Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Вперёд, к 100 МВт
Первая в мире АЭС ещё не была пущена, заканчивалось строительство и монтаж, а главный конструктор уже думал о продолжении работ.
С этой целью Николай Антонович Доллежаль, в те времена - директор НИИхиммаша, вместе с главным конструктором Первой в мире Петром Ивановичем Алещенковым приехали в Обнинск, чтобы обсудить с нашей дирекцией - куда двигаться далее?
Было решено разработать блок большой мощности 100 МВт (эл.) "АМБ-1" - конечно, большой по сравнению с Первой в мире.
От принципиальных решений Первой в мире отходить в проекте нового блока изначально не предполагалось. Это был бы канальный реактор с графитовым замедлителем. В первом контуре была бы вода под давлением свыше 100 атмосфер. Во втором контуре в парогенераторе рождался бы пар и с небольшим перегревом шёл на турбину.
Иными словами, полная копия по технологической схеме Первой в мире.
Решили, что создать блок на 100 МВт, наверное, будет нетрудно. Тем более, что вскоре на Первой в мире появится эксплуатационный опыт.
Какие-то трудности были видны с самого начала. Например, габариты активной зоны. У обнинского реактора высота активной зоны была 1,7 метров. Для блока на 100 МВт речь шла минимум о 6 метрах, тепловыделяющие элементы изготавливать будет сложнее.
Прошло совсем немного времени, буквально несколько месяцев. Николай Антонович снова договорился с Блохинцевым (в то время Дмитрий Иванович был директором нашего института) об очередной встрече.
Доллежаль снова приехал вместе с Алещенковым. От нас участвовали в совещании не только Блохинцев, но и Андрей Капитонович Красин, Валерий Иванович Субботин, Михаил Егорович Минашин.
Николай Антонович на встрече изложил новую идею.
Наши коллеги из Москвы предложили активную зону разделить на две части. Первая часть - испарительные каналы, в них теплоноситель первого контура будет кипеть. Паросодержание теплоносителя в топливных каналах Н.А.Доллежаль называл около 30% массовых - то есть, по весу пара уже много.
Эта пароводяная смесь будет поступать в парогенератор, там будет генерироваться пар, а после этого пар снова направляется в реактор, в пароперегревательные каналы, которых по количеству было бы примерно 1/3 от общего числа топливных каналов.
В этом случае можно было получать пар с параметрами, которые были присущи в то время для обычных ТЭЦ.
В те времена ТЭЦ, работающие на каменном угле или мазуте, генерировали пар с давлением 100 и больше атмосфер и температурой порядка 500°С. Соответственно, в новом блоке Николай Антонович предложил нагревать пар в реакторе до температуры 510°С.
Идея была заманчивая - за счёт высоких параметров пара можно будет существенно повысить коэффициент полезного действия и использовать стандартный машинный зал со всем оборудованием, включая турбину, генератор и всё остальное, а, стало быть, заметно улучшить экономику станции.
Трудности пуска
Казалось, что это будет не так уж и трудно. На самом деле, проект оказался существенно более сложным, чем проект Первой в мире.
Естественно, трудности были, прежде всего, с тепловыделяющими элементами. Главным конструктором-технологом твэлов был по-прежнему Владимир Александрович Малых. Считалось, что раз он решил невероятно трудную задачу для Первой в мире АЭС, то ему и карты в руки.
Вторая трудность состояла в технологии пуска этого реактора.
Как мы пускаем реакторы типа ВВЭР или ту же нашу Первую в мире? Мощность потихоньку поднимаем, в парогенераторах начинает генерироваться пар, повышаются его параметры, в турбину начинаем подавать ещё некондиционный пар, а потом всё приближается потихоньку к штатным параметрам.
Поскольку в таких реакторах во время пуска и после (на мощности) всегда циркулирует вода первого контура, проблем с охлаждением активной зоны не существует.
А вот теперь начинаем пускать блок АМБ-1. Пароперегревательные каналы по проекту должны охлаждаться паром. Но когда мы только начинаем поднимать мощность, пара-то нет.
Как же охлаждать на начальных этапах пуска пароперегревательные каналы? Подними мощность на несколько процентов, и каналы без охлаждения будут погублены... Решать эту проблему было предложено нашему институту.
Мне посчастливилось этой пусковой технологией заниматься. С этой целью на Первой станции была сооружена петлевая установка. Первоначально нам нужно было освоить кипение теплоносителя в каналах реактора - кстати, впервые в нашей практике. Согласно проекту нам категорически запрещалось выходить в режим кипения в каналах.
Если не принимать специальных мер, то при выходе в режим кипения есть опасности. Одна из них связана с нестабильностью расхода. Начинаются колебания расхода теплоносителя, которые по мере подъёма мощности всё больше и больше усиливаются с возможным снижением расхода теплоносителя до нуля.
