Как российские инженеры продлевают жизнь реакторам иностранных АЭС

Я в атомной отрасли уже почти восемнадцать лет. За это время успел побывать на многих АЭС, мог наблюдать одну и ту же станцию и молодой, и порядком уставшей. В последние годы моя профессиональная жизнь связана с двумя проектами — реакторами ВВЭР-440 в Армении и ВВЭР-1000 в Болгарии. Это два разных поколения реакторов, но их объединяет проблема, которую инженеры-атомщики называют охрупчиванием.

АЭС с реактором типа ВВЭР устроена как гигантская двухконтурная пароварка, где вода первого контура, находясь под давлением, доводится почти до кипения. Затем тепло от ядерной реакции передается теплоносителю, а потом через парогенератор воде второго контура. Та превращается в пар, который вращает турбину и приводит в действие электрогенератор.

Идеальный поставщик энергии? Возможно. Вот только у этой идеальности есть проектный срок службы. И среди основных узлов АЭС именно корпус реактора первым приближается к пределу ресурса.

Казалось бы, сверхпрочная сталь толщиной почти 20 сантиметров — что с ней может случиться? Но пока реактор работает, ее непрерывно бомбардирует поток нейтронов: за десятилетия через каждый квадратный сантиметр стенки пролетают триллионы триллионов элементарных частиц.

Эти частицы выбивают атомы из привычных мест в кристаллической решетке, постепенно превращая пластичный металл в более жесткий и хрупкий. Это и называется «охрупчивание», последствия которого устраняет наша команда.

Образцы-свидетели устанавливаются в разных местах внутри реактора, потому что охрупчивание проходит неравномерно. Сильнее всего нейтроны бьют по той части корпуса, которая находится напротив активной зоны, то есть в эпицентре реакции.

Ярус активной зоны стареет быстрее всего, а самое слабое место в нем — сварной шов № 4. Шву «добавляет возраста» не только радиация, но и повышенное содержание фосфора и меди — наследие металлургии прошлого века, когда технологии выплавки и контроля примесей были другими.

Главное, что следует понимать: процедура «омоложения» корпуса реактора — не просто ремонтная операция. Это технология продления жизни объекта, который невозможно заменить и перевезти на завод изготовителя для гарантийного обслуживания. Завод должен приехать к реактору сам: инженерам пришлось учиться восстанавливать свойства металла прямо на месте эксплуатации.

На ее примере разберем, как именно реактор «омолаживают». Проследуем за установкой, которая отжиг выполняет: от российского цеха до армянского реактора и обратно. Проект хорошо показывает всю сложность применения технологии: восстановление одного из самых старых действующих реакторов сочетается с непростой международной логистикой, строгими ограничениями по безопасности и большой переговорной работой.

Прежде чем установку для отжига направить заказчику, нужно провести множество переговоров. И это совсем не формальность: отжиг — одна из самых сложных операций по продлению жизни реактора, и со стороны России в ней участвует сразу несколько организаций:

• Главный конструктор реактора — ОКБ «Гидропресс» — отвечает за конструкцию реакторной установки.
• Курчатовский институт сопровождает проект как организация-научный руководитель. Ее зона ответственности — материаловедение.
• ЦНИИТМАШ — разработчик и изготовитель самой установки для отжига и генеральный подрядчик работ.
• «Атомэнергоремонт» — исполнитель на площадке: его люди разбирают, везут и собирают оборудование.
• Мы, «Росатом Сервис», организуем весь проект и сводим участников вместе.

Со стороны Армении:

• Эксплуатирующая организация «ААЭК» (Айкакан Атомайин Электракайан).
• Комитет по регулированию ядерной безопасности.
• Десятки специалистов самой Армянской АЭС, которым готовить реактор к отжигу и потом возвращать его в работу.

Каждая организация отвечает за свой участок и в каком-то смысле говорит на своем языке, отстаивая свои регламенты, свои расчеты и свои риски. И согласовать нужно не только бумаги. Отжиг привязан к плановому ремонту энергоблока, а тот назначается в конкретные даты: опоздала одна экспертиза — и сдвигается работа десятков людей.

Моя роль в этом процессе — наладить коммуникацию между участниками и обеспечить успешное выполнение общей работы. С высоты нажитого опыта могу сказать: выстраивание коммуникаций оказывается инженерной задачей намного сложнее самого отжига.

Но только когда все документы подготовлены и согласия получены, дело доходит до оборудования.

Можно предположить, что установка для отжига транспортируется как цельная конструкция. На самом деле это не так. После испытаний, которые проводят перед каждым новым путешествием, ее полностью разбирают, каждый узел демонтируют, раскладывают по металлическим контейнерам и оформляют отдельными упаковочными листами.

Всего получается восемь контейнеров. Этот груз распределяют между четырьмя грузовиками. Затем, уже в Армении, всю конструкцию предстоит собрать заново, практически с нуля.

Сама установка — массивный стальной цилиндр почти во весь внутренний диаметр реактора, около восьми метров. Внутри нее установлены мощные электрические нагреватели, способные много суток держать строго заданную температуру.

Устроен этот цилиндр хитрее, чем кажется. По сути, у установки две части.

• Первая — стапель: массивная сварная рама в виде подковы на четырех колоннах, с площадками и лестницами. На ней всё собирают и потом хранят.
• Вторая — блок нагрева, который и опускают в реактор. Он набран из полутора десятков узлов: секции нагревателей, длинной центральной штанги, траверса, разъемного днища, направляющих и связей.

Чтобы прогрев по всей высоте зоны шва № 4 шел одинаково, блок держит нагреватели на строго равном расстоянии от стенки, а сверху прикрыт термоизоляцией, не пускающей жар наверх, мимо цели. К самой стенке прижимаются только термопары, которые следят за температурой.

Но пока до этапа прогрева далеко: впереди две тысячи километров, которые разобранной установке предстоит пройти по маршруту Нововоронеж — Ростов-на-Дону — Владикавказ — Тбилиси — Ереван — Мецамор. Восемь контейнеров грузят на фуры и колонна стартует в сторону Грузии.

Прямой границы между Россией и Арменией нет, поэтому колонна идет через Грузию и первым делом упирается в горы Большого Кавказа. Дорога здесь одна — Военно-Грузинская, через Дарьяльское ущелье. Но главным испытанием оказываются не горные серпантины.

В Грузии все работы, связанные с обращением радиоактивных материалов, находятся в ведении военных. Это значит, что любой груз с признаками радиоактивного загрязнения автоматически превращается в предмет длительных межведомственных согласований.

Как к этому готовятся? Ведь наша установка в деле не новичок — она уже успела поработать дома, на Нововоронежской АЭС, и после нескольких недель внутри реактора неизбежно несет на себе следы этой работы.

Причем дело вовсе не в том, что радиоактивным становится сам металл. «Фонят» мельчайшие частицы продуктов коррозии и радиоактивных отложений, которые годами циркулируют вместе с теплоносителем первого контура и постепенно оседают на внутренних поверхностях оборудования. Именно они создают остаточный радиационный фон.

Пусть он невелик — сопоставим с тем, который пассажир получает за несколько часов полета на самолете, — но для таможенных и надзорных служб этого вполне достаточно, чтобы груз попал в совершенно другую категорию контроля. Эту проблему следует решать, конечно, еще до пересечения границы.

Частично помогает дезактивация — глубокая очистка оборудования от радиоактивных загрязнений с использованием химических растворов и технологий. Большинство радиоактивных следов удается удалить именно так, но некоторые элементы устроены слишком сложно: загрязнения проникают в микронеровности поверхности, резьбовые соединения, полости и технологические зазоры.

В таком случае добиться гарантированной чистоты труднее, чем изготовить новую деталь. Поэтому всё, что не удается полностью очистить, просто демонтируют и заменяют.

После этого установка проходит повторный радиационный контроль, и только убедившись, что все элементы соответствуют установленным нормативам, инженеры упаковывают оборудование в восемь транспортных контейнеров и отправляют в путь.

Через грузинскую границу оно проходит уже как «чистый» промышленный груз — без радиоактивного загрязнения и без необходимости получать специальные согласования.

Когда колонна проходит Верхний Ларс и выходит на Военно-Грузинскую дорогу, логисты могут вздохнуть с облегчением: сложный участок пройден.

Вторую границу установка пересекает уже «налегке»: груз оформлен как «чистый», военное сопровождение не требуется, поэтому пункт пропуска Садахло — Баграташен колонна минует как обычный промышленный транспорт.

Весь проект жестко привязан к планово-предупредительному ремонту энергоблока, а тот начинается строго по графику. Стоит колонне опоздать хотя бы на несколько дней — сдвинется подготовка реактора, а вслед за ней и работа десятков подрядчиков, инженеров и ремонтных бригад. Но мы прибываем вовремя.

Армянская АЭС расположена в Мецаморе, примерно в 35 километрах к западу от Еревана, на открытом плоскогорье. К прибытию колонны станция уже готова: энергоблок № 2 остановлен, корпус реактора раскрыт, а центральный зал реакторного отделения на время превращается в огромную монтажную площадку.

Грузовики заходят в зону контролируемого доступа — часть станции с особым режимом, где каждое действие выполняется по наряду-допуску, под постоянным дозиметрическим контролем и без посторонних. Восемь транспортных контейнеров по очереди снимают с фур и перемещают в центральный зал реакторного отделения — на отметку +10,5 метра, к самому корпусу реактора.

Дальше тяжелые узлы установки идут уже не на колесах: их принимает мостовой кран — тот самый, которым на станции перемещают оборудование реакторной установки.

В период планового ремонта реакторное отделение напоминает гигантский муравейник, который разбирают и собирают одновременно команды специалистов из разных стран. Вписать в этот процесс еще и установку для отжига — отдельная инженерная задача.

Но путешествие установки еще не закончилось — оно лишь сменило форму. То, что в Нововоронеже разобрали на восемь контейнеров, теперь предстоит собрать обратно — узел за узлом, кабель за кабелем, нагреватель за нагревателем. И на это уходит почти месяц.

Лишь после десятков испытаний и окончательной выверки оборудования установка будет готова сделать самый важный шаг своего путешествия — опуститься внутрь реактора.

Но прежде чем сделать этот последний шаг, установке предстоит пауза. По регламенту во время остановки и очищения реактора собранное оборудование остается стоять в зале. Это гарантия того, что никакая техническая или логистическая случайность уже не вмешается в процесс.

После глушения корпус реактора освобождают в два приема, и начинают с топлива. В радиоактивном «бульоне» стоят тепловыделяющие сборки, и перегрузочная машина по одной переносит их в бассейн выдержки.

Под водой они хранятся по причинам безопасности, так как даже заглушенное топливо не «выключается» полностью: в нем продолжают распадаться радиоактивные «осколки», и от этого распада оно еще долго само себя греет. Такие сборки месяцами остывают под слоем воды, который заодно сдерживает излучение.

Вслед за сборками сливают и сам «бульон» — радиоактивную воду первого контура. В отличие от самого топлива, обратно ее уже не вернут: воду дренируют в специальную емкость и оставляют до переработки. В энергоблоке станции таким образом остается пустой, но еще теплый корпус.

Только когда он остывает окончательно, наступает момент, ради которого установка проделала весь путь.

Мы на ключевом этапе всей миссии — процедура восстановительного отжига начинается. Она делится на четыре стадии:

• нагрев;
• выдержка;
• остывание;
• приемка.

Но по сути всё сейчас держится на одном принципе: температуру нужно вести строго по расчетной кривой, без рывков вверх и вниз. С этого момента счет идет не только на дни и часы, но и на градусы.

Один из самых запоминающихся моментов всей операции: мостовой кран реакторного зала медленно опускает в корпус реактора блок нагрева. То есть вниз, в шахту реактора, уходит только сердце установки — колонна с нагревателями. Ее выставляют по реперным отметкам с ювелирной точностью, так как от положения блока зависит равномерность прогрева многотонного корпуса. Значение здесь имеет буквально каждый сантиметр.

После окончательной выверки подают питание. Стапель установки, собранный рядом, пока не участвует в процессе.

Внутри блока расположены мощные электрические нагреватели — по сути гигантские промышленные ТЭНы. Только греют они не воду, а воздух внутри корпуса реактора. Раскаляясь примерно до тысячи градусов, они через воздушный зазор постепенно передают тепло стенке и медленно выводят металл на рабочую температуру — 475 °C. Это штатный режим восстановительного отжига для реакторов ВВЭР-440, десятилетиями подтвержденный расчетами и практикой. Выше уже нельзя, а ниже бессмысленно.

Однако добиться равномерного прогрева непросто — слишком многое может пойти не так. К примеру, достаточно выйти из строя одному нагревателю, чтобы соседний участок корпуса начал прогреваться хуже остальных. Именно это произошло и на Армянской АЭС: часть нагревателей отказала уже во время отжига. Нам пришлось переставлять наши «ТЭНы» и заново выравнивать температурное поле.

Никогда этого не забуду: спасать ситуацию пришлось в разгар армянского лета. На улице было около сорока градусов, а рядом с раскаленной установкой — все пятьдесят-шестьдесят. Это настоящая баня — не только для реактора, но и для людей, которые с ним работали.

За состоянием реактора во время нагрева круглосуточно следят специалисты. Только на то, чтобы вывести металл на единую температуру, уходит почти два дня. Всё потому, что скорость нагрева ограничена примерно 20 °C в час, иначе внутренние напряжения окажутся слишком велики, и вместо восстановления металл получит новую нагрузку.

Но настоящее инженерное чудо случается тогда, когда температура перестает меняться: начинается выдержка. Почти неделю корпус остается в неизменных условиях, и именно в эти часы жар постепенно устраняет последствия десятилетий нейтронного облучения: радиационные дефекты уменьшаются, структура стали перестраивается, а сопротивление хрупкому разрушению возвращается почти к исходному уровню.

Для металла это как поход в спа: за недельный сеанс в такой парилке он получает возможность заново упорядочить собственную кристаллическую структуру.

Но такой релакс доступен не всем. Пока идет выдержка, специалисты Курчатовского института работают посменно и следят за обстановкой. Приборы непрерывно фиксируют градус, мощность нагревателей и десятки других параметров, но окончательное решение по-прежнему остается за человеком.

Остывает корпус так же медленно, как нагревался. По сути охлаждение становится зеркальным отражением предыдущего этапа, и здесь так же важна максимальная плавность. Внутренние напряжения, которые удалось снять высокой температурой на стадии выдержки, очень легко вернуть простой поспешностью. Принцип здесь тот же, что и с раскаленным стеклом: достаточно вынуть бутылку из кипятка и сразу опустить в холодную воду — и она треснет.

Поэтому температуру снижают столь же осторожно, как до этого поднимали. Разве что для охлаждения шаг менее строгий — около 30 °C в час. Всё это время установка продолжает работать как единая управляемая тепловая система, а десятки датчиков по-прежнему контролируют состояние корпуса.

Когда металл окончательно остывает, установку извлекают и начинают проверку результата. Для специалистов это очень волнительный момент — риск обнаружить «косяки» остается и в эту минуту. Но поскольку подобные операции выполнялись уже не раз, инженеры знают, какие зоны корпуса наиболее уязвимы, и исследуют не всю конструкцию, а участки, где радиационное старение развивается быстрее всего: швы и днище, о которых мы уже говорили.

Контроль проводят ультразвуком, потому что ни рентгеновское, ни гамма-излучение не способны «просветить» почти 20-сантиметровую стенку реактора. Полученные данные сравнивают как с измерениями до отжига, так и с расчетными моделями, заранее предсказавшими, каким должен стать металл после восстановления.

Критерий приемки прост и прагматичен: металл должен восстановить не менее 85% первоначальных свойств, то есть тех, которыми он обладал до первой загрузки топлива. Почему не 100%, спросите вы? Добиваться полного восстановления никто не стремится, так как это сделало бы операцию значительно дороже, практически не увеличив ресурс корпуса.

Итак, диагностика показала: восстановление больше 85%. Однако на этом наша работа не заканчивается: результаты становятся отправной точкой для нового цикла инженерных расчетов. Специалисты заново оценивают сопротивление корпуса хрупкому разрушению, уточняют прогноз остаточного ресурса, корректируют программу дальнейшего контроля металла и готовят комплект документов для национального регулятора. Только после этого реактор официально допускают к дальнейшей эксплуатации.

Итак, дело сделано: реактор помолодел, заказчик доволен. Для него этот отрезок пути пройден. Но для нас — это только середина пути. Установку вновь разбирают на восемь транспортных контейнеров, и каждый узел вновь проходит радиационный контроль. Оборудование снова дезактивируют, а все поверхности тщательно очищают от радиоактивных загрязнений. После этого контейнеры пломбируют, оформляют документы и снова готовят транспортную колонну к дороге.

Есть лишь одно отличие. Если перед поездкой в Армению часть деталей, которые не удалось полностью очистить, заменили новыми еще в Нововоронеже, то теперь время поджимает. Всё, что можно отремонтировать позже, откладывают до возвращения в Россию. Главная задача — как можно быстрее превратить установку в «чистый» груз и выпустить ее в обратный путь.

Дальше маршрут почти зеркально повторяет предыдущий: Мецамор, Ереван, Тбилиси, Верхний Ларс, Владикавказ, Ростов-на-Дону и родной Нововоронеж.

Спустя несколько недель после начала путешествия ворота нововоронежской базы снова открываются. Контейнеры разгружают, установку еще раз собирают, проверяют, ремонтируют, меняют изношенные детали, испытывают электрические системы и вновь консервируют — до новой миссии.

По всему миру сегодня работают более трехсот реакторов ВВЭР, и многим из них рано или поздно понадобится наша «молодильная» установка восстановительного отжига. За десятилетия работы она побывала на атомных станциях разных стран, пересекла тысячи километров дорог и провела внутри реакторов долгие недели при температуре почти в пятьсот градусов.

Восстановительный отжиг на Армянской АЭС мы выполнили в 2021 году. По оценкам специалистов, состояние корпуса позволит энергоблоку безопасно работать как минимум до 2032 года. Дальше, согласно нейтронно-физическим расчетам, открывается возможность очередного продления эксплуатации. Но это уже будет зависеть от новых обследований и того, что покажут образцы-свидетели.

На недавнем совещании, на котором я присутствовал, обсуждалась возможность повторного восстановительного отжига, позволяющего продлить жизнь реактора уже до 90 лет.