Оптоволоконный датчик помогает атомному реактору

О том, как это работает, рассказывает Олег Бутов, доктор физико-математических наук, заместитель директора ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

— Олег Владиславович, для чего нужна ваша разработка?

— Всё началось с постановки задачи, пришедшей из Росэнергоатома. У нас в стране функционирует большое количество реакторов типа РБМК — реакторов большой мощности канальных, имеющих почтенный возраст. Такие реакторы установлены на Ленинградской, Курской и Смоленской атомных станциях. Ресурс их подходит к концу. При этом в самом реакторе происходят необратимые процессы естественного старения, когда конструкция реактора меняется под действием высоких температур и высокого уровня радиации. Эти процессы необходимо контролировать.

Олег Бутов, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН. Фото из личного архива.

— Что же происходит внутри реактора?

— Реакторы типа РБМК представляют собой графитовую кладку со специальными технологическими каналами, куда устанавливаются топливные элементы, так называемые тепловыделяющие сборки. Со временем эти каналы начинают деформироваться, и контроль уровня деформации этих каналов — крайне важный, критический для продления срока эксплуатации реактора параметр. Наше точное знание того, что именно происходит внутри реактора, каковы особенности его работы, раннее предупреждение критических событий — это всегда повышение безопасности.

Схематическое изображение части реактора типа РБМК. На переднем плане показана тепловыделяющая сборка (в разрезе), внутри которой находится ядерное топливо. Сборка помещается в канал внутри колонны из прямоугольных графитовых блоков (графит в данном типе реакторов используется в качестве замедлителя нейтронов). Постепенное радиационное распухание графита приводит к деформации канала и со временем может привести к заклиниванию сборки внутри канала. Илл.: Tadpolefarm/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Такой контроль позволяет избежать выход за пределы заданных эксплуатационных характеристик реактора и обеспечить своевременный ремонт установки. Следует отметить, что многие параметры реакторной установки рассчитывались теоретически, из-за чего приходилось искусственно ограничивать сроки эксплуатации, увеличивать суммарное время проведения контрольных измерений и плановых ремонтных работ. Всё это снижало эффективность работы установки

— Но ведь, наверное, эти параметры всегда контролировали?

— Да, однако контролировать кривизну канала до недавнего времени можно было только на расхоложенном реакторе, когда он останавливается для проведения ремонтных работ. Оттуда извлекается топливо, проводятся исследования и при необходимости ремонт. При этом надо понимать, что один день простоя реактора стоит примерно 35 миллионов рублей. Никакие современные датчики и системы, способные измерять деформацию, на работающем реакторе не способны функционировать в его активной зоне — помимо высоких температур там очень высокий фон ионизирующего излучения. Это гамма-кванты и нейтронное излучение.

— Как же вашему датчику удаётся не только выжить, но ещё и работать в таких условиях?

— Мы придумали новый датчик на основе волоконно-оптических технологий. Специально радиационно-стойкое оптическое волокно, которое разрабатывается у нас в институте, способно длительное время выдерживать значительные лучевые нагрузки. На основе такого волокна была создана оригинальная конструкция датчика, которая может измерять деформацию канала.

— Не отключая реактор?

— Первые версии были опробованы на расхоложенном реакторе, а потом была изготовлена система диаметром всего пять мм, которая устанавливается непосредственно в центральный канал тепловыделяющей сборки. Измерительная часть датчика составляет 10 метров, что позволяет контролировать форму канала по всей высоте активной зоны реактора. Таким образом, мы можем не только не извлекать топливо, но даже не останавливать реактор, исследуя деформацию непосредственно на работающем реакторе.

Принципиальная схема участка волоконного датчика для контроля деформации канала в реакторе РБМК. Специально разработанный стержень-световод из кварцевого стекла с внешним диаметром 2,1 мм содержит 4 световедущие сердцевины. Роль датчиков деформаций выполняют брэгговские решетки. Волоконная брэгговская решётка представляет собой серию оптических неоднородностей, сформированную в сердцевине оптического волокна. Она способна избирательно отражать свет только определённой длины волны, причём эта длина волны зависит от температуры, сжатия или растяжения волокна. Илл. предоставлена О. Бутовым.

Это экономит в среднем две недели времени на проведении ремонтных работ и огромные деньги. Каждое такое исследование может приводить к экономии до полумиллиарда рублей на каждом ремонте, а таких ремонтных работ запланировано до 2035-го года более 80! Экономический эффект  значительный, а само внедрение этого датчика заметно повышает безопасность эксплуатации реакторов. Внедрение системы способствовало продлению сроков безопасной эксплуатации семи энергоблоков РБМК-1000 второго поколения до 50 лет. Сегодня разработка внедрена на всех реакторах этого типа, работающих у нас в стране.

— А для других типов реакторов подобная технология контроля может использоваться?

— Ректоров для разных применений большое количество типов, но основные энергоблоки на атомных станциях — это реакторы типа РБМК, для которых мы делали датчики, водо-водяные реакторы — ВВР и ректоры на быстрых нейтронах. Все они по-своему уникальны. Есть также реакторы на атомных ледоколах, различных судах и кораблях, экспериментальные реакторы и реакторы медицинского назначения, сегодня также набирающие популярность.

Безусловно, для каждого типа реактора существуют свои проблемы, которые требуют решения, но любые сенсорные системы — это, в первую очередь, контроль и безопасность, необходимые всем сложным инженерным системам, и реакторам в особенности. Научный задел, который был создан в процессе выполнения этой работы, может быть использован для создания контрольно-измерительных комплексов и систем управления для других типов реакторов. Мы уже работаем в этом направлении.

— Ваша разработка годится только для атомной отрасли?

— Не только. Оригинальная конструкция волоконного датчика может служить основой для целого класса контрольно-измерительных систем, которые открывают широкие перспективы для их дальнейшего внедрения в атомной отрасли, авиации и космонавтике, строительстве, нефтегазовом секторе, машиностроении, геодезии. Эффективность и безопасность этих объектов будет расти, а это огромный плюс для всех нас.