Проблема деградации внутрикорпусных устройств (ВКУ) парогенераторов (ПГ), которая приобрела в последние десятилетия распространенный характер на атомных станциях западных конструкций, а также досрочный выход из строя «начинки» ряда парогенов ВВЭР, особенно «тысячной» серии, заставили представителей отрасли обратить повышенное внимание на это звено ядерной генерации. Были внесены изменения в конструкцию ПГ и используемые материалы, началась массовая замена парогенераторов на действующих АЭС, а поставщики стали принимать повышенные обязательства по сроку службы ПГ для новых блоков — вплоть до тех самых 60 лет, на которые рассчитываются практически все реакторы поколения III+ и выше. Однако, как показывают недавние события в отрасли, такие как досрочное закрытие в прошлом году АЭС «Сан-Онофре» в США из-за повышенного износа труб совсем новых парогенераторов, актуальность проблемы отнюдь не снижается.

 

НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ

Парогенераторы используются в двух- и трехконтурных РУ — от экзотических Magnox, AGR, БН-600 и БН-800 до самых распространенных PWR, ВВЭР и PHWR. Они также применяются в большинстве концепций ВТГР — прошлых и перспективных. Парогенераторы не предусмотрены конструкцией одноконтурных реакторных установок — BWR, РБМК, ЭГП-6, а также некоторых концептуальных ВТГР, хотя в большинстве перечисленных РУ применяются устройства сепарации / осушения пара, функционально схожие с отдельными элементами парогенераторов.

Смысл парогенератора многообразен. Помимо чисто производственной функции, выработки пара для турбины, он играет ключевую роль в безопасности — как один из последних барьеров, ограждающих внешний мир от радиоактивности в первом контуре, а также в качестве элемента РУ, позволяющего снизить вредные отложения в реакторе и тем самым способствующего упрощению его эксплуатации и продлению срока службы.

Реакторные установки могут включать от одного парогенератора (у ВТГР) до восьми (у ныне закрытого ВВЭР второго энергоблока Нововоронежской АЭС). Однако большинство РУ имеют от двух до четырех парогенераторов, каждый из которых создан с некоторым запасом по мощности — как на случай выхода из строя части теплообменных труб, которые при ремонте затыкают (глушат), так и из соображений безопасности: при течи в трубопроводе одного парогенератора другой должен остаться работоспособным и участвовать в расхолаживании активной зоны.

Парогенераторы могут включать набор элементов (участков, секций, частей, модулей), выполняющих функции экономайзера (подогрев воды), испарителя (получение паро-водяной смеси), сепарации (отделение пара от воды) и перегрева пара (перегрев на несколько десятков градусов), а также его промежуточного перегрева. Некоторые элементы нередко совмещаются друг с другом при отсутствии четкой границы между ними. Ряд перечисленных функций иногда выполняется отдельными устройствами, вынесенными за пределы корпуса парогенератора, к примеру, функции сепарации или перегрева. К тому же ряд парогенераторов функционально связан с другими, промежуточными теплообменниками (в газоохлаждаемых реакторах, российских БН и других).

С учетом того, что парогенераторы отличаются по целому ряду важнейших характеристик, невозможно четко классифицировать их по какому-то одному признаку. Сегодня в мире используется или внедряется около десятка концепций ПГ, которые отличаются друг от друга по совокупности нескольких принципиальных особенностей. К наиболее апробированным относятся вертикальные парогенераторы с многократной циркуляцией, горизонтальные парогенераторы, прямоточные ПГ, секционно-модульные парогенераторы с натриевым теплоносителем реакторов БН, парогенераторы с газовым теплоносителем реакторов Magnox и AGR. Кроме того, в обозримом будущем могут получить распространение парогенераторы различных конструкций, интегрированные в один корпус с активной зоной малых модульных реакторов. Они, в свою очередь, концептуально отличаются друг от друга, в том числе у малых PWR.

