Глава 4. Основные проблемы проекта РУ БРЕСТ-ОД-300. Продолжение
Дата: 16/10/2024
Тема: Блог Булата Нигматулина


Б.И. Нигматулин, В.А. Пивоваров 

Еще одним элементом ТВС РУ БРЕСТ-ОД-300, требующим экспериментального подтверждения, является управляемый цанговый замок, удерживающий ее от всплытия в свинцовом теплоносителе. Ресурсные испытания, подтверждающие работоспособность цангового замка после его длительного (5-6 лет) пребывание в неподвижности в коррозионно-агрессивном свинцовом теплоносителе при температуре ≤420 ºС (температура жидкометаллического охрупчивания стали ЭП823-Ш), не проведены.



Ни в одном из зарубежных концептуальных проектов РУ с ТЖМТ (ALFRED, ELSY, ELFR, MYRRHA), замки для удержания ТВС от всплытия не используются, вместо этого применяются утяжелители из вольфрама. 

На сегодняшний день не показана сама принципиальная возможность дистанцирования твэлов в свинце с помощью решеток, подобных решеткам ВВЭР (напомним, что во всех ректорах с жидкометаллическим теплоносителем – типа БН или свинцово-висмутовых использовалась проволочная навивка).  Разработчики проекта обещают провести испытания полномасштабного макета ТВС до пуска энергоблока, но ведь испытывать, пока нечего, а рассчитывать на благоприятный исход ресурсных испытаний существующей конструкции нет никаких оснований. Если уж планировать такие испытания, то они должны быть закончены до начала сооружения энергоблока, поскольку без работоспособной ТВС нет работоспособного реактора. 

 

4.3.2. Рабочие органы СУЗ

РО СУЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 состоит из двух шарнирно-соединенных звеньев, соединенных со штангой длиной 9,5 м и приводом исполнительного механизма. Каждое звено имеет шестигранный чехол с наружным размером «под ключ» 87мм. РО СУЗ перемещается в шестигранном направляющем канале (НК) с внутренним размером «под ключ» 98 мм. Штанга перемещается в 2-х подшипниках скольжения с радиальным зазором 1 мм. Один из подшипников постоянно находится в свинцовом теплоносителе, а другой в газовой полости. РО СУЗ поплавкового типа, по сигналу АЗ всплывают под действием силы Архимеда. 

Такая конструкция не отличается ни быстродействием, ни надежностью. Проектное время ввода в активную зону поплавкового РО СУЗ по сигналу АЗ (не более 5 с) в два раза больше, чем в РБМК (не более 2,5 с) и в 5 раз! больше, чем в БН-800 (не более 1 с).  

Частичная или полная зашлаковка миллиметрового зазора между штангой и подшипником скольжения окислами свинца и нерастворенными продуктами коррозии (содержание которых в теплоносителе РУ БРЕСТ-ОД-300 практически не контролируется), изгиб 9,5-метровой штанги под воздействием веса, термических напряжений и облучения, радиационное и термическое формоизменение шестигранного чехла РО СУЗ и шестигранного направляющего канала, шлаковые отложения на поверхностях чехла и НК, практически отсутствующие на стенде, но неизбежные при эксплуатации, все это может еще больше замедлить всплытие РО по сигналу АЗ или даже  остановить его. Из четырех макетов РО СУЗ, испытанных Заявителем на стендах (1 на водяном и 3 на свинцовом), два были намертво заклинены в подшипниках. 

Как отмечено в разделе 1.2. Экспертного заключения [131], проведенные разработчиком кратковременные испытания полномасштабного макета РО СУЗ совместно с опытным образцом ИМ СУЗ в свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием кислорода совершенно непредставительны. Они были выполнены в течение 1 недели в режиме управления (3000 двойных ходов) и режиме АЗ (1000 двойных ходов), что очень далеко от режима эксплуатации РО АЗ в РУ БРЕСТ-ОД-300, для которого характерно  длительное пребывание в неподвижности с периодическим, примерно 1 раз в неделю страгиванием рабочего органа на ~5 см.  

Когда вместо этого направляющая штанга за одну неделю 3000 раз перемещается на полный ход вниз и вверх под силовым воздействием двигателя ИМ СУЗ, то, вместо зашлаковки зазора между подшипником и штангой, происходит истирание подшипника и увеличение этого зазора, о чем косвенно свидетельствует тот факт, что с ростом количества испытаний время всплытия плавно уменьшалось. После этих испытаний состояние подшипников Заявителем благоразумно не оценивалось. 

Но даже в этих условиях, максимальное время перемещения РО в режиме АЗ составило 4,38 с, а среднее – 3,5 с, что намного больше указанной в ПООБ [66] (таблица 4.2.9.2) средней продолжительности аварийного ввода 2-2,5 с.  Разница между максимальным и минимальным временем ввода оказалась больше 1 с. И это в кратковременных испытаниях одного и того же макета РО с величиной хода ~1 м, в идеальных условиях стенда − без зашлаковки, радиационного воздействия и температурных градиентов. 

Для сравнения, измеренное время аварийного ввода всех 61 РО СУЗ ВВЭР-1000 Балаковской АЭС с величиной хода 3,5 м, продолжительность эксплуатации которых составляла от 12 657 до 72 268 часов, лежит в пределах 1,56-1,67 с в начале кампании и 1,48-1,66 с ‒ в конце, т.е. разброс времени ввода аварийной защиты на действующем ВВЭР в 5-10 раз меньше чем в испытаниях макета РО СУЗ БРЕСТ-ОД-300, что свидетельствует о нестабильности функционирования поплавкового РО в режиме АЗ.  

Результаты последующих кратковременных испытаний этого же макета с повышенным в допустимых пределах (до 5∙10-5%масс) содержанием кислорода показали, что время всплытия РО СУЗ по сигналу АЗ, после его пребывания в неподвижном состоянии в течение 6 дней, составило 4,93 с, т.е. практически достигло предельного проектного значения. В реальных условиях эксплуатации этот предел вполне может быть превышен. 

Ресурсные испытания РО СУЗ РУ БРЕСТ-ОД-300 на свинцовом стенде в режиме АЗ, в условиях, близких к условиям эксплуатации отсутствуют, а имеющиеся кратковременные испытания показали нестабильность и низкую скорость ввода поплавковых РО по сигналу АЗ. Это самые медленные и нестабильные РО АЗ из всех действующих сегодня энергетических реакторов, что является крайне неблагоприятным, если не сказать недопустимым, качеством для быстрого реактора, отличающегося низким уровнем самозащищенности к реактивностным авариям. 

Коррозионные испытания ненагруженных макетов РО СУЗ в режиме термоциклирования, выпоненные на свинцовом стенде ГНЦ РФ-ФЭИ с регламентным содержанием кислорода в теплоносителе, общей длительности 2600 ч показали, что «в оксидном слое часто наблюдаются трещины, в результате образования которых происходит выкрашивание фрагментов оксидного слоя с образованием язв в этих местах». Максимальное утонение стали ЭП823-Ш в данном испытании за 3,5 месяца достигло 50 мкм – почти в три раза больше, чем принятое в ПООБ [66] максимальное утонение этой стали за 6 лет.

 

4.3.3. Главный циркуляционный насосный агрегат (ГЦНА) 

Об испытаниях модельной проточной части № 4 ГЦНА с лопастной системой (ЛС) в среде свинцового теплоносителя, выполненных на стенде ФТ-4 НГТУ им. Р.Е. Алексеева, в ПООБ [66] (п. 4.3.1.2.7) сказано следующее: 

- по результатам 600 часов ресурсных испытаний видимых повреждений поверхности лопастей и деформации краёв лопастей рабочего колеса не зафиксировано;

- зафиксирован износ наружной поверхности обода рабочего колеса (РК), что повлекло за собой увеличение исходного зазора между ободом РК и корпусом. 

В действительности результаты этих испытаний в регламентном кислородном режиме в течение 600 часов /Д7/ показали, что: 

- 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;

- на внешней поверхности обода рабочего колеса и ответной части подвода зафиксированы кольцевые борозды различной глубины и ширины. Это при том, что зазор между ободом и ответной поверхностью подвода составлял 5 мм, что в 10 раз больше принятого в проекте ГЦНА зазора ‒ 0,5 мм. 

И все это в испытаниях модели в масштабе 1:2.5, длительность которых составляет 0,2 % от назначенного ресурса ГЦНА, причем испытывался уже четвертый вариант проточной части.  Результаты испытаний на стенде НГТУ наглядно показали невозможность обеспечить работоспособность лопастной системы ГЦНА РУ БРЕСТ-ОД-300 даже на малую часть проектного ресурса (30 лет). 

В работе [177], выполненной в НГТУ им. Р.Е.Алексеева, исследовалось явление газовой кавитации в циркуляционных насосах охлаждаемых ТЖМТ реакторов, возникающей из-за того, что пузырьки аргона захватываются из газовой полости над уровнем теплоносителя в процессе его циркуляции.

Как указано в [177]: «Кавитационные испытания двух различных центробежных насосов и двух осевых насосов показали следы эрозионного износа после продолжительной работы (100-200 часов и более) в среде высокотемпературного (до 550°С) ТЖМТ в режиме кавитации». 

«Наряду с этим неоднократно фиксировался эрозионный износ элементов конструкций, находящихся в потоке ТЖМТ при определенных условиях вследствие специфики силового взаимодействия потока ТЖМТ с несмачиваемыми им стенками каналов» (с. 20).

Пример такого износа показан на рисунке 4.10. 

Рис. 4.10. Фото участка рабочего колеса проточной части № 3 НГТУ после проведения испытаний [177] 

В процессе регулярных водородных очисток, которые проводятся при работе ГЦНА на полных оборотах, газовые пузырьки (Ar+H2) будут не только захватываться потоком теплоносителе из газовой полости, но и усиленно инжектироваться в теплоноситель диспергаторами. Это многократно усилит газовую кавитацию, обнаруженную в исследовании [177]. Никаких испытаний, по обоснованию работоспособности ГЦНА в режиме водородной очистки, не проведено. 

Получив отрицательные результаты испытаний и 3-го, и 4-го уменьшенных макетов проточной части ГЦНА в свинце, разработчики БРЕСТа решили больше не заморачиваться таким «мелкими шажками», а сразу приступить к сооружению энергоблока.  Ресурсные испытания ГЦНА отложили на 2025 год, предложив провести их сразу на полномасштабном опытном образце. На 2026 год намечен пуск реактора. Если испытания полномасштабного образца, закончатся так же, как и макетов (а никаких оснований надеяться на другой исход просто нет), то реактор останется без насосов и его придется переводить на естественную циркуляцию на мощности 5-6 %Nном. Удивительно, но ни Заявителя, ни Регулятора такая перспектива ничуть не смущает. Как теперь выяснилось, Ростехнадзор всецело одобряет и поддерживает такой подход.  

Кратковременные (360 часов) испытания модельного блока нижнего радиального подшипника ГЦНА-1720 в свинце с регламентным содержанием кислорода [137] 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».  При таком темпе кислородной коррозии (в 144 раза быстрее, чем окисление ненагруженного образца стали ЭП302 в потоке теплоносителя со скоростью 2 м/с) невозможно прогнозировать работоспособность подшипника не только на проектный ресурс, но хотя бы на полгода. 

Таким образом, имеющиеся на сегодняшний день результаты испытаний свидетельствуют об отсутствии работоспособной конструкции ГНЦА РУ БРЕСТ-ОД-300 и не дают никаких оснований надеяться на успешный исход ресурсных испытаний опытного образца насоса, планируемых Заявителем на 2025 год. Вывод ЭЗ ДНП-5-3546/3-2020 о том, что эти испытания должны быть проведены до начала сооружения энергоблока, признан составителями сводного ЭЗ и Ростехнадзором неактуальным и отброшен вместе со всем этим заключением.

 

4.3.4. Парогенератор 

Интегральная компоновка РУ БРЕСТ-ОД-300 предполагает размещение в корпусе реактора 8 парогенераторов с общей площадью теплообменной поверхности ~11000 м2 и толщиной стенки 3 мм. В отличие от БН, эта поверхность является границей первого контура, которая находится в среде тяжелого коррозионно-агрессивного свинцового теплоносителя и на которую воздействует перепад давления в ~16 МПа – в 1,8 раз больше, чем в ПГ ВВЭР и в 4 раз больше, чем в ПГ ЯЭУ АПЛ с СВТ. Эта граница крайне уязвима, о чем свидетельствует опыт эксплуатации ЯЭУ АПЛ и наземных прототипов со свинцово-висмутовым теплоносителем («парогенераторы постоянно текли»). 

Разрыв трубок ПГ на ЯЭУ АПЛ К-123 в 1982 г. привел к разгерметизации первого контура, истечению 2 тонн СВТ в реакторный отсек и переоблучению экипажа.  Тяжелая радиационная авария с выбросом радиоактивных материалов паром на крышку реактора произошла на ЯЭУ АПЛ К-373 в 1989 году. Корпус реакторов АПЛ с СВТ, в отличие от РУ БРЕСТ-ОД-300, был рассчитан на давление второго контура, но даже это не помогло. 

По истине удивительно, что при такой истории проект парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-300 (по опыту эксплуатации ЯЭУ АПЛ с СВТ – один из самых уязвимых элементов РУ) не имеет ни удовлетворительного расчетного обоснования, ни экспериментального подтверждения термоциклической прочности, гидравлической устойчивости, вибрационных характеристик и заявляемого ресурса. 

Прочностные расчеты элементов ПГ, изготовленного из стали ЭП302М-Ш, выполнены на основе данных о механических свойствах этой стали, полученных на воздухе, без учета локальной ЖМК, неизбежной при термоциклировании и виброизносе, глубина которой многократно превышает сплошную кислородную коррозию и все установленные пределы. 

Именно локальная ЖМК представляет главную угрозу для целостности теплообменных труб в свинцовом теплоносителе.  Использование недостоверных данных о механических свойствах стали и игнорирование локальной ЖМК свидетельствует не только о неконсервативности расчетного обоснования прочности элементов ПГ, но и о его фактической недостоверности. 

Теплогидравлические расчеты ПГ выполнены без учета экспериментальных данных о толщине оксидной пленки на поверхности стали ЭП823М-Ш и влияния нерастворенных примесей теплоносителя на контактное термическое сопротивление. Оценка границы устойчивой работы по расходу воды получена на основе стационарных расчетов одиночной парогенерирующей трубы, с использованием критерия устойчивости, взятого из работы 1961 г.  Расчеты выполнены по программе HYDRA-IBRAE/LM/V1, в аттестационном паспорте которой прямо указано, что «корректность моделирования в ПС явления гидравлической неустойчивости в системе параллельных каналов с водяным теплоносителем не верифицирована». 

Помимо неустойчивости, в которой определяющую роль играют закономерности гидравлики, в ПГ ЯЭУ с ЖМТ при работе на частичных нагрузках, когда значительная часть поверхности практически не работает (работа с балластной зоной), возможен другой тип неустойчивости – тепловая неустойчивость, определяемая законами теплопередачи. Этот тип неустойчивости для ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 не исследован. 

Все это не соответствует современному уровню развития науки и техники в области парогенераторов ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. 

Экспериментальное обоснование вибрационных характеристик ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 в свинцовом теплоносителе еще только планируется провести на стенде, создание которого должно быть завершено на этапе строительства энергоблока. Подобный опыт уже был. Вот как о нем рассказывает Б.Ф.Громов: 

«Гидропресс спроектировал парогенератор U-образного типа.... У нас возник вопрос о гидропрочности пучка, не вибрирует ли он?»

«Начали рассуждать: делать парогенератор с натуральным расходом или делать модель – она поменьше, дешевле, ее быстрее сделаем. И вот собравшиеся мужики решили, что сэкономим деньги государству, время выиграем, если пойдем на модель.

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 строительство, не испытав даже модели. Можно, конечно, попробовать, если 200 миллионов долларов для нас не деньги. 

Важным уроком из этой истории является также то, что самих по себе кратковременных вибрационных испытаний совершенно недостаточно для обоснования работоспособности ПГ (также, как и ТВС). Нужны длительные ресурсные испытания в условиях, близких к условиям эксплуатации, когда в полной мере могут проявиться и виброизнос, и термоциклирование, и локальная жидкометаллическая коррозия. Такие испытания можно и нужно провести до начала строительства, потому что неработоспособный ПГ сделает сооружение энергоблока бессмысленным. 

Не пошел впрок и другой урок, который можно было бы извлечь из описанного Б.Ф.Громовым опыта:

«Приняли мы решение об изготовлении первого парогенератора из аустенитной стали. И опять наткнулись на неприятность. Дело в том, что нержавеющая сталь склонна к растрескиванию в присутствии хлора под напряжением. И нам пришлось после этого не только как-то приспособить парогенератор на стенде ВТ, но и заменить парогенератор на стенде КМ-1 в Сосновом Бору, заменить парогенераторы на всех строящихся подводных лодках» (c. 25 [5]).  

ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 с давлением в 4 раза большим, чем ПГ АПЛ, также изготовлены из аустенитной стали (ЭП302М-Ш), но никаких данных об испытаниях «вода-пар» для этого парогенератора в ПООБ [66] не содержится, в режимах, близких к режимам эксплуатации.

 

4.3.5. Корпус блока реакторного

Гигантский, несоразмерный мощности реактора металло-бетонный корпус диаметром 26 м высотой (без крышки) 17 м содержит внутренние метал-лические конструкции для размещения внутрикорпусного оборудования и теплоносителя, а также внешнюю стальную цилиндрическую оболочку. Между внутренней и внешней металлоконструкциями ‒ бетонный массив, в котором расположены трубы систем разогрева и охлаждения корпуса, а также паропроницаемые каналы системы сушки бетона, распределенные равномерно по объему массива с шагом 40 см и объединенные вертикальными и горизонтальными коллекторами.

Рис. 4.11. Корпус блока реакторного БРЕСТ-ОД-300 [147]

Рис. 4.12. Комплект трубопроводов системы обогрева [147]

Рис. 4.13. Комплект трубопроводов системы охлаждения [147]

 Рис. 4.14. Канал сушки бетона [147]

В разделах 1.2 и 4.1 Экспертного заключения [131] были отмечены следующие особенности проекта металло-бетонного корпуса РУ БРЕСТ-ОД-300 и результаты его экспериментального обоснования.

Исследования на натурном макете днища показали, что уже на этапе сушки в бетонном массиве корпуса образуются многочисленные магистральные трещины длиной 2-3,5 м с величиной раскрытия до 3,5 мм (см. рисунок 4.15), в то время как, согласно требованию п. 6.3.11 СТО 95 1205-2019, предельная величина раскрытия трещин, не должна превышать 0,3 мм. 

В проекте корпуса БР [147] не предъявляется никаких требований ни к величине раскрытия трещин, ни к контролю за трещинообразованием в процессе его сооружения и эксплуатации. Такой подход не отвечает стандартам, принятым в атомной энергетике, согласно которым изготовление и эксплуатация корпуса реактора должна осуществляться в соответствии с наиболее высокими требованиями по качеству, установленными в ФНП.

              

Рисунок 4.15. Схемы расположения трещин в бетонном массиве фрагмента днища со стороны III  и IV 

Помимо магистральных трещин, бетонный массив корпуса БР пронизан полыми каналами системы сушки диаметром 1,5 см, расположенными с шагом 40 см. Только в бетоне № 1 общая длина таких каналов превышает 15 км. В результате бетонный массив представляет собой пористую структуру, способную как губка впитать в себя десятки кубометров свинцового теплоносителя.  Каналы сушки через систему коллекторов и два общих выходных канала выводятся в шахту реактора. Объем теплоносителя, который может вылиться через них практически не ограничен (отсечная арматура системы сушки в процессе эксплуатации РУ открыта).

Таким образом, бетонный массив корпуса РУ БРЕСТ-ОД-300 не в состоянии выполнять функцию страховочного корпуса по локализации течи теплоносителя и защитного газа при разгерметизации внутренней металлической оболочки. Отметим, что толщина двухслойной металлической оболочки корпуса РУ БРЕСТ-ОД-300 − 32 мм близка к толщине основного корпуса БН-800 – 30 мм, и это при несопоставимо большей коррозионной агрессивности и плотности свинцового теплоносителя, по сравнению с натрием. 

Утечка 7-10 % теплоносителя приведет к снижению его уровня ниже входных окон парогенераторов и теплообменников расхолаживания, к разрыву контура естественной циркуляции и, как следствие, к потере нормального и аварийного теплоотвода. Последующий за этим разогрев свинцового теплоносителя за счет остаточного тепловыделения до температуры плавления стали, всплытие расплавленной стали и поглотителей в тяжелом теплоносителе (отделение их от топлива) приведет к вводу такой положительной реактивности, при которой активная зона не просто взорвется, как в Чернобыле, а буквально диспергируется, превратиться в аэрозоли.

Подобный сценарий, это не «гипотетическая тяжелая авария». В соответствии с требованиями п. 15.1.1 НП-018-05, разгерметизация корпуса реактора это исходное событие даже не проектной аварии, а нарушения нормальной эксплуатации. В ПООБ [66] такой сценарий, естественно, не рассмотрен. 

Разгерметизация внутренней металлической облицовки корпуса может быть не только результатом локальной жидкометаллической коррозии стали ЭП302-Ш в свинце, но и сейсмическое воздействие.  Как справедливо указывает разработчик проекта, «вследствие высоких температур и разности в температурном расширении сцепленность арматуры с бетоном нарушается при первом же нагреве (потому используется термин «бетон», а не «железобетон»)». По существу, растрескавшийся, пронизанный пустотелыми каналами сушки и не сцепленный с арматурой бетонный массив корпуса БР представляет собой не монолит, а разрозненные куски бетона, расположенные между внутренними и внешними металлоконструкциями. Как поведут себя эти куски бетона в процессе землетрясения неизвестно. 

Программа ABAQUS, использованная в ПООБ для расчета на прочность корпуса БР РУ БРЕСТ-ОД-300 при сейсмическом воздействии, не применима для этой цели. В соответствии с п. 2.4 Аттестационного паспорта этой программы, «расчет бетонных и железобетонных конструкций на динамическое воздействие может выполняться при уровне трещинообразования, не превышающем пределы, установленные строительными нормами и правилами», в то время как фактический уровень трещинообразования бетонного массива корпуса БР, обнаруженный в испытаниях, более чем на порядок превосходит эти нормы. 

Еще одной причиной разгерметизации может стать массовый разрыв трубок парогенераторов с давлением 18,5- 17 МПА, размещенных в корпусе реактора, как это случилось на АПЛ К-123, что привело к утечке в реакторный отсек 2 тонн радиоактивного СВТ и потере реактора. И это несмотря на то, что давление в ПГ РУ АПЛ было в 4 раза меньше чем в ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300, а первый контур был рассчитан на давление второго контура, чего нет в проекте БРЕСТа. 

Несмотря на невысокое давление в первом контуре в процессе эксплуатации реакторов с СВТ имели место многочисленные течи первого контура на реакторах 27/ВТ, АПЛ К-27, К-64, К-123, К-316, К-373, свинцовом стенде СПРУТ. Большая утечка свинца (~400 кг) состоялась и на недавно созданном в НИКИЭТ проектировщиками БРЕСТа стенде ЭУСТ, несмотря на всю «практическую» невозможность такого события. 

Металло-бетонный корпус РУ БРЕСТ-ОД-300 представляет собой громоздкую, нетехнологичную, трудно контролируемую при сооружении и эксплуатации конструкцию.  Основной объем работ по изготовлению этого корпуса должен выполняться в «полевых» условиях на площадке АЭС, что не соответствует современному уровню техники. На рисунке 4.16 показан монтаж корпуса реактора ABWR мощностью 1400 МВт(э) на площадке АС [190].

Рис. 4.16. Монтаж реактора ABWR

Технология сушки тысяч (~7000 м3) кубометров бетона, размещенного в замкнутом объеме, ограниченном металлическими поверхностями, не отработана. По признанию разработчиков [147]:                                              

«Анализ доступной научно-технической литературы также не выявил рекомендаций по режимам высокотемпературной сушки бетонных массивов в замкнутом объеме. Не обнаружены также работы расчетно-теоретической направленности, посвященные рассматриваемой теме. Создается впечатление, что практический опыт в области разогрева и сушки протяженных бетонных массивов, помещенных в замкнутый, близкий к герметичному, объем, либо отсутствует, либо носит очень ограниченный характер». В ПООБ не представлено никаких сведений и о возможности демонтажа такого корпуса.

Как видим, ни один из ключевых элементов РУ БРЕСТ-ОД-300 (твэл, ТВС, РО СУЗ, ГЦНА, ПГ, корпус БР) не прошел представительных ресурсных испытаний.

Напомним, что в январе 2013 года В.И. Рачков считал очевидным утверждение Б.И. Нигматулина о том, что: “Без демонстрации работоспособности отдельных элементов создание полного комплекса невозможно – это аксиома”. Он сообщал «ПРОатомному народу», что подобные «неубиенные» тезисы, «похожи на скрижали Моисея и мы уже развесили их, где только можно», глумливо благодарил своего учителя «за своевременное и пытливое назидание».

На деле оказалось, что развешивать «скрижали Моисея», как и лапшу (несбыточные обещания) на уши руководству «Росатома», гораздо легче, чем за 10 лет обосновать работоспособность хотя бы одного элемента РУ в свинце. Сегодня все аксиомы отброшены. Если нельзя, но очень хочется, то можно.

Фактические результаты испытаний твэлов в натриевых реакторах и результаты кратковременных испытаний макетов ТВС, РО СУЗ и ГЦНА на свинцовых стендах не позволяют прогнозировать их работоспособность даже на малую часть заявляемого ресурса. Основная причина этого – несовместимость используемых конструкционных материалов с коррозионно-агрессивным свинцовым теплоносителем.

Неработоспособность хотя бы одного из перечисленных элементов сделает неработоспособной всю построенную РУ. Тем более странно, начинать сооружение энергоблока, когда не один, а все его ключевые элементы не отработаны (не обоснованы ни прошлым опытом, ни достаточным объемом стендовых испытаний, ни даже адекватными расчетами), когда сооружать, по существу, просто нечего. В соответствии с ФНП и здравым смыслом, все ресурсные испытания должны были быть выполнены до начала сооружения энергоблока.


4.4. Технология теплоносителя

Технология свинцового теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300 ориентирована на реализацию принятой в проекте концепции антикоррозионной защиты с помощью поверхностных оксидных пленок. Эта концепция предусматривает подачу в теплоноситель кислорода для образования и поддержания в процессе пуска, работы на мощности и останова реактора оксидной пленки на поверхности контактирующих со свинцом конструкционных сталей. Наличие кислорода в свинце и окисление сталей создает условия для появления в теплоносителе нерастворенных примесей в виде оксидов свинца и продуктов коррозии, способных зашлаковать первый контур (активную зону, ПГ). Скорость образования этих примесей зависит от концентрации растворенного в теплоносителе кислорода. Поэтому технология свинцового теплоносителя предусматривает:

 

-  контроль и поддержание регламентного содержания кислорода в СТ;

- контроль и обеспечение допустимой концентрации нерастворенных примесей в свинцовым теплоносителе;

- водородную очистку теплоносителя и первого контура от окислов свинца. 

По утверждению разработчиков, регламент для свинцового теплоносителя был разработан на основе опыта эксплуатации ЯЭУ с СВТ и ряда экспериментальных стендов. Возникает вопрос, насколько такой регламент применим к условиям эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300. 

Прежде всего отметим, что упомянутые выше экспериментальные стенды и по характеру циркуляции (петлевые установки), и по объему теплоносителя (0,07-0,3 м3) очень далеки от проекта РУ БРЕСТ-ОД-300 с интегральной компоновкой и объемом СТ ~900 м3. 

Контроль и поддержание регламентного содержания кислорода в СТ 

Подача кислорода в циркуляционный контур осуществляется с помощью массообменных аппаратов (МА) путем растворения гранул PbO в свинцовом теплоносителе. Потребность в кислороде для поддержания его регламентной концентрации в свинце и, соответственно, производительность МА в ПООБ определены на основе коррозионных испытаний ненагруженных образцов сталей и поэтому существенно занижены (как показано выше, 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 отсутствуют.   

Основным контролируемым показателем качества теплоносителя является термодинамическая активность кислорода (ТДА), измеряемая специальными датчиками (ДАК). Поддержание ТДА в регламентных пределах соответствует регламентной концентрации кислорода в СТ (1-4)∙10-6 %мас. Весь проект РУ БРЕСТ-ОД-300 основывается на убеждении (давно и многократно опровергнутом, в том числе и специалистами ГНЦ РФ-ФЭИ), что при работе стали ЭП823-Ш в базовом кислородном режиме длительностью 54000 ч «утонение металла вследствие коррозионных повреждений может составить не более 18 мкм» (ПООБ [66], п. 4.2.1.1.2.2.3). Как было показано выше, это совершенно не соответствует действительности. 

Подаваемый в теплоноситель кислород идет не только на окисление стали, «большая часть кислорода, взаимодействуя с теплоносителем, образует твердые оксиды свинца, которые локализуются в различных участках контура» (с. 102 [55]). При этом представительный контроль за концентрацией PbO в теплоносителе РУ БРЕСТ-ОД-300 отсутствует. Предполагается, что «при соблюдении регламента эксплуатации свинцового теплоносителя и работе в нормальных условиях эксплуатации (отсутствие разгерметизации контура) образование твердофазного оксида свинца в первом контуре невозможно даже при наличии течей парогенератора, что обуславливает отсутствие необходимости в оперативном (эксплуатационном) контроле окислов свинца (ПООБ [66], п. 4.3.5.1). Однако никакого теоретического или экспериментального обоснования этому постулату в ПООБ не представлено. 

С другой стороны, из опыта эксплуатации СМ-2 и ЦУ-1М в ГНЦ РФ-ФЭИ, видно, что при проведении всех, выполненных за последние 20 лет,  коррозионных испытаний образцов стали, макетов ТВС или РО СУЗ в свинцовом теплоносителе с регламентным содержанием кислорода регулярно, через каждые 1000-1500 часов, проводилась водородная очистка длительностью 70-100 ч (это помимо водородной очистки перед пуском стенда), либо в процессе испытаний в теплоноситель многократно периодически подавалась аргон-водородная смесь, восстанавливающая оксиды свинца. Не представлено ни одного испытания, которое бы подтвердило, что поддержание концентрации кислорода в СТ в регламентных пределах гарантирует отсутствие шлакообразования в первом контуре.

Если имеющийся опыт свинцовых стендов перенести на РУ БРЕСТ-ОД-300, то реактор через каждый полтора-два месяца придется останавливать на водородную очистку 10 000 тонн свинца. 

Еще одна проблема контроля и поддержания регламентной концентрации кислорода связана с течами ПГ. По опыту эксплуатации [80], микротечи ПГ могут стать эффективным поставщиком кислорода в первый контур, что приведет к образованию PbО и кислородной коррозии. В то же время представительные экспериментальные данные о взаимодействии горячего водяного пара со свинцовым теплоносителем при течах ПГ в ПООБ РУ БРЕСТ-ОД-300 отсутствуют. Контроль микротечей ПГ в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 не предусмотрен. 

В единственном эксперименте, выполненном в АО «ГНЦ РФ-ФЭИ», в свинцовый теплоноситель массой 1,5 т с регламентным содержанием кислорода, при температуре 540 ᴼС подавался пар с расходом 0,5-5 г/ч.  При этом было обнаружено что ТДА кислорода в процессе эксперимента практически не меняется или даже несколько снижается. На основании этого эксперимента и в ПООБ [66] был сделан вывод о том, что при соблюдении регламента эксплуатации свинцового теплоносителя образование твердофазного оксида свинца в первом контуре невозможно даже при наличии течей парогенератора. В итоге, масштабируя данные этого микроэксперимента (микротечь с расходом 0,5-5 г/ч) на объем свинца в РУ БРЕСТ-ОД-300, разработчики проекта дали следующую оценку допустимых течей ПГ: 

  - течь ПГ до 2 г/с (172,8 кг/сут или 5184 кг/месяц) является несущественной, с точки зрения технологии теплоносителя;

  - течь ПГ больше 206 г/с (742 кг/ ч и 17798 кг/сут) следует считать аварийной. 

Вряд ли эту оценку можно назвать реалистичной. За один месяц в реактор попадет больше 5 тонн воды, а система контроля этого даже не замечает (ТДА кислорода не меняется), а течь ПГ до 17 тонн в сутки еще не считается аварийной. Никаких экспериментальных данных, подтверждающих, что попадание в первый контур сотен и тысяч килограммов воды в сутки не приведет к его зашлаковке оксидами свинца и усиленной кислородной коррозии конструкционных материалов, в ПООБ [66] не представлено. В упомянутом выше эксперименте эти вопросы не исследовались.  

У разработчиков БРЕСТа те же иллюзии, что были у Б.Ф.Громова после первого похода АПЛ К-27: “Представляете, какую чудо-машину мы создали: возникла течь из парогенератора до 12 л/час, а ей хоть бы что ‒ идет и никаких неприятностей.”»  (c. 132 [5]). Но уже после второго похода активная зона зашлаковалась так, что и топливо расплавилось и люди погибли… Можем повторить?Из «Курса неорганической химии» (Г. Реми, т.1) известно, что в отсутствии кислорода свинец не реагирует с водой при комнатной температуре, но при действии горячего водяного пара образует оксиды свинца и водород (как показал опыт эксплуатации ЯЭУ АПЛ, в случае течи ПГ концентрация водорода в газовой системе возрастала до нескольких десятков процентов).  Поскольку ДАК на оксиды свинца не реагирует, то ТДА кислорода остается неизменным или даже несколько снижается из-за того, что часть образовавшегося при разложении Н2О водорода раскисляет теплоноситель. Именно это и наблюдалось в эксперименте, выполненном в АО «ГНЦ РФ-ФЭИ».

Образование водорода и оксидов свинца, окисление конструкционных материалов в данном микроэксперименте не исследовалось. Отсюда и возникло представление, что попадание в реактор многих сотен или даже тысяч килограммов воды ‒ не проблема.  Данный пример многое говорит об уровне обоснования регламента для свинцового теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300. 

Угроза зашлаковки оксидами свинца и продуктами коррозии имеет первостепенное значение для безопасности РУ БРЕСТ-ОД-300. За время эксплуатации ЯЭУ с ТЖМТ произошло 5 крупномасштабных зашлаковок первого контура, одна из которых, как уже говорилось, закончилась плавлением активной зоны (АПЛ К-27, 1968 г.). 

Зашлаковка на стенде КМ-1 произошла в конце 70-х годов, когда «отработка технологических режимов была завершена».  Эта зашлаковка была вызвана «длительной подпиткой газовой системы гелием с большим содержанием воздуха. Полное удаление из первого контура шлаковых отложений (~52 кг в пересчете на оксид свинца) потребовало более месяца водородной очистки». Данный пример показывает недостаточность контроля качества теплоносителя по ТДА кислорода. В течение длительного времени ни поступление воздуха, ни образование шлаков вплоть до 52 кг не было зафиксировано и предотвращено. В масштабе РУ БРЕСТ-ОД-300 52 кг шлаков на стенде КМ-1 соответствует примерно 8 тоннам PbO. 

Контроль и обеспечение допустимой концентрации нерастворенных примесей в СТ 

Концентрация нерастворенных примесей в теплоносителе РУ БРЕСТ-ОД-300 не регламентируется, а оперативный контроль за их содержанием отсутствует. Как указано в п. 4.3.5.7.3.1 ПООБ [66], «прямой контроль содержания в теплоносителе шлаков на основе оксидов свинца затруднен (например, использование известного метода отбора проб «на вынос» непредставительно)». Точно так же затруднен и непредставителен контроль за содержанием других нерастворенных примесей (продуктов коррозии), накапливающихся в свинцовом теплоносителе.

Для исследования процессов образования и переноса нерастворенных примесей в гораздо менее агрессивном по отношению к конструкционным материалам натриевом теплоносителе были созданы два стенда ПРОТВА-1 и ПРОТВА-2, на которых был выполнен большой объем экспериментальных работ. Для РУ БРЕСТ-ОД-300 никаких экспериментальных исследований образования и переноса твердых примесей в первом контуре не проведено.

Расчетные оценки выхода продуктов коррозии в СТ противоречивы и варьируются, по разным источникам, от 50 до 500 кг/год. В ПООБ принята оптимистичная оценка − 70 кг/год, основанная на данных коррозионных испытаний ненагруженных образцов сталей. 

Для очистки теплоносителя от нерастворенных примесей на ЯЭУ АПЛ с СВТ (петлевая РУ с объемом теплоносителя ~6 м3) был разработан фильтр производительностью 900 м3[148]:

Общая производительность фильтров интегральной РУ БРЕСТ-ОД-300 с объемом теплоносителя ~900 м3 (в 150 раз большим, чем в ЯЭУ АПЛ), в которой только 10 % расхода СТ проходит через фильтры, составляет всего 1500 м3/ч (в 1,7 раз больше, чем ЯЭУ АПЛ). Никаких экспериментальных или расчетных данных, подтверждающих, что такой производительности фильтров будет достаточно, не представлено. В разработанном регламенте отсутствует даже критерий (допустимое содержание нерастворенных примесей в СТ), по которому можно было бы судить, «достаточно» или нет. Не проведено и полномасштабных ресурсных испытаний фильтра в условиях, близких к условиям эксплуатации. 

Стоит обратить внимание и на то, что, как показали выполненные еще в 1970-е годы эксперименты, на величину контактного термического сопротивления непосредственное влияние оказывают взвешенные примеси, которые скапливаются вблизи теплоотдающих поверхностей. Образование такого слоя, имеющего низкую теплопроводность, связано с гидродинамическими условиями. «При эксплуатации жидкометаллических систем, а также при изучении вопросов коррозии, теплообмена и массообмена необходимо знать и учитывать законы распределения примесей по сечению потока теплоносителя и по отдельным участкам и узлам контура».

Ничего из этих экспериментальных фактов и рекомендаций, касающихся нерастворенных примесей в контуре РУ БРЕСТ-ОД-300, не изучено и не учтено в теплогидравлических расчетах активной зоны и ПГ. 

Водородная очистка теплоносителя от окислов свинца

Накопление оксидов свинца в СТ в процессе эксплуатации вынуждает регулярно проводить его водородную очистку, позволяющую разрушить отложения и вернуть свинец обратно в теплоноситель. Для этой цели в проекте РУ БРЕСТ-ОД-300 предлагается использовать увлажненную аргон-водородную восстанавливающую смесь Н22О-Ar с объемным содержанием водорода 8,12 %, которая подается из газовой полости реактора в циркулирующий поток теплоносителя при помощи механических диспергаторов газа.

Водородная регенерация использовалась со времен первых ЯЭУ для АПЛ и стендов со свинцово-висмутовым теплоносителем. Позднее эта технология была перенесена на стенды со свинцовым теплоносителем. Основными особенностями ее практического применения были сравнительно небольшой объем регенерируемого теплоносителя (4-6 м3 в ЯЭУ АПЛ и десятки литров на стендах) и петлевая компоновка этих установок, позволяющая гарантированно доставить весь объем теплоносителя к источнику водорода. При этом было установлено, что для успешной транспортировки пузырьков Н2 по первому контуру в потоке ТЖМТ его скорость не должна быть меньше      0,6 м/с.

Условия водородной очистки 1 контура РУ БРЕСТ-ОД-300 принципиально отличаются от указанных выше. Это интегральная установка с объемом СТ ~900 м3 с большой свободной поверхностью свинца, со сложной структурой течений и скоростью теплоносителя на опускном участке ~0,2 м/с, а на отдельных участках, например, в каналах РО СУЗ и того меньше − ~0,1 м/с. Поэтому опыт ЯЭУ АПЛ и стендов далеко не представителен для РУ БРЕСТ-ОД-300. 

Для обоснования водородной очистки РУ БРЕСТ-ОД-300 в ПООБ приведены результаты экспериментальных исследований на петлевом стенде высотой 6 м, с диаметром труб ~5-6  см и объемом теплоносителя ~70 л.  При этом, в качестве восстанавливающей смеси, вместо Н22О-Ar с 8,12 % Н2, использовался технический водород. 

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 СТ РУ БРЕСТ-ОД-300 объемом 900 м3. 

Время водородной очистки сложного интегрально контура РУ БРЕСТ-ОД-300, с объемом свинцового теплоносителя ~900 м3, согласно ПООБ [66]             (п. 4.3.5.7.3.1), составляет всего 44,4 часов, а вместе с предварительной подготовкой и последующими операциям – не более 7 суток. Это не согласуется, с реальным опытом эксплуатации стендов СМ-2, ЦУ-1М, на которых, при объеме теплоносителя 70 л, водородная регенерация занимает от 70 до 100 часов, а водородная очистка стенда КМ-1 с объемом теплоносителя ~6 м3 потребовала больше месяца. 

Согласно выполненным в АО «НИКИЭТ» расчетам газовой системы, только для того чтобы после водородной очистки снизить объемную концентрацию водорода в газовой полости до 1 % (верхняя граница эксплуатационного предела) требуется 125 часов, до  0,3 % ‒ 800 часов (больше месяца), а до 0,1 % (нижняя граница эксплуатационного предела) ‒ 2000 часов или 83 суток. 

Представленные в ПООБ оценки времени водородной очистки РУ БРЕСТ-ОД-300 не согласуются ни между собой, ни с реальным опытом эксплуатации свинцовых стендов.  

В 2006 г., обращаясь к НТС №1 Росатома по поводу проекта СВБР, академик Ф.М.Митенков ‒ один из ведущих разработчиков ЯЭУ АПЛ с СВТ, писал: «Не отработана в полной мере технология теплоносителя, в частности, поддержание концентрации кислорода в заданных пределах достаточно условно (точки замера непредставительны), что имеет принципиальное значение для работоспособности» [78]. Т.е. даже для петлевых реакторов с объемом СВТ 4-6 м3 за полвека не удалось в полной мере отработать технологию теплоносителя, что и стало одной из причин их недолгого (не более одной кампании) и малоуспешного (5 тяжелых аварий) существования. 

С еще большим основанием слова Ф.М.Митенкова можно отнести к технологии свинцового теплоносителя. О каком обосновании регламента может идти речь, если даже на самих свинцовых стендах СМ-2, ЦУ-1М с объемом СТ ~70 л за 20 лет ни разу не удалось проработать больше 1000-1500 часов без водородной очистки. Если все оценки производительности массообменных аппаратов и фильтров основаны на коррозионных испытаниях ненагруженных образцов сталей, а исследования взаимодействия свинца с паром ограничены имитацией течи с расходом 0,5-5 г/ч (не больше чайной ложки в час) в объем теплоносителя ~150 л и т.д.  

Ни подача кислорода, ни фильтрация нерастворенных примесей, ни водородная регенерация не отработаны на стендах, хоть сколько-нибудь сопоставимых по объему и характеру циркуляции теплоносителя с РУ БРЕСТ-ОД-300, но и это еще полбеды.  

Как показали современные исследования, а также многолетний опыт эксплуатации реакторов и стендов с ТЖМТ, поддержание регламентной концентрации кислорода – главного показателя качества теплоносителя, не предотвращает коррозию конструкционных материалов сверх установленных пределов и не гарантирует отсутствие зашлаковки первого контура оксидами свинца и продуктами коррозии. 

Оказалось, что сама идея защищаться от жидкометаллической коррозии с помощью коррозии кислородной не работает. А ведь именно на эту идею в течение десятилетий возлагались все надежды энтузиастов и разработчиков реакторов с ТЖМТ, на ее реализацию ориентированы технология и регламент свинцового теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300. Но даже если эта технология будет отработана на крупномасштабных стендах и идеально реализована на практике, это не спасет положения. Кислородная коррозия не остановится, главной и неустранимой проблемой по-прежнему останется локальная ЖМК, не исчезнет и жидкометаллическое охрупчивание ферритно-мартенситной стали ЭП823-Ш ‒ основного конструкционного материала активной зоны.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=11181