Статья подготовлена по тезисам сообщения главного конструктора активных зон реакторов БН Бориса ВАСИЛЬЕВА на конференции «Нейтроника-2019». За полувековой период развития быстрых реакторов в нашей стране разработаны и реализованы проекты реакторов БН-350, БН-600, БН-800. Кроме того, до уровня технических проектов доведены разработки коммерческого реактора большой мощности, предназначенного для серийного сооружения: в 1990-е годы – реактор БН-1600, в 2010-е – реактор БН-1200
Основная цель при разработке проектов активных зон для этих реакторов соответствовала цели внедрения в структуру атомной энергетики быстрых реакторов – обеспечение расширенного воспроизводства ядерного топлива (КВ больше 1) и полного использования энергетического потенциала урана для снятия ограничений по развитию и долгосрочному функционированию атомной энергетики в части сырьевой базы. Главные дополнительные цели соответствовали основным целям при разработке проектов активных зон любых типов ядерных реакторов для АЭС – обеспечение безопасности и экономичности реакторов. Конкретные требования по достижению этих целей менялись при переходе от проекта к проекту.
В части воспроизводства топлива на начальной стадии разработок ставилась задача достижения максимального КВ (проекты БН-350 и БН-600) и минимального времени удвоения (проект БН-600). Это привело к характерным особенностям проектов российских быстрых реакторов – высокой объемной доли топлива в активной зоне (до 0,44) и высокой теплонапряженности (до 550 МВт/куб.м). БН-350 (пущен в 1973 году) и БН-600 (пущен в 1980 году) были прототипами, демонстрационными быстрыми натриевыми реакторами с петлевой и интегральной компоновкой соответственно. Основной успешно решенной задачей при разработке этих реакторов стало освоение технологии и создание надежной конструкции быстрых натриевых реакторов.
Для ускорения и упрощения освоения реакторной технологии в этих реакторах были применены активные зоны на диоксидном урановом топливе. Для оценки воспроизводящих характеристик реакторов БН на МОКС-топливе были выполнены расчеты, которые показали, что величина КВ в разработанных активных зонах составит ~1,35, а время удвоения – приблизительно семь лет при времени внешнего топливного цикла один год.
Проекты БН-800 и БН-1600 начали разрабатываться в 1970-е годы и изначально были нацелены на использование МОКС-топлива и достижение высоких воспроизводящих характеристик. В 1984 году на Белоярской АЭС начато сооружение реактора БН-800 с созданием общей инфраструктуры для реализации также и проекта реактора БН-1200.
В процессе развития и функционирования атомной энергетики в стране конкретные требования к воспроизводящим характеристикам быстрых реакторов в стратегических документах атомной отрасли менялись – в 1980-е годы было снято требование по короткому времени удвоения, в 2000-е исходя из принципов обеспечения «естественной безопасности» было признано возможным и целесообразным для экспорта реакторов исключить внешние зоны воспроизводства и ограничиться КВ ~1 непосредственно в активной зоне при использовании в ней более плотного, чем МОКС, нитридного топлива.
Для обеспечения возможности наращивания мощностей атомной энергетики и широкого ввода быстрых реакторов при этом рассматривался старт быстрых реакторов, в том числе на обогащенном урановом топливе. С учетом этих обстоятельств и ориентировки на утилизацию оружейного плутония в реакторе БН-800, введенном в строй в 2014 году, величина КВ была ограничена значением ~1,0.
В проекте коммерческого быстрого реактора БН-1200, разрабатываемого в последнее время, предусматриваются варианты применения активных зон на МОКС– и нитридном топливе как с внешними зонами воспроизводства, так и без зон воспроизводства с обеспечением КВ в пределах 1,05–1,35. В плане обеспечения безопасности реакторов БН наиболее значимые изменения в проектах активных зон произошли после Чернобыльской аварии, в результате которой сооружение БН-800 было приостановлено. Во-первых, в нормативной документации по безопасности было сформулировано требование по исключению возможности неуправляемого роста мощности реактора, в том числе и в запроектных авариях. В связи с этим потребовалось ограничить величину натриевого пустотного эффекта реактивности меньшим значением. Для достижения этой цели была предложена концепция активной зоны, в которой непосредственно над топливной частью вместо зоны воспроизводства находится натриевая полость и поглощающий экран. Применение такой компоновки привело к уменьшению КВ на ~0,15.
Во-вторых, для снижения возможности тяжелых аварий в конструкцию активной зоны вводятся стержни пассивной аварийной защиты. Для реактора БН-800 была решена задача по созданию системы пассивной аварийной защиты, основанной на принципе гидравлического взвешивания расцепленных поглощающих стержней. Для реактора БН-1200 дополнительно разрабатываются стержни со срабатыванием при опасном превышении температуры натрия на выходе из активной зоны.
Для повышения экономических характеристик реакторов основной задачей является достижение глубокого выгорания топлива. В результате выполненных работ по этому направлению среднее выгорание топлива в реакторе БН-600 удалось увеличить с 40 МВт сут/кг до 74 МВт сут/кг, создан хороший задел для достижения в ближайшие годы выгорания до 90 МВт сут/кг. Другим направлением повышения экономичности является увеличение длительности топливной кампании за счет снижения теплонапряженности при укрупнении твэлов. В проекте БН-1200 предусмотрено снижение теплонапряженности до 230 МВт/куб. м, что дает возможность достижения топливных кампаний до четырех–шести лет и увеличения времени между перегрузками с полугода до года. Для дополнительного улучшения экономических показателей рассматриваются варианты гетерогенных активных зон с аксиальной воспроизводящей прослойкой, обеспечивающей уменьшение потери реактивности на выгорание и снижение скорости набора повреждающей дозы на конструкционные материалы ТВС.
Что же касается организации выжигания младших актинидов, потенциально возможного в быстрых реакторах, ведутся научные исследования и оценки технико-экономической целесообразности.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
