«Каждая активная зона имеет свой характер и свое лицо»

Начальник комплекса БФС ФЭИ Александр Жуков рассказывает, как работают критические стенды

В рамках реализации стратегии развития двухкомпонентной платформы атомной энергетики Росатом разрабатывает инновационные реакторные установки, которые смогут работать в будущих ядерных энергетических системах поколения IV с замыканием ядерного топливного цикла. Прежде чем разработки конструкторов воплотятся в «железе», необходимо подтвердить расчетные характеристики и обосновать безопасность активных зон будущих реакторов. Как эта работа выполняется на критических стендах в Физико-энергетическом институте им. А. И. Лейпунского в Обнинске (АО «ГНЦ РФ — ФЭИ», входит в Научный дивизион Росатома), «Вестнику атомпрома» рассказал Александр Жуков, начальник комплекса быстрых физических стендов.

— Александр, давайте начнем с небольшого ликбеза. Что такое критический стенд, как он работает, для чего нужен?

— Существует четыре вида гражданских ядерных установок. Первый вид — атомные станции, их задачей является генерация электроэнергии. Второй — исследовательские реакторы, где решаются, например, материаловедческие задачи: когда разрабатываются новые конструкционные стали, их нужно облучить, посмотреть, как они себя ведут. Также на исследовательских установках можно изучать процесс выгорания топлива, нарабатывать изотопы. Далее идут критические и подкритические стенды. Подкритические стенды работают путем внесения какого-либо источника, который повышает эффективный коэффициент размножения нейтронов, но критическое состояние при этом не достигается ни в каком случае. Критические же стенды имеют возможность набрать критическую массу, создать запас реактивности, чтобы максимально близко соответствовать тем энергиям нейтронов, которые будут в активной зоне реактора. Поэтому именно на критических стендах можно собрать композицию из различных ядерных материалов для экспериментальных исследований характеристик моделируемой активной зоны. Кроме того, активные зоны состоят из различных подзон, экранов, органов регулирования, все это также можно смоделировать на критстендах.

Главное отличие критстендов от реакторов, в том числе исследовательских: здесь не требуется принудительное охлаждение активной зоны, то есть вся активная зона на критстенде находится, по сути, в воздухе, через нее не прокачивается (не циркулирует) никакой теплоноситель, там нет ни жидкого натрия, ни свинца, ни свинца-висмута, ни воды, ни газов.

Кроме того, мощность стендов мала, большие мощности нам не нужны. Выделяемая тепловая энергия просто отдается воздуху в помещении критического стенда. Это как лампочка — она горит, нагревается и свое тепло передает окружающему воздуху. БФС-1 имеет максимально разрешенную мощность 200 Вт, как большая лампочка, БФС-2 — 1 кВт. Казалось бы, смешная мощность по сравнению с энергоблоком АЭС, но нам не нужно вырабатывать электроэнергию или генерировать тепло. Нам нужна наука. И на критстенде этой мощности более чем достаточно, чтобы полностью увидеть «характер» активной зоны. Именно здесь, на критическом стенде, возникает та точка пересечения науки и эксплуатации, когда активная зона выдает характеристики, которые у нее будут в последующем, при реальной эксплуатации, и возможно проведение различных экспериментальных исследований.

Благодаря невысокой мощности в ходе экспериментов не происходит активация конструкционных сталей, облучение ядерного материала, который всегда находится в состоянии свежего топлива. Поэтому сотрудники могут в любой момент зайти в помещение критстенда, добраться до любой части сборки. То есть вся сборка может постоянно перебираться, активной зоне нет необходимости выстаиваться, чтобы сборка «высветилась», так что мы находимся в процессе постоянной работы, практически непрерывных экспериментов.

— В чем особенности именно ваших критических стендов?

— Критстенды БФС — это визитные карточки Физико-энергетического института. Комплекс включает два критических стенда: БФС-1 (быстрый физический стенд) и БФС-2 (большой физический стенд), который является крупнейшим в мире. Наши стенды уникальны: это на данный момент единственная в мире экспериментальная база, на которой можно собрать активные зоны быстрых реакторов, полностью их изучить и в дальнейшем дать заключение, соответствуют ли все заявленные нейтронно-физические параметры активных зон их расчетным характеристикам. Зачем это нужно? Есть определенные характеристики, экспериментальное подтверждение которых требуется существующими процедурами на пути создания будущей реакторной установки. Мы даем экспериментальные данные, на основании которых можно сделать заключение: соответствует расчетам — не соответствует расчетам.

БФС — это детище еще Александра Ильича Лейпунского, имя которого носит сегодня ФЭИ. Это был действительно великий человек, академик, который своими идеями дал жизнь очень многим установкам. Его талант позволил ядерным установкам работать и на земле, и под водой, и в космосе. И одной из идей Лейпунского были быстрые натриевые реакторы. Для того, чтобы проверить их характеристики, была предложена конструкция БФС. Она оказалась крайне удачной, это очень хорошее инженерное решение.

По конструкции стенды БФС-1 и БФС-2 в общем идентичны, но отличаются по размерам и возможностям. В их активные зоны устанавливаются топливные стержни (по сути, тонкостенные трубы). На БФС-1 труба имеет длину 2,2 м, на БФС-2 — 3,2 м. В активной зоне БФС-1 находится около 2000 топливных стержней, БФС-2 — около 10 000.

Для того, чтобы моделировать активные зоны различных реакторов, в эти трубы помещаются блочки различных материалов. Активная зона любого реактора, грубо, состоит из трех основных частей: конструкционные стали, теплоноситель и ядерный материал (не считая поглощающих материалов). И мы, как из конструктора лего, из сотен тысяч или даже миллионов таких блочков собираем ту композицию активной зоны, которую должны изучить.

Все это на стендах собирается вручную. В предыдущие годы, еще где-то в 1970-х годах, была попытка сделать автоматизированную систему сборки. Но при механическом заталкивании блочков бывало, что повреждались их оболочки: зазора между блочком и трубой, ее внутренним диаметром, практически нет, поэтому перпендикулярность блочка в трубе должна быть близкой к идеальной. Машина такого не чувствует, а человеческие руки — намного более точный инструмент.

— В чем именно заключается то, что вы называете очень удачным инженерным решением?

— Похожие по своим задачам установки ранее были и в других странах — в США, Франции, Японии, но они оказались не настолько универсальными, не выдержали проверки временем и сейчас по ряду причин не работают. Если сравнивать БФС с этими установками, то нужно отметить размеры, которые позволяют нам в настоящее время моделировать действительно большие активные зоны: БН-800, БРЕСТ-ОД-300, БН-1200. Плюс сама конструкция. У нас она классическая относительно активных зон, к которым мы привыкли, где ТВС стоят вертикально, где имеется нижняя дистанционирующая решетка, где доступ к активной зоне для перегрузок — сверху.

Например, японский стенд, который раньше служил для моделирования активных зон быстрых реакторов, имел абсолютно другой инженерный подход. Он состоял из двух частей, которые по рельсам разъезжались друг от друга, туда вручную горизонтально, а не вертикально, загружали стержни квадратного сечения. У каждой половинки были свои органы регулирования. Потом, когда эти две половинки были загружены, они съезжались вместе. У французов другая конструкция: топливные стержни фиксировались не в нижней дистанционирующей решетке, как у нас, а в верхней. На БФС же как размеры, так и технология сборки-переборки оптимальны и с точки зрения производственных процессов выполнения экспериментальных работ, порядка, количества действий. У нас и размер блочков оказался оптимальным. Тот же японский стенд имел квадратные блочки большего размера, примерно 5 на 5 см. Такие большие размеры блочков вносили свою погрешность при проведении экспериментов. В общем, много таких моментов, которые показывают, что именно принятое Лейпунским решение оказалось очень верным, и оно успешно используется до сих пор.

— То есть сейчас работают стенды, построенные еще в советское время?

— Очень важно отметить, что БФС-1 и БФС-2 недавно прошли техническое перевооружение, то есть замену и обновление оборудования с сохранением тех же паспортных характеристик. Это была действительно уникальная работа, выполненная всем Физико-энергетическим институтом, также для выполнения работ по техническому перевооружению привлекались и другие организации, в том числе в контуре госкорпорации «Росатом».

Техперевооружение было очень значительным. В его рамках были выполнены два отдельных направления работ. Первое — замена оборудования. По сути, от старых БФС остались только стены и металлоконструкции. Все это было предварительно тщательно обследовано: железобетонные строительные конструкции здания, остаточный ресурс металлоконструкций стендов, сварные швы, различные системы. В рамках техперевооружения были заменены все инженерные коммуникации, системы электроснабжения, вентиляции и канализации, все системы, важные для безопасности. То есть можно сказать, что все системы, действующие на БФС, были полностью заменены. Также в рамках строительно-монтажных работ были заменены пультовые на БФС-1 и БФС-2 и оборудование систем управления и защиты критических стендов, они стали очень современными.

Кстати, на техперевооружение практически одновременно ушли стенды БФС и французский стенд MASURKA (по размеру он — что-то среднее между БФС-1 и БФС-2). Но французы не смогли пройти этот сложнейший путь, когда нужно «вписать» установку (различные системы установки), созданную по старой нормативной базе, в новые, существующие на данный момент нормативные требования. В итоге в 2019 году французы приняли решение о прекращении работ по техперевооружению своего стенда и выводе его из эксплуатации. А у нас первые контрольные физические пуски после режима длительного останова БФС-1 были осуществлены в апреле 2019 года, а БФС-2 — в сентябре 2021-го. По БФС-1 выдано решение о продлении эксплуатации до конца 2036 года, БФС-2 — до конца 2041-го.

— А вторая часть работы по техническому перевооружению?

— Вторая часть заключалась в изготовлении новых материалов для будущих больших активных зон. Номенклатура наших блочков собиралась с 1960-х годов, с начала эксплуатации БФС, но для новых экспериментов требовалось дополнительно поставить блочки с металлическим плутонием, мононитридом урана, обогащенным карбидом бора, очень большое количество блочков с натрием реакторной чистоты. Новые партии блочков дали нам возможность приступить к новым экспериментам.

В сентябре 2021 года мы начали моделирование полной загрузки МОКС-топливом реактора БН-800. Были проведены эксперименты, позволившие обосновать безопасность такого перехода и получить лицензию Ростехнадзора (до этого реактор работал с так называемой гибридной зоной). В прошлом году мы завершили полное обоснование реактора БРЕСТ-ОД-300, были подтверждены все нейтронно-физические характеристики, все вопросы Ростехнадзора к физике реактора были сняты. То есть по результатам работы в рамках техперевооружения у нас появилась возможность впервые начать изучение активных зон именно на основе смешанного нитридного уранплутониевого (СНУП) топлива. Сейчас у нас собрана самая крупная в истории критическая сборка — это БН-1200, также на нитридном топливе. Ничего более масштабного никто и нигде не собирал. Это действительно огромная активная зона по меркам быстрых реакторов, в ней около 2 млн наших блочков.

Так что благодаря техническому перевооружению, которое мы прошли, с каждым годом работы становятся все интенсивнее, оба стенда постоянно загружены. Каждая активная зона имеет свой характер и свое собственное лицо, как и мы, люди. Поэтому мы лишь один раз проверяем одну компоновку: когда все экспериментально обосновано, со второй такой же зоной к нам не придут — она уже проверена. У нас постоянно ведется работа по моделированию новых активных зон.

— Объясните для неспециалистов: если мощность активной зоны на критстенде на шесть порядков меньше, чем у реактора АЭС, в активной зоне нет ТВС, нетциркуляции теплоносителя, то каким образом такие эксперименты дают возможность понять, как будут себя вести материалы и топливо при работе в настоящем реакторе?

— Наша главная задача — сделать так, чтобы в объеме топливного стержня наших экспериментальных установок была концентрация конструкционных сталей, теплоносителя, ядерных материалов с различным обогащением, различным изотопным составом максимально близка к тому реактору, который мы моделируем. Конечно, всегда есть некое отклонение, так как БФС — это универсальный инструмент, но оно минимально от тех концентраций, которые должны быть в будущей реакторной установке.

Например, данные по выгоранию топлива уже обычно оценены заранее с помощью расчетных программ (или выполненных ранее некоторых экспериментальных исследований на исследовательских реакторах). То есть мы ставим эксперимент, уже предполагая, каким должно быть выгорание в будущем реакторе, как изменяется изотопный состав ядерного топлива, какие изотопы нарабатываются, каких становится меньше, поэтому можем моделировать начало и конец микрокампании путем изменения изотопного состава в наших блочках с ядерным материалом. Соответственно, мы меняем наш «бульон» из ядерных материалов путем замены одних блочков на другие.

Обоснование у нас многогранное. Одно дело, если нужно ответить на вопрос, что вообще происходит с физикой активной зоны, когда в топливо добавлены, например, младшие актиниды. Это, по сути, бенчмарк для науки, когда сравниваются расчеты, не связанные с какой-то конкретной активной зоной. А есть отдельные эксперименты, когда уже сформирована активная зона, например БН-800 или БН-1200, и вы в той или иной части вносите в зону, например, младшие актиниды и смотрите, что будет. Это так называемые mock up-эксперименты — под конкретную активную зону.

Расчетные лаборатории с помощью своих аттестованных кодов, библиотек нейтронных констант считают, что должно происходить с физикой активной зоны, какие эффекты реактивности, что будет при определенных изменениях при нормальной штатной эксплуатации, а также за ее пределами. То есть прежде чем дело дойдет до эксперимента, все модели создаются, обсчитываются, группы расчетчиков в институтах и экспериментаторы взаимодействуют друг с другом.

Затем, когда расчетная модель активной зоны реакторной установки сформирована, наши расчетчики создают собственную модель под загрузку активной зоны БФС — с помощью специальных программ все пересчитывается под наши блочки, с определенными материалами в определенных концентрациях. И такое задание уже с комплектовкой, с местоположением каждого блочка в стержнях каждой подзоны, каждого типа топливного стержня выдается смене в виде комплектовок. Сменный персонал комплекса БФС собирает блочок за блочком, как это требуется, и загружает в активную зону — в определенную ячейку, в определенный топливный стержень, в определенную координату активной зоны. Все это строго контролируется. Так мы создаем именно ту сборку, которая максимально близка к моделируемому реактору с точки зрения идентичности концентрации материалов. 

Что мы рассматриваем в ходе экспериментов? Например, на активной зоне БН-1200 мы провели эксперимент (среди многих других) по изучению натриевого пустотного эффекта реактивности, когда моделируется, что в активной зоне нет части теплоносителя: он, допустим, где-то протек и не поступает для охлаждения в активную зону. Что будет с активной зоной? Она пойдет в разгон, либо этот эффект приведет к ее глушению или же вообще не приведет к изменению реактивности? Все это мы изучаем. Из других примеров наших экспериментов: измерение спектральных индексов, определение доли запаздывающих нейтронов. Изучаем распределение скоростей реакций по активной зоне, водородный эффект реактивности, эффект Доплера и многое другое. Нам для исследования нужно видеть тот или иной выделенный эффект или параметр в активной зоне и его измерить. Кроме того, на макетах изучается эффективность органов регулирования и защиты — тех, которыми будет управляться изучаемая реакторная установка.

Для управления критическими стендами есть то же самое оборудование (конечно же, не в таком количестве), что на АЭС. Есть пульт и щит оператора, куда выведены основные показатели, которые ему необходимы для управления критстендом, все основные характеристики здесь видны, как на любой реакторной установке. Есть и органы аварийной защиты, и компенсаторы реактивности, и органы ручного регулирования, которые могут работать в автоматическом режиме. Таким образом у нас на БФС получается уникальное сочетание науки и эксплуатации.

— Случается ли, что результаты экспериментов вас удивляют?

— Конечно, бывают всякие интересные вещи. Особенно если это новое направление в атомной энергетике, чем мы и занимаемся, — с использованием различных новых материалов, теплоносителей, где константная база еще не полностью наработана, где пока недостаточно информации. Бывало, что по расчету, допустим, должен быть отрицательный эффект реактивности, а по экспериментальным данным он получается положительным. Бывают отклонения по загрузке топливных стержней при выходе в критику от того, что было рассчитано. Могут проявиться температурные эффекты. Например, при большой загрузке плутония, который греется за счет спонтанного распада, зона может прогреться так, что весь запас реактивности будет съеден температурным эффектом.

К тому же сейчас вообще зоны становятся другими, даже появился термин pancake, то есть оладушек. Что это значит? Высота активных зон та же, но в диаметре они становятся все больше и больше, и тут уже могут начинаться пространственные эффекты: с этого края зона более мощная, а здесь более заглушена, то есть нейтронный поток меньше, поэтому нужно все это учитывать и изучать. Для этого мы разрабатываем новые подходы и методики, чтобы учитывать эти эффекты.

— И что происходит, если расчетные данные не подтвердились?

— Общение с расчетчиками идет в постоянном взаимодействии, расчетчики у нас присутствуют или получают данные в режиме реального времени, смотрят на каждом этапе, как идет эксперимент, сравнивают со своими данными, все ли идет как планировалось. Если есть отличия, начинается обсуждение, анализ. Обычно нам удается оперативно провести дополнительные эксперименты. Разумеется, работа не строится так, что мы провели эксперименты, разобрали активную зону и только потом начинаем выдавать данные. Все это идет параллельно, в живом режиме, чтобы была возможность наработать новые экспериментальные данные и объяснить, что происходит в активной зоне.

Надо сказать, что БФС выполняют еще одну очень важную задачу: наши эксперименты — это бенчмарк для отладки расчетных программ. Расчетчики проводят сравнительный анализ на каждом этапе для подтверждения (или корректировки при необходимости) расчетных кодов.

— Можно ли примерно обозначить, сколько времени занимают ваши эксперименты на одной активной зоне?

— Если мы говорим о большой активной зоне, как, например, для реактора БН-1200 или БРЕСТ-ОД-300, то примерно четыре месяца нужно на сборку и осуществление физического пуска. Затем шесть-восемь месяцев на проведение всевозможных экспериментальных исследований, потом активную зону надо разобрать. То есть требуется примерно год при постоянной двухсменной работе персонала на БФС. Но это именно на один вид активной зоны, а задачи бывают разными, и заказчику может быть интересно посмотреть на разные загрузки. Иногда требуется перестройка активной зоны или полная замена. Например, по БН-1200 планируется проведение работ с разными видами топлива. Сейчас мы заканчиваем изучать активную зону с нитридным топливом, в дальнейшем планируется изучение с оксидным (МОКС). То есть будут перебраны все топливные стержни, и это будет критическая сборка с абсолютно другими характеристиками, потому что новый вид топлива даст очень много изменений параметров активной зоны.

— Вы работаете с активными зонами только быстрых натриевых и свинцовых реакторов?

— Не только. На БФС-1 сейчас собрана активная зона ВВЭР-С, реактора на тепловых нейтронах со спектральным регулированием. Идут экспериментальные программы с МОКС-топливом, мы изменяем спектры нейтронов, движемся шагами от теплового к быстрому, изучим, как изменение спектра при введении вытеснителей в активную зону будет влиять на параметры активной зоны. Планируем выполнить часть работ и на чисто урановой зоне. Также идут работы по сравнению кодов, их доработке при переходе от урановой к МОКС-зоне. В общем, работы тут много, и перспективы тоже большие. Кроме того, в прошлом году мы проводили НИОКР и показали, что активную зону жидкосолевого реактора мы тоже сможем собрать и обосновать. Также на критических стендах БФС собирались критические сборки со свинцово-висмутовым теплоносителем.

— Расскажите, что за коллектив работает на БФС и решает такие интересные задачи.

— Сразу хочу пояснить: чтобы работали два стенда, нужен не только штат БФС. Есть службы комплекса БФС, есть расчетчики, есть лаборатория, которая проводит обработку и анализ результатов экспериментов. Кроме того, все ядерные установки требуют сопровождения, то есть задействованы и расчетные лаборатории, и эксплуатационно-производственное управление, и отдел ядерной безопасности, и цех радиоактивных отходов, и метрологические службы, которые следят за поверкой и исправностью приборов. Чтобы работали два БФС, работает, по сути, весь Физико-энергетический институт: порядка 20 подразделений так или иначе вовлечены.

Если говорить о коллективе именно БФС, то за последние пять лет он значительно обновился и омолодился. Точную цифру я вам не скажу, но по ощущениям средний возраст у нас примерно 45 лет — самый продуктивный возраст, когда люди уже набрались опыта и еще имеют энергию и желание делать что-то новое. У нас очень много активных молодых ребят, которые ответственно относятся к своей работе, вносят предложения. Приходят аспиранты, пишут научные работы.

Студенты приходят к нам на практику, многие остаются работать, потому что действительно БФС производят впечатление. Наши стенды самые современные по оснащению, у нас много разных задач. Ведь чем интересен эксперимент? У нас нет рутины, нет монотонной последовательности действий. Для каждого эксперимента нам каждый раз приходится что-то придумывать. Это действительно очень интересная работа. Разумеется, мы должны все это выполнять в рамках существующей нормативной базы, в рамках наших эксплуатационных возможностей. Но, несмотря на это, остается поле для «творчества», и сотрудники БФС используют его по полной программе.