На октябрьской конференции «Новая атомная энергетика» топ-менеджеры, ученые и инженеры Росатома рассказывали о ключевых направлениях развития российских реакторных технологий. Одно из них – улучшение отлично себя зарекомендовавших больших и средних реакторов ВВЭР. Рассказываем, что такое ВВЭР-С – водо-водяной энергетический реактор со спектральным регулированием.
Краткая хроника создания
В 1980-х годах по всему миру рассматривалась концепция спектрального регулирования реактивности с помощью смягчения спектра нейтронов за счет увеличения объема замедлителя. Увеличить объем можно двумя способами – использовать вытеснители, извлекаемые из активной зоны в процессе выгорания, или разбавить теплоноситель тяжелой водой. Спектральное регулирование рассматривали как один из способов сэкономить топливо с помощью наработки делящихся изотопов.
Тогда идею отложили и вернулись к ней в 2005 году. Под руководством Владимира Асмолова (сейчас – советник гендиректора госкорпорации) были выполнены работы по разработке «супер-ВВЭР». Одним из направлений был реактор со спектральным регулированием. Для него рассматривали реактор средней мощности – 600 МВт (э). Предполагаемый коэффициент воспроизводства на ВВЭР-С – 0,7 – 0.8. Для сравнения, у обычного ВВЭР – 0,35 – 0,4. Цикл работ был проведен, их результаты легли в основу следующего этапа исследований. В 2019-2020 годах проработка этой концепции развития ВВЭР продолжилась. Результаты выполненных НИОКР показали, что можно построить АЭС с реактором ВВЭР-С с конкурентоспособными технико-экономическими показателями.
Разработка проекта ВВЭР-С сейчас нацелена на решение пяти задач. Первая – снижение расхода природного урана в открытом ядерном топливном цикле. Вторая – обеспечение эффективной работы реактора с полной загрузкой уран-плутониевым топливом с коэффициентом воспроизводства 0,7 – 0,8 в замкнутом ядерном топливном цикле. Третья – обеспечение работы реактора в режиме суточного регулирования мощности в диапазоне 100-40-100%. Четвертая – снижение сроков и стоимости сооружения энергоблоков за счет принципиально новых конструкторских решений. Пятая – сокращение объема радиоактивных отходов.
Технология ВВЭР-С опирается на накопленный опыт эксплуатации реакторных установок ВВЭР. И хотя нельзя утверждать, что рассматриваемые для ВВЭР-С решения сверхновые, ученые, инженеры и конструкторы изучили широкий круг предложений, улучшающих характеристики проекта. Совокупность нововведений позволяет рассматривать его как перспективное предложение для внутреннего и внешнего рынка.
Технология ВВЭР-С присутствует в Стратегии развития ядерной энергетики России до 2050 года и перспективы на период до 2100 года, утвержденной наблюдательным советом госкорпорации в 2021 году.
Как это работает
«В традиционной технологии ВВЭР для компенсации начального запаса реактивности на выгорание и регулирование реактивности в процессе эксплуатации реактора используется система борного регулирования – изменение концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура» — рассказывает руководитель проектного офиса по управлению проектом ВВЭР-С Виктор Мохов.
Спектральное регулирование в ВВЭР-С происходит за счет изменения водоуранового отношения в процессе работы реактора на мощности при извлечении механических вытеснителей воды, расположенных в специальных каналах ТВС, из активной зоны. Благодаря вытеснителям, погруженным в активную зону, объем замедлителя в начале кампании меньше, поэтому спектр нейтронов в активной зоне более жесткий. Это приводит к снижению сечения деления нечетных делящихся изотопов и увеличению сечения резонансного захвата изотопа урана-238. Оба эффекта приводят к снижению размножающих свойств активной зоны и росту накопления делящегося 239Pu, что экономит делящийся материал в ежегодной загрузке топлива. Дополнительный эффект ужесточения спектра – увеличение доли делений на изотопе урана-238. При извлечении вытеснителей спектр из жесткой области смещается в тепловую, что приводит к росту реактивности.
Использование вытеснителей для регулирования реактивности в процессе выгорания позволяет отказаться от использования борного регулирования в процессе работы реактора на мощности. Однако полный отказ от борного регулирования в реакторах типа ВВЭР сложно реализуем, так как в соответствии с требованиями безопасности необходимы две независимые системы, основанные на разных физических принципах, обеспечивающие перевод и удержание реактора в подкритическом состоянии.
Особенности топлива и оборудования
Разработчики считают, что ВВЭР-С — это эволюция технологии ВВЭР, нацеленная на переход от открытого к замкнутому ядерному топливному циклу и эффективную работу в двухкомпонентной ядерной энергетике.
Для ВВЭР-С рассматриваются две конструкции ТВС. Первая – классическая, но с увеличенным числом каналов для размещения поглощающих стержней системы управления и защиты (СУЗ), что позволяет выделить часть «серых» СУЗ для управления реактивностью. Вторая – эволюционная, с уменьшенным шагом решетки твэл и каналами для размещения вытеснителей, которые позволяют изменять водоурановое отношение в ТВС в диапазоне 1,5 — 2,0.
Для твэлов и основного реакторного оборудования ВВЭР-С будут максимально использоваться референтные решения. Основные технические решения по оборудованию базируются на отработанных решениях АЭС-2006 и АЭС с ВВЭР-ТОИ. Тепловая мощность реактора составит 1600 МВт. Электрическая – до 650 МВт. КПД – 38%. Для реактора планируют использовать большой корпус, разработанный для ВВЭР-1000, чтобы разместить там необходимое количество топлива и вытеснителей.
В ВВЭР-С активная зона будет полностью заполнена уран-плутониевом топливом, что позволит станциям с этой реакторной установкой наиболее эффективно вписаться в концепцию двухкомпонентной энергетики.
На Кольской АЭС
Для ВВЭР-С была выбрана средняя мощность, чтобы Росатом мог делать потенциальным клиентам конкурентоспособное предложение по замещению выбывающих угольных ТЭС, энергоснабжению регионов с неразвитой сетевой инфраструктурой и замкнутых энергоузлов.
Кольская АЭС была выбрана для размещения первого энергоблока с реакторной установкой ВВЭР-С, так как вскоре необходимо выводить из эксплуатации действующие энергоблоки ВВЭР-440 первого поколения. В соответствии с действующей Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики в Российской Федерации, блок с ВВЭР-С может быть построен до 2035 года, если будут обоснованы проектные технические решения, и проект окажется конкурентоспособным по сравнению с традиционными ВВЭР и альтернативными генерирующими источниками. АЭС с ВВЭР-С можно будет предлагать и для внешнего рынка, поскольку на Кольской АЭС, как планируется, будут апробированы технологические решения и доказана работоспособность блока с новой реакторной установкой.
Этапы разработки
Постановочные НИОКР уже закончены, полным ходом идет проектирование реактора, реакторной установки. Ведется разработка основных технических решений по энергоблоку и АЭС в целом. Также идут НИОКР по обоснованию принимаемых в проекте ВВЭР-С технических решений. До конца 2024 года будет выпущена документация, которая позволит оценить себестоимость, перспективность разработки и т.д. Энергопуск первого блока на новой площадке Кольской АЭС-2 очереди запланирован на 2035 год.