 

АНАТОМИЯ

В численном отношении преобладает концепция вертикального парогенератора с многократной циркуляцией питательной воды в разных агрегатных состояниях. Она применяется в большинстве реакторных установок PWR и во всех тяжеловодных реакторах. К общим чертам таких конструкций относится вертикальный корпус, состоящий из цилиндров двух диаметров (меньшего нижнего и расширенного верхнего) с плавным переходом от нижнего цилиндра к верхнему и торцами в виде полусферы или конуса. Высота типичного современного ПГ составляет порядка 20 метров, диаметр — около четырех — шести метров. В среднем несколько меньше этих значений размеры парогенераторов тяжеловодных РУ, тогда как наибольшие массово-габаритные характеристики имеет ряд ПГ современных двухпетлевых реакторов, таких как корейский APR-1400, китайский CAP-1400, американский AP1000. Например, парогенератор реакторной установки APR-1400 весит 775 тонн, что примерно в полтора раза больше обычного вертикального ПГ трех- или четырехпетлевого гигаваттного PWR.

Нижняя часть парогенератора внутри корпуса перекрыта в радиальной плоскости трубной доской толщиной более полуметра с заделанными в нее сверху дугообразными теплообменными трубами (отчего ПГ этого типа часто обозначают как «вертикальные с U-образными трубами»). Нижний полусферический торец разделяет в осевой плоскости перегородка, по одну сторону которой поступает через специальный патрубок теплоноситель, а по другую он же выходит в реактор. Число U-образных труб составляет у разных ПГ данного типа, в зависимости от модели и мощности, примерно от 2,5 тыc. до 13 тыс., их диаметр обычно варьируется в пределах 12-23 мм, а толщина стенок — 0,8-1,4 мм (более распространены средние значения между данными крайними). Трубы плотно, но с соблюдением заданных переменных дистанций упакованы в достаточно плотный пучок и скреплены через отдельные промежутки специальным бандажом, поддерживающим расстояния между ними и обеспечивающим фиксацию и противодействие вибрациям. Трубный пучок окружен цилиндрической оболочкой — кожухом, между ним и стенкой корпуса ПГ имеется зазор. Теплоноситель, проходя через трубы вверх, отдает тепло воде второго контура, превращая часть ее в пар. Схема подачи питательной воды отличается в разных моделях. В зависимости от конструкции она может поступать либо в нижнюю часть ПГ, проходя к теплообменным трубам через специальный экономайзерный участок, либо в верхнюю часть — в зазор между кожухом трубного пучка и корпусом, после чего стекает вниз и, проходя через торцевую часть кожуха, попадает к трубному пучку. В пространственной решетке теплообменного пучка происходит конвективный подъем и вскипание воды второго контура, часть которой, проходя через сепаратор, выводится из ПГ в виде пара, а другая часть в виде конденсата возвращается в конечном итоге к основанию теплообменного пучка.

Парогенераторы реакторов ВВЭР также оснащены U-образными трубами (термин «U-образный» применительно к западным и российским ПГ характеризует использование изогнутых труб, но не всегда отражает их точную форму). Кроме того, в российских ПГ, как и во многих западных, осуществляется многократная естественная циркуляция воды, с отводом части ее в виде пара на турбину. В остальном российская конструкция существенно отличается от зарубежных. Во-первых, все действующие парогенераторы ВВЭР горизонтальные, соответственно, их трубы развернуты перпендикулярно по сравнению с западными. Они имеют цилиндрический корпус диаметром порядка четырех метров и длиной от примерно 11 метров у ВВЭР-440 до 14,5 метра у ВВЭР-1000. Во-вторых, вместо одной трубной доски используется два коллектора теплоносителя (емкости давления в форме цилиндров переменного радиуса), соединенных двумя пучками теплообменных труб диаметром 16 мм и толщиной стенки 1,4-1,5 мм. Теплоноситель поступает в один коллектор и, проходя по трубам, выходит через другой. В верхней части ПГ осуществляется сепарация, после которой пар поступает по альтернативным пароотводящим трубам в горизонтальный сборный коллектор, установленный над корпусом ПГ. При этом конденсат, отделенный в процессе сепарации, возвращается в оборот внутри парогенератора. Парогенераторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 имеют схожую конструктивную схему и отличаются отдельными устройствами (такими как погруженный дырчатый лист у ПГ ВВЭР-1000, служащий для повышения эффективности сепарации), схемой подвода питательной воды и организации водного экономайзера, материалом ряда ВКУ (прежде всего коллекторов), толщиной теплообменных трубок (на 0,1 мм больше) и другими особенностями. Парогенератор для ВВЭР-1200 (ПГВ-1000 МКП) отличается от предшественника для гигаваттного блока чуть большим диаметром, разреженной коридорной компоновкой трубного пучка, несколько большей производительностью пара (около 1,6 тыс. тонн в час вместо 1,47 тыс. тонн в час), имеющего более высокие параметры (давление 7 МПа вместо 6,3 МПа) и так далее.

