Марина ХАЛИЗЕВА, журналист

Авария на АЭС "Фукусима", произошедшая в 2011 г. в Японии в результате сильнейшего землетрясения и последовавшего за ним цунами, подстегнула развитие систем безопасности атомных станций. Несомненный интерес в этом смысле представляет опыт российских специалистов. Спустя несколько лет после катастрофы на Чернобыльской АЭС (Украинская ССР, 1986 г.) наши проектировщики и конструкторы предложили оригинальное изобретение - так называемую ловушку расплава или устройство локализации и охлаждения топливных масс при тяжелых авариях с плавлением активной зоны. Установленное на ряде современных атомных блоков, в том числе зарубежных, оно уже получило признание во всем мире как гарантия безопасности станции. В критических ситуациях оно способно удерживать ядерное топливо, причем неограниченное время, не давая продуктам радиоактивного распада выходить за пределы конструкции, надежно защищая тем самым население и окружающую среду от губительной радиации. Разработчиками важнейшего элемента АЭС стали научные организации государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" и их партнеры из академических институтов.

До событий на Чернобыльской АЭС атомную энергетику считали одним из основных источников энергообеспечения. Именно в 1980 - 1985 гг. она достигла наивысшего расцвета: суммарная мощность действовавших тогда в мире станций составляла 117 МВт. И планы последующего развития сулили дальнейшее увеличение этого показателя. Однако самая грандиозная техногенная катастрофа в небольшом украинском городке-спутнике Припять перечеркнула их - после 1986 г. наращивание энергогенерирующих мощностей прекратилось, а на рубеже 1990-х годов число закрываемых реакторов стало больше, чем вводимых в строй. Швеция, Италия и Австрия приняли в результате национальных референдумов решение об отказе от атомной энергетики, а Германия начала последовательно снимать с эксплуатации энергоблоки, построенные по советским проектам. Наша же страна искала решение волнующих проблем в разработке новых модернизированных проектов реакторных установок с применением усовершенствованного оборудования и внедрением дополнительных "пассивных", т.е. не требующих вмешательства оператора и электропитания, систем безопасности, способных в сочетании с традиционными значительно повышать защищенность ядерных объектов. Ловушка расплава - уникальная разработка российских ученых - относится к последним рубежам "обороны" в случае серьезной радиационной аварии.

Внешне она похожа на большую стальную "скороварку" весом 800 т, заполненную кассетами с так называемым жертвенным материалом (гранулами оксидов алюминия и железа), устанавливаемую на дне шахты атомного реактора. В случае неконтролируемого развития событий на атомной станции сплав ядерного топлива и конструкционных материалов активной зоны (кориум) "стечет" в это устройство и среагирует химически и физически с жертвенным веществом, препятствуя выходу радиоактивных масс наружу.

Отметим, работа над созданием такой защиты началась в 1994 г., когда специалисты Российского научного центра "Курчатовский институт" во главе с руководителем проекта доктором технических наук Владимиром Асмоловым в кооперации с московским Институтом безопасного развития атомной энергетики РАН, Научно-производственными объединениями "Луч" (г. Подольск Московской области), "Электротерм" и "ТермИ КС" (Москва) организовали при участии зарубежных партнеров

Принципиальная схема устройства локализации расплава:

1 - корпус реактора;

2 - шахта бетонная;

3 - плита нижняя;

4 - теплообменник;

5 - корзина;

6 - наполнитель.

