俄羅斯四臺(tái)第一代 RBMK-1000 反應(yīng)堆核電機(jī)組在服役 45 年后關(guān)閉并退役。然而，NA Dollezhal 動(dòng)力工程科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 (Nikiet) 建議將第二代 RBMK 反應(yīng)堆的使用壽命從 45 年延長(zhǎng)至 50 年。

RBMK(Reactor Bolshoi Moshnosti Kanalnii – 高功率通道反應(yīng)堆)是一種使用石墨作為慢化劑的非均質(zhì)熱中子反應(yīng)堆。冷卻劑是水，燃料是二氧化鈾。反應(yīng)堆的石墨堆是 8 米高的垂直柱，由 250×250 毫米的塊組成，中間有一個(gè)孔。焊接在反應(yīng)堆上下金屬結(jié)構(gòu)中的燃料通道插入塊中。這些通道中安裝了由兩個(gè)燃料組件組成的燃料筒。除了燃料通道外，RBMK 堆芯還包含用于控制和保護(hù)系統(tǒng)的通道。石墨砌體的整個(gè)空間被封裝在一個(gè)輕質(zhì)圓柱體中。

最初，設(shè)計(jì)人員將 RBMK-1000 的使用壽命確定為 30 年。“第一批發(fā)電機(jī)組是在 20 世紀(jì) 60 年代末設(shè)計(jì)的，”Nikiet 副總經(jīng)理兼首席設(shè)計(jì)師 Alexey Slobodchikov 說。“到那時(shí)，蘇聯(lián)已經(jīng)有了 20 年的工業(yè)鈾石墨反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并確定了一些限制因素，RBMK-1000 的使用壽命就是基于這些因素確定的。”

RBMK-1000 反應(yīng)堆在切爾諾貝利(烏克蘭)核電站(四臺(tái)機(jī)組)、伊格納利納(立陶宛)核電站(兩臺(tái)機(jī)組)和俄羅斯三座核電站建設(shè)。這些核電站包括列寧格勒(四臺(tái)機(jī)組)、庫(kù)爾斯克(四臺(tái)機(jī)組)和斯摩棱斯克(三臺(tái)機(jī)組)。

伊格納利納和切爾諾貝利的機(jī)組甚至在達(dá)到 30 年使用壽命之前就關(guān)閉了。4 號(hào)機(jī)組在 1986 年事故發(fā)生后關(guān)閉，其他機(jī)組在 2000 年之前全部關(guān)閉。伊格納利納的反應(yīng)堆都在 2009 年關(guān)閉，這是立陶宛加入歐盟的條件。然而，在俄羅斯的列寧格勒、庫(kù)爾斯克和斯摩棱斯克核電站，第一代機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間比原計(jì)劃長(zhǎng) 15 年，占俄羅斯核電產(chǎn)量的 40% 至 60%。

“第一臺(tái) RBMK-1000 于 1973 年在列寧格勒核電站投入使用，”Slobodchikov 回憶道。“2003 年，它的設(shè)計(jì)壽命即將結(jié)束。1998 年，俄羅斯原子能部啟動(dòng)了一項(xiàng)延長(zhǎng) RBMK-1000 機(jī)組使用壽命的戰(zhàn)略計(jì)劃。該計(jì)劃包括一系列大規(guī)模的安全論證工作和設(shè)備剩余壽命評(píng)估。安全和控制系統(tǒng)以及反應(yīng)堆設(shè)備元件都進(jìn)行了現(xiàn)代化改造。因此，俄羅斯所有配備 RBMK-1000 反應(yīng)堆的發(fā)電機(jī)組的使用壽命都延長(zhǎng)了 15 年。”

2010 年代，RBMK 反應(yīng)堆遇到了一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題——石墨堆加速變形。在輻射和溫度的影響下，石墨塊的幾何形狀會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變，并開始相互“推擠”，導(dǎo)致石墨柱單元、燃料通道以及控制和保護(hù)通道都出現(xiàn)彎曲。早期的工業(yè)鈾石墨工廠已經(jīng)注意到了這種發(fā)展，RBMK 的設(shè)計(jì)也考慮到了這一特點(diǎn)。但問題無法完全避免。

“我們?cè)诹袑幐窭蘸穗娬镜谝淮斡龅竭@種情況，”斯洛博奇科夫說。“在 1 號(hào)機(jī)組，變形的開始最早記錄在 2011 年，到 2012 年已經(jīng)達(dá)到一個(gè)地步，如果不采取額外措施，就無法繼續(xù)安全運(yùn)行。” 許多組織參與了解決方案的搜索。其中包括 Nikiet、庫(kù)爾恰托夫研究所、Rosenergoatom、全俄核電站運(yùn)行科學(xué)研究所 (VNIIAES)、俄羅斯聯(lián)邦核中心 - 全俄實(shí)驗(yàn)物理研究所 (RFNC-VNIIEF)、阿夫里坎托夫機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)局等。

這項(xiàng)任務(wù)極其艱巨。必須通過去除多余的石墨來減小塊的尺寸。堆芯內(nèi)的工作由自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人綜合體完成。一次維修需要切割大約 150 個(gè)石墨柱，這樣才能將石墨堆的變形減小到所需的尺寸。列寧格勒核電站的第一次維修耗時(shí)近一年?，F(xiàn)在只需不到一個(gè)月。除了斯摩棱斯克 2 號(hào)和 3 號(hào)機(jī)組外，俄羅斯所有 RBMK-1000 機(jī)組都至少進(jìn)行過一次該過程，斯摩棱斯克 2 號(hào)和 3 號(hào)機(jī)組目前還不需要該過程。

第一代 RBMK 反應(yīng)堆于 2018 年開始關(guān)閉，列寧格勒和庫(kù)爾斯克核電站的 1 號(hào)和 2 號(hào)機(jī)組正在準(zhǔn)備退役。第二代 RBMK 反應(yīng)堆(列寧格勒和庫(kù)爾斯克的 3 號(hào)和 4 號(hào)機(jī)組以及斯摩棱斯克的 1-3 號(hào)機(jī)組)第 1000 代(列寧格勒和庫(kù)爾斯克核電站的兩座機(jī)組以及斯摩棱斯克的三座機(jī)組)的構(gòu)造不同。“到第二代設(shè)計(jì)開始時(shí)，核電站的安全法規(guī)略有變化，需要大量新的技術(shù)解決方案。這些變化影響了核心和安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，”Slobodchikov 解釋道。

2022 年，俄羅斯原子能公司決定開始將 RBMK 的使用壽命延長(zhǎng)至 50 年。“今天，已經(jīng)評(píng)估了列寧格勒核電站第三發(fā)電機(jī)組反應(yīng)堆列寧格勒 3 號(hào)機(jī)組的剩余資源——技術(shù)通道、控制和保護(hù)通道、石墨砌體，”斯洛博奇科夫說。“需要更換的設(shè)備已經(jīng)確定。建筑結(jié)構(gòu)、控制和保護(hù)系統(tǒng)的狀況已經(jīng)評(píng)估。證明機(jī)組壽命延長(zhǎng)安全性的文件已發(fā)送給 Rostekhnadzor [監(jiān)管機(jī)構(gòu)]。預(yù)計(jì)年底前將獲得運(yùn)營(yíng)許可證。列寧格勒 4 號(hào)機(jī)組正在進(jìn)行類似工作。其他 RBMK 機(jī)組的擴(kuò)建工作也已開始。”

然而，斯洛博奇科夫明確表示，將 RBMK-1000 機(jī)組的使用壽命延長(zhǎng)至 50 年以上是不可能的。“與其他復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)一樣，機(jī)組的使用壽命取決于不可更換元件(包括建筑結(jié)構(gòu))的狀況。對(duì)于 RBMK 機(jī)組，這還包括反應(yīng)堆裝置的大型部件，例如分離器筒和金屬結(jié)構(gòu)，”他指出。“從技術(shù)上講，更換這些設(shè)備是不可能的，或者在經(jīng)濟(jì)上無利可圖。此外，能源效率、生產(chǎn)力和工作條件的方法也在發(fā)生變化，總體科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平也發(fā)生了變化。”

所有 RBMK 都引入了一套用于監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)元件幾何形狀的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用俄羅斯科學(xué)院科學(xué)家開發(fā)的光纖傳感器。傳感器通過特殊的測(cè)量桿放入反應(yīng)堆通道中。需要 15 分鐘來測(cè)量每個(gè)通道的變形，并決定是否開始恢復(fù)石墨襯里的資源特性。該系統(tǒng)可以在不關(guān)閉反應(yīng)堆和卸載燃料組件的情況下控制燃料幾何形狀。

除了產(chǎn)生熱量和電力外，RBMK 還用于開發(fā)用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)的寶貴同位素。“如今，通道反應(yīng)堆是唯一能夠經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)多種同位素的反應(yīng)堆，”Slobodchikov 說。“這種設(shè)計(jì)使得在運(yùn)行過程中重新裝載輻照裝置成為可能：無需停止反應(yīng)堆。這一重要特性促使 Nikiet 和庫(kù)爾恰托夫研究所的專家考慮進(jìn)一步開發(fā)通道反應(yīng)堆。Nikiet 開發(fā)了一種完全符合現(xiàn)代安全要求的新型同位素能量反應(yīng)堆的概念。它的功率低于現(xiàn)有的 RBMK——我們優(yōu)先考慮生產(chǎn)同位素的任務(wù)。”