Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 

Б.И. Нигматулин, В.А. Пивоваров 

По итогам заседания разработчики БРЕСТа подготовили проект решения, который был разослан всем его участникам. Этот проект интересен тем, что, во-первых, он отражает взгляд самих разработчиков на результаты своей деятельности, а, во-вторых, дает представление о том, какая информация и в каком виде доводится до сведения руководства отрасли. 

Ниже приводятся выдержки из этого документа (выделено курсивом) с комментариями, которые в известной степени будут пересекаться с содержанием предыдущих глав.

 

1.1. Основные решения, направленные на обеспечение выполнения требований нормативной документации и повышения уровня безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300: 

- интегральная компоновка с многослойным металло-бетонным корпусом без запорной арматуры в контуре циркуляции теплоносителя;

- широкое использование пассивных защитных и локализующих систем и устройств;

- использование радиационно-стойкого, мало активируемого свинцового теплоносителя с высокой температурой кипения;

- использование плотного теплопроводного топлива.

 

Комментарий

Выбор свинцового теплоносителя создает ряд очень существенных и практически неустранимых угроз безопасности РУ, которые проявились при эксплуатации ЯЭУ с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (СВТ), вызвали многочисленные, в том числе и тяжелые аварии этих установок, отрицательно сказались на их работоспособности – ни один из 13-ти построенных реакторов, включая наземные прототипы, не проработал больше одной кампании, 5 реакторов было потеряно в результате тяжелых аварий. Общая наработка на всех свинцово-висмутовых реакторах за 37-летнюю историю их эксплуатации составляет не более 5 эфф. реакторо-лет. 

К основным техническим решениям, принятым в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 относятся:

- тяжелый коррозионно-агрессивный теплоноситель с высокой температурой плавления и кипения, склонностью к зашлаковке при взаимодействии с воздухом и водой;  

 - интегральная компоновка с восемью встроенными парогенераторами с давлении 17-18,5 МПа;

 - крайне медленная (в 5 раз медленнее, чем у БН-800) и ненадежная аварийная защита с использованием поплавковых РО СУЗ, всплывающих в активную зону под действием силы Архимеда;

 - хрупкое, с ускоренным распуханием и интенсивной наработкой   углерода-14 СНУП-топливо, несовместимое ни с оболочкой из стали ЭП823, ни со свинцовым теплоносителем. 

Ни одно из этих технических решений не имеет подтверждения ни предыдущим опытом, ни достаточным объемом экспериментальных исследований и испытаний. Эти решения не только не способствуют повышению уровня безопасности, но и создают прямую угрозу целостности физических барьеров (оболочке твэлов и корпусу реактора), безопасности и работоспособности РУ в целом. 

 

1.2. Основные результаты расчетно-экспериментального обоснования активной зоны: 

– максимальный запас реактивности при работе на мощности 0.54β_эф с учетом компенсации методической, константной и технологической неопределенностей в 1.3 %Δk/k техническими мерами, осуществляемыми на этапе физпуска;      

– расчетное обоснование нейтронно-физических характеристик, баланса реактивности и выполнение нормативных требований ПБЯ выполнено по аттестованным ПС MCU-BR FACT-BR;

Комментарий

Как уже говорилось в разделе 2.1, апологеты «естественной безопасности» отказались от одной из самых «священных коров» своей концепции, признав, наконец, невозможность расчетного обоснования ограничения максимального запаса реактивности величиной β_эфф в течение всей кампании (КВА ~ 1). В чем состоят «технические меры», с помощью которых предполагается компенсировать константную и технологическую неопределенности в 1.3 %Δk/k, не уточняется.

В связи с этим необходимо отметить, что если эта неопределенность касается лишь расчета начального запаса реактивности, то её действительно нетрудно компенсировать с помощью постоянных компенсаторов реактивности (ПКР), которые использовались, например, на БН-800. Но если константная неопределенность существенно повлияет на значение КВА, то компенсировать ее можно будет только с помощью дополнительных РО СУЗ, что повлечет за собой увеличение запаса реактивности. 

Аттестованная погрешность расчета k_эфф для ПС MCU-BR и FACT-BR, оцененная как одно среднеквадратическое отклонение (ϭ), составляет 0,35 %Δk/k. Расчет баланса реактивности, представленный в ПООБ, выполнен с учетом 2ϭ, что соответствует уровню достоверности 95 %. На практике для обоснования ядерной безопасности принято (ВВЭР, РБМК, БН, ЭГП-6) учитывать максимальную аттестованную погрешность используемого кода (~3ϭ), что соответствует уровню достоверности 99,7 %. Если правило 3ϭ применить к РУ БРЕСТ-ОД-300, то по данным ПООБ максимальный запас реактивности составит 1,92 % Δk/k, а эффективность РО АЗ-1 ‒ 1,63 % Δk/k, чего недостаточно для перевода реактора в подкритическое состояние (несоответствие требованию 2.3.1.4 НП-082-07).     

