный пояс, на котором укреплена напорная камера с активной зоной, зоной воспроизводства и хранилищем ТВС, а также внутрикорпусная биологическая защита.

Три насоса первого контура и шесть промежуточных теплообменников смонтированы в цилиндрических стаканах, установленных на опорном поясе. В верхней части корпус имеет соответственно шесть отверстий для установки теплообменников и три отверстия — для насосов. Компенсация разности температурных перемещений между стаканами теплообменников и насосов, а также между корпусом и страховочным кожухом обеспечивается сильфонными компенсаторами. Стенки бака имеют принудительное охлаждение «холодным» натрием из напорной камеры. Биологическая защита состоит из цилиндрических стальных экранов, стальных болванок и труб с графитовым заполнителем. Бак реактора заключён в страховочный кожух. Верхняя часть корпуса служит опорой для поворотной пробки и поворотной колонны, обеспечивающих наведение механизма перегрузки на топливную сборку. Одновременно поворотная пробка и поворотная колонна служит биологической защитой.

Натрий первого контура движется сквозь активную зону снизу вверх, а в теплообменнике «натрий-натрий» сверху вниз по межтрубному пространству. Натрий второго контура проходит по трубам теплообменника «натрий-натрий» противотоком, снизу вверх. Во втором контуре поддерживается более высокое давление (8,5 атм), чем в первом, что препятствует утечкам радиоактивного натрия из первого контура во второй.

Топливные сборки загружают и выгружают комплексом механизмов, куда входят: два механизма перегрузки, установленные на поворотной колонне; два элеватора (загрузки и выгрузки); механизм передачи поворотного типа, размещенный в герметичном боксе.

Реактор расположен в бетонной шахте диаметром 15 м.

Парогенератор

Парогенератор на БН-600 необычный: он состоит из 24 секций (по 8 на каждую петлю). Каждая секция включает в себя 3 вертикальных модуля-теплообменника. Итого на весь энергоблок – 72 модуля. Данное решение выбрано в силу уникальности энергоблока. Конструкторы не знали, насколько долговечно будет работать парогенератор, в котором раскалённый натрий превращает воду в пар. Поэтому предусмотрели возможность отключить для ремонта несколько модулей или даже секций, не снижая при этом мощность энергоблока. Опыт эксплуатации показал, что эта предосторожность была излишней. В следующем поколении (БН-800) реактора каждой петле соответствует один парогенератор.

Турбогенераторы

Паротурбинная часть выполнена из трёх серийных турбин обычной теплоэнергетики мощностью по 200 МВт каждая. Турбины К-200-130 с промежуточным перегревом пара созданы на ПО турбостроения «Ленинградский металлический завод». Начальные параметры пара 13,2 МПа и 500 °C, номинальный расход пара через турбину 640 тонн в час. Частота вращения турбогенератора 3000 оборотов в минуту.

Трёхфазные генераторы переменного тока ТГВ-200М созданы на харьковском заводе «Электротяжмаш». Возбуждение тиристорное, обмотки ротора охлаждаются водородом, статора — водой. Номинальная выходная мощность 200 МВт, напряжение 15,75 кВ. Выдача мощности в электросеть 220 кВ осуществляется через три блочных повышающих трансформатора и открытое распределительное устройство (ОРУ).

Коэффициент полезного действия энергоблока (отношение электрической мощности к тепловой) равен 41 %, он выше, чем у типичных энергоблоков на тепловых нейтронах (ок. 33 %).

Продление ресурса

8 апреля 2010 года исполнилось 30 лет работы энергоблока БН-600. Действующий энергоблок Белоярской атомной станции БН-600 был остановлен 28 марта 2010 года. Как сообщает пресс-служба атомной электростанции – это плановое мероприятие, необходимое для проведения перегрузки топлива, инспекции и модернизации оборудования.

За 2,5 месяца на энергоблоке БН-600 были выполнены плановые регламентные работы по техобслуживанию и ремонту оборудования и большой комплекс мероприятий по программе продления расчётного срока эксплуатации. В помощь специалистам Белоярской АЭС прибыли свыше 400 ремонтников из подрядных организаций.

В апреле-июне 2010 года на энергоблоке БН-600 были проведены: замена модулей парогенераторов и пароводяной арматуры, ремонт одного из главных циркуляционных насосов и паровой турбины, повышение сейсмостойкости энергетического оборудования, модернизация ряда технологических систем. БАЭС в апреле 2010 года получила лицензию на продление срока эксплуатации БН-600 до 31 марта 2020 года. 11 июня 2010 г. энергоблок БН-600 Белоярской АЭС возобновил выработку электроэнергии по завершении плановой перегрузки топлива, инспекции и модернизации оборудования.

В июне 2020 в Госкорпорацию Росатом поступила на экспертизу проектная документация на продление срока эксплуатации до 2040 года. В рамках реализации плана по продлению срока эксплуатации в 2022 году были начаты масштабные работы. За 2022-й год проведены:

• замена восьми испарителей;
• замена промперегревателя парогенератора 5-й петли;
• капитальный ремонт 6-й турбины и генератора;
• модернизация комплекса схемы выдачи мощности 4-го турбогенератора;
• работы по релайнингу напорных циркводоводов;
• в значительном объёме эксплуатационный контроль металла.

Литература

• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — М.: Атомиздат, 1979. — С. 288.
• Багдасаров Ю. Е., Сараев О. М., Ошканов Н. Н. Реактор БН-600: Энергоблок № 3 Белоярской атомной станции. — Обнинск: ФЭИ, 1992. — 40 с.