Иную принципиальную схему, непохожую на две описанные, имеет так называемый прямоточный парогенератор, внедренный на ряде PWR, главным образом в качестве замещающего основного оборудования. Это вертикальный ПГ в виде цилиндра приблизительно правильной формы с коническими торцами, длиной более 20 метров. Внутри корпуса, в районе торцевых частей, размещены две трубные доски толщиной порядка 60 см, между которыми установлен пучок прямых теплообменных труб, убранных в общий кожух, имеющий внешний зазор с корпусом ПГ. Теплоноситель поступает сверху через патрубок в осевой части и, проходя по теплообменным трубам, выводится через выходные патрубки в нижней части парогенератора. Питательная вода подается через патрубки в боковой части корпуса и спускается по зазору, выполняющему функции экономайзерного участка, к нижней трубной доске, далее проходит вдоль трубного пучка вверх. За один проход по трубам до выхода из ПГ вся вода постепенно меняет агрегатное состояние от жидкости до перегретого примерно на 20 градусов пара. Этот пар, протекая через верхнюю часть зазора между кожухом и корпусом, выходит через боковые патрубки (смешиванию пара и питательной воды, поступающей ниже, препятствует кольцевая перегородка, разделяющая верхнюю и нижнюю части зазора между кожухом и корпусом). В таком парогенераторе используется большее количество труб, чем в ПГ с многократной циркуляцией: более 15 тыс.

Разные варианты прямоточного принципа генерации пара применяются в ряде других конструкций, таких как ВТГР. Например, на строящемся в настоящее время в Китае энергоблоке АЭС «Шидаовань» монтируются парогенераторы со спиралевидными трубами, пучки которых собраны в компактные коллекторы на входе и выходе в нижней и верхней части ПГ соответственно. При этом трубы служат элементами второго контура (по ним подается вода и пар), в то время как теплоноситель (гелий), нагнетаемый сверху вниз газодувкой, проходит через межтрубное пространство. Эта схема стала развитием ПГ, апробированного ранее на экспериментальном китайском ВТГР — HTR-10.

Подобная обратная схема теплообмена, при которой рабочее тело протекает по трубкам ПГ, вообще характерна для реакторов, использующих более «горячий» теплоноситель, чем вода, в том числе для британских газоохлаждаемых и российских быстрых реакторов с натриевым теплоносителем. Однако конструктивное исполнение этой обратной схемы совершенно различно.

Так, в британских Magnox процесс теплообмена осуществляется в едином корпусе парогенератора, в котором поток углекислого теплоносителя омывает теплообменные трубы. Однако с учетом низкой по сравнению с водой в PWR и PHWR теплоотдачи углекислого газа при относительно невысоком давлении (1-2,8 МПа) мощность таких ПГ в большинстве Magnox составляла всего несколько десятков мегаватт, хотя сами парогенераторы значительно массивнее, чем аналогичные по мощности ПГ реакторов с водяным охлаждением. Отличительной чертой более совершенных, чем Magnox, реакторов AGR является еще более высокая температура теплоносителя (свыше 600 °C против примерно 400 °C для последнего действующего Magnox на АЭС «Уилфа») при давлении в два-три раза выше. При этом парогенераторы находятся внутри толстостенной бетонной оболочки реактора, так что теплоноситель практически напрямую из активной зоны нагнетается через верхнюю часть ПГ. За один проход через парогенератор по спиральным теплообменным трубам вода превращается в сильно перегретый пар с температурой около 540 °C при давлении свыше 16 МПа. Однако мощность каждого такого ПГ лишь в несколько раз выше, чем у теплообменников ранних Magnox. Каждая реакторная установка AGR включает четыре встроенных парогенератора.

