УЗИ реактора
БАЭСовцы научились видеть сквозь жидкий натрий – рассказываем, как
В реакторах на быстрых нейтронах есть особенность: всё, что находится внутри, невозможно увидеть. Вся активная зона скрыта под слоем жидкого металла – натрия. Поэтому инженерам приходится искать другие способы контроля. На 4 блоке Белоярской АЭС готовится к внедрению «Визус» – система ультразвукового сканирования, которая позволит буквально «просветить» пространство над активной зоной. Как она устроена и зачем нужна, рассказывает заместитель начальника отдела инженерно-технической поддержки эксплуатации Никита ЛОЖКИН.
– Никита Викторович, а почему именно сейчас возникла необходимость в «Визусе»?
– Вообще изначально эта система в проекте была. Проект нашего 4 блока разрабатывался давно, в начале 1980-х годов. Тогда подобная система звуковидения работала на французских натриевых реакторах «Феникс», и проектируя наш реактор, исходили из того, что возможность «видеть» под слоем натрия в принципе существует. Но это была импортная разработка, российского аналога тогда не существовало. И разрабатывали его достаточно долго – учитывая, что в конце 1980-х проект 4 блока БАЭС был заморожен, и только в начале 2000-х развитие продолжилось.
Разработчик системы – ОКБМ имени Африкантова, главный конструктор нашего реактора. Конструкция в её окончательном виде появилась лет пять назад. Отдельным вопросом был ультразвуковой преобразователь – датчик, который испускает сигнал и принимает отражённую волну. Его нужно было разработать, потом испытать на натурном стенде и убедиться, что он работает в жидком металле. После этого начали разрабатывать уже весь комплекс: механизмы, которые позволяют перемещать датчик в жидком натрии внутри реактора, поворачивать его, направлять на отражатели. Конструкция достаточно сложная, в ней множество механизмов. К тому же вся система работает в очень разных условиях: сверху – температура около 40 градусов, а в реакторе – примерно 250. Соответственно, температурные удлинения материалов также приходится учитывать. Изготовить систему тоже не так просто: нужны были специальные материалы, производство, которое сможет справиться с таким заказом.
Вся система «в железе» появилась буквально недавно, в позапрошлом году.
– А зачем вообще понадобилась такая система?
– Это связано с особенностями реакторов на жидком натрии. Всё, что находится под слоем натрия, мы не видим. Реактор один раз заполняется натрием – и дальше туда никто никогда не попадёт до самого вывода блока из эксплуатации, а это может быть лет через 100-150. Поэтому нам необходимо иметь способ контролировать пространство над активной зоной. Например, перед перегрузкой топлива нужно убедиться, что там нет посторонних предметов.
– Как вообще происходит перегрузка топлива?
– Активная зона реактора состоит из более чем тысячи топливных сборок. Когда производится перегрузка, специальный механизм опускается на сборку, захватывает её и извлекает. И затем её нужно переместить в горизонтальной плоскости на каретку элеватора выгрузки – это происходит прямо внутри реактора. При этом сборка проходит над другими сборками. Ультразвуковая система сканирует пространство над активной зоной и проверяет, нет ли на пути каких-то препятствий. Это важно и при перегрузке топливных сборок, и при перемещении стержней управления и защиты.
– А что будет, если в этом пространстве что-то всё-таки окажется?
– Ничего катастрофического: речь не идёт о безопасности реактора. Никакого взрыва, никакой разгерметизации, никакой ядерной аварии в такой ситуации быть в принципе не может.
Однако это может привести к механическим повреждениям оборудования, а следовательно, к длительному ремонту. А ремонт – это простой блока и недовыработка электроэнергии и тепла, поэтому такие ситуации стараются максимально исключить.
То есть наличие или отсутствие системы «Визус» не влияет на ядерную безопасность, но влияет на эксплуатационную надёжность и экономичность.
– Как работает «Визус»?
– Он использует ультразвук – примерно так же, как при медицинском УЗИ. Узконаправленный пучок ультразвука отправляется в среду, отражается от объектов и возвращается обратно. По изменению сигнала можно определить, есть ли на пути препятствие.
Внутри реактора по его периметру на уровне над активной зоной установлены специальные отражатели – небольшие элементы из нержавеющей стали с конической выемкой. Их установили там изначально, ещё при строительстве реактора – и это подтверждает, что система предусматривалась проектом. На эти отражатели ультразвуковой преобразователь и направляет сигнал. Если сигнал приходит нормально – значит, пространство свободно. Если сигнал меняется, система вычисляет координаты и показывает, где находится препятствие.
– Как ультразвуковой преобразователь попадает в реактор?
– Перед началом сканирования мы опускаем его в реактор по специальной направляющей трубе. Эту трубу мы установим один раз, и она останется там на весь срок эксплуатации.
Сверху трубы, над крышкой реактора на время сканирования будет ставиться специальный контейнер с механизмами перемещения – двигателями, тросовыми системами, электроникой. В этот же контейнер помещается и ультразвуковой преобразователь – он будет опускаться отсюда в реактор.
А сам преобразователь – одноразовый. После контакта с жидким натрием повторно использовать его будет нельзя. Его материал подобран так, чтобы устройство могло работать в натрии, но при этом покрытие всё равно вступает с ним в химическую реакцию. Поэтому после использования датчик утилизируется.
– Действительно – одноразовый?..
– На самом деле, это не проблема. Да, сейчас его изготовление дорогое, но только потому, что производится он штучно. Когда начнётся серийное производство, стоимость станет значительно ниже – это будут обычные расходные материалы. И экономически это оправдано: если из-за отсутствия такого устройства как «Визус» ремонт блока затянется хотя бы на один день, потери будут значительно больше.
– Как проходит само сканирование?
– Оператор задаёт параметры, а дальше система работает автоматически. Перед началом она будет проводить тестовое сканирование – наводиться на контрольные точки и проверять, что сигнал проходит правильно. Потом будет запускаться основная программа, преобразователь будет поворачиваться в нужных направлениях и сканировать пространство.
Управлять механизмами будет персонал реакторного цеха, потому что «Визус» входит в состав оборудования перегрузки. У операторов перегрузки появится отдельная рабочая станция: по сути, они будут видеть картограмму активной зоны. А анализировать данные будем мы – отдел инженерно-технической поддержки эксплуатации.
Мы всё это уже отработали на натурном стенде, который специально для этого построили в корпусе сборки реактора. Это большая конструкция – высотой примерно с трёх-четырёхэтажный дом. Внизу находился бассейн с водой. В нём мы разместили макет активной зоны с отражателями, в масштабе один к одному. Опускали туда преобразователи и проводили сканирование. Вода – даже плотнее натрия, поэтому для ультразвука условия испытаний были вполне корректные. Испытания шли несколько месяцев, в процессе мы корректировали программное обеспечение, уточняли параметры работы. В этом и состоит научно-техническая работа: результат редко получается ровно таким, каким его представляли в самом начале. В итоге мы убедились, что система работает.
– Когда «Визус» будет установлен и заработает?
– Нижнюю часть манипулятора – направляющую трубу – мы планируем установить во время ближайшего ремонта 4 блока, ориентировочно в конце марта. Всё оборудование уже изготовлено и ждёт установки в центральном зале. После монтажа проведём испытания – будем опускать механизм перегрузки в заранее известные координаты и проверять, правильно ли система их определяет.
Кроме того, предстоит пройти процедуру лицензирования. Сначала мы получаем лицензию на монтаж и испытания, а после успешных испытаний оформим документы и должны будем получить разрешение Ростехнадзора на эксплуатацию. Обычно это занимает около полугода.
– А почему на 3 блоке такой системы нет?
– Потому что она не была заложена в проекте БН-600. На 4 блоке места для установки системы были заложены изначально – фланцы, точки крепления. На 3 блоке их нет. Теоретически систему можно было бы установить и там, но для этого пришлось бы вмешиваться в конструкцию корпуса реактора. Это слишком сложная и дорогая операция.
На 3 блоке надзонное пространство проверяют другими методами. Это более длительный процесс, но он позволяет убедиться, что над головками топливных сборок нет посторонних предметов. «Визус» позволит на 4 блоке эту работу значительно ускорить.
– А на 5 блоке такая система будет?
– Да, но уже в более совершенном виде. За время эксплуатации мы накопим опыт и сможем улучшить конструкцию.
– Никита Викторович, а кто на станции занимается этим проектом?
– Наш отдел инженерно-технической поддержки эксплуатации. Интересно, что изначально система «Визус» была частью оборудования перегрузки реактора, а значит, относилась к реакторному цеху. Но со временем проект перешёл к нам – возможно, потому что он связан с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, а ОИТПЭ исторически вырос из научно-исследовательского подразделения станции. В итоге мы занимались договорами, взаимодействовали с разработчиками, ездили на предприятия-изготовители, смотрели, как производится оборудование, участвовали в испытаниях.
Это формально не относится к «классической» эксплуатации. Но в этом есть плюс: это позволяет вовлекать молодых специалистов. Молодёжи сейчас приходит много, им ещё только предстоит набираться опыта. С другой стороны, у них – свежие знания, мозг открыт ко всему, и если дать им интересные задачи – они включаются. И мы стараемся их к таким интересным проектам привлекать.
– У вас есть и ещё подобные проекты?
– Да. Например, сейчас мы занимаемся внедрением системы химической промывки оборудования 4 блока. Она была предусмотрена проектом, но фактически не реализована. Мы разработали программу испытаний, подготовили проект доработок оборудования – там нужно дополнительно врезать трубопроводы в контур.
В ближайший ремонт планируем провести гидравлические испытания, а затем и испытания самого режима химической промывки. Это сложный процесс, реактор нужно будет охлаждать примерно до 190 градусов, поэтому всё требует тщательной подготовки. Но следующий ремонт 4 блока будет длительный, около 70 суток – как раз чтобы успеть выполнить такие работы.
Алиса Мучник