Электростанция, которая так и не доехала до Антарктиды, но всё же стала первой
Эту историю нужно начать издалека. Систематическое изучение Антарктики в СССР началось только в середине 1950-х годов. Во второй половине 1955 года была создана Комплексная Антарктическая экспедиция (КАЭ) Академии наук СССР. Она должна была организовать главную базу на побережье континента. Всего в экспедиции (вместе с экипажами судов) участвовало 425 человек. Флагман экспедиции дизель-электроход «Обь» подошёл к берегам Антарктиды 5 января 1956 года. Уже 13 февраля над первой советской южнополярной обсерваторией торжественно подняли флаг СССР. Станция и расположенная на её территории обсерватория были названы «Мирный».
Кроме основной базы к концу 1956 года на Антарктиде открыли ещё две стационарных станции: внутриматериковая «Пионерская» в 375 км от «Мирного», на высоте 2700 метров над уровнем моря (приступила к работе в мае 1956 года), и метеорологическая «Оазис» в оазисе Бангера, в 370 км от «Мирного» (приступила к работе в октябре 1956 года).
Главное, в чём нуждались исследователи, – тепло и электроэнергия.
Нам есть что вам предложить
В этот момент активно обсуждалось развитие малой энергетики для районов Крайнего Севера и Дальнего Востока, поэтому за проект для Антарктиды атомщики ухватились. Главное условие – он должен быть простым и дешёвым. Тогда и решили, что в качестве теплоносителя можно использовать органические жидкости. Это позволяло использовать дешёвые конструкционные материалы, серийное оборудование и отказаться от биологической защиты первого контура реактора.
Органический теплоноситель для реакторов испытывали ещё на реакторе АМ («Атом мирный») – на Обнинской АЭС, как раз в середине 50-х годов, работали две таких петли. Поначалу это казалось весьма перспективным, поскольку такой теплоноситель не требовал высокого давления в первом контуре и был химически инертен, что серьёзно упрощало задачу подбора материала для ТВЭЛов. Однако при высоких температурах и нейтронном облучении органические жидкости становятся вязкими, распадаются на фракции и могут образовывать полимерные соединения, оседающие на стенках реактора и ТВЭЛах (это явление называется фаулингом), поэтому в первом контуре нужны специальные фильтры, а их чистка и регулярная замена снижают рентабельность энергоблока.
Но знания, которые атомщики получили на АМ, позволили сконструировать и соорудить АРБУС – атомную реакторную блочную установку, которая и должна была отправиться к учёным в Антарктиду. В качестве органических теплоносителей для неё рассматривали несколько вариантов. Самыми реалистичными были газойль и дифенильная смесь.
Газойль, или газовое масло – это один из продуктов переработки сырой нефти. Оно состоит в основном из углеводородов с примесями серы, азота и кислорода. У него достаточно высокая температура кипения: 200–500°C, поэтому его реально использовать в реакторах. По свойствам он находится между керосином и более тяжёлыми маслами и используется как топливо, компонент дизельного топлива, а также как сырьё для производства смазочных масел и других продуктов нефтехимии.
Дифенильную смесь тоже получают из продуктов переработки нефти или каменного угля. У этого вещества, похожего на машинное масло, высокая температура кипения – 200–500 °C. Смесь горюча, но практически взрывобезопасна, с незначительной токсичностью. Её можно применяться в усло-виях длительной эксплуатации для рабочих температур до 380°.
Есть и другие плюсы. Из-за низкой коррозионной активности в качестве основного конструкционного материала в реакторах с органическим теплоносителем можно использовать обычные дешёвые углеродистые стали. Кроме того, наведённая активность в таком теплоносителе крайне низка по сравнению с водой, поэтому сложностей в обслуживании оборудования первого контура реактора куда меньше. А высокая температура кипения и низкая упругость паров теплоносителя позволяют снизить давление в первом контуре, что существенно уменьшает вероятность аварии с разрывом корпуса или трубопроводов.
Казалось бы, идеальные теплоносители! Но, как обычно, не обошлось без нюансов. Под действием излучения и высокой температуры в органических жидкостях начинаются процессы, аналогичные нефтяному крекингу – вещества разделяются на отдельные фракции. И даже это было бы не так проблематично, если бы часть из новых веществ после разделения не оседала на ТВЭЛах и теплообменниках. Это ухудшает теплообменные процессы, поэтому то, что образуется в процессе «крекинга», нужно как можно быстрее удалять. Потери органического теплоносителя из-за расслоения и оседания составляли от 0,1 до 1 кг на каждый выработанный реактором мегаватт энергии. А это означает, что теплоноситель необходимо постоянно восстанавливать и подпитывать.
Эта проблема стала главной для учёных, конструкторов и проектировщиков установки АРБУС. Какой должна быть конструкция и принцип её действия были понятны, но как добиться, чтобы продукты крекинга сами восстанавливались в реакторе и их не приходилось постоянно извлекать, а также добавлять теплоноситель? Спустя несколько лет решение было найдено.
На мысль учёных навёл процесс, который уже был хорошо изучен и отлажен в нефтяной промышленности – каталитический гидрокрекинг. Именно он позволяет получать из нефти бензин, керосин, дизель и т.д. Для этого в нефтяные фракции добавляют водород и смеси металлов-катализаторов. В результате под воздействием высоких температур тяжёлые молекулы, которые образовались из-за процесса крекинга, распадаются. Эту же технологию предложили применить и на АРБУСе. И всё получилось.
Компактный и дешёвый
Научное руководство по созданию АРБУСа взял на себя Институт атомной энергии им. Курчатова, главным конструктором стал НИКИЭТ. Для реакторной установки выбрали двухконтурную схему. Теплоноситель первого контура циркулировал по двум петлям, каждая петля включала в себя парогенератор и компенсатор объёма. Отдав тепло теплоносителю второго контура (воде), теплоноситель первого контура поступал в компенсаторы объёма, где были установлены фильтры грубой очистки. Тонкая очистка проводилась на линиях циркуляционных насосов. Образующиеся в процессе разложения теплоносителя фракции (те самые сгустки из тяжёлых молекул, которые оседали на стенках) оставались в ресивере, откуда периодически сбрасывались в дренажный бак. Их обрабатывали водородом и катализаторами и снова направляли в реактор.
Вторым контуром установки стала стандартная часть обычной паротурбинной электростанции.
Предполагалось, что АРБУС будут поставлять (сначала в Антарктиду, а затем и в регионы Крайнего Севера) в виде отдельных, полностью смонтированных блоков. Вся станция состояла из 19 блоков, каждый весом не более 20 т, что позволяло перевозить их как наземным, так и водным транспортом. По проекту монтаж установки на промплощадке занимал около трёх месяцев. Реактор представлял собой сварной цилиндрический сосуд высотой 4,365 м, диаметром 1,34 м, со стенками толщиной 20 мм. Его тепловая мощность составляла 5 МВт, электрическая – 750 кВт. Он мог работать на полной мощности без перезарядки активной зоны два года.
Решение о месте размещения экспериментальной установки принимал министр Ефим Славский. Предпочтение он отдал Мелекессу (сейчас – Димитровград), где в то время создавался новый центр ядерных технологий – аучно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР). АРБУС разместили в отдельном здании. Расчёты активности теплоносителя первого контура показали, что даже в случае нарушения герметичности ТВЭЛов она будет минимальной, что позволило отказаться от биологической защиты первого контура и ограничиться защитой реактора – железобетоном, графитом и полиэтиленом. Пусковые потребности реактора обеспечивал отдельный дизель-генератор, а полным обслуживанием станции занимались всего 17 человек.
Проект был готов за 2,5 года, монтаж оборудования занял семь месяцев. Пуск установки состоялся 11 августа 1963 года.
Первые испытания показали, что у установки есть особенность: все процессы в ней протекали медленнее, чем в других реакторах, в том числе на аварийных режимах работы. Благодаря этому ТВЭЛы и оборудование первого контура работали в щадящих режимах. Учёные объясняли это большими объёмами теплоносителя в первом контуре и воды в парогенераторах. Это означало, что сами ТВЭЛы и оборудование могли работать дольше. Были выявлены недостатки конструкции ТВС, но их довольно быстро устранили. Последующие испытания прошли успешно.
Остаться на Родине
АРБУС был готов отправится в Антарктиду, однако к этому времени сама возможность такого путешествия и испытания установки в экстремальных условиях оказалась закрыта. Одна из ключевых статей международного договора об Антарктике 1959 года запрещала проводить там ядерные взрывы как в военных, так и в мирных целях. Вместе с запретом захоронения в Антарктике радиоактивных материалов это превратило её в безъядерную зону.
Впрочем, договор не предусматривал запрета на использование в Антарктике ядерного оборудования или ядерной техники. На американской базе Мак-Мердо в начале 60-х даже была построена атомная электростанция. Она функционировала до первой половины 70-х годов, но потом выяснилось, что при работе этой АЭС происходит утечка радиоактивных отходов. Атомную станцию пришлось демонтировать, а загрязнённый район тщательно очистить. Для АРБУСа же это стало окончательным приговором: поскольку установка вырабатывала радиоактивные отходы, в Антарктиду её так и не допустили. Хотя ряд сотрудников НИИАР прошли медкомиссию и уже готовились к поездке к Южному полюсу.
Однако полностью проект не закрыли. АРБУС осталась в НИИАР и 15 лет работал как атомная электростанция. Она зарекомендовала себя как высоконадёжная и безопасная, простая и удобная в управлении — для её обслуживания в итоге требовалось всего три человека в смену. За этот период отработали регенерацию газойля, позволявшую исключить его потери, и технологию очистки ТВЭЛов. А теплоноситель первого контура заменили на гидротерфенил как более стойкий к воздействию радиации.
С 1963 по 1978 годы были зафиксированы только незначительные неполадки, связанные с конденсатором и деаэратором, а также один крупный инцидент из-за поломки турбины. Отказов в работе оборудования АРБУСа, способных привести к тяжёлой аварии, не было. Однако серийной установка АРБУС так и не стала.
Тепло для учёных
В 1978 году руководство отрасли приняло решение о переводе установки на работу в режиме выработки тепла для посёлков и промышленных предприятий. Для этого турбину, конденсатор и деаэратор демонтировали и заменили теплообменниками, вместо гидротерфенила в первый контур залили дитолилметан с большей теплоёмкостью. Пар из парогенераторов теперь подавался в бойлер, где конденсировался, подогревая сетевую воду. Установка получила второе название АСТ‑1 (атомная станция теплоснабжения). Фактически АРБУС стал первой такой атомной станцией в СССР.
19 ноября 1979 года установку запустили в режиме выработки тепла. В этот день она была выведена на мощность 5 МВт и дала тепло для отопления зданий института. В дальнейшем мощность реактора увеличили до 8,1 МВт (ограничение на мощность реактора накладывала низкая производительность системы очистки). В таком режиме установка проработала ещё почти 10 лет.
В мае 1988 года в связи с отсутствием финансирования АСТ‑1 была остановлена и переведена в режим временной консервации. Отработанное ядерное топливо выгрузили из реактора в приреакторное хранилище и после выдержки в 1989 году вывезли в центральное хранилище института. В 1990 году станцию решили вывести из эксплуатации.
Татьяна Козлова, по данным открытых источников
Отзывы
Мы в Телеграм