Иная концепция ПГ используется в российском БН-600. Это парогенераторы (три на блок), состоящие из восьми равноправных секций, каждая из которых разделена на три взаимосвязанных модуля, специализированных на разных функциях: испарителя, пароперегревателя и промежуточного перегревателя. Вертикальные модули разной высоты отчасти напоминают прямоточные ПГ реакторов PWR: тут также применяются прямые теплообменные трубы, заделанные с двух концов в трубные доски. При этом направления движения теплоносителя и рабочего тела противоположны, что повышает и без того заведомо высокий температурный напор. Но в остальном конструкция отличается, и прежде всего упомянутой обратной схемой теплообмена (в данном случае между вторым и третьим контуром) и принципом разделения стадий производства пара между параллельными модулями. Такое, на первый взгляд, громоздкое исполнение (общий вес ПГ этого среднего по мощности реактора — около 780 тонн) повышает безопасность, обеспечивая многократное резервирование на случай, например, протечек теплообменных труб, что для РУ этого типа чревато более серьезными последствиями, чем для водо-водяных реакторов: ростом давления в контуре и возможной эскалацией аварии. Неслучайно парогенератор для БН-800 стал развитием секционно-модульного принципа, в несколько увеличенном и оптимизированном виде. ПГ нового энергоблока состоит из 10 секций, имеющих по два модуля — испарителя и пароперегревателя. Устройство модулей во многом схоже с описанной конструкцией для БН-600 (некоторые проверенные технические решения по генерации пара унаследованы еще от «дедушки» этого реактора — БН-350, работавшего в Казахстане).

 

 

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

При столь широком разбросе вариантов конструкции парогенераторов напрашивается сравнение их по эффективности и надежности. Отчасти такое разнообразие проистекает из особенностей реакторов, которые задают определенные рамки, подчас требуя решений, обусловленных безопасностью и надежностью, в ущерб эффективности. Подобными примерами могут служить громоздкие системы парогенерации в британских газоохлаждаемых и российских натриевых РУ. Иногда, наоборот, экономические соображения довлеют настолько, что навязывают технически неоптимальные схемы. К примеру, штатные парогенераторы, установленные при строительстве ряда реакторов CANDU, оснащались трубами минимального диаметра (около 12 мм), что было во многом обусловлено соображениями экономии дорогостоящей тяжелой воды, ведь одна первоначальная заправка среднеразмерного тяжеловодного реактора стоит несколько сотен миллионов долларов. Плотный пучок узких труб при меньшем радиусе трубной доски затруднял техническое обслуживание. Неслучайно при капремонте CANDU осуществлялась замена на ПГ с трубами большего диаметра.

Наиболее правомерно сравнение парогенераторов в принципе однотипных РУ, таких как российские ВВЭР и западные PWR. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки.

К узким местам российской горизонтальной концепции относятся ограниченные возможности стратификации рабочего тела (воды и пара второго контура) в силу небольшой высоты, что предъявляет повышенные требования к контролю высоты парового пространства, затрудняет сепарацию и перегрев пара. Эта проблема могла бы быть решена увеличением диаметра или, возможно, приданием эллиптической формы парогенератору, однако размеры российских ПГ были ограничены жесткими требованиями их перевозки по железным дорогам.

Другая, объективная при такой концепции ПГ трудность заключается в неравномерности условий испарения ввиду большой площади испарительного зеркала и неровного распределения в горизонтальной плоскости «холодных» и «горячих» зон (в частности, из-за применения массивных впускного и выпускного коллекторов и разницы температур на разных участках горизонтального трубного пучка). Это требует принятия специальных мер по выравниванию условий в разных зонах испарения.

Иного рода проблемой (впрочем, спорной) является меньшая компактность реакторной установки с горизонтальными ПГ по сравнению с вертикальными, которая требует большей площади в плане. При классической компоновке реакторной установки ВВЭР к этому добавлялась разница длины элементов ГЦТ из-за асимметрии РУ. В зеркальной компоновке ВВЭР-ТОИ этот вопрос отчасти снят.

