俄罗斯第二代 RBMK 反应堆寿命延长

俄罗斯四台第一代 RBMK-1000 反应堆核电机组在服役 45 年后关闭并退役。然而，NA Dollezhal 动力工程科学研究设计院 (Nikiet) 建议将第二代 RBMK 反应堆的使用寿命从 45 年延长至 50 年。

RBMK(Reactor Bolshoi Moshnosti Kanalnii – 高功率通道反应堆)是一种使用石墨作为慢化剂的非均质热中子反应堆。冷却剂是水，燃料是二氧化铀。反应堆的石墨堆是 8 米高的垂直柱，由 250×250 毫米的块组成，中间有一个孔。焊接在反应堆上下金属结构中的燃料通道插入块中。这些通道中安装了由两个燃料组件组成的燃料筒。除了燃料通道外，RBMK 堆芯还包含用于控制和保护系统的通道。石墨砌体的整个空间被封装在一个轻质圆柱体中。

最初，设计人员将 RBMK-1000 的使用寿命确定为 30 年。“第一批发电机组是在 20 世纪 60 年代末设计的，”Nikiet 副总经理兼首席设计师 Alexey Slobodchikov 说。“到那时，苏联已经有了 20 年的工业铀石墨反应堆运行经验，并确定了一些限制因素，RBMK-1000 的使用寿命就是基于这些因素确定的。”

RBMK-1000 反应堆在切尔诺贝利(乌克兰)核电站(四台机组)、伊格纳利纳(立陶宛)核电站(两台机组)和俄罗斯三座核电站建设。这些核电站包括列宁格勒(四台机组)、库尔斯克(四台机组)和斯摩棱斯克(三台机组)。

伊格纳利纳和切尔诺贝利的机组甚至在达到 30 年使用寿命之前就关闭了。4 号机组在 1986 年事故发生后关闭，其他机组在 2000 年之前全部关闭。伊格纳利纳的反应堆都在 2009 年关闭，这是立陶宛加入欧盟的条件。然而，在俄罗斯的列宁格勒、库尔斯克和斯摩棱斯克核电站，第一代机组的运行时间比原计划长 15 年，占俄罗斯核电产量的 40% 至 60%。

“第一台 RBMK-1000 于 1973 年在列宁格勒核电站投入使用，”Slobodchikov 回忆道。“2003 年，它的设计寿命即将结束。1998 年，俄罗斯原子能部启动了一项延长 RBMK-1000 机组使用寿命的战略计划。该计划包括一系列大规模的安全论证工作和设备剩余寿命评估。安全和控制系统以及反应堆设备元件都进行了现代化改造。因此，俄罗斯所有配备 RBMK-1000 反应堆的发电机组的使用寿命都延长了 15 年。”

2010 年代，RBMK 反应堆遇到了一个相当严重的问题——石墨堆加速变形。在辐射和温度的影响下，石墨块的几何形状会随着时间的推移而改变，并开始相互“推挤”，导致石墨柱单元、燃料通道以及控制和保护通道都出现弯曲。早期的工业铀石墨工厂已经注意到了这种发展，RBMK 的设计也考虑到了这一特点。但问题无法完全避免。

“我们在列宁格勒核电站第一次遇到这种情况，”斯洛博奇科夫说。“在 1 号机组，变形的开始最早记录在 2011 年，到 2012 年已经达到一个地步，如果不采取额外措施，就无法继续安全运行。” 许多组织参与了解决方案的搜索。其中包括 Nikiet、库尔恰托夫研究所、Rosenergoatom、全俄核电站运行科学研究所 (VNIIAES)、俄罗斯联邦核中心 - 全俄实验物理研究所 (RFNC-VNIIEF)、阿夫里坎托夫机械工程实验设计局等。

这项任务极其艰巨。必须通过去除多余的石墨来减小块的尺寸。堆芯内的工作由自动化系统和机器人综合体完成。一次维修需要切割大约 150 个石墨柱，这样才能将石墨堆的变形减小到所需的尺寸。列宁格勒核电站的第一次维修耗时近一年。现在只需不到一个月。除了斯摩棱斯克 2 号和 3 号机组外，俄罗斯所有 RBMK-1000 机组都至少进行过一次该过程，斯摩棱斯克 2 号和 3 号机组目前还不需要该过程。

第一代 RBMK 反应堆于 2018 年开始关闭，列宁格勒和库尔斯克核电站的 1 号和 2 号机组正在准备退役。第二代 RBMK 反应堆(列宁格勒和库尔斯克的 3 号和 4 号机组以及斯摩棱斯克的 1-3 号机组)第 1000 代(列宁格勒和库尔斯克核电站的两座机组以及斯摩棱斯克的三座机组)的构造不同。“到第二代设计开始时，核电站的安全法规略有变化，需要大量新的技术解决方案。这些变化影响了核心和安全系统的设计，”Slobodchikov 解释道。

2022 年，俄罗斯原子能公司决定开始将 RBMK 的使用寿命延长至 50 年。“今天，已经评估了列宁格勒核电站第三发电机组反应堆列宁格勒 3 号机组的剩余资源——技术通道、控制和保护通道、石墨砌体，”斯洛博奇科夫说。“需要更换的设备已经确定。建筑结构、控制和保护系统的状况已经评估。证明机组寿命延长安全性的文件已发送给 Rostekhnadzor [监管机构]。预计年底前将获得运营许可证。列宁格勒 4 号机组正在进行类似工作。其他 RBMK 机组的扩建工作也已开始。”

然而，斯洛博奇科夫明确表示，将 RBMK-1000 机组的使用寿命延长至 50 年以上是不可能的。“与其他复杂的技术系统一样，机组的使用寿命取决于不可更换元件(包括建筑结构)的状况。对于 RBMK 机组，这还包括反应堆装置的大型部件，例如分离器筒和金属结构，”他指出。“从技术上讲，更换这些设备是不可能的，或者在经济上无利可图。此外，能源效率、生产力和工作条件的方法也在发生变化，总体科学技术发展水平也发生了变化。”

所有 RBMK 都引入了一套用于监测核反应堆堆芯结构元件几何形状的系统。该系统使用俄罗斯科学院科学家开发的光纤传感器。传感器通过特殊的测量杆放入反应堆通道中。需要 15 分钟来测量每个通道的变形，并决定是否开始恢复石墨衬里的资源特性。该系统可以在不关闭反应堆和卸载燃料组件的情况下控制燃料几何形状。

除了产生热量和电力外，RBMK 还用于开发用于医学和工业的宝贵同位素。“如今，通道反应堆是唯一能够经济高效地生产多种同位素的反应堆，”Slobodchikov 说。“这种设计使得在运行过程中重新装载辐照装置成为可能：无需停止反应堆。这一重要特性促使 Nikiet 和库尔恰托夫研究所的专家考虑进一步开发通道反应堆。Nikiet 开发了一种完全符合现代安全要求的新型同位素能量反应堆的概念。它的功率低于现有的 RBMK——我们优先考虑生产同位素的任务。”