крупномасштабные высокотемпературные эксперименты по взаимодействию кориума с днищем корпуса водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР). Основная задача состояла в том, чтобы построить математическую модель и коды для описания поведения расплава активной зоны в случае тяжелых аварий и дать рекомендации для их локализации в пределах АЭС. С этой целью в институте был создан комплекс мало-, средне- и крупномасштабных установок "Тигель", "Корпус", "Расплав-Salt" и "Расплав-А\У-200" с рабочей температурой до 2700°С, где шли опыты с использованием натурных прототипных материалов активной зоны - оксидов урана, циркония с металлическими составляющими, а также фторидов металлов, позволяющих моделировать теплогидравлические процессы в условиях, наиболее приближенных к реакторным. В результате была доказана возможность сохранения целостности корпуса реактора типа ВВЭР мощностью менее 1000 МВт (эл.) путем его охлаждения водой снаружи, а для установок большей мощности (ВВЭР-1000, 1500) обоснована необходимость создания специальных ловушек - устройств локализации расплава с "начинкой" из легких оксидов металлов (Al₂0₃-Fe₂0₃).

Первой такое оборудование должна была получить Тяньваньская АЭС в Китае, контракт на сооружение которой с помощью российских специалистов "Атомстройэкспорт" - ведущая инжиниринговая компания госкорпорации "Росатом" по строительству объектов ядерной энергетики за рубежом - подписал в 1997 г. В ходе проектных работ, выполнявшихся Санкт-Петербургским институтом "Атом-энергопроект", китайцы выдвинули жесткие требования по безопасности: при потере охлаждения реактора расплав не должен выходить за пределы энергоблока. Тут-то и пригодились рекомендации курчатовцев применить для этих целей ловушку.

Напомним, впервые подобные устройства начали внедрять для реакторов EPR европейцы. Французская компания "Framatome", работающая в тесном контакте с германской "Siemens", предлагала концепцию "внешней" локализации топливных масс. Кориум после проплавления корпуса реактора попадал сначала в так называемую "предловушку", накапливался там и только после приобретения определенной кондиции пробивал "пробку" и растекался в помещении размером примерно 170 м², где затем охлаждался и кристаллизовался. Такой способ имел ряд недостатков, в частности, необходимость большой дополнительной территории внутри контейнмента (защитной оболочки). А компоновка распространенных у нас водо-водяных ядерных реакторов не позволяла делать это. Увеличивать же размер самого дорогого объекта АЭС наши специалисты считали непозволительной роскошью. И тогда "Атомэнергопроект" предложил Научно-исследовательскому технологическому институту им. А. П. Александрова (г. Сосновый Бор Ленинградской области) разработать в кооперации

с Проектно-конструкторским филиалом концерна "Росэнергоатом", Институтом химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН (Санкт-Петербург), Всероссийским НИИ химической технологии, Институтом безопасного развития атомной энергетики РАН и Курчатовским институтом (Москва) свой оригинальный проект защитного устройства.

Сосновоборцы попали в фокус внимания не случайно. С конца 1980-х годов здесь действовал Научно-промышленный центр атомной энергетики, занимавшийся разработкой ловушки с удержанием расплава в корпусе реактора ВВЭР-640 средней мощности (его предполагали установить в сосновоборском институте). Однако из-за недостатка финансирования заказ тогда заморозили, но полезные наработки остались. Они и послужили основой для оригинального изобретения россиян.

"Перед нами стояла непростая задача: на обосно-вание концепции ловушки отводилось примерно 3 года, - вспоминал в интервью сосновоборской газете "Маяк" доктор технических наук Владимир Хабенский. - А бюджет проекта был определен примерно в 1 200 тыс. дол., тогда как французы и немцы к моменту начала нашей работы потратили на свою разработку уже более 800 млн. евро. То есть наш бюджет был в 800 раз меньше. Тем не менее с задачей мы справились".

В основу отечественного проекта положена тигельная конструкция - "железный бак", по выражению Хабенского, высотой и диаметром 6 м со стенками толщиной 6 - 9 см, устанавливаемый прямо под нижнюю плиту реактора. В аварийной ситуации обломки корпуса удержатся на этой плите, а расплав через "воронку" в верхней части бака попадет в ловушку с наружным водяным охлаждением и подачей воды на поверхность ванны расплава. Находящийся внутри такой конструкции жертвенный материал должен выполнять несколько функций: гасить энергию кориума и снижать его температуру, достигающую 2,4 тыс. °С, предотвращать выброс водорода при окислении циркония, обеспечивать подкритичность расплава (невозможность возникновения цепной реакции). При этом он должен хорошо растворяться в кориуме для увеличения контакта массы со стенками охлаждаемого корпуса и уменьшения теплового потока на сооружение до безопасного уровня.