В то же время советская конструкция имеет и свои достоинства по сравнению с западными. К ним относится горизонтальное размещение теплообменных труб, значительно снижающее накопление шлама в зоне наибольшего риска — в местах заделки труб в коллекторы. Кроме того, такая компоновка повышает эффективность принудительного удаления шлама — регулярного и периодического. Все это потенциально снижает коррозию труб.

Другое преимущество является оборотной стороной недостатка: упомянутая низкая стратификация снижает и интенсивность процессов конвекции в рабочем теле, что уменьшает при прочих равных вибрации и уменьшает вероятность резонансов — с учетом к тому же меньшей (почти в два раза) средней длины труб в пучках парогенераторов ВВЭР по сравнению с западными вертикальными ПГ с U-образными трубами, а также меньшей скорости циркуляции теплоносителя. Эти особенности снижают так называемый фреттинг-износ труб и коррозию, стимулируемую местными напряжениями, к которой предрасположены некоторые сплавы, используемые при изготовлении ВКУ парогенераторов.

К проблемным местам западных вертикальных ПГ с рециркуляцией относятся трубные доски и места их соединения с теплообменными трубами. Эти зоны склонны к накоплению шлама, усиливающего коррозию. Удаление этого шлама также представляет технически более трудную задачу. Таким образом, гравитация, которая в деле предотвращения коррозии является союзником российских парогенераторов, для их западных аналогов становится противником.

Другим узким местом западных парогенераторов можно считать повышенный износ труб вследствие названных факторов: большей их длины при более интенсивном движении воды, что обусловливает колебания в трубном пучке, которые с большим или меньшим успехом подавляются всякого рода ухищрениями — точным просчетом резонансов, выбором оптимальной пространственной решетки и средств фиксации и гашения, в том числе в месте изгиба труб, и так далее.

Преимуществом западных ПГ этого типа является значительная высота корпуса, что облегчает стратификацию и разделение на функциональные зоны (экономайзерную, испарительную и другие), снижает требования к контролю уровня воды, расширяет выбор средств сепарации пара и повышает их эффективность, позволяя, в частности, использовать циклонную сепарацию как грубый, но действенный барьер для влажности.

В то же время более интенсивная конвекция дает возможность увеличить плотность трубного пучка, который в российском варианте в среднем более разрежен. Если добавить к этому меньшую толщину стенок труб большинства западных ПГ и бóльшую скорость циркуляции теплоносителя и рабочего тела, то очевидно, что теплоотдача в пучке вертикальных цилиндров парогенератора данного типа оказывается несколько эффективнее. Однако оборотной стороной этой эффективности является опять-таки снижение надежности: риск сквозной коррозии более тонкостенных труб повышается, а в среднем меньшее их количество сокращает резерв для вывода из работы (глушения) аварийных труб при ремонте. В последних конструкциях западных парогенераторов предусмотрено повышение этого резерва, например, у парогенераторов реактора APR-1400 предел составляет 10% при 8% у действующей южнокорейской конструкции предыдущего поколения OPR-1000. К слову, фактическая доля заглушенных труб на некоторых давно действующих парогенераторах ВВЭР достигает 10-12%, что не мешает их эксплуатации.

Другой набор достоинств и недостатков характерен для прямоточных ПГ реакторов PWR. В таких парогенераторах тепло более равномерно распределяется в плоскости потока рабочего тела. Противоток теплоносителя и рабочего тела, характерный для таких конструкций, позволяет добиться быстрого перехода питательной воды в состояние перегретого пара на выходе из ПГ, обходясь при этом без сложных устройств сепарации. Однако ценой высокой технической эффективности являются специфические трудности, характерные для прямоточных парогенераторов. Прежде всего, они предъявляют повышенные требования к водно-химическому режиму. Прямые трубы усложняют компенсацию температурных расширений, которая в российских и иных западных парогенераторах осуществляется сама собой благодаря изогнутой конфигурации трубчатки. Кроме того, применение нижней горизонтальной трубной доски сопряжено с теми же проблемами, что и для других западных ПГ, при том что плотность пучка труб у прямоточных парогенераторов в среднем выше, а толщина стенок меньше, чем у большинства других ПГ реакторов PWR.

Ряд проблем парогенераторов обусловлен не только или не столько конструктивной концепцией, сколько выбором материалов или технологий изготовления, водно-химического режима. В то же время коррозия и разрушения в ПГ зависят отнюдь не только от материалов ВКУ самого парогенератора, но и от того, из чего изготовлены другие устройства первого и второго контура. К примеру, латунные детали, используемые, в частности, во втором контуре, приводят к появлению ионов меди в ПГ, что со временем способствует очаговой коррозии ВКУ парогенераторов ВВЭР (в связи с этим на ряде АЭС осуществляется программа замены таких узлов). Однако наиболее ярким примером может служить выбор сплавов для самих ВКУ парогенераторов. До последних десятилетий наиболее распространенным материалом для труб ПГ реакторов PWR и PHWR был сплав 600 (Inconel 600). Это сплав, содержащий в распространенном варианте свыше 72% никеля, 14-17% хрома, 6-10% железа, около 1% марганца и ряд других добавок. Однако такие трубки показали себя недолговечными в условиях парогенераторов, и западные энергокомпании столкнулись с лавинообразным нарастанием проблем с трубчаткой, чаще после превышения 20-летнего срока эксплуатации ПГ, но в ряде случаев и у новых парогенераторов. Попытки решить этот вопрос совершенствованием водно-химического режима не изменили тенденцию. Это способствовало массовой замене парогенераторов в последние десятилетия, а в некоторых случаях закрытию энергоблоков. Так, в США к настоящему времени заменены парогенераторы почти на всех сохранившихся в работе блоках PWR, а с десяток энергоблоков вообще закрыты из-за экономической нецелесообразности замены ПГ или связанных с этим затрат. Ведь замена подчас сопровождается дорогостоящими сопряженными работами, например прорезанием огромных проходов для ПГ в контейнменте — в частности, на американской АЭС «Кристал-Ривер» это привело к такой эскалации расходов, что пришлось закрыть энергоблок. Во Франции парогенераторы заменены примерно на половине энергоблоков, кроме того, EDF планирует то же в отношении еще нескольких десятков ПГ, контракт на поставку 32 новых парогенераторов заключен с Areva пару лет назад. Всего в мире заменено уже свыше 300 вертикальных ПГ.

Признанным средством решения данной проблемы стала замена сплава 600, который использовался не только в ПГ, но и в другом оборудовании первого контура, сначала, в 1980-е годы, на сплав 600ТТ, а в последние 25 лет, как правило, на сплав 690, в котором повышено содержание хрома (до 27-31%) в ущерб никелю (более 58%). Большинство поставщиков парогенераторов сегодня используют термообработанную модификацию этого сплава (690ТТ) для изготовления труб замещающих парогенераторов или в процессе ремонта действующих. В ряде случаев применялись и иные материалы, в частности, для ПГ реакторов CANDU использовался другой высоконикелевый сплав — «Монель-400», содержащий до 63% никеля, 28-34% меди, до 2,5% железа, до 2% марганца и менее 1% кобальта. Между тем немецкие энергокомпании раньше других — с 1970-х годов — приступили к замене сплава 600 на сплав 800, основанный, в отличие от вышеупомянутых, на железе и легированный титаном (около 40% железа, 30-35% никеля, 19-23% хрома, 0,15-0,6% титана). Модификация этого сплава сегодня используется при замене парогенераторов и их ремонте во Франции и Канаде наряду со сплавом 690ТТ.