С этой проблемой мы справились быстро. В реактор Первой в мире было установлено несколько модернизированных испарительных каналов. У нас появилась полная стабильность расхода теплоносителя при выходе в режим кипения. Теперь нужно было решить проблему с пароперегревательными каналами. В петлевой установке сперва у нас был один пароперегревательный канал и несколько испарительных.
Не буду рассказывать все тонкости, долго мы мучились, но, наконец, нашли способ, каким образом нам обеспечить обязательную работоспособность твэлов пароперегревательных каналов, чтобы они не перегревались в пусковом режиме. И эту технологию мы потом перенесли на реактор.
Что мы делали? На первых стадиях пуска испарительные и пароперегревательные каналы охлаждались водой при номинальном давлении.
Выходили на промежуточную мощность, процентов 20-25 от номинала. Начиналось кипение и в тех, и в других каналах. После этого мы очень быстро сбрасывали мощность до 1-2 процентов и одновременно сбрасывали давление пара в пароперегревательных каналах.
Идея состояла в следующем. Раз вода была нагрета до кипения при высоком давлении, то по отношению к более низкому давлению она перегрета. Соответственно, при низком давлении она вся быстро вскипает и превращается в пар.
Теперь за короткое время, пока у нас есть пар, от нас требовалось снова быстро поднять мощность, чтобы сохранить паровой режим.
Пусковую методику мы отработали на нашей петлевой установке и предложили её для Белоярской станции. Конечно, мы побаивались, что на большом реакторе всё может пойти не так, как на маленькой петле. Но такая технология пуска оказалась приемлемой. Оставалось решить проблему твэлов пароперегревательных каналов.
Предложение Девятки
Между тем, пароперегревательного канала всё не было и не было. Время шло, назначенные сроки пропущены.
Что делать? В.А.Малых проверил разные варианты. Начинали с варианта Первой в мире: топливо - уран-молибденовый сплав, который заливался контактным материалом - магнием.
Был опробован уран-молибденовый сплав разного содержания по молибдену, 3%, 6% и 9%. Заливали его не только магнием, заливали и кальцием. Потом от уран-молибденового сплава перешли к монокарбиду урана, потом к нитриду, и тоже заливали кальцием.
Все эти варианты не смогли обеспечить нужную температуру перегретого пара. Тепловыделяющие элементы разгерметизировались, выходили из строя, мы проектные параметры получить не могли.
Было принято решение - пускать блок с использованием испарительных твэлов в пароперегревательных каналах при низкой температуре перегрева пара и продолжить разработку твэлов, способных обеспечить перегрев пара в пароперегревательных каналах до 500°С.
Проблема разрешилась следующим образом. За время совместной работы по проекту ТЭС-3 я познакомился с технологами НИИ-9 (в настоящее время - ВНИИНМ), А.Г.Самойловым и А.В.Поздняковой. Однажды я спросил их - не могут ли они помочь нам с пароперегревательными твэлами? Естественно, рассказал всю предысторию.
Буквально через неделю из "Девятки" пришло предложение по новому варианту пароперегревательного твэла. Была изготовлена опытная сборка с одним твэлом... Даже не твэлом, а твэльчиком, маленьким, полметра высотой. Поставили его в петлевую установку в составе пароперегревательного канала, вышли на температуры пара за 500°С. И твэл выдержал.
"Девятка" предложила нам для пароперегревательных твэлов топливо на основе двуокиси урана с заливкой его сплавом на основе меди. Как оказалось, В.А.Малых знал этот вариант, но его не предлагал и не реализовывал, поскольку М.Е.Минашин не советовал ему использовать в конструкции твэла сильнопоглощающие материалы. А медь относится к ним.
Уже после того, как реактор АМБ-1 начал работать - а пущен он был 26 апреля 1964 года - спустя некоторое время были изготовлены новые пароперегревательные твэлы с двуокисью урана. И первый блок Белоярской АЭС стал работать на тех параметрах, которые были в проекте. Второй блок уже с самого начала пускался с новыми пароперегревательными каналами.
Достижения
В мире была выполнена, кроме нас, лишь одна попытка спроектировать реактор на тепловых нейтронах с внутриреакторным перегревом пара.
Знаю, что в США был спроектирован реактор "Pathfinder". Более того, они его построили в середине 60-ых годов в Южной Дакоте. Мы это знали по литературе, но в ней ничего не говорилось ни о пуске, ни о причинах, почему реактор вскоре после сооружения и пуска был остановлен.
По данным базы PRIS, АЭС "Pathfinder" впервые подключена к сети 25 июля 1966 года, решение о её закрытии принято 1 октября 1967 года. В некоторых современных публикациях утверждается, что максимальный по длительности интервал, в течение которого "Pathfinder" был в состоянии работать на номинальной мощности, не превысил 30 минут. - Прим. AtomInfo.Ru.
Я понимаю, что проектировать такие установки очень непросто. "Pathfinder"был не канальный реактор, а корпусной по типу ВВЭР. Часть активной зоны внутри корпуса реактора была испарительной, часть пароперегревательной. А пускать его было, ой-ля-ля, как тяжело!
Что давали реакторы АМБ с точки зрения экономики? Конечно, Н.А.Доллежаль был прав, когда говорил, что при таких параметрах пара машинный зал мы можем брать один к одному как для обычных электростанций.
А это большая экономия капитальных средств. Турбину не надо новую разрабатывать, как это пришлось делать при разработке проектов АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК.
Кроме того, хороший к.п.д. у белоярских реакторов сработал так, что топливная составляющая стоимости вырабатываемой электроэнергии стала поменьше. И на втором блоке с мощностью 200 МВт(эл.) цена производимой электроэнергии вплотную приблизилась к той, которая получалась на обычных ТЭЦ.
А ещё первые блоки стали использоваться для отопления посёлка, а в потоке тёплой сбросной из конденсаторов турбины воды был устроен "аквариум" для разведения хорошей рыбы, да была сооружена большая отапливаемая теплица, которая поставляла в столовую овощи в холодное время года.
Проблема 100%
Неприятности также случались. Куда же без них?
Когда был в общих чертах готов проект первого блока будущей Белоярской АЭС, мы в нашей инженерной лаборатории решили проверить - не выйдем ли мы на критическую тепловую нагрузку в испарительных каналах реактора, когда резко ухудшается теплопередача и могут быть неприятности (перегрев) с тепловыделяющими элементами.
Опытные данные по критическим нагрузкам для наших параметров теплоносителя впервые были получены у нас в институте. Занимался этим Борис Александрович Зенкевич в своей лаборатории.
Сперва мы учли все возможные погрешности простым "арифметическим" образом. Получилось совсем плохо. Тогда мы учли погрешности вероятностным способом, что, конечно, более близко к истине. Всё равно выходило, что работать на 100% мощности не допустимо. Нормальная работа блока могла быть только при мощности 70%.
Я уговорил М.Е.Минашина поехать с этим результатом к Н.А.Доллежалю. Он это сделал. Доллежаль сказал "Спасибо", и всё, слушаться нас не стал.
Тогда я первый раз обратился к Александру Ильичу Лейпунскому, рассказал ему о наших расчётах. Лейпунский попросил отчёт, я принёс. На следующий день звонок: "Прочитал ваш отчёт, я согласен, завтра поедете со мной к Доллежалю".
Приехали к Доллежалю. Я рассказал о результатах наших расчётов. Затем А.И.Лейпунский предложил поступить так: "Если Вы согласны, давайте подготовим письмо Е.П.Славскому с просьбой снизить проектную мощность АМБ-1 до 70%, и оба подпишем это письмо".
Николай Антонович ответил: "Хорошо, мы посмотрим отчёт".
Поскольку я много занимался пусковыми режимами, меня направили на период пуска на Белоярскую станцию. Пробыл я там полтора года, меня оформили в качестве заместителя директора. А директором был Владимир Петрович Невский, бывший начальник монтажной конторы АЭС с реактором "АМБ-100".
С момента пуска первого блока проходит год. Мы освоили 70%. И вот, как сейчас помню, 26 апреля 1965 года меня вызывает Невский, и у нас состоялся следующий разговор.
- Ну, царь зверей, иди на пульт, давай записывай, будем выходить на 100%.
- Владимир Петрович, я Вам рассказывал, нет у нас 100%, будут неприятности с твэлами, нельзя, нельзя.
- Не трусь! Ты всего боишься. Я с Доллежалем разговаривал, он говорит, что всё будет в порядке.
- Нельзя! У нас сейчас всё чистенькое. Загрязним активную зону, графит загрязним. Зачем нам это делать?
- Иди на пульт и выходи!
- Это приказ?
- Хочешь приказ - будет приказ.
Ушёл на пульт, записал в журнале: "Получил указание директора станции выходить на 100%. Считаю это недопустимым". Расписался.
Беру трубку, с пульта ему звоню, вот что я написал.
- Ну и дурак, отдай трубку начальнику смены.
Отдаю трубку начальнику смены, тот получает указание выходить. На следующий день "задымило" семь каналов.
Первого мая - все на демонстрацию, а я пошёл извлекать из реактора повреждённые каналы. Впоследствии в первый контур был установлен дополнительный насос, и первый блок Белоярской АЭС выведен на проектную мощность.
Но это была ещё не самая большая неприятность. Другая произошла перед пуском второго блока во время пусконаладочных работ при промывке первого контура.
Для компенсации избыточной реактивности в опускные трубки топливных каналов второго блока были поставлены поглощающие кадмиевые "стерженёчки". Надёжность конструктивного решения не была подтверждена экспериментом. Во время промывки из-за возникшей вибрации стерженьки повредили трубки многих топливных каналов.
Декабрьский пожар
Большая неприятность была в 1978 году в конце декабря перед Новым Годом. Во всей европейской части нашей страны стояли лютые морозы. У нас в Обнинске доходило до -45°С. На Белоярке, где работали уже два блока, на улице было -48°С.
О причинах споры идут до сих пор. В ночь с 30 на 31 декабря упала огромная бетонная плита верхнего перекрытия в машинном зале.
Плита обрушилась, попала на систему масляных трубопроводов. Масляный насос этой системы подаёт масло в подшипники турбины. А у него давление под 20 атмосфер. Через образовавшуюся щёлку в трубопроводе масло стало вытекать распыляться в машзал. Он быстро заполнился парами масла и, очевидно от искры, вдруг вспыхнул.
Весь машинный зал превратился в мгновение ока в топку. Перекрытия, сделанные из огромных металлических швеллеров, прогнулись из-за температуры. И упали ещё одна или две плиты.
Но, правда, генпроектанты не до конца согласны с этой версией. Они говорят, что на самом деле в напорном масляном трубопроводе, наверное, давно наметилась щель в сварном шве, и что она и стала причиной утечки масла и последующего пожара.
Когда вырезали кусок "масляного" трубопровода, то эта щёлка была видна. Но сказать, от чего она появилась - от падения плиты или... От падения она, наверное, была бы другая, весь трубопровод бы смялся.
Может, проектанты, на самом деле, были правы. Может быть, попадание масла было через эту щель, а уже от температуры плиты начали падать.
Неофициальная версия по этой аварии действительно существует. Согласно этой версии, сначала в машзале возник пожар, а затем от недопустимого перепада температур началось обрушение. По итогам проверки, госкомиссия сделала выбор в пользу версии "сначала обрушение, затем пожар". - Прим. AtomInfo.Ru.
Пожар быстро перекинулся на кабельные помещения. В то время кабели были обычные. Они не были защищены от пожара. Это сделали уже после пожара на Белоярке. А тогда они были все сильно просмоленные и горели, в том числе, и кабели на 6 кВ. Пожарники побаивались направлять струю воды на горящие кабели, боялись высокого напряжения.
Пожар продолжался уже более 12 часов, когда Председатель Совета Министров СССР А.Н.Косыгин взял ситуацию под свой контроль (руководитель областной пожарной службы получил "взбучку").
Надо сказать, что эксплуатационники просто героизм проявляли. Они сами активно участвовали в тушении пожара. Вся смена, а потом Невский вызвал ещё подмогу, работали истово. Они сделали, в основном, всю работу по ликвидации пожара.
Вот был такой уникальный случай. Конечно, это подзадержало возвращение в работу второго блока, который во время аварии был остановлен. Необходимо было выполнить ремонтные работы в машзале. Но первый блок во время этих событий работу не прекращал, в машинном зале, который "общался" в это время с окружающей средой при температуре -48°С, продолжали работать и турбина, и генератор, и всё остальное.
Среди других существенных неприятностей можно упомянуть и многочисленные утечки воды из топливных каналов в графитовую кладку реактора из возникающих в трубках каналов трещин в результате коррозии под напряжением.
Всё упомянутое было следствием не столько ошибок персонала, сколько недоработки проектных организаций.
Однако был один случай, когда из-за ошибки оператора при выводе второго блока на мощность после его остановки на ремонт были угроблены более 100 топливных каналов.
Из всего сказанного о имевших место неприятностях следует сделать один наиважнейший вывод - абсолютно безопасных реакторных установок не существует. Ядерный реактор не "самовар" - как умели выражаться некоторые высокие руководители и даже учёные, а очень сложная и опасная установка. Но это вовсе не означает, что надо исключать её из нашей жизни ("надо только уметь жить").
И ещё один вывод, которой хотелось бы сделать: ядерными делами, установками, атомными станциями должны управлять не менеджеры, даже талантливые, но ничего не ведающие о природе, науке, технике этих установок, а образованные, опытные специалисты.
Уникальнейший проект
А в конце я хотел бы ещё раз повторить. Реакторы АМБ - уникальнейший проект.
Понять Николая Антоновича Доллежаля как энергетика можно. Он хотел получить пар высоких параметров, чтобы использовать стандартный машинный зал. И результаты были налицо. Самое главное, что стоимость электроэнергии второго блока относительно небольшой мощности 200 МВт(эл.) уже была привлекательная.
Впоследствии Николай Антонович хотел внутриреакторный перегрев реализовать и для реакторов РБМК, но в этом его не поддержали.
А на Белоярской АЭС с пуском БН-600 началась новая жизнь - история освоения быстрых натриевых реакторов.