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