Секреты «легкой воды»

Реакторы с «легкой водой» под давлением родились на заре атомной эры из проектов реакторов для подводных лодок.

Первоначально им отводили роль временной технологии, призванной заполнить паузу до массового строительства быстрых реакторов. Сегодня они составляют большинство в мировом атомном парке, и почетное место в семействе реакторов-легководников занимают отечественные реакторы ВВЭР.

Смена поколений

История технологии ВВЭР восходит к 1955 году, когда в Институте атомной энергии (будущий Курчатовский институт) было разработано техническое задание на проект первого отечественного водо-водяного реактора под давлением мощностью 210 МВт(э). С тех пор и по сей день Курчатовский институт остается научным руководителем направления ВВЭР, а главным конструктором ­реакторных установок ВВЭР выступает подольское ОКБ «Гидропресс».

Советские и российские ВВЭР входят в иногда дружное, а чаще раздираемое конкурентной борьбой семейство легководных реакторов. Патриархами семейства можно считать американские реакторы PWR, появившиеся на свет по инициативе адмирала Хаймана Риковера из проектов реакторов для подводных лодок. Исходно им отводилось не более 20–30 лет жизни, после чего их должны были сменить быстрые реакторы. Но нет ничего более постоянного, чем временное: легководники посрамили скептиков и составляют сегодня абсолютное большинство в атомном парке планеты.

Проект 1955 года, получивший название ВВЭР-1, был реализован на первом блоке Ново­воронежской АЭС (введена в эксплуатацию в 1964 году). Многие из заложенных в нем решений сохранились до наших дней. Так, перед подольскими конструкторами стояла задача обеспечить транспортабельность по железным дорогам, что сразу наложило ограничение на диаметр корпуса, а для эффективного заполнения внутрикорпусного пространства тепло­выделяющими сборками (ТВС) для них была выбрана шестигранная форма. У западных реакторов-легководников ТВС квадратные.

Другое принципиальное решение, остающееся фирменным признаком ВВЭР, — горизонтальное размещение парогенераторов (в западных проектах парогенераторы устанавливаются вертикально). Есть несколько версий, почему специалисты ОКБ «Гидропресс» сделали в 1955 году такой выбор, но одно неоспоримо: конструкционные материалы для парогенераторов наши предшественники подобрали максимально удачно, а вот их западные коллеги, сделав ставку на высоконикелевый сплав 600, ошиблись, что обернулось проблемами с коррозией и потребовало массовой досрочной замены парогенераторов на западных АЭС.

В 1970-х годах приступили к серийному сооружению блоков с ВВЭР в нашей стране и государствах соцлагеря (ГДР, ЧССР, Болгария, Венгрия). Но был еще и уникальный для Советского Союза контракт с западной страной — строительство двух блоков с ВВЭР-440 заказала капиталистическая Финляндия. Совместная работа отечественных конструкторов и проектантов с финским атомнадзором помогла сформулировать систему требований к безопасности АЭС и вывести технологию ВВЭР на новый уровень.

Диапазон больших мощностей энерго­блоков АЭС был покорен проектом ВВЭР-1000. Первым блоком с таким реактором стал блок № 5 Нововоронежской АЭС (энергопуск в 1980 году). Впоследствии на его основе был разработан проект ­ВВЭР-1000. Серийный проект, получивший название В-320, был очень успешным. На Западе блоки с такими реакторами прозвали «танковой дивизией Минатома».

Создание Госкорпорации «­Росатом», объединившей большинство основных предприятий и институтов атомной отрасли России, позволило сделать новый шаг в развитии технологии ВВЭР. Был разработан и успешно внедрен проект реакторной установки повышенной мощности ВВЭР-1200 (на сегодня эксплуатируются четыре таких блока в России и один — в Беларуси). В ближайшем будущем станет эксплуатироваться типовой оптимизированный информатизированный реактор ВВЭР-ТОИ, два блока с этими реакторами уже строятся на Курской АЭС‑2. Оба реактора — и ВВЭР-1200, и ВВЭР‑ТОИ — относятся к новейшему поколению реакторов III+.

ВВЭР-1200: устройство и безопасность

Название ВВЭР расшифровывается как «водо-водяной энергетический реактор». Повтор слов в начале названия — не тавтология. Он призван подчеркнуть, что вода в ВВЭР играет двойную роль, выступая и как теплоноситель, отводящий выделяемую в топливе энергию, и как замедлитель нейтронов до области тепловых энергий.

Цифры в названии примерно соответствуют электрической мощности: например, у энергоблока с реактором ВВЭР-1200 можно ожидать электрическую мощность около 1200 МВт. Но нужно еще не забывать о ­собственных нуждах, то есть той мощности, которую энергоблок отдает для обеспечения работоспособности своего оборудования. Поэтому у шестого нововоронежского блока (первого пущенного блока с ВВЭР-1200) электрическая мощность брутто составляет 1180 МВт(э), а мощность нетто, то есть после вычета собственных нужд, равна 1100 МВт(э).

Главный элемент установки — корпус реактора, вертикальный цилиндрический сосуд с эллиптическим днищем. У ВВЭР-1200 высота корпуса достигает почти 11,2 метра, а масса — 323 тонны. Он обязан выдерживать огромное давление (примерно 165 атмосфер), поэтому изготовление корпусов — это настоящий хай-тек, и производить их могут всего несколько заводов в мире.

Внутри корпуса реактора располагается активная зона. В ВВЭР-1200 она состоит из 163 ТВС (иногда их назы­вают кассетами или просто сборками). Топливным материалом выступает диоксид обогащенного урана. Если принять общую массу урана в ВВЭР-1200 за 80 тонн, то общая масса делящегося изотопа уран-235 составит в первоначальной загрузке 2,1–2,2 тонны при среднем обогащении немногим более 2,5%.

Теплоноситель («легкая вода») поступает в корпус реактора и активную зону нагретым почти до 300 °С, а покидает зону и корпус при температуре почти в 330 °С. Такие температуры требуются для того, чтобы получить как можно больший КПД на турбине, а для того, чтобы вода оставалась водой, в реакторной установке поддерживается высокое давление.

Подогретый теплоноситель, выйдя из корпуса реактора, главными циркуляционными насосами (ГЦН) направляется по главному циркуляционному трубопроводу в парогенера­торы. В реакторной установке ВВЭР-1200 их четыре, независимых друг от друга, поэтому весь проект ВВЭР‑1200 называют четырехпетлевым. Вырабатываемый в парогенераторах пар идет по так называемому второму контуру на турбину, которая, собственно, и генерирует электроэнергию.

Отдельное место в проекте ВВЭР-1200 занимают системы безопасности. Их несколько, они не зависят друг от друга и работают на различных принципах. Системы безопасности бывают активные и пассивные: для первых необходимо наличие источника энергии, вторые построены на действии физических законов. В проекте ВВЭР-1200 применяется комбинация активных и пассивных систем. Некоторые конкуренты ­Росатома критикуют подобный подход, так как он удорожает энергоблок, однако российские конструкторы полагают, что именно комбинация активных и пассивных систем обеспечивает наивысший уровень безопасности АЭС. Как показала авария на «Фукусиме», экономия на системах безопасности будет с лихвой перекрыта убытками от возможной тяжелой аварии.

Говоря о безопасности, нельзя не упомянуть еще одно фирменное решение, появившееся у поздних ВВЭР-1000 и применяемое во всех проектах с ВВЭР-1200, — это ловушка расплава. Устройство, покрытое изнутри жертвенным материалом, устанавливается ниже активной зоны. Расплавленное при тяжелой аварии ядерное топливо станет стекать в ловушку, а не на бетонный пол. Конструкция ловушки такова, что попавшее в нее топливо будет надежно охлаждаться. Конечно, все мы уверены в том, что ни на одном из блоков с ВВЭР‑1200 практическая надобность в такой конструкции ни­когда не возникнет, но эксплуатирующему персоналу АЭС гораздо спокойнее работать на блоке с ловушкой расплава, чем без нее.

ВВЭР в мире

Всего в нашей стране было построено и введено в эксплуатацию четыре энерго­блока с реакторами ВВЭР-1200 — по два на Нововоронежской и Ленинградской АЭС. Сегодня у Росатома есть еще один проект — ВВЭР-ТОИ. Проект реакторной установки для него разработали в ОКБ «Гидропресс», а первые два блока с ВВЭР-ТОИ сооружаются на Курской АЭС-2.

Прирастать парк блоков с ВВЭР-1200 будет за счет зарубежных заказов. Первый из них уже введен в опытно-­промышленную эксплуатацию на Белорусской АЭС, энергопуск второго блока ожидается в 2022 году.

На продвинутой стадии находится строительство двух блоков с ВВЭР-1200 в Бангладеш (АЭС «Руппур»). В Турции одновременно сооружаются сразу четыре энергоблока на АЭС «Аккую». Также четырехблочная АЭС запланирована в Египте, а в Европе один блок с ВВЭР-1200 появится в Финляндии и еще два — в Венгрии. Большой победой для Росатома стало заключение контрактов на строи­тельство четырех блоков с ВВЭР-1200 в Китае.

В пользу проекта АЭС с реактором ВВЭР-1200 на мировых рынках говорит его соответствие требованиям ведущих мировых атомных организаций — ­МАГАТЭ, Клуба европейских эксплуатирующих организаций (EUR) — и постфукусимским требованиям Ассоциации ядерных регуляторов Западной Европы (WENRA).

Из зарубежных конкурентов ВВЭР-1200 лучше всего дело обстоит у проекта со звучным названием «Китайский дракон». На стадии строительства находятся девять (по другим данным — десять) блоков в Китае и один — в Пакистане. «Дракон» — это чисто китайский реактор, и зарубежных заказов на него нет. Пакистан — исключение: по требованиям мирового режима нераспространения ядерного оружия строить АЭС в Пакистане может только Китай.

У США есть ядерный реактор AP1000, разработанный компанией Westinghouse. Но до сих пор не удалось построить ни одного блока с AP1000 в Америке, все четыре действующих блока с такими реакторами были возведены в Китае.

В похожем положении находится французский проект EPR. Два блока с такими реакторами были пущены в Китае, а вот строительство EPR в Европе затянулось. Первый бетон на блоке № 3 АЭС «Олкилуото» в Финляндии был залит в августе 2005 года, а загрузка ядерного топлива состоялась только весной 2021 года. Поправить статистику создатели EPR (компания Framatome) надеются за счет проектов в Британии, где на площадке «Хинкли Пойнт Си» строятся два энергоблока, но пока рано делать прогнозы о том, насколько успешным окажется британский вариант.

Это означает, что ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ надолго останутся лидерами на мировом рынке, обеспечивая зака­зами российские предприятия.

Оборудование, которое поставляют предприятия Атомэнергомаша для энергоблоков с ВВЭР-1200 и машинного зала*

• Атоммаш: корпус реактора, парогенераторы, устройства локализации расплава (ловушка), транспортные шлюзы.
• ЦКБМ: главные циркуляционные насосные агрегаты (ГЦНА), герметичные, консольные, питательные, аварийные насосы.
• Петрозаводскмаш: компенсаторы давления, корпус главного циркуляционного насоса, главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ), коллекторы парогенератора, емкости системы аварийного охлаждения зоны (САОЗ), емкости системы пассивного залива активной зоны.
• ОКБМ Африкантов: перегрузочные машины, насосные агрегаты аварийного и планового расхолаживания, вентиляционное оборудование.
• АТМ: трубопроводы высокого и низкого давления.
• ЗиО-Подольск: доохладитель продувки первого контура, теплообменник аварийного вывода теплоносителя, подогреватель «чистого» конденсата, конденсаторы, ПНД, трубопроводы низкого и высокого давления, барботер, деаэратор, СПП, ПВД.
• ААЭМ: паровые турбины Arabelle™, турбогенератор GIGATOP™, конденсатор турбины, сепараторы-пароперегреватели, конденсатные насосы, ПНД, ПВД, главные и пусковые питательные насосы, деаэратор и бак запаса питательной воды, трубопроводы паровой турбины и машинного зала, общестанционное оборудование машзала.
• ГИДРОПРЕСС: разработал проект реакторной установки, осуществляет авторское сопровождение проектов, поставляет привода СУЗ, измерительные каналы и прижимные устройства.
• ЦНИИТМАШ: отвечает за материаловедческое сопровождение производства основного оборудования.
• Ganz EEM: циркуляционные насосы.

* Список может корректироваться в зависимости от контракта.