NPP Beloyarsk: fapte interesante și informații generale (foto). Balada neutronilor rapizi: reactorul unic al centralei nucleare de la Beloyarsk care operează cu adevărat centrale cu neutroni rapidi
Cea mai veche revistă americană de energie „POWER”, una dintre cele mai influente și autoritare publicații profesionale internaționale în acest domeniu, și-a acordat „Power Awards” pentru 2016 proiectului celei de-a patra unități de putere a NPP din Beloyarsk (filiala Rosenergoatom Concern, Regiunea Zarechny Sverdlovsk) cu un reactor unic cu neutroni rapidi BN-800, care va testa o serie de tehnologii necesare dezvoltării energiei nucleare. Acest lucru este raportat de agentie de stiri RIA Novosti.
Să vă reamintim că recent unul dintre cele mai grave evenimente a avut loc la CNE Beloyarsk. evenimente importante an în industria energiei nucleare din Rusia - unitatea electrică nr. 4 (BN-800) a fost pusă în funcțiune comercială la timp. Ordinul în acest sens a fost semnat la 31 octombrie 2016 de către directorul general al Rosenergoatom Concern, Andrey Petrov, pe baza permisiunii primite de la Corporația de Stat Rosatom.
După cum se menționează pe site-ul revistei, unitatea de putere cu reactorul BN-800 a câștigat la categoria „Cele mai bune plante”. Se deosebește de cealaltă categorie de premiu „Uzina anului” prin aceea că aceasta din urmă presupune că centrala nucleară va fi pusă în funcțiune comercială cu unul până la doi ani înainte de atribuire. La rândul său, în nominalizarea „Cele mai bune stații” cele mai promițătoare și proiecte inovatoare, care indică vectorul de dezvoltare al întregii industrii.
La stabilirea câștigătorului, s-a luat în considerare posibilitatea utilizării unei unități nucleare pentru a rezolva un set de probleme, în special, producția de energie și eliminarea deșeurilor radioactive. Juriul a remarcat, de asemenea, semnificația specială a reactorului BN-800 în implementarea abordării rusești privind închiderea ciclului combustibilului nuclear.
rusă proiecte nucleare Nu este prima dată când au primit recunoaștere în SUA. Prima unitate finalizată a centralei nucleare iraniene Bushehr și unitatea nr. 1 a centralei nucleare din Kudankulam din India au fost denumite anterior proiecte din 2014, conform unei alte reviste americane de autoritate Power Engineering. Aceste unități de putere operează reactoare rusești cu neutroni termici VVER-1000.
Mare realizare pentru Rusia
„Reactoarele cu neutroni rapidi sunt esențiale pentru realizarea planuri ambițioase Rusia în energia nucleară.
Construcția cu succes, includerea în rețea și testarea primului reactor BN-800 al țării la CNE Beloyarsk este o realizare majoră în direcția corectă.”
- notele revistei.
Unitatea nr. 4 a CNE Beloyarsk cu un reactor cu neutroni rapidi cu lichid de răcire metalic sodiu BN-800 (din „sodiu rapid”) cu o capacitate electrică instalată de 880 MW a fost pusă în funcțiune comercială marți. Este cel mai puternic reactor cu neutroni rapidi din lume.
Experții au numit acest eveniment istoric nu numai pentru Rusia, ci și pentru energia nucleară globală. Experții subliniază că experiența în proiectarea, construcția, pornirea și operarea reactoarelor de putere cu neutroni rapidi, pe care oamenii de știință nucleari ruși le vor dobândi pe BN-800, va fi necesară pentru dezvoltarea acestei zone de energie nucleară în Rusia.
. Rusia, după cum notează experții, se află pe primul loc în lume în ceea ce privește tehnologiile de construcție a reactoarelor „rapide”. Uniunea Sovietică a fost lider în construcția și operarea reactoarelor de putere „rapide” la scară industrială. Prima astfel de unitate din lume cu un reactor BN-350 cu o capacitate electrică instalată de 350 de megawați a fost lansată în 1973 pe coasta de est a Mării Caspice în orașul Shevchenko (acum Aktau, Kazahstan). O parte din puterea termică a reactorului a fost folosită pentru a genera energie electrică, restul a fost folosit pentru desalinizare
apa de mare
Istoria BN-800
În 1983, a fost luată decizia de a construi simultan patru unități nucleare cu reactorul BN-800 în URSS - o unitate la CNE Beloyarsk și trei unități la noua CNE Ural de Sud. Dar după Cernobîl, industria energetică nucleară sovietică a început să stagneze, iar construcția de noi reactoare, inclusiv cele „rapide”, s-a oprit. Și după prăbușirea URSS, situația s-a înrăutățit și mai mult, a existat o amenințare cu pierderea tehnologiilor interne de energie nucleară, inclusiv a tehnologiilor reactoarelor BN.
Încercările de reluare a construcției a cel puțin o unitate BN-800 au fost făcute de mai multe ori, dar la mijlocul anilor 2000 a devenit clar că numai capacitățile industriei nucleare ar putea să nu fie suficiente pentru acest lucru. Și aici rolul decisiv l-a jucat sprijinul conducerii țării, care a aprobat program nou dezvoltarea energiei nucleare în Rusia. A existat și un loc în el pentru BN-800 la a patra unitate a NPP Beloyarsk.
Nu a fost ușor să finalizezi blocul. Finalizarea proiectului ținând cont de îmbunătățiri, al căror scop a fost creșterea eficienței și siguranței acestuia, o reală mobilizare a științifice, de proiectare și organizații de proiectare industria nucleară. Sarcini dificile s-au confruntat și cu producătorii de echipamente, care au trebuit nu numai să restaureze tehnologiile utilizate pentru a crea echipamentele reactorului BN-600, ci și să stăpânească noile tehnologii.
Și totuși unitatea de putere a fost construită. În februarie 2014, a început încărcarea combustibilului nuclear în reactorul BN-800. Reactorul a fost lansat în iunie a aceluiași an. Apoi a trebuit modernizat proiectarea ansamblurilor de combustibil, iar la sfârșitul lunii iulie 2015 reactorul BN-800 a fost repornit, iar specialiștii au început să-i crească treptat puterea până la nivelul necesar pentru a începe generarea de energie electrică. Pe 10 decembrie 2015, unitatea a fost conectată la rețea și a furnizat primul curent la sistemul de alimentare rusesc.
Unitatea BN-800 ar trebui să devină un prototip al unităților de putere comerciale mai puternice BN-1200, decizia privind fezabilitatea construcției care va fi luată pe baza experienței de operare a BN-800.
Unitatea principală BN-1200 este, de asemenea, planificată să fie construită la CNE Beloyarsk.
Imaginați-vă un cazan care evaporă apa, iar aburul rezultat învârte un turbogenerator care generează electricitate. Ceva de genul acesta în schiță generală si aranjate centrala nucleara. Doar „cazanul” este energia dezintegrarii atomice. Proiectele reactoarelor de putere pot fi diferite, dar conform principiului de funcționare pot fi împărțite în două grupe - reactoare cu neutroni termici și reactoare cu neutroni rapidi.
Baza oricărui reactor este fisiunea nucleelor grele sub influența neutronilor. Adevărat, există diferențe semnificative. În reactoarele termice, uraniul-235 este fisionat de neutroni termici de energie scăzută, producând fragmente de fisiune și noi neutroni de înaltă energie (numiți neutroni rapizi). Probabilitatea ca un neutron termic să fie absorbit de un nucleu de uraniu-235 (cu fisiune ulterioară) este mult mai mare decât unul rapid, așa că neutronii trebuie să fie încetiniți. Acest lucru se realizează cu ajutorul moderatorilor — substanțe care, la ciocnirea cu nucleele, neutronii pierd energie. Combustibilul pentru reactoare termice este de obicei uraniu slab îmbogățit, grafitul, apa ușoară sau grea sunt folosite ca moderator, iar apa obișnuită este folosită ca lichid de răcire. Majoritatea centralelor nucleare care funcționează sunt construite conform uneia dintre aceste scheme.
Neutronii rapizi produși ca urmare a fisiunii nucleare forțate pot fi utilizați fără nicio moderație. Schema este următoarea: neutronii rapizi produși în timpul fisiunii nucleelor de uraniu-235 sau plutoniu-239 sunt absorbiți de uraniu-238 pentru a forma (după două descompuneri beta) plutoniu-239. Mai mult, pentru fiecare 100 de nuclee de uraniu-235 sau plutoniu-239 fisionate, se formează 120-140 de nuclee de plutoniu-239. Adevărat, întrucât probabilitatea fisiunii nucleare prin neutroni rapizi este mai mică decât cea termică, combustibilul trebuie să fie îmbogățit într-o măsură mai mare decât în cazul reactoarelor termice. În plus, este imposibil să eliminați căldura folosind apă aici (apa este un moderator), așa că trebuie să utilizați și alți lichide de răcire: de obicei acestea sunt metale lichide și aliaje, de la opțiuni foarte exotice precum mercurul (un astfel de lichid de răcire a fost folosit în primul reactor experimental american Clementina) sau aliaje plumb-bismut (folosite in unele reactoare pt submarine- în special, ambarcațiunile sovietice ale Proiectului 705) la sodiu lichid (cea mai comună opțiune în reactoarele industriale de putere). Reactoarele care funcționează conform acestei scheme se numesc reactoare cu neutroni rapizi. Ideea unui astfel de reactor a fost propusă în 1942 de Enrico Fermi. Desigur, armata a manifestat cel mai înfocat interes pentru această schemă: reactoarele rapide în timpul funcționării produc nu numai energie, ci și plutoniu pentru arme nucleare. Din acest motiv, reactoarele cu neutroni rapizi se mai numesc si breeders (din engleza breeder - producator).
Ce este înăuntrul lui
Zona activă a unui reactor cu neutroni rapidi este structurată ca o ceapă, în straturi. 370 de ansambluri de combustibil formează trei zone cu îmbogățire diferită de uraniu-235 - 17, 21 și 26% (inițial erau doar două zone, dar pentru a egaliza eliberarea de energie s-au realizat trei). Ele sunt înconjurate de ecrane laterale (pături), sau zone de reproducere, unde ansamblurile care conțin uraniu sărăcit sau natural, constând în principal din izotopul 238, sunt situate la capetele barelor de combustibil deasupra și dedesubtul miezului sunt, de asemenea, tablete de sărăcit uraniu, care formează ecranele de capăt (zone de reproducere). Reactorul BN-600 este un multiplicator (generator), adică pentru 100 de nuclee de uraniu-235 împărțite în miez, 120-140 de nuclee de plutoniu sunt produse în ecranele laterale și de capăt, ceea ce face posibilă extinderea reproducerii nucleare. combustibil. Ansamblurile de combustibil (FA) sunt un set de elemente de combustibil (tije de combustibil) asamblate într-o singură carcasă - tuburi speciale de oțel umplute cu pelete de oxid de uraniu cu diferite îmbogățiri. Pentru ca tijele de combustibil să nu intre în contact unele cu altele și ca lichidul de răcire să poată circula între ele, pe tuburi se înfășoară un fir subțire. Sodiul intră în ansamblul combustibil prin orificiile inferioare de reglare și iese prin ferestrele din partea superioară. În partea de jos a ansamblului de combustibil există o tijă care este introdusă în priza comutatorului, în partea de sus există o parte a capului, prin care ansamblul este apucat în timpul suprasarcinii. Ansamblurile de combustibil de diferite îmbogățiri au diferite scaune, așa că este pur și simplu imposibil să instalați ansamblul în locul greșit. Pentru controlul reactorului se folosesc 19 tije de compensare care conțin bor (un absorbant de neutroni) pentru a compensa consumul de combustibil, 2 tije de control automat (pentru a menține o putere dată) și 6 tije de protecție activă. Deoarece fondul de neutroni propriu al uraniului este scăzut, pentru pornirea controlată a reactorului (și controlul la niveluri de putere scăzute) este utilizată o „iluminare” - o sursă de fotoneutroni (emițător gamma plus beriliu).
Zigzaguri ale istoriei
Este interesant că istoria energiei nucleare mondiale a început tocmai cu reactorul cu neutroni rapidi. Pe 20 decembrie 1951, în Idaho a fost lansat primul reactor de putere cu neutroni rapidi din lume, EBR-I (Experimental Breeder Reactor), cu o putere electrică de numai 0,2 MW. Mai târziu, în 1963, în apropiere de Detroit a fost lansată o centrală nucleară cu un reactor de neutroni rapidi Fermi - deja cu o capacitate de aproximativ 100 MW (în 1966 a avut loc un accident grav cu topirea unei părți a miezului, dar fără consecințe pentru mediu sau oameni).
În URSS, încă de la sfârșitul anilor 1940, Alexander Leypunsky lucrează pe această temă, sub conducerea căruia au fost dezvoltate bazele teoriei reactoarelor rapide la Institutul de Fizică și Energie Obninsk (FEI) și au fost construite mai multe standuri experimentale, care au făcut este posibil să se studieze fizica procesului. Ca urmare a cercetării, în 1972 a intrat în funcțiune prima centrală nucleară sovietică cu neutroni rapidi în orașul Shevchenko (acum Aktau, Kazahstan) cu un reactor BN-350 (denumit inițial BN-250). Nu numai că a generat electricitate, dar a folosit și căldură pentru a desaliniza apa. La scurt timp au fost lansate centrala nucleară franceză cu reactorul rapid Phenix (1973) și cea britanică cu PFR (1974), ambele cu o capacitate de 250 MW.
Cu toate acestea, în anii 1970, reactoarele cu neutroni termici au început să domine industria nucleară. Acest lucru s-a datorat diverselor motive. De exemplu, faptul că reactoarele rapide pot produce plutoniu, ceea ce înseamnă că acest lucru poate duce la o încălcare a legii privind neproliferarea armelor nucleare. Cu toate acestea, cel mai probabil factorul principal a fost că reactoarele termice erau mai simple și mai ieftine, proiectarea lor a fost dezvoltată pe reactoare militare pentru submarine, iar uraniul în sine era foarte ieftin. Reactoarele industriale de putere cu neutroni rapidi care au intrat în funcțiune în întreaga lume după 1980 pot fi numărate pe degetele unei mâini: acestea sunt Superphenix (Franța, 1985−1997), Monju (Japonia, 1994−1995) și BN-600 (Beloyarsk). NPP, 1980), care este în prezent singurul reactor industrial de putere din lume care funcționează.
Se întorc
Cu toate acestea, în prezent, atenția specialiștilor și a publicului este din nou concentrată asupra centralelor nucleare cu reactoare cu neutroni rapizi. Conform estimărilor făcute Agentie internationala Agenția pentru Energie Atomică (AIEA) în 2005, volumul total al rezervelor de uraniu dovedite, ale căror costuri de extracție nu depășesc 130 USD pe kilogram, este de aproximativ 4,7 milioane de tone. Conform estimărilor AIEA, aceste rezerve vor dura 85 de ani (pe baza cererii de uraniu pentru producerea de energie electrică la nivelurile din 2004). Conținutul izotopului 235, care este „ars” în reactoarele termice, în uraniu natural este de doar 0,72%, restul este uraniu-238, „inutil” pentru reactoarele termice. Cu toate acestea, dacă trecem la utilizarea reactoarelor rapide cu neutroni capabile să „arde” uraniul-238, aceleași rezerve vor dura mai mult de 2500 de ani!
Atelier de asamblare a reactorului, unde părțile individuale ale reactorului sunt asamblate din părți individuale folosind metoda SKD
Mai mult, reactoarele rapide cu neutroni fac posibilă implementarea unui ciclu de combustibil închis (nu este implementat în prezent în BN-600). Deoarece numai uraniul-238 este „ars”, după procesare (înlăturarea produselor de fisiune și adăugarea de noi porțiuni de uraniu-238), combustibilul poate fi reîncărcat în reactor. Și întrucât ciclul uraniu-plutoniu produce mai mult plutoniu decât se descompune, combustibilul în exces poate fi folosit pentru reactoare noi.
Mai mult, această metodă poate fi utilizată pentru a procesa surplusul de plutoniu de calitate pentru arme, precum și plutoniul și actinide minore (neptunium, americiu, curiu) extrase din combustibilul uzat din reactoare termice convenționale (actinidele minore reprezintă în prezent o parte foarte periculoasă a deșeurilor radioactive) . În același timp, cantitatea de deșeuri radioactive în comparație cu reactoarele termice este redusă de peste douăzeci de ori.