– максимальная температура оболочек твэл и топлива не превышает       667 ºС и 1353 ºС с учетом факторов перегрева;

 – расчетное обоснование теплогидравлических характеристик выпол-нено по аттестованным (с ограничениями) ПС ПУЧОК-ЖМТ и FLUENT;

Комментарий

ПС ПУЧОК-ЖМТ, с помощью которого получена максимальная температура оболочек твэлов и топлива, не аттестовано для расчетов в свинцовом теплоносителе (только в Na-K). Экспериментальные данные о теплообмене в пучке твэлов в потоке СТ отсутствуют, их еще только планируется получить. Как указано в п. 4.2.8.2.2 ПООБ, в расчетах учитывалось термическое сопротивление окисной пленки, толщина которой составляет 10 мкм. Это совершенно не соответствует результатам коррозионных испытаний.

По оценкам АО «ГНЦ РФ-ФЭИ» ( п. 4.3.5.2.1.3 ПООБ), увеличение толщины оксидных пленок за 40 тыс. часов при Т = 540 °С и С_О=4∙10^-6 %_мас, может достигать 120 мкм (для стали ЭП-302) и 107 мкм (для стали ЭП-823). Причем указанные оценки сделаны на основе испытаний ненагруженных образцов. Коррозионные испытания образцов стали ЭП302-Ш под нагрузкой, проведенные в ЦНИИ КМ «Прометей», показали, что с ростом напряжения скорость окисления, а соответственно и толщина оксидной пленки на поверхности твэлов, многократно возрастают.

Заниженная на порядок толщина оксидной пленки на поверхности твэлов, использование неаттестованного ПС, отсутствие экспериментальных данных по теплообмену в свинце делает обоснование теплотехнической надежности активной зоны РУ БРЕСТ-ОД-300 не только неконсервативным, но и недостоверным.  

– работоспособность топлива при проектном выгорании начального периода эксплуатации ПРИ твэлов типа БРЕСТ с оболочками из стали ЭП823-Ш, облученных в БОР-60 (ОУ-1, ОУ-2) и БН-600 (КЭТВС-3, ЭТВС-5 и ЭТВС-9) (всего облучено более 1000 твэлов со СНУП, из них 534 твэла со сталью ЭП823-Ш); 

Комментарий       

Как видно из приведенных в Главе 3 (п. 3.2) данных, фактические результаты реакторных испытаний СНУП-топлива для РУ БРЕСТ-ОД-300 не только не подтверждают работоспособность этих твэлов «при проектном выгорании начального периода эксплуатации» (6 %_т.а.), но и прямо свидетельствуют о несовместимости нитридного топлива с оболочками из стали ЭП823-Ш.

Необходимо отметить также, что испытаний твэлов РУ БРЕСТ-ОД-300 в натриевых реакторах (БОР-60, БН-600) далеко недостаточно для обоснования их работоспособности в реальных условиях эксплуатации, поскольку в этих испытаниях отсутствует главный повреждающий фактор – свинцовый теплоноситель и связанные с ним кислородная и жидкометаллическая коррозия, а также деградация механических свойств стали.

Ни внутритвэльная язвенная коррозия глубиной 100-170 мкм, ни локальная ЖМК со стороны свинцового теплоносителя – до 180 мкм за 1,5 месяца, не учтены в проекте твэла. Как указано в п. 4.2.1.1.3.1 ПООБ: «Коррозионное взаимодействие стали со свинцовым теплоносителем учтено в техническом проекте твэла прибавкой на утонение стенки величиной 35 мкм. Значение выбрано с консерватизмом (примерно 2 раза), поскольку коррозия без облучения имеет размер около 15 мкм». 

Локальная ЖМК оказывает определяющее влияние на работоспособность твэлов в свинцовом теплоносителе, но она никак не проявляется в испытаниях в натриевых реакторах. 

– получены свойства для применяемых групп полуфабрикатов, включая, длительные, под облучением, в среде теплоносителя, обеспечивающие работоспособность твэлов до выгорания 6 %т.а.; 

Комментарий

Достоверные, статистически обоснованные данные о механических свойствах основных конструкционных материалов РУ БРЕСТ-ОД-300 в среде свинцового теплоносителя, без которых невозможно достоверное обоснование прочности и проектного ресурса твэлов, ТВС и внутрикорпусного оборудования, на сегодняшний день отсутствуют. 

– обоснование фреттинг-коррозии выполнено на основании результатов коррозионных испытаний в Pb малостержневых коррозионных макетов     2500 ч и 5000 ч, показавших величину истирания оболочки менее 0.5 мкм при принятых 39 мкм.

Комментарий

Имеющиеся на сегодняшний день результаты стендовых испытаний не подтверждают работоспособность ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300 и выполнение критериев безопасности не только в течение назначенного ресурса, но даже и одного года. Работоспособную в свинце конструкцию ТВС с дистанционирующими решетками еще только предстоит найти, если это вообще возможно, что после 6 лет поисков и испытаний далеко не очевидно.  

Еще одним элементом ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300, требующим экспериментального подтверждения, является управляемый цанговый замок, удерживающий ее от всплытия в свинцовом теплоносителе. Размах напряжений в цанге достигает 212 МПа. Ресурсные испытания, подтверждающие работоспособность цангового замка после его длительного (4-5 лет) пребывание в неподвижности в свинцовом теплоносителе при температуре ≤ 420 °C (жидкометаллическое охрупчивание, зашлаковка), отсутствуют. 

– без потери герметичности завершено облучение 61 твэла ЭТВС-11 в течение 9 микрокампаний с достижением выгорания 8.3 %т.а., повреждающей дозы 98 сна;

Комментарий

Сохранение герметичности при нормальной эксплуатации, это необходимое, но далеко не достаточное условие для подтверждения критериев безопасности. В процессе эксплуатации оболочка твэла должна сохранять свои механические свойства на уровне, достаточном для выполнения проектных пределов, установленных для проектных аварий. В п. 3.2 были представлены фактические результаты  реакторных испытаний твэлов РУ БРЕСТ-ОД-300, вплоть до ЭТВС-9 (коррозионные язвы глубиной 100-170 мкм, науглероживание до 100 мкм, потеря пластичности под влиянием СНУП-топлива, жесткий контакт «топливо-оболочка» уже на ранних стадиях облучения и, как следствие,  удлинение, овализация и многочисленные локальные деформации оболочки). Ни расчетных, ни экспериментальных данных о поведении твэлов со СНУП-топливом в проектных авариях, с учетом реальных результатов реакторных испытаний, не представлено. 

Известно, что после достижения локального выгорания ~8 % т.а. начались разгерметизации твэлов с UN топливом в реакторе БР-10 (всего разгерметизировалось 24 твэла). В 78-й микрокампании БН-600 также зарегистрирована разгерметизация твэла со СНУП-топливом, причина которой пока не установлена. И это в натриевых реакторах.

В свинцовом реакторе жесткий контакт «топливо-оболочка» приведет не только к деформации оболочки, но и к повреждению (растрескиванию) на ней защитной оксидной пленки и, как следствие, глубокой локальной ЖМК со стороны свинцового теплоносителя. Поскольку контакт «топливо-оболочка» в твэлах с хрупким нитридным топливом наступает на самых ранних стадиях облучения (через фрагменты топлива в газовом зазоре), то и разгерметизация твэлов в свинцовом реакторе будет происходить намного раньше, чем в натриевом, где нет проблемы глубокой жидкометаллической коррозии со стороны натриевого теплоносителя.

Резюме к разделу 1.2

Представленный в ПООБ расчет баланса реактивности показал недостаточную эффективность аварийной защиты. 

Теплогидравлические расчеты активной зоны выполнены с помощью неаттестованного кода, без учета фактических данных о толщине оксидной пленки на поверхности твэлов и при отсутствии экспериментальных данных по теплообмену в пучке твэлов в свинцовом теплоносителе.  Такие расчеты неконсервативны и недостаточны для подтверждения критериев безопасности по температуре оболочки и топлива. 

Прочностные расчеты твэлов выполнены без учета фактических данных реакторных испытаний СНУП-топлива (внутритвэльной язвенной коррозии) и данных коррозионных испытаний стали ЭП823-Ш под напряжением в свинцовом теплоносителе, с использованием непредставительных, статистически необоснованных данных о механических свойств стали в свинце, что делает эти расчеты не только неконсервативными, но и совершенно недостоверными. 

Обоснование прочности ТВС сделано исходя из ложного представления о том, что фреттинг-коррозия не превышает 0,5 мкм за 5000 ч, что в десятки раз меньше, чем это получено в кратковременных испытаниях макетов ТВС на свинцовых стендах АО «ГНЦ РФ-ФЭИ». 

Испытания твэлов со СНУП-топливом в натриевых реакторах БОР-60 и БН-600 показали неудовлетворительную совместимость нитридного топлива с оболочкой из стали ЭП823-Ш (внутритвэльная коррозия до 100-170 мкм, науглероживание до 100 мкм, снижение пластичности). 

Фактические данные испытаний стали ЭП823-Ш в свинце свидетельствуют о ее низкой коррозионной стойкости в условиях эксплуатации (локальная ЖМК глубиной до 180 мкм за 1,5 месяца испытаний) и деградации механических свойств (снижение длительной прочности в 8-39 раз, увеличение скорости ползучести в 5-7 раз). 

Фактические данные испытаний макетов ТВС в свинце показали неработоспособность узла дистанционирования твэлов (коррозионные язвы на пуклевках ДР до 50-70 мкм за 4-4,5 месяца испытаний, при исходной толщине пуклевок 200 мкм). Полноценные ресурсные испытания твэлов РУ БРЕСТ-ОД-300 в реакторной петле со свинцовым теплоносителем отсутствуют, а имеющиеся результаты испытаний в натриевых реакторах и свинцовых стендах не позволяют обосновать их работоспособность не только до выгорания 6 %т.а., но даже и на 1 год.

1.3. Основные результаты обоснования реакторного корпуса

Комментарий

Металло-бетонный корпус РУ БРЕТ-ОД-300 не обладает локализующей способностью, достаточной для предотвращения недопустимого снижения уровня теплоносителя в первом контуре в случае разгерметизации (течи) металлической оболочки (МО) центральной или периферийной полостей. Разгерметизация МО выше уровня теплоносителя приведет к заполнению пористого бетонного массива корпуса БР радиоактивным газом из газовой полости РУ или аргон-водородной смесью, содержащей 8,12 % Н₂, к их беспрепятственному выходу через систему сушки бетона в шахту реактора. 

Обоснование прочности и ресурса корпуса сделано без учета фактических результатов испытаний образцов стали ЭП302-Ш под напряжением в свинцовом теплоносителе (многократное увеличение скорости окисления, глубокая локальная ЖМК) с использованием механических свойств этой стали, полученных, примущественно, на воздухе, без надлежащего учета влияния свинцового теплоносителя. 

Технология сооружения металло-бетонного корпуса не отработана –отсутствует практический опыт сушки протяженных (~7000 м³) бетонных массивов, помещенных в замкнутый, близкий к герметичному объем, а в испытаниях натурных фрагментов обнаружены многочисленные магистральные трещины с величиной раскрытия, более чем на порядок превышающие допустимую строительными нормами. Контроль за трещинообразованием на стадии изготовления и эксплуатации корпуса отсутствует. Такой подход не отвечает стандартам качества, принятым в атомной энергетике при изготовлении и эксплуатации корпусов РУ.

1.4. Основные результаты обоснования безопасности и надежности ПГ: 

– требуемые теплогидравлические параметры ПГ и граница устойчивой работы 18,6 % по расходу воды обоснованы по аттестованному коду HYDRA-IBRAE/LM/V1; 

Комментарий

Теплогидравлические расчеты ПГ выполнены без учета фактических данных о толщине оксидной пленки на поверхности стали ЭП302М-Ш.

Согласно аттестационному паспорту ПС HYDRA-IBRAE/LM/V1, «корректность моделирования в ПС явления гидравлической неустойчивости в системе параллельных каналов с водяным теплоносителем не верифицирована». Никаких данных по валидации этого ПС для расчета гидравлической неустойчивости ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 не представлено. 

Оценка границы устойчивой работы − 18,6 % по расходу воды, получена на основе стационарных расчетов одиночной парогенерирующей трубы с использованием критерия устойчивости, взятого из работы 1961 г и не соответствует современному уровню развития науки и техники в области парогенераторов ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. 

Экспериментальные исследования теплогидравлической устойчивости ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300, как совокупности параллельных парогенерирующих каналов, отсутствуют.

– подтверждено выполнение условий термоциклической прочности теплообменных труб и сварных швов приварки к трубной доске при 5000 циклах;

Комментарий

Испытания на термоциклическую прочность теплообменных труб ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 (5000 циклов) на воздухе непредставительны для условий эксплуатации этих труб в свинцовом теплоносителе. Термоциклирование эффективно разрушает защитную оксидную пленку на поверхности стали из-за разницы коэффициентов линейного удлинения металла и окисла, что приводит к локальной жидкометаллической коррозии, глубина которой многократно превышает сплошную кислородную коррозию. Для стали ЭП302М-Ш, из которой изготовлены теплообменные трубы ПГ, результаты коррозионных испытаний в СТ в режиме термоциклирования отсутствуют.

Подтверждения условий термоциклической прочности теплообменных труб на воздухе недостаточно для обоснования проектного ресурса ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300.

– по аттестованному коду ANSYS обоснована прочность элементов ПГ во всех эксплуатационных режимах;

Комментарий 

Использование аттестованного ПС необходимое, но далеко не достаточное условие для получения корректных оценок прочности. Погрешность результатов зависит также от неопределенности физико-механических характеристик материала, в данном случае стали ЭП302М-Ш. Как уже было сказано выше, достоверные, статистически обоснованные данные о механических свойствах этой стали в свинце отсутствуют. Единственное, что было установлено в испытаниях 6-ти образцов данной стали, это снижение в 2-3,5 раза скорости ползучести в свинце, по сравнению с испытаниями на воздухе, что само по себе свидетельствует о существенном влиянии свинца на ее механические свойства. Прочностные расчеты элементов ПГ по коду ANSYS, выполненные с использованием механических свойств стали ЭП302М-Ш на воздухе, непредставительны.

Так же, как и для других конструкционных материалов РУ БРЕСТ-ОД-300, для ЭП302М-Ш отсутствуют данные о характере сопротивления язвенной коррозии (скорость роста количества и глубины язв). Расчеты прочности элементов ПГ по коду ANSYS выполнены без учета локальной ЖМК, неизбежной при термоциклировании и виброизносе, представляющей главную угрозу для целостности теплообменных труб в свинцовом теплоносителе. Такой подход свидетельствует о непредставительности расчетного обоснования прочности элементов ПГ, о его непригодности для подтверждения критериев безопасности.

– на стенде ВНИИТФ экспериментально показано отсутствие зависимого отказа при разрыве одной трубки ПГ, вероятность отказа трубки ПГ составляет 1.5∙10^-5 год^-1, двух труб – 4.3∙10^-7 год^-1;

Комментарий

Отсутствие зависимого отказа показано в кратковременных экспериментах, когда влияние свинцового теплоносителя не успевало проявиться. После пребывания в течение 5-10 лет в свинцовом теплоносителе в реальных условиях эксплуатации механические свойства теплообменных труб могут существенно измениться, поэтому вывод ВНИИТФ, если и справедлив, то только для начального этапа эксплуатации ПГ. Оценка вероятности отказа труб получена расчетным путем на основе механических свойств стали ЭП302М-Ш на воздухе и не подтверждена ресурсными испытаниями в условиях, близких к условиям эксплуатации (статические и динамические нагрузки, фреттинг-износ и термоциклирование). 

С другой стороны, имеется реальный опыт эксплуатации ЯЭУ с СВТ на АПЛ. Одной из главных проблем этой эксплуатации были многочисленные течи ПГ, включая аварию с массовым повреждением теплообменных трубок на АПЛ К-123 в 1982 г.

- на этапе строительства планируется завершение создания стенда и экспериментальное обоснование вибрационных характеристик;

Комментарий

Подобный опыт уже был. Вот как о нем рассказывает Б.Ф. Громов: «Модель сделали, она отработала прекрасно, никаких вибраций, а потом, когда мы начали работать на стенде ВТ, обнаружили, что начинается очень интенсивный виброизнос в месте центрирующих приспособлений в трех отметках высоты этой трубной системы. В результате потеряли огромные деньги. Что-то около 200 миллионов рублей. А тогда рубль и доллар – это было примерно одно и то же.» (с. 24, 25 [5]). 

Разработчики РУ БРЕСТ-ОД-300 предлагают начать строительства, не испытав даже модели. Можно, конечно, попробовать, если 200 миллионов долларов для нас не деньги.

Проект парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-300 (по опыту эксплуатации ЯЭУ АПЛ с СВТ, ПГ – это один из самых уязвимых элементов РУ) не имеет ни удовлетворительного расчетного обоснования, ни экспериментального подтверждения термической прочности, гидравлической устойчивости, вибрационных характеристик и заявленного ресурса. Отсутствует информация по отработке технологии многозаходной навивки и гибки труб на полномасштабном макете трубного пучка, что свидетельствует о недостаточном апробировании технических решений по изготовлению ПГ.  

1.5. Обоснование ГЦНА:

- на свинцовом стенде НГТУ обоснован выбор ЛС в исполнении рабочего колеса с ободом из материала 14Х17Н2 на базе 600 ч в масштабе 1:2.5, на водяном стенде ОА «ЦКБМ» получена энергетическая характеристика модельной ЛС в масштабе 1:2.8;

Комментарий

Испытания модельной проточной части ГЦНА на свинцовом стенде НГТУ в регламентном кислородном режиме в течение 600 часов показали следующее:

- на внешней поверхности обода рабочего колеса и ответной части подвода зафиксированы кольцевые борозды различной глубины и ширины, и это при том, что зазор между ободом и ответной поверхностью подвода составлял 5 мм – в 10 раз больше принятого в проекте ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-300 (0,5 мм);

- в местах соединения лопаток с ободом со стороны всаса видны следы износа в виде полос, эквидистантных линиям пересечения поверхностей лопаток и обода;

- на двух лопатках зафиксированы сколы в местах соединения лопаток с ободом.

И все это в испытаниях, длительность которых составляет 0,2 % от проектного ресурса ГЦНА, причем испытывался уже четвертый вариант проточной части.

Отметим также, что никаких данных о коррозионных испытаниях стали 14Х17Н2 в свинцовом теплоносителе при характерных для ЛС скоростях омывания и о влиянии свинца на механические характеристики этой стали, не представлено.

Фактические результаты испытаний на стенде НГТУ не дают никаких оснований для вывода о том, что «выбор ЛС в исполнении рабочего колеса с ободом из материала 14Х17Н2» обоснован. Напротив, эти испытания наглядно показали невозможность обеспечить работоспособность лопастной системы ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-300 даже на малую часть проектного ресурса.

– завершены ресурсные испытания подшипника на Pb в провоцирующих условиях, с высокой вероятностью подтвержден режим гидродинамического трения;

Комментарий

Фактические результаты испытаний подшипника из стали ЭП302-Ш в свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием кислорода, длительностью 360 часов, при частоте вращения до 500 об/мин, показали, что «на всех без исключения пластинах ротора и статора наблюдается увеличение толщины, по сравнению с замерами пластин до испытаний, на 0,05-0,06 мм. Данное обстоятельство связано с окислением поверхности материала пластин в потоке жидкометаллического теплоносителя».  Скорость окисления подшипника оказалась в 144 раза выше, сем скорость окисления ненагруженных образцов этой стали в потоке свинца со скоростью 2 м/с.

При таком темпе кислородной коррозии невозможно прогнозировать работоспособность подшипника не только на проектный ресурс, но хотя бы на полгода.

– на этапе строительства на стенде ПСИ планируется обосновать работоспособность опытного образца ГНЦА и провести поузловую отработку критических элементов.

Комментарий

В дополнение к ПГ еще один ключевой элемент реакторной установки – ГЦНА, планируется обосновать на этапе строительства. Предыдущих десятилетий (работы с ТЖМТ ведутся с 1951 года) для этого не хватило. Какие же основания предполагать, что за время строительства вдруг появятся надежные ПГ и ГЦНА и их не придется заменять каждые полгода? Опыт эксплуатации ЯЭУ и экспериментальных каналов на БОР-60 с ТЖМТ, а также имеющиеся на сегодня результаты испытаний четвертого варианта проточной части ГЦНА, говорят об обратном.

Работоспособный образец ГЦНА для РУ БРЕСТ-ОД-300 в настоящее время отсутствует, как нет и данных о длительных коррозионных испытаниях стали 14Х17Н2 в свинцовом теплоносителе при скоростях обтекания, характерных для ЛС на номинальных оборотах, которые требуются для обоснования проектного ресурса насосного агрегата.

1.6. Технология свинцового теплоносителя 

− экспериментально обосновано отсутствие коррозии материалов сверх установленных пределов при регламентной концентрации кислорода в свинце 10^-6-4∙10^-6 %_мас.;

Комментарий

Как показали испытания, главной особенностью коррозии материалов в свинце, отличающей ее от коррозии в воде или в натрии, является преимущественно язвенный характер, обусловленный растрескиванием (механическим повреждением) оксидной пленки и быстрой локальной ЖМК. Глубина локальных коррозионных повреждений многократно превышает сплошную кислородную коррозию и все «установленные пределы». При этом в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 язвенная коррозия вообще не учитывается. 

– разработан регламент свинцового теплоносителя, включая отмывку и дезактивацию, подтвержденный опытом эксплуатации экспериментальных стендов ЭУСТ (НИКИЭТ), ФТ-4 (НГТУ), СМ-2, ЦУ-1, ЭУП-ДАК, СПРУТ (ФЭИ), Х-3 (Прометей);

Комментарий

Экспериментальное обоснование технологии свинцового теплоносителя, включая водородную регенерацию, выполнено на маломасштабных (1:10000) стендах с принципиально отличной схемой циркуляции теплоносителя и при существенном отличии состава восстанавливающей смеси. Представленные в ПООБ оценки времени водородной очистки РУ БРЕСТ-ОД-300 не согласуются ни между собой, ни с реальным опытом эксплуатации свинцовых стендов.  

– отработаны процедуры обогащения кислородом Pb с помощью гранул PbO, процесс пробоотбора для анализа, разработаны и аттестованы методики измерения, утвержден тип СИ ДАК, имеющий погрешность измерения ТДА кислорода в Pb 15 %;

Комментарий 

Потребность в кислороде и, соответственно, производительность массообменных аппаратов (МА) в ПООБ определены на основе коррозионных испытаний ненагруженных образцов и поэтому существенно занижены (скорость кислородной коррозии под напряжением многократно возрастает). Практическое применение МА ограничено маломасштабными (с объемом несколько десятков литров СТ) стендами. Ресурсные испытания конкретной конструкции МА РУ БРЕСТ-ОД-300 в условиях, близких к условиям эксплуатации не проведены. 

 

Помимо обогащения свинца кислородом, растворение гранул PbO обогащает теплоноситель оксидом свинца. Ни расчетных, ни экспериментальных данных о соотношении масс О и PbO, поступающих в теплоноситель из МА, в ПООБ не представлено.

Как справедливо указано в п. 4.3.5.7.3.1 ПООБ «использование известного метода отбора проб “на вынос” непредставительно». По данным исследований ГНЦ РФ-ФЭИ, выполненным еще во времена разработки ЯЭУ для АПЛ, распределение нерастворенных примесей в контуре циркуляции крайне неравномерно. Взвешенные примеси концентрируются в застойных зонах с малой скоростью теплоносителя. При изменении температурного или гидравлического режима контура происходит перераспределение примесей − тупики и узлы контура, служившие ловушками примесей, могут стать их источниками (как это и произошло на ЯЭУ АПЛ К-27 при выводе РУ на  мощность 80 %N_ном или на стенде 27/ВТ-5 при пуске реактора). Оперативный контроль за содержанием нерастворенных примесей, несущих реальную угрозу безопасности, в РУ БРЕСТ-ОД-300,  отсутствует, пробоотбора для этой цели недостаточно.

Но самое главное, как показали испытания и опыт эксплуатации стендов, поддержание регламентного качества теплоносителя (регламентной ТДА кислорода) не предотвращает коррозию конструкционных материалов сверх установленных пределов и не гарантирует отсутствие зашлаковки свинцового теплоносителя и контура циркуляции оксидами свинца.

– обоснована коррозионная стойкость сталей оборудования ЭП302-Ш (420-540 ᴼС, до 53 000 ч), ЭП302М-Ш (450-550 ᴼС, до 28 000 ч).

Комментарий

Коррозионные испытания ненагруженных образцов сталей, результаты которых оцениваются по толщине оксидных пленок, подвергнутых химическому разрушению в процессе водородных очисток, непоказательны.   Из них невозможно получить достоверную информацию ни о глубине коррозионных повреждений, ни о толщине оксидного слоя, используемых при обосновании прочности и теплотехнической надежности элементов РУ. Но именно на таких испытаниях основана оценка коррозионной стойкости конструкционных материалов РУ БРЕСТ-ОД-300, которую и сами участники проекта – технологи АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», назвали «чрезмерно оптимистической».

Резюме к разделу 1.6

Экспериментально установлено, что поддержание регламентной концентрации кислорода в свинце (1-4)∙10^-6 % не предотвращает коррозии материалов сверх установленных в ПООБ пределов. В условиях, близких к условиям эксплуатации глубина коррозии многократно, на порядок и более превышает эти пределы.  Подтвержден сделанный еще 40 лет назад вывод о временном характере и ненадежности антикоррозионной защиты материалов в ТЖМТ с помощью оксидных пленок. 

Принятое в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 положение о том, что поддержание регламентного кислородного режима предотвращает зашлаковку СТ и первого контура оксидами свинца, не имеет экспериментального подтверждения. По опыту эксплуатации свинцовых стендов АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», при работе в регламентном кислородном режиме через каждые 1000-1500 часов проводилась водородная регенерация.

Контроль ТДА кислорода недостаточен для обеспечения качества теплоносителя. Контроль за содержанием нерастворенных примесей в СТ практически отсутствует, пробоотбор непредставителен и недостаточен для этой цели.  Оценка допустимых течей ПГ (течь с расходом до 2 г/с или             173 кг/сут несущественна и только течь с расходом больше 206 г/с, т.е более 17798 кг/сут следует считать аварийной), не реалистична и не подтверждена никакими экспериментальными исследованиями шлакообразования и коррозии в таких условиях.

Экспериментальных исследований водородной регенерации на маломасштабных (1:10000) стендах с принципиально отличной схемой циркуляции и при существенном отличии состава восстанавливающей смеси, недостаточно для обоснования технологии теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300 объемом 1000 м³. Представленные в ПООБ оценки времени водородной очистки РУ БРЕСТ-ОД-300 не согласуются ни между собой, ни с реальным опытом эксплуатации свинцовых стендов.

Вывод о коррозионной стойкости сталей ЭП302-Ш и ЭП302М-Ш сделан на основе испытаний ненагруженных образцов в регламентном кислородном режиме, без теромоциклирования, в которых проявлялась преимущественно кислородная коррозия, а глубина коррозионных повреждений оценивалась по толщине оксидной пленки. Такие испытания непредставительны для оценки коррозионной стойкости сталей в условиях эксплуатации.  В испытаниях образцов стали ЭП302-Ш под напряжением 180 МПа уже через 4,5 месяца обнаружена язвенная коррозия глубиной до 180 мкм, тогда как максимальное утонение этой стали, учитываемое в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300, составляет 240 мкм за 30 лет.

Требуемая производительность массообменных аппаратов определена на основе испытаний ненагруженных образцов сталей и потому может быть многократно занижена. Производительность фильтров 1500 м³/ч, при объеме теплоносителя   900 м³, не согласуется с опытом эксплуатации ЯЭУ АПЛ с объемом теплоносителя 4-6 м³, для которых был создан фильтр производительностью 900 м³/ч. Ресурсные испытания натурных образцов массообменного аппарата и фильтра в условиях, близких к условиям эксплуатации не проведены.         

1.7. АСКУ РУ

Комментарий 

Ресурсных испытаний РО СУЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 в свинцовом стенде в режиме АЗ, в условиях, близких к условиям эксплуатации, не проведено. Имеющиеся кратковременные испытания показали нестабильность и низкую (в 5 раз меньшую чем в БН-800) скорость ввода поплавковых РО по сигналу АЗ. Это самые медленные и нестабильные РО АЗ из всех действующих сегодня энергетических реакторов.          

1.8. Детерминистический анализ безопасности

Комментарий

Детерминистический анализ безопасности выполнен с помощью неаттестованного ПС DINAR, без учета фактических результатов реакторных испытаний СНУП-топлива (внтритвэльная язвенная коррозия глубиной 100-170 мкм, науглероживание до 100 мкм, потеря пластичности оболочки, ранний и жесткий контакт топлива с  оболочкой), а также без учета результатов испытаний стали ЭП823-Ш в свинцовом теплоносителе (сплошная кислородная коррозия 60-100 мкм, локальная ЖМК до 180 мкм за 1,5 месяца). В прочностных расчетах использовались механических свойств стали на воздухе, без надлежащего учета влияния СТ (уменьшение времени до разрушения в 8-39 раз, увеличение скорости ползучести в 5-7 раз при напряжениях, характерных для условий эксплуатации твэлов).   Все это делает представленный в ПООБ детерминистический анализ безопасности не только неконсервативным, но и совершенно недостоверным и, соответственно, недостаточным для подтверждения выполнения критериев безопасности. 

Максимальный проектный предел повреждения твэлов, принятый в ПООБ РУ БРЕСТ-ОД-300, не имеет экспериментального подтверждения испытаниями в свинцовом теплоносителе длительностью, сопоставимой с проектным ресурсом твэла. 

В ПООБ отсутствует анализ нарушения нормальной эксплуатации «разгерметизация (течь) корпуса реактора» (п. 15.1.1 НП-018-05), которое, с учетом низкой локализующей способности металло-бетонного корпуса РУ БРЕСТ-ОД-300, может привести к полной потере теплоотвода от активной зоны, плавлению стали и вводу большой положительной реактивности при ее всплытии в тяжелом теплоносителе. 

В ПООБ отсутствует анализ проектной аварии «уменьшение или перекрытие проходного сечения одной ТВС за счет попадания примесей теплоносителя или посторонних предметов с последующим разрушением и плавлением твэлов» (п. 15.2.1 НП-018-05). И это несмотря на то, что пять крупномасштабных зашлаковок на реакторах с СВТ уже состоялось и, по крайней мере, в одной из них имело место разрушение и плавление твэлов. 

– ввод полного запаса реактивности на мощности (11 отказов, вероятность 2,8∙10^-9), максимальная температура топлива 1640 ᴼС, оболочек твэлов 1260 ᴼС, плавление отсутствует; 

Комментарий

Расчет температуры оболочек и топлива выполнен в предположении, что толщина оксидного слоя на поверхности твэлов не превышает 10 мкм. При этом коррозионные испытания показали, что в действительности толщина пленки может достигать 60-100 мкм. Это существенно увеличивает контактное термическое сопротивление и, соответственно, температуру оболочек и топлива. Как показали эксперименты АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», термическое сопротивление увеличивается также за счет концентрирования нерастворенных примесей в теплоносителе у поверхностей теплообмена. Данный эффект также не изучен и не учтен в представленных в ПООБ теплофизических расчетах. Поэтому вывод об отсутствии плавления оболочек в данной аварии нельзя признать обоснованным.

В рассмотренном сценарии рост мощности реактора останавливается не действием обратных связей, а срабатыванием СПОС после остановки ГЦНА, при достижении предельно допустимой температуры теплоносителя.  Однако, если авария произойдет не на номинальной мощности а на уровне мощности 30 %N_ном,  при расходе теплоносителя 40 %G_ном (разрешенный режим работы), когда СПОС неработоспособна (теплоноситель в устройствах СПОС уже  находится на минимальном уровне), последствия могут быть значительно тяжелее. Данный сценарий в ПООБ не рассмотрен.

При работе реактора на мощности 30 %N_ном и G = 40 %G_ном полный запас реактивности не ограничивается запасом на стержнях АР, к нему еще прибавляется запас реактивности на СПОС (~0,65β_эф), который может реализоваться при переводе ГЦНА на полные обороты. Такой сценарий в ПООБ также не рассмотрен.

Резюме к разделу 1.8

Содержащийся в ПООБ детерминистический анализ безопасности, выполненный с помощью неаттестованного кода, без учета фактических данных реакторных испытаний СНУП-топлива и испытаний нагруженных образцов сталей в свинцовом теплоносителе, с использованием механических свойств конструкционных материалов, полученных на воздухе, без надлежащего учета влияния СТ, непредставителен и непригоден для подтверждения критериев безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300.

Перечень проектных аварий, рассмотренных в ПООБ, не полон, не учитывает опыт эксплуатации ЯЭУ с ТЖМТ и не соответствует требованиям НП-018-05.

2.5. В целом проект энергоблока с РУ БРЕСТ-ОД-300 обеспечивает безопасность с помощью традиционно используемых технологических решений. 

Комментарий  

В качестве основного технологического решения, обеспечивающего, по мнению разработчика РУ БРЕСТ-ОД-300, свойства «естественной» безопасности, является использование свинца, который не взаимодействует с водой и воздухом, имеет высокую температуру кипения, слабо поглощает нейтроны и не требует высокого давления в 1 контуре. Все эти привлекательные качества СТ были перечислены еще трехтомнике Гудмена «Научно-технические основы атомной энергетики», изданном в США в 1949 г и переведенном в СССР в 1950 г.

Попытки использовать эти качества ТЖМТ на практике, сначала с ртутным теплоносителем (Клементина в США и БР-2 в СССР), затем со свинцово-висмутовым (13 ЯЭУ для АПЛ и наземных реакторов-прототипов) продолжались полвека. В результате не удалось создать не только «естественно» безопасной, но даже минимально работоспособной реакторной установки.

Не лучше обстоит дело и с экспериментальными каналами на БОР-60 со свинцовым (2002-2003 гг.) и свинцово-висмутовым (2006 г.) теплоносителем. Оба канала потерпели аварии задолго до назначенного ресурса, списаны и восстановлению не подлежат.Ничем не закончилась и десятилетняя работа над проектом СВБР с СВТ, также претендовавшим на «естественную» безопасность. 

Такова вкратце история использования ТЖМТ.

Окончание следует