БН идет, БН дорогу
Утверждена дорожная карта по проекту РУ БН-1200М
Разговор о быстрых реакторах не будет полным без рассказа о проекте БН-1200. Он еще разрабатывается, но большой объем работ уже выполнен, многие решения приняты. Об особенностях будущего блока и его значении в российской атомной энергетике «Вестнику атомпрома» рассказывает главный конструктор реакторных установок БН Сергей Шепелев (АО «ОКБМ Африкантов»).
— Сергей Федорович, что дает БН-1200 России? В широком смысле — энергосистеме, потребителям, ядерной физике и другим наукам, атомной отрасли?
— Создание проекта БН-1200М отвечает стратегии развития ядерной энергетики России по созданию двухкомпонентной ядерной энергетической системы (ЯЭС) на базе быстрых и тепловых реакторов нового поколения, что решает задачи стабильного топливообеспечения, обращения с ОЯТ и РАО, расширения отраслевого бизнеса, создания безуглеродной энергетики.
В основе реализации этой перспективы лежит использование уран-плутониевого топливного цикла. Благодаря физическим особенностям активной зоны реактора на быстрых нейтронах обеспечивается возможность расширенного воспроизводства плутония и использования плутония различного изотопного состава из ОЯТ как БН, так и ВВЭР, что определяет потенциал удовлетворения системных требований по эффективному топливообеспечению.
Кроме того, в реакторах БН можно использовать смешанное уран-плутониевое топливо с минорными актинидами (МА). Благодаря дожиганию снижается их накопление в двухкомпонентной системе атомной энергетики. Дополнительно обеспечивается расширение возможностей по применению ядерных технологий, например для наработки изотопов.
Проект БН-1200М — драйвер развития в области модернизации и разработки расчетных программ, технологий изготовления и обращения с новыми видами топлива, технологий создания новых конструкционных материалов, элементов оборудования, средств измерения. Не менее важна и долгосрочная загрузка российских, в частности отраслевых, машиностроительных предприятий, которые получат заказы на разработку и изготовление высокотехнологичного оборудования для АЭС.
Своевременность реализации проекта БН-1200М определяется еще и тем, что уже сейчас необходимо думать о замещении мощности БН-600 для объединенной энергосистемы Урала.
Наконец, проект БН-1200М способствует достижению углеродной нейтральности в области энергетики, так как блок будет эффективно и безопасно производить электроэнергию в течение 60 и более лет эксплуатации.
— На каком этапе воплощения сейчас находится проект? Какие работы ведутся?
— В настоящее время разработан технический проект РУ БН-1200М на основе оптимального сочетания референтных и новых технических решений. В стадии завершения находятся обосновывающие НИОКР. Обеспечена конкурентоспособность проекта по отношению к перспективным блокам атомной и традиционной энергетики.
Благодаря изменениям в конструкции ГЦН второго контура, системы перегрузки, парогенератора, системы аварийного отвода тепла, холодной ловушки первого контура, активной зоны существенно улучшились массовые и стоимостные характеристики оборудования реакторной установки.
Детальная проработка схемно-компоновочных и архитектурно-строительных решений здания реактора и машинного зала, принципиальных схемных и компоновочных решений для вспомогательных зданий энергоблока и оптимизация генерального плана привели к сокращению строительных объемов, увеличению коэффициента застройки и сокращению технологических связей. Благодаря этим мерам снижены капитальные затраты и, соответственно, стоимость производства электроэнергии. Итогом разработки и экспертизы документации проекта стала рекомендация НТС госкорпорации «Росатом» о сооружении энергоблока № 5 Белоярской АЭС с РУ БН-1200М.
В настоящее время поэтапно выполняется программа НИОКР по обоснованию безопасности и инновационных технических решений. При этом с учетом рекомендации о сооружении энергоблока БН-1200М остро стоит задача завершения экспериментального обоснования технических решений по оборудованию. В частности, необходимо создать и отработать опытные образцы оборудования на натриевых стендах.
— Как опыт, полученный при создании БН-600 и БН-800, был учтен при разработке БН-1200?
— Технологии натриевого теплоносителя, топливных и конструкционных материалов, эксплуатации и ремонта оборудования реактора были последовательно отработаны на стадии эксплуатации экспериментальных, исследовательских и промышленных реакторов БН, а именно БН-600, БН-800. Опыт и компетенции, полученные в процессе многолетнего становления технологии реакторов БН, результаты выполненных НИОКР в обоснование технических решений по активной зоне и оборудованию обеспечили создание проектно-конструкторской, научно-исследовательской, производственной и эксплуатационной базы для развития технологии в проекте БН-1200М.
В проекте БН-1200М использованы референтные технические решения, хорошо показавшие себя при эксплуатации энергоблоков БН-600 и БН-800. Это интегральная компоновка первого контура, насосное оборудование, промежуточные теплообменники, часть перегрузочного оборудования и другие.
В условиях ужесточения требований по безопасности, особенно в части требований к системам безопасности и средствам управления запроектными авариями, в проект БН-1200М были заложены самые современные технические решения, часть из которых применены в БН-800. Это система пассивного останова на основе гидравлически взвешенных стержней, устройство удержания и охлаждения расплавленного топлива внутри корпуса реактора при постулировании аварии с плавлением ядерного топлива.
В реакторе БН-600 обеспечивается уникальная возможность реакторного обоснования различных видов топлива и конструкционных материалов в проектных условиях эксплуатации. В настоящее время облучаются тепловыделяющие сборки со СНУП- и МОКС-топливом.
Также необходимо отметить, что разработка и сооружение БН-800 позволили восстановить и поддержать компетенции в конструировании, изготовлении и поставке оборудования.
— Какие ключевые развилки в технологических решениях уже пройдены?
— Основные развилки для референтного коммерческого энергоблока пройдены уже на стадии разработки базового БН-1200. Уровень тепловой мощности — 2800 МВт. Четырехпетлевое исполнение РУ с симметричным исполнением петель обеспечит референтность основного оборудования по мощности. Уже упомянутое размещение оборудования и систем, содержащих радиоактивный натрий, в баке реактора повысит безопасность. Установка автономных теплообменников системы аварийного отвода тепла непосредственно в баке реактора с организацией естественной циркуляции по контурам уменьшит вероятность тяжелого повреждения активной зоны. Объем внутриреакторного хранилища в БН-1200 увеличен, чтобы выгружать ТВС из реактора сразу в бассейн выдержки, исключив промежуточный натриевый барабан отработавших сборок. Энергонапряженность активной зоны БН-1200 по отношению к БН-600 и БН-800 снижена почти вдвое, что позволяет значительно увеличить микрокампанию. Укрупнение твэлов и ТВС, применение уран-плутониевого смешанного топлива, применение новых конструкционных сталей с повышенной радиационной стойкостью обеспечит более глубокое выгорание топлива и снизит потребление ТВС. Переход от секционно-модульных на крупномодульные парогенераторы обеспечит значительный экономический эффект, а использование сильфонных компенсаторов для компенсации температурных расширений трубопроводов уменьшит их протяженность.
В целом эти технические решения позволили значительно сократить протяженность натриевых систем, исключить течи радиоактивного натрия и его взаимодействие с воздухом, а также уменьшить строительные объемы здания реактора и сделать проект БН-1200 конкурентоспособным с проектом АЭС-2006.
В обеспечение конкурентоспособности по технико-экономическим показателям по отношению к перспективным реакторным технологиям и электрогенерации на органическом топливе проект БН-1200 был модернизирован. Для проекта БН-1200М необходимо отметить следующие пройденные технологические развилки: применение ГЦН-1 с картерной системой смазки, внедрение герметичного ГЦН-2 с синхронным электродвигателем, установленного на ПТО, размещение ПГ в реакторном отделении. Это позволило значительно улучшить экономические показатели проекта.
При этом существует потенциал дальнейшего улучшения технико-экономических показателей в части эксплуатационной и топливной составляющей стоимости — как результат внедрения в проект дополнительных технических решений, в частности: увеличение назначенного срока службы энергоблока с 60 до 80 лет, КИУМ — с 0,9 до 0,91, назначенного срока службы ПГ — с 30 до 60 лет, изменение конструкции стержней СУЗ и увеличение их ресурса, увеличение кампании топлива. Однако эти решения требуют дополнительных НИОКР.
— Какие у вас планы до конца текущего года, на 2023 год? Какие значимые события должны состояться до строительства и запуска?
— В этом году была разработана и утверждена распоряжением по госкорпорации «Росатом» дорожная карта разработки предпроектной и проектной документации и сооружения энергоблока № 5 Белоярской АЭС с реакторной установкой БН-1200М. В дорожной карте проработаны амбициозный и консервативный сценарии с вводом энергоблока в промышленную эксплуатацию в 2032 и 2035 году соответственно. При планировании работ для реализации проекта БН-1200М разработчики следуют именно амбициозному сценарию.
В соответствии с ним уже в 2022 году должна быть начата разработка обоснования инвестиций (ОБИН). В рамках предпроектных работ главный конструктор реакторной установки («ОКБМ Африкантов») должен определить технические требования к энергоблоку со стороны реакторной установки. Также совместно с генеральным проектировщиком и научным руководителем должны быть сформулированы и закреплены основные положения концепций ядерной, радиационной и пожарной безопасности. Должны быть определены принципиальные подходы по организации сооружения энергоблока и проведения пусконаладочных работ. В 2023 году ОБИН должно быть утверждено, проведены общественные слушания, что обеспечит в 2024 году прохождение Главгосэкспертизы и получение в Ростехнадзоре лицензии на размещение энергоблока. За два следующих года должны быть разработаны проектная документация, предварительный отчет по обоснованию безопасности, вероятностный анализ безопасности первого и второго уровней, выполнены инженерные изыскания, пройдена Главгосэкспертиза, и в 2026 году получена лицензия на сооружение.
На 2027 год запланирована заливка первого бетона, к 2030 году должно быть завершено сооружение строительных конструкций, изготовление и поставка оборудования длительного цикла изготовления. В 2031 году мы надеемся получить лицензию на эксплуатацию и в том же году пройти этапы физического и энергетического пусков.
— Вы уверены в успехе?
— Мы накопили большой опыт работы в области быстрой натриевой технологии. Действующие реакторы — исследовательский БОР-60 и промышленные БН-600 и БН-800 — успешно эксплуатируются. Полагаю, мы готовы к коммерциализации быстрой натриевой технологии и сохранению лидирующих позиций России в этой области.
1. Эволюция технических решений по повышению безопасности проектов БН
| БН-600 | БН-800 | БН-1200/БН-1200М | |
| 1. Решения по натриевым контурам | |||
| Промежуточный контур натрий–натрий | + | + | + |
| Окожухование корпусов с р/а натрием | + | + | + |
| Окожухование трубопроводов с р/а натрием | + | + | Трубопроводы с р/а натрием исключены |
| Окожухование трубопроводов второго контура | -/+ (частично) | -/+ (частично) | + |
| 2. Аварийная защита | |||
| Активная | + | + | + |
| Пассивная на основе гидравлически взвешенных стержней | — | + | + |
| Пассивная на основе температурного принципа действия | — | — | + |
| 3. Система аварийного отвода тепла | |||
| В составе третьего контура | + | ||
| Воздушные теплообменники присоединены ко второму контуру | — | + | |
| Воздушные теплообменники присоединены к первому контуру | — | — | + |
| 4. Система удержания расплавленного топлива | — | + | + |
2. Основные технические характеристики реакторов БН
| БН-350 | БН-600 | БН-800 | БН-1200 | |
| Вид компоновки | петлевая | интегральная | интегральная | интегральная |
| Вид топлива | Двуокись урана (UO₂) | Двуокись урана (UO₂) | Двуокись урана и плутония (UPuO₂) | Двуокись урана и плутония/нитрид урана и плутония (UPuO₂/UPuN) |
| Коэффициент воспроизводства | 0,93 (плутониевый коэффициент) | 0,85 (плутониевый коэффициент) | 1,0 | 1,2-1,4 |
| Номинальная тепловая мощность, МВт | 750 | 1470 | 2100 | 2800 |
| Электрическая мощность, брутто, МВт | до 150* | 600 | 880 | 1220 |
| Температура теплоносителя по первому контуру на входе/выходе ПТО, °C | 440/280 | 535/368 | 547/354 | 550/410 |
| Температура теплоносителя по второму контуру на входе/выходе ПГ, °C | 420/270 | 505/318 | 505/309 | 527/355 |
| Параметры третьего контура: | ||||
| температура острого пара, °C | 410 | 505 | 490 | 510 |
| давление острого пара, МПа | 4,9 | 14 | 14 | 17 |
| температура питательной воды, °C | 160 | 240 | 210 | 275 |