Reporniți orbește
Spre deosebire de reactoarele termice, în reactorul BN-600 ansamblurile sunt amplasate sub un strat de sodiu lichid, astfel încât îndepărtarea ansamblurilor uzate și instalarea celor proaspete în locul lor (acest proces se numește reîncărcare) are loc într-un mod complet închis. În partea superioară a reactorului există dopuri rotative mari și mici (excentrice unul față de celălalt, adică axele lor de rotație nu coincid). Pe un mic dop rotativ este montată o coloană cu sisteme de control și protecție, precum și un mecanism de suprasarcină cu o prindere de tip colț. Mecanismul rotativ este echipat cu o „etanșare hidraulică” dintr-un aliaj special cu punct de topire scăzut. În starea sa normală este solidă, dar pentru repornire se încălzește până la punctul de topire, în timp ce reactorul rămâne complet etanș, astfel încât degajările de gaze radioactive sunt practic eliminate. Procesul de reîncărcare închide mulți pași. În primul rând, pinza este adusă la unul dintre ansamblurile situate în depozitul în reactor al ansamblurilor uzate, îl scoate și îl transferă în ascensorul de descărcare. Apoi este ridicat în cutia de transfer și plasat în tamburul ansamblurilor uzate, de unde, după ce a fost curățat cu abur (din sodiu), intră în bazinul de combustibil uzat. Pe următoarea etapă mecanismul îndepărtează unul dintre ansamblurile de miez și îl mută la instalația de depozitare în reactor. După aceasta, cel necesar este scos din tamburul de asamblare proaspătă (în care sunt preinstalate ansamblurile de combustibil venite din fabrică) și instalat în elevatorul de asamblare proaspătă, care îl alimentează mecanismului de reîncărcare. Ultima etapă— instalarea ansamblurilor de combustibil într-o celulă liberă. În același timp, sunt impuse anumite restricții asupra funcționării mecanismului din motive de siguranță: de exemplu, este imposibil să eliberați simultan două celule adiacente, în plus, în timpul suprasarcinii, toate tijele de control și protecție trebuie să fie în zona activă. Procesul de reîncărcare a unui ansamblu durează până la o oră, reîncărcarea unei treimi din miez (aproximativ 120 de ansambluri de combustibil) durează aproximativ o săptămână (în trei schimburi), această procedură se efectuează în fiecare micro-campanie (160 de zile efective, calculate la maximum). putere). Adevărat, acum consumul de combustibil a crescut și doar un sfert din miez este supraîncărcat (aproximativ 90 de ansambluri de combustibil). În acest caz, operatorul nu are vizual direct feedback, și este ghidat numai de indicatorii unghiului de rotație a coloanei și ai prinderilor (precizia de poziționare - mai puțin de 0,01 grade), forțe de extracție și instalare.
Procesul de repornire include mulți pași și se face folosind mecanism specialși seamănă cu un joc de „15”. Scopul final este de a aduce ansambluri proaspete din tamburul corespunzător în fanta dorită, iar cele uzate în propriul lor tambur, de unde, după ce au fost curățate cu abur (din sodiu), vor cădea în piscina de răcire.
Neteziți numai pe hârtie
De ce, în ciuda tuturor avantajelor lor, reactoarele cu neutroni rapidi nu s-au răspândit pe scară largă? Acest lucru se datorează în primul rând particularităților designului lor. După cum sa menționat mai sus, apa nu poate fi folosită ca lichid de răcire, deoarece este un moderator de neutroni. Prin urmare, reactoarele rapide folosesc în principal metale în stare lichidă - de la aliaje exotice plumb-bismut la sodiu lichid (cea mai comună opțiune pentru centralele nucleare).
„În reactoarele cu neutroni rapidi, încărcările termice și de radiație sunt mult mai mari decât în reactoarele termice”, explică PM inginer sef CNE Beloyarsk Mihail Bakanov. „Acest lucru duce la necesitatea utilizării materialelor structurale speciale pentru vasul reactorului și sistemele din reactor. Carcasele barelor de combustibil și ansamblurilor de combustibil nu sunt realizate din aliaje de zirconiu, ca în reactoarele termice, ci din oțeluri speciale cu crom aliate, care sunt mai puțin susceptibile la „umflarea” radiațiilor. Pe de altă parte, de exemplu, vasul reactorului nu este supus sarcinilor asociate cu presiunea internă - este doar puțin peste nivelul atmosferic."
Potrivit lui Mihail Bakanov, în primii ani de funcționare principalele dificultăți au fost asociate cu umflarea radiațiilor și crăparea combustibilului. Aceste probleme, însă, au fost rezolvate curând, au fost dezvoltate noi materiale - atât pentru combustibil, cât și pentru carcasele tijei de combustibil. Dar și acum, campaniile sunt limitate nu atât de consumul de combustibil (care la BN-600 ajunge la 11%), cât de durata de viață a resursei materialelor din care sunt fabricate combustibilul, tijele și ansamblurile combustibile. Alte probleme operaționale au fost asociate în principal cu scurgerile de sodiu în circuitul secundar, un metal activ din punct de vedere chimic și periculos de incendiu, care reacționează violent la contactul cu aerul și apa: „Numai Rusia și Franța au experiență pe termen lung în operarea reactoarelor industriale cu neutroni rapidi. . Atat noi, cat si specialistii francezi ne-am confruntat inca de la inceput cu aceleasi probleme. Le-am rezolvat cu succes, prevăzând de la bun început mijloace speciale monitorizarea etanșeității circuitelor, localizarea și suprimarea scurgerilor de sodiu. Dar proiectul francez s-a dovedit a fi mai puțin pregătit pentru astfel de probleme, ca urmare, reactorul Phenix a fost în sfârșit închis în 2009.
„Problemele au fost într-adevăr aceleași”, adaugă Nikolai Oshkanov, directorul NPP Beloyarsk, „dar au fost rezolvate aici și în Franța. în diverse moduri. De exemplu, când șeful uneia dintre ansamblurile de la Phenix s-a aplecat pentru a-l apuca și a-l descărca, specialiștii francezi au dezvoltat un sistem complex și destul de costisitor de „a vedea” printr-un strat de sodiu Și când am avut aceeași problemă, una dintre inginerii noștri au sugerat utilizarea unei camere video, plasată într-o structură simplă ca un clopot de scufundare - o țeavă deschisă în partea de jos cu argon suflat de sus. Când topitura de sodiu a fost deplasată, operatorii, folosind comunicarea video, au putut captura mecanismul, iar ansamblul îndoit a fost îndepărtat cu succes.”
Viitorul rapid
„Nu ar exista un asemenea interes pentru tehnologia reactoarelor rapide în lume dacă nu ar fi funcționarea cu succes pe termen lung a BN-600”, spune Nikolai Oshkanov „Dezvoltarea energiei nucleare, în opinia mea, este în primul rând asociată cu producţia în serie şi exploatarea reactoarelor rapide . Doar ele fac posibilă implicarea întregului uraniu natural în ciclul combustibilului și astfel crește eficiența, precum și reduce cantitatea de deșeuri radioactive de zeci de ori. În acest caz, viitorul energiei nucleare va fi cu adevărat luminos.”
Unicul reactor rusesc cu neutroni rapidi care funcționează la Centrala Nucleară Beloyarsk a fost adus la o putere de 880 de megawați, relatează serviciul de presă Rosatom.
Reactorul funcționează la unitatea de putere nr. 4 a CNE Beloyarsk și este în prezent în curs de testare de rutină a echipamentelor de generare. În conformitate cu programul de testare, unitatea de putere asigură menținerea energiei electrice la un nivel de cel puțin 880 megawați timp de 8 ore.
Puterea reactorului este crescută în etape pentru a primi în cele din urmă certificarea la nivelul de putere proiectată de 885 megawați pe baza rezultatelor testelor. În acest moment, reactorul este certificat pentru o putere de 874 megawați.
Să ne amintim că CNE Beloyarsk operează două reactoare cu neutroni rapidi. Din 1980, aici funcționează reactorul BN-600 - multă vreme a fost singurul reactor de acest tip din lume. Dar în 2015, a început lansarea în etape a celui de-al doilea reactor BN-800.
De ce este acest lucru atât de important și considerat un eveniment istoric pentru industria nucleară globală?
Reactoarele rapide cu neutroni fac posibilă implementarea unui ciclu de combustibil închis (nu este implementat în prezent în BN-600). Deoarece numai uraniul-238 este „ars”, după procesare (înlăturarea produselor de fisiune și adăugarea de noi porțiuni de uraniu-238), combustibilul poate fi reîncărcat în reactor. Și întrucât ciclul uraniu-plutoniu produce mai mult plutoniu decât se descompune, combustibilul în exces poate fi folosit pentru reactoare noi.
Mai mult, această metodă poate fi utilizată pentru a procesa surplusul de plutoniu de calitate pentru arme, precum și plutoniul și actinide minore (neptunium, americiu, curiu) extrase din combustibilul uzat din reactoare termice convenționale (actinidele minore reprezintă în prezent o parte foarte periculoasă a deșeurilor radioactive) . În același timp, cantitatea de deșeuri radioactive în comparație cu reactoarele termice este redusă de peste douăzeci de ori.
De ce, în ciuda tuturor avantajelor lor, reactoarele cu neutroni rapidi nu s-au răspândit pe scară largă? Acest lucru se datorează în primul rând particularităților designului lor. După cum sa menționat mai sus, apa nu poate fi folosită ca lichid de răcire, deoarece este un moderator de neutroni. Prin urmare, reactoarele rapide folosesc în principal metale în stare lichidă - de la aliaje exotice plumb-bismut la sodiu lichid (cea mai comună opțiune pentru centralele nucleare).
„În reactoarele cu neutroni rapizi, sarcinile termice și de radiație sunt mult mai mari decât în reactoarele termice”, îi explică lui PM Mikhail Bakanov, inginer șef al CNE Beloyarsk. - Acest lucru conduce la necesitatea utilizării materialelor structurale speciale pentru vasul reactorului și sistemele din interiorul reactorului. Carcasele barelor de combustibil și ale ansamblurilor de combustibil nu sunt realizate din aliaje de zirconiu, ca în reactoarele termice, ci din oțeluri cromate aliate speciale, care sunt mai puțin susceptibile la „umflarea” radiațiilor. Pe de altă parte, de exemplu, vasul reactorului nu este supus sarcinilor asociate cu presiunea internă - este doar puțin mai mare decât presiunea atmosferică.”
Potrivit lui Mihail Bakanov, în primii ani de funcționare principalele dificultăți au fost asociate cu umflarea radiațiilor și crăparea combustibilului. Aceste probleme, însă, au fost rezolvate curând, au fost dezvoltate noi materiale - atât pentru combustibil, cât și pentru carcasele tijei de combustibil. Dar și acum, campaniile sunt limitate nu atât de consumul de combustibil (care la BN-600 ajunge la 11%), cât de durata de viață a resursei materialelor din care sunt fabricate combustibilul, tijele și ansamblurile combustibile. Alte probleme operaționale au fost asociate în principal cu scurgerile de sodiu în circuitul secundar, un metal activ din punct de vedere chimic și periculos de incendiu, care reacționează violent la contactul cu aerul și apa: „Numai Rusia și Franța au experiență pe termen lung în operarea reactoarelor industriale cu neutroni rapidi. . Atat noi, cat si specialistii francezi ne-am confruntat inca de la inceput cu aceleasi probleme. Le-am rezolvat cu succes, de la bun început oferind mijloace speciale de monitorizare a etanșeității circuitelor, localizarea și suprimarea scurgerilor de sodiu. Dar proiectul francez s-a dovedit a fi mai puțin pregătit pentru astfel de probleme, ca urmare, reactorul Phenix a fost în sfârșit închis în 2009.
„Problemele au fost într-adevăr aceleași”, adaugă Nikolai Oshkanov, directorul CNE Beloyarsk, „dar au fost rezolvate aici și în Franța în moduri diferite. De exemplu, atunci când șeful unuia dintre ansamblurile de pe Phenix s-a aplecat pentru a-l apuca și a-l descărca, specialiștii francezi au dezvoltat un sistem complex și destul de costisitor pentru a „vedea” printr-un strat de sodiu. Și când a apărut aceeași problemă cu noi, unul dintre inginerii noștri a sugerat să folosiți o cameră video plasată într-o structură simplă ca un clopot de scufundare - o țeavă deschisă în partea de jos cu argon suflat de sus. Odată ce topitura de sodiu a fost expulzată, operatorii au reușit să activeze mecanismul prin legătură video, iar ansamblul îndoit a fost îndepărtat cu succes.”
Zona activă a unui reactor cu neutroni rapidi este dispusă ca o ceapă, în straturi
370 de ansambluri de combustibil formează trei zone cu îmbogățire diferită de uraniu-235 - 17, 21 și 26% (inițial erau doar două zone, dar pentru a egaliza eliberarea de energie s-au realizat trei). Ele sunt înconjurate de ecrane laterale (pături), sau zone de reproducere, unde ansamblurile care conțin uraniu sărăcit sau natural, constând în principal din izotopul 238, sunt situate la capetele barelor de combustibil deasupra și dedesubtul miezului sunt, de asemenea, tablete de sărăcit uraniu, care formează ecranele de capăt (zone de reproducere).
Ansamblurile de combustibil (FA) sunt un set de elemente de combustibil asamblate într-o singură carcasă - tuburi speciale de oțel umplute cu pelete de oxid de uraniu cu diferite îmbogățiri. Pentru a vă asigura că elementele de combustibil nu intră în contact unele cu altele, iar lichidul de răcire poate circula între ele, pe tuburi se înfășoară un fir subțire. Sodiul intră în ansamblul combustibil prin orificiile inferioare de reglare și iese prin ferestrele din partea superioară.
În partea de jos a ansamblului de combustibil există o tijă introdusă în priza comutatorului, în partea de sus există o parte a capului, prin care ansamblul este apucat în timpul suprasarcinii. Ansamblurile de combustibil ale diferitelor îmbogățiri au locații de montare diferite, astfel încât este pur și simplu imposibil să instalați ansamblul în locul greșit.
Pentru controlul reactorului se folosesc 19 tije de compensare care conțin bor (un absorbant de neutroni) pentru a compensa consumul de combustibil, 2 tije de control automat (pentru a menține o putere dată) și 6 tije de protecție activă. Deoarece fondul de neutroni propriu al uraniului este scăzut, pentru pornirea controlată a reactorului (și controlul la niveluri de putere scăzute) este utilizată o „iluminare” - o sursă de fotoneutroni (emițător gamma plus beriliu).
Unitățile de putere cu reactoare cu neutroni rapidi pot extinde în mod semnificativ baza de combustibil a energiei nucleare și pot minimiza deșeurile radioactive prin organizarea unui ciclu închis al combustibilului nuclear. Doar câteva țări au astfel de tehnologii, iar Federația Rusă, conform experților, este lider mondial în acest domeniu.
Reactorul BN-800 (de la „sodiu rapid”, cu o putere electrică de 880 megawați) este un reactor industrial cu neutroni rapidi pilot cu un lichid de răcire din metal, sodiu. Ar trebui să devină un prototip de unități de putere comerciale, mai puternice, cu reactoare BN-1200.
surse
La CNE Beloyarsk din orașul Zarechny se pregătesc să instaleze un reactor pentru o nouă unitate de putere. În prezent, BNPP operează singura unitate de putere din lume cu un reactor cu neutroni rapidi cu o capacitate de 600 MW (este cel mai puternic din Uralul Mijlociu), iar acum este în curs de construcție a unei noi unități și mai puternice. Un corespondent Nakanune.RU a analizat cum se desfășoară această lucrare și este gata să spună și să arate ce viitorul reactor nuclear, construit la o centrală nucleară în Regiunea Sverdlovsk, și ce este unic la tehnologia utilizată la BNPP.
Energia nucleară s-a dovedit a fi una dintre acele industrii care nu a fost afectată de criza din Rusia. Ei bine, sau aproape că nu l-am atins. Producția de energie electrică la centralele nucleare ale țării va rămâne la același nivel multe dintre problemele care trebuiau întâlnite în alte zone nu vor exista. În plus, constructorii care anterior erau reticenți în a construi noi facilități pe bază de rotație, s-au repezit înapoi în stații, pentru că construcția lor este finanțată de stat. Am vizitat unul dintre aceste șantiere - construcția celei de-a patra unități de putere BN-800 a CNE Beloyarsk.
Director al BNPP Nikolay Oshkanov (el este și adjunct director general OJSC Concern Energoatom, care reunește zece centrale nucleareîn țară) notează: „Nu există nicio criză la centralele nucleare din Rusia - niciunul dintre fenomenele de criză nu ne-a afectat și nu ne va afecta.” Cu toate acestea, el admite că reducerea consumului de energie a afectat și industria nucleară - la unele dintre stațiile concernului unitățile erau în rezervă, dar până la 1 iunie a ajuns la 100% producție.
Lucrările la construcția BN-800 continuă la BNPP (proiectul este implementat în cadrul Programului țintă federal pentru dezvoltarea energiei nucleare în Rusia). În prezent, stația operează singura unitate de putere din lume cu un reactor cu neutroni rapidi de calitate industrială, BN-600 (aceasta este a treia unitate de putere a BNPP, primele două sunt în curs de dezafectare). Nikolai Oshkanov însuși explică ce este special la tehnologia reactoarelor „rapide”:
„În program (Programul țintă federal pentru dezvoltarea energiei nucleare – notă) BNPP este reprezentată ca a patra unitate de putere ca tehnologie inovatoare- acesta este un nou pas de-a lungul căruia întreaga lume s-a grăbit și aici Rusia, folosind exemplul NPP Beloyarsk, s-a dovedit a fi lider. Doar țările mari își pot permite asta - SUA, Franța, Japonia, Rusia, Anglia - adică cele care au bomba. Nu RPDC, care a furat tehnologia, ci tocmai cei care pot dezvolta această direcție. De ce s-au făcut reactoare „rapide”? Într-un reactor „rapid”, plutoniul produs este pur, de calitate pentru arme.”
La BNPP, combustibilul este folosit în scopuri pașnice, tehnologia permite extinderea bazei energetice de combustibil a țării și minimizarea cantității de deșeuri nucleare.
Tot uraniul este împărțit în două părți: 0,7% este ceea ce poate fi folosit în reactoare, 99,3% este așa-numitul „deșeu”, nu poate fi folosit în reactoare care există peste tot în lume, inclusiv în țara noastră. Reactorul „rapid” transformă uraniul-238 neutilizat sub influența neutronilor rapizi în plutoniu-239”, explică Nikolai Oshkanov.
Deci, după ce 10 tone de plutoniu sunt încărcate în reactor, 12 tone sunt îndepărtate din acesta, deoarece plutoniul a fost „înconjurat” de uraniu, notează el. Astfel, „halda” de uraniu devine combustibil.
Această tehnologie a fost folosită pe BN-600 din 1980, iar BN-800 este conceput pentru a rezolva problema unui ciclu nuclear „închis”, care asigură o „circulație” a combustibilului între reactoarele cu neutroni rapidi și cele termice.
Între timp, Nikolai Oshkanov a confirmat într-o conferință de presă vineri trecută că datele de punere în funcțiune sunt mutate din 2012 în 2014. Problema nu este criza, ci echipamentul, spune el.
În acest an, 2 miliarde de ruble au fost cheltuite pentru construcția unității, fără a lua în calcul costul echipamentului. „Suntem numărul trei în Programul țintă federală, prima este a doua unitate de energie a CNE Volgodonsk, urmată de a patra unitate a CNE Kalinin Anul acesta ni s-au alocat aproape 13 miliarde de ruble, deși au fost planificate inițial 15 acestea (unitățile de alimentare) trebuie puse în funcțiune la prima coadă, deoarece nu există energie electrică în Caucaz și Regiunea Leningrad", a spus el.
Principala problemă din cauza căreia lansarea BN-800 este întârziată este problema fabricării de echipamente unice. „Problema este în echipament, este unic, nu a fost făcut de mult, acestea sunt tehnologii noi, fabrici întregi au trebuit reînviate de dragul unei singure unități. echipamente auxiliare gata, dar nu există reactor cu turbină”, a spus directorul BNPP.
Cu toate acestea, dacă construcția reactorului decurge aproape conform programului (va fi livrat la stație de către uzina din Podolsk numită după Ordzhonikidze), atunci principala dificultate este în fabricarea turbinei (este realizată de United Machine). Plante).
Am putut verifica dacă muncitorii au fost în programul de construcție a reactorului (unde va fi amplasat echipamentul radioactiv) în vasul de asamblare al reactorului.
Clădirea ansamblului reactorului a fost construită în anii 80, dar apoi lucrările la construcția BN-800 au fost oprite și au fost reluate în urmă cu doar trei ani. Abia în 2008 a început consolidarea reactorului - acesta sosește din uzina din Podolsk în părți, explică Alexey Chernikov, inginer-șef adjunct al departamentului de instalații Beloyarsk.
Este de așteptat ca instalarea reactorului în mină să înceapă în august-septembrie a acestui an.
Între timp, încă de la 1 iulie, industria nucleară s-ar putea confrunta cu unele schimbări nu tocmai plăcute. De la această dată, industria energiei electrice va trece la o schemă de funcționare „50 la 50”: 50% din energie va fi vândută pe piața liberă și 50% la un tarif fix. S-a calculat deja că, în consecință, facturile de energie electrică pentru populație vor crește. „Există o opțiune în care problema va fi rezolvată prin energie nucleară”, spune Nikolai Oshkanov. Deoarece electricitatea generată de lucrătorii din domeniul nuclear este mai ieftină ca cost, „costurile” pot fi impuse acestei industrii.
Cu toate acestea, în general, directorul BNPP privește „viitorul nuclear” cu speranță: „Există o „renaștere nucleară” în lume - construcția de centrale nucleare a început, ca în vremuri, Rusia construiește în China, India, dar nu este „permis” în Europa. În Rusia, principala problemă nu sunt resursele, ci livrarea lor”.
„Așa cum cere populația, așa va fi”, comentează el cu privire la perspectivele industriei, fără a ascunde planurile ulterioare ale BNPP în sine - deja în 2020 intenționează să înceapă construcția celei de-a cincea unități de putere - BN-1200.
- una dintre cele mai influente și de autoritate publicații profesionale internaționale în acest domeniu - și-a acordat Premiile de putere pentru 2016 proiectului celei de-a patra unități de putere a centralei nucleare rusești Beloyarsk cu un reactor unic cu neutroni rapidi BN-800, care va testa o serie de tehnologii necesare dezvoltării energiei nucleare .
Nu este prima dată când proiectele nucleare rusești au primit recunoaștere în Statele Unite. Prima unitate finalizată a centralei nucleare iraniene Bushehr și prima unitate a centralei nucleare din Kudankulam din India au fost denumite anterior proiecte din 2014 de o altă revistă americană autorizată Power Engineering. Aceste unități de putere operează reactoare rusești cu neutroni termici VVER-1000.
Mare realizare pentru Rusia
„Reactoarele cu neutroni rapidi sunt de cea mai mare importanță pentru implementarea planurilor ambițioase ale Rusiei în domeniul energiei nucleare. Construcția cu succes, includerea în rețea și testarea primului reactor BN-800 al țării la CNE Beloyarsk este o realizare majoră în direcția corectă. ” notează revista.
Unitatea nr. 4 a CNE Beloyarsk cu un reactor cu neutroni rapidi cu lichid de răcire metalic sodiu BN-800 (din „sodiu rapid”) cu o capacitate electrică instalată de 880 MW a fost pusă în funcțiune comercială luni. Este cel mai puternic reactor cu neutroni rapidi din lume.
Experții au numit acest eveniment istoric nu numai pentru Rusia, ci și pentru energia nucleară globală. Experții subliniază că experiența în proiectarea, construcția, pornirea și operarea reactoarelor de putere cu neutroni rapidi, pe care oamenii de știință nucleari ruși le vor dobândi pe BN-800, va fi necesară pentru dezvoltarea acestei zone de energie nucleară în Rusia.
Leadership recunoscut
Reactoarele cu neutroni rapizi sunt considerate a avea mari avantaje pentru dezvoltarea energiei nucleare, asigurând închiderea ciclului combustibilului nuclear (NFC). Într-un ciclu închis al combustibilului nuclear, datorită utilizării depline a materiilor prime de uraniu în reactoarele de generare a neutronilor rapidi (producători), baza de combustibil a energiei nucleare va crește semnificativ și, de asemenea, va fi posibilă reducerea semnificativă a volumului deșeurilor radioactive datorate. la arderea radionuclizilor periculoși. Rusia, după cum notează experții, se află pe primul loc în lume în ceea ce privește tehnologiile de construcție a reactoarelor „rapide”.
Uniunea Sovietică a fost lider în construcția și operarea reactoarelor de putere „rapide” la scară industrială. Prima astfel de unitate din lume cu un reactor BN-350 cu o capacitate electrică instalată de 350 de megawați a fost lansată în 1973 pe coasta de est a Mării Caspice în orașul Shevchenko (acum Aktau, Kazahstan). O parte din puterea termică a reactorului a fost folosită pentru a genera electricitate, restul a fost folosită pentru desalinizarea apei de mare. Această unitate de putere a funcționat până în 1998, cu cinci ani mai mult decât durata sa de viață. Experiența creării și exploatării acestei instalații a făcut posibilă înțelegerea și rezolvarea multor probleme din domeniul reactoarelor de tip BN.
Din 1980, a treia unitate de putere a stației cu un reactor BN-600 cu o capacitate electrică instalată de 600 de megawați funcționează la CNE Beloyarsk. Această unitate nu numai că generează energie electrică, dar servește și ca bază unică pentru testarea noilor materiale structurale și a combustibilului nuclear.
Istoria BN-800
În 1983, a fost luată decizia de a construi patru unități nucleare cu reactorul BN-800 în URSS: una la CNE Beloyarsk și trei la noua CNE Ural de Sud. Dar după Cernobîl, industria energetică nucleară sovietică a început să stagneze, iar construcția de noi reactoare, inclusiv cele „rapide”, s-a oprit. Și după prăbușirea URSS, situația s-a înrăutățit și mai mult, a existat o amenințare cu pierderea tehnologiilor interne de energie nucleară, inclusiv a tehnologiilor reactoarelor BN.
Încercările de reluare a construcției a cel puțin o unitate BN-800 au fost făcute de mai multe ori, dar la mijlocul anilor 2000 a devenit clar că numai capacitățile industriei nucleare ar putea să nu fie suficiente pentru acest lucru. Și aici rolul decisiv l-a jucat sprijinul conducerii ruse, care a aprobat un nou program de dezvoltare a energiei nucleare. A existat și un loc în el pentru BN-800 la a patra unitate a NPP Beloyarsk.
Nu a fost ușor să finalizezi blocul. Pentru finalizarea proiectului, ținând cont de îmbunătățiri, al căror scop era creșterea eficienței și siguranței acestuia, a fost necesară o reală mobilizare a forțelor organizațiilor științifice, de proiectare și inginerie din industria nucleară. Sarcini dificile s-au confruntat și cu producătorii de echipamente, care au trebuit nu numai să restaureze tehnologiile utilizate pentru a crea echipamentele reactorului BN-600, ci și să stăpânească noile tehnologii.
Și totuși unitatea de putere a fost construită. În februarie 2014, a început încărcarea combustibilului nuclear în reactorul BN-800. Reactorul a fost lansat în iunie a aceluiași an. Apoi a trebuit modernizat proiectarea ansamblurilor de combustibil, iar la sfârșitul lunii iulie 2015 reactorul BN-800 a fost repornit, iar specialiștii au început să-i crească treptat puterea până la nivelul necesar pentru a începe generarea de energie electrică. Pe 10 decembrie 2015, unitatea a fost conectată la rețea și a furnizat primul curent la sistemul de alimentare rusesc.
Unitatea BN-800 ar trebui să devină un prototip al celor mai puternice unități de putere comerciale BN-1200, decizia privind fezabilitatea construcției care va fi luată pe baza experienței de operare a BN-800. Unitatea principală BN-1200 este, de asemenea, planificată să fie construită la CNE Beloyarsk.