Иным был выбор материалов для российских ПГ. Теплообменные трубы и коллекторы теплоносителя ВВЭР-440 изготавливались из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т, содержащей около 0,7% титана в форме карбида, 17-19% хрома, 9-11% никеля и до 2% марганца. В парогенераторах реакторных установок ВВЭР-1000 этот сплав сохранили в качестве материала трубок, однако коллекторы начали изготавливать из той же низколегированной конструкционной стали марки 10ГН2МФА, что и корпус парогенератора, с плакировкой из аустенитной нержавеющей стали. В этом, более дешевом, сплаве корпуса коллектора гораздо меньше никеля (1,7-2,7%), хрома (менее 0,3%) и марганца (0,6-0,9%) и нет титана, но в то же время содержится молибден (0,4-0,6%) и примерно в полтора раза больше углерода (до 0,15%). Именно с коллекторами были связаны наиболее значимые проблемы, возникавшие с парогенераторами ВВЭР-1000 и обусловленные как свойствами материалов, так и технологиями изготовления и монтажа ВКУ. Одна из них — трещины в месте соединения горячего коллектора с патрубком корпуса ПГ, которые были обнаружены начиная с 1998 года на десятках парогенераторов энергоблоков ВВЭР-1000 в России и на Украине. Дефекты, в ряде случаев приводившие к небольшой течи из второго контура, устранялись ремонтом, однако иногда возникали повторно в том же соединении. Их образованию способствовали механические напряжения в процессе работы ПГ, особенности материала (сталь 10ГН2МФА с обеих сторон сварного соединения), самой конструкции (накопление шлама и коррозионно активных примесей в районе соединения — в так называемом кармане коллектора) и условий эксплуатации (язвенная коррозия, усугубленная скоплением шлама и в ряде случаев нарушениями водно-химического режима).

Другая известная проблема, впервые выявленная в 1986 году на Южно-Украинской АЭС, заключается в коррозионном растрескивании в зоне соединения выпускного коллектора с теплообменными трубами. В отличие от дефектов на горячем коллекторе, эта ситуация была чревата риском утечек из первого контура. Первопричина заключалась в появлении остаточных напряжений в металле корпуса коллектора в зоне заделки труб, вызванных применявшейся технологией их взрывной запрессовки в отверстия коллектора. При этом коррозионные процессы стимулировали образование трещин. В течение около 10 лет подобные дефекты были обнаружены на 25 коллекторах парогенераторов, большая часть была отремонтирована, часть пришлось заменить. При этом была изменена технология: стала применяться гидравлическая раздача (закрепление) труб. Эти мероприятия в целом решили проблему.

Суммируя сравнение разных концепций ПГ, можно сказать, что для горизонтальной российской характерны потенциально бóльшие трудности с технической эффективностью, но меньшие — с надежностью. В среднем бóльшая долговечность российских парогенераторов обусловлена не только выбором материалов, но и более щадящими условиями эксплуатации в силу конструктивных особенностей РУ. Тем не менее факт остается фактом: лишь относительно небольшая часть горизонтальных парогенераторов была заменена из-за фатальных дефектов, в то же время некоторые ПГ на российских АЭС проработали по 40 лет. На этом фоне на западных АЭС замена ПГ, едва достигших 20-30-летнего срока службы, стала массовым явлением и в ряде случаев приводила к выводу из эксплуатации всего энергоблока или станции, чего в РФ не случалось.

 

РАЗВИТИЕ ПОПУЛЯЦИИ

Лишь немногие компании-поставщики способны обеспечить на принадлежащих им мощностях полный или почти полный цикл производства — от изготовления заготовок и корпусов до парогенераторов в сборе. К таким универсалам относятся Areva или Росатом. Однако и они имеют альтернативных поставщиков комплектующих. Например, Росатом получает корпуса парогенераторов не только от контролируемого им «Петрозаводскмаша», но и от ОМЗ, подконтрольных Газпромбанку. Как правило, поставщики ПГ зависят от двух-трех, а иногда целиком от одного производителя корпусов, заготовок, теплообменных труб. Это объясняется, в частности, необходимостью использования в процессе их производства уникального оборудования. К примеру, некоторые современные парогенераторы, весящие 500-800 тонн, включают обечайки и другие крупные элементы конструкции, изготовить которые может лишь дюжина компаний в мире. К тому же не все производители, в принципе способные это сделать, имеют соответствующие сертификаты для поставки оборудования первого контура, необходимый опыт, референции и планы участия в этом рынке.

Многие производители парогенераторов зависят от поставок части важнейших комплектующих и прежде всего поковок. Ведущим мировым поставщиком крупногабаритных кованых металлоизделий для парогенераторов остается Japan Steel Works (JSW), которая обеспечивала ими многие компании, изготавливающие корпуса парогенераторов и готовые ПГ. Похожая рыночная концентрация характерна для теплообменных труб парогенераторов: их поставляет лишь небольшое число компаