ГЛАВА 1. ЕЩЕ НЕМНОГО ИСТОРИИ
Статьи главы подготовлены авторами уже после опубликования первого сборника. Хотя они и повествуют о достаточно давних работах института, представляется, что многие подробности событий и дел тех лет могут быть интересными для читателя.
Стенд 27ВМ. Его активные зоны...
В основании пирамиды безопасности каждой корабельной реакторной установки лежит защитный барьер, локализующий первичный источник радиоактивности. Он формируется конструкторско- технологическими решениями по активной зоне и ее главным компонентам - твэлам, не имеющим аналогов в технике по многообразию воздействующих на них факторов и требуемым срокам работы в таких условиях.
Поскольку проверку правильности предлагаемых решений необходимо проводить в составе “экспериментального образца, который всегда выполняется в натуральную величину и представляет собой законченное в функциональном отношении изделие, пригодное для исследовательских испытаний”, то таким “экспериментальным образцом” для корабельных активных зон (КАЗ) являются наземные стенды-прототипы корабельных установок.
Первый в нашей стране стенд 27ВМ сыграл выдающуюся роль в развитии отечественной корабельной ядерной энергетики. Выполнив свое назначение в качестве опытного образца энергоустановки атомных подводных лодок (АПЛ) 1-го поколения, подтвердив в начальный период эксплуатации все принципиальные технические решения создателей этой ЯЭУ, стенд 27ВМ стал полигоном для исследования работоспособности различных типов твэлов, разрабатываемых для активных зон реакторов АПЛ последующих поколений.
Испытания двух однородных активных зон на основе кольцевых твэлов положили начало широкому использованию этих твэлов в активных зонах реакторов АПЛ 1 -го и 2-го поколений с длительностью кампании, превышающей первоначальную в несколько раз. По сравнению со стержневыми, особенностью кольцевых твэлов является высокая эффективность использования урана. Вместе с тем кольцевые твэлы имеют более низкие напряжения и относительные деформации оболочек, чем стержневые, при одинаковой энерговыработке, что обеспечило их более высокую работоспособность.
В середине 1970-х годов создание активных зон для стенда 27ВМ и получаемые при их испытаниях результаты стали базой для выработки своего рода “философии” конструирования КАЗ, призванной «увязать» желания заказчиков, проблемы конструкторов и технологов, возможности решения этих проблем. Этому в немалой степени способствовали расширение на стенде объема внутриреакторного контроля за протеканием различных процессов и внедрение частичных перегрузок технологических каналов. Так, были проведены уникальные опыты по исследованию кризиса теплообмена непосредственно в реакторе. Сначала модель ТВС, затем полномасштабные ТВС с кольцевыми и стержневыми твэлами выводились в режимы кризиса теплообмена при работе реактора в штатных условиях. Возможность реализации таких режимов обеспечивалась варьированием физических характеристик испытываемых ТВС на фоне в целом однородной зоны.
Способ формирования в зоне локальных физических характеристик и управления ими получил после «кризисных» испытаний свое второе рождение и развитие в “пестрых” зонах стендового реактора. Отличительные особенности таких зон: сложная схема расположения различных по своим свойствам ТВС, “псевдооднородность” физических свойств в объеме активной зоны, создание для отдельных групп ТВС необходимых теплофизических условий работы.
В частности, в первой “пестрой” зоне были использованы по 4 вида топливной композиции и конструктивного оформления твэлов и один вид оболочечного материала. Всего было испытано 6 типов твэлов, включая эталонный твэл, и 14 различных типов ТВС. Во второй “пестрой” зоне были использованы 8 видов оболочечного материала, 3 вида топливной композиции, 7 видов конструктивного оформления твэлов. Было испытано 16 типов ТВС.
Испытания первой и второй “пестрых” зон позволили, например, из 17 испытанных типов твэлов выбрать 5 перспективных и дать рекомендации для их использования в серийных активных зонах реакторов АПЛ и атомных ледоколов. За 8 лет были проведены ресурсные испытания такого количества типов твэлов и ТВС, на исследования которых традиционным способом потребовалось бы около 60 лет.
Результаты испытаний на стенде 27ВМ, широко использовавшиеся при проектировании реакторных установок новых АПЛ, составили “золотой фонд” исследований физики водо-водяных активных зон. Вот некоторые объекты этих исследований:
- температурный эффект реактивности;
- эффективность стержней аварийной защиты (АЗ) и автоматического регулирования (АР), компенсирующей решетки в рабочих диапазонах температур;
- поля энерговыделения по объему активной зоны при работе реактора;
- процессы изменения реактивности при выгорании топлива;
- алгоритмы вывода реактора на минимально контролируемый и энергетический уровни мощности.
Эти и ряд других исследований легли в основу расчетных методов и программных средств, описывающих нейтронно-физические характеристики КАЗ и их поведение в течение кампании.
Крупнейшим прорывом в решении проблемы увеличения длительности кампании КАЗ стал комплекс работ по созданию и испытаниям в активных зонах реактора стенда 27ВМ блокированного и гомогенного выгорающих поглотителей, а также по организации физического профилирования зон с помощью выгорающих поглотителей. На базе этих исследований были созданы “обгорающие” стержни выгорающего поглотителя, которые и поныне применяются в КАЗ. Добавим к этому, что результаты физических исследований активных зон на стенде стали базой для разработки требований по ядерной безопасности корабельных установок.
Разработка и испытания “пестрых” зон стенда 27ВМ стимулировали создание целого ряда уникальных для своего времени методов, приборов и устройств внутриреакторных измерений нейтронно-физических и теплогидравлических параметров (позднее такие измерения были организованы и на других отечественных стендах-прототипах). Впервые в реакторных условиях проведены:
- диагностирование кипения в активной зоне с помощью изучения шумов нейтронного потока и температуры топлива;
- исследования глубины выгорания урана с помощью датчиков в топливной композиции твэлов;
- исследования распределений энерговыделения в отдельных твэлах на работающем реакторе.
Результаты испытаний твэлов в “пестрых” зонах стенда 27ВМ позволили НИКИЭТ как главному конструктору активных зон созданных по его проектам корабельных реакторных установок обеспечить минимальные риски при максимальной вероятности достижения требуемых длительностей безотказной работы. Мощности и габариты этих активных зон, продолжительности их кампаний до начала разгерметизации твэлов были увязаны на основе сочетания возможностей конструкции, экспериментального подтверждения, промышленной технологии и культуры эксплуатации. Эти же результаты позволили сформулировать концепцию подхода к КАЗ при проектировании новых реакторных установок:
“КАЗ должна быть герметичной во всех периодах ее жизненного цикла, а прекращение ее эксплуатации должно быть осуществлено с запасом до появления первых признаков негерметичности твэлов”.
Создание и эксплуатация “пестрых” активных зон на стенде 27ВМ осуществлялись людьми, которые “знали, хотели, могли и осознали границы возможного”. Это - А.А. Бакулевский, В.А. Быков, Г.Е. Романцов, В.Г. Аден, В.П. Костомаров, В.П. Юкин, Г.М. Дворина, Б.И. Рогатных, В.В. Элатомцев и др. Их творческий, упорный, самоотверженный труд во многом определил высокие тактико-технические характеристики отечественных корабельных реакторных установок.
Сегодня стенда 27ВМ уже не существует. На смену ему в XXI веке мог бы прийти специализированный исследовательский корпусной петлевой реактор с выровненными полями энерговыделений и широким спектром экспериментальных возможностей. Разработанный в 90-х годах XX века в НИКИЭТ проект этого реактора с условным наименованием ТАВОТ использовал идеи, достоинства и многие “изюминки” “пестрых” зон стенда 27ВМ. К сожалению, реализация проекта не была начата. Интерес мирового сообщества к развитию атомного флота, в том числе гражданского назначения, проецируется на 2010-2012 гг. Время для действий еще есть.
Г.М. Дворина