Над составом такой "начинки" работали ученые Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН под руководством директора академика Владимира Шевченко. В лаборатории члена-корреспондента РАН Виктора Гусарова удалось создать материал с запасом механической прочности на 60 лет. Образцы изготавливали на петербургском заводе "Магнетон", а промышленную технологию внедряли на Боровичском комбинате огнеупоров (город Боровичи Новгородской области). Сегодня его производственные линии способны выпускать до 200 т жертвенного материала (в виде темно-серых кирпичей). Кассеты с ним закладывают в ловушку в момент ее установки и не требуют замены в течение всего шестидесятилетнего срока эксплуатации АЭС.

В 1998 г. российская система "пассивной" безопасности прошла экспертизу в Международном агентстве по атомной энергии - МАГАТЭ (Вена, Австрия), а в 2001 г. была рекомендована для поставки в Китай. Через год ее уже установили на Тяньваньской АЭС. Она состояла из 12 модульных теплообменников, по форме напоминающих сапог. Разделение на модули, по признанию специалис-

тов, было единственным способом вписаться в график строительства станции, уже оговоренный с китайцами. Сегодня эффективные системы защиты смонтированы также на АЭС "Куданкулам" (Индия) и новых энергоблоках Ленинградской и Нововоронежской атомных станций.

Заметим, устройства локализации расплава для наших АЭС имеют ряд новаций. В отличие от китайской модульной ловушки их конструкция выполнена в виде цельного корпуса, внешне напоминающего реактор, что улучшает прочностные характеристики изделия. Есть различия и в системе защиты от перегрева. Теперь такое оборудование имеет двойной корпус: толщина первой стенки 60, второй - 30 мм. Пространство между ними заполнено теми же гранулами оксидов алюминия и железа. В случае локальных проплавлений внутренней стенки конструкции они взаимодействуют с топливной массой и создают дополнительный защитный барьер, предотвращающий разрушение наружной оболочки.

Подчеркнем, путь ловушки от завода-изготовителя до места назначения - технологически сложная операция. Цельный корпус весом 150 т, конечно, удобнее транспортировать по воде, баржей. Для его выгрузки разработана специальная схема: в подошедшее к берегу судно закладывают балласт, после чего оно садится на мель, затем у баржи срезают передний борт для заезда внутрь мощного автомобиля, забирающего ловушку. Иногда, чтобы довезти габаритный объект до места установки, необходимо усовершенствовать инфраструктуру: построить новые мосты, дороги. Так было, например, с доставкой в 2009 г. устройства локализации расплава для Ленинградской АЭС, где пришлось возвести новый пролет моста и проложить 3 км дороги.

Бытует мнение, что наши проекты слишком "наворочены" с точки зрения систем безопасности. Дескать, это неэкономично. Но авария на АЭС "Фукусима" показала: они-то и наиболее конкурентоспособны. На российские ловушки уже есть заказы из Беларуси, Бангладеша, Вьетнама, Индии и Турции. К слову, конструкторы постоянно оптимизируют свое изобретение. Так, в результате сокращения количества жертвенного материала удалось снизить цену изделия. Сейчас оно обходится покупателю в 250 - 300 млн. руб. - это менее 0,5 % в общей стоимости современного блока. Ее производство уже освоили 7 отечественных машиностроительных заводов, что позволит обеспечивать специальной защитой практически все проекты по строительству АЭС внутри страны, а также предлагать подобные системы зарубежным партнерам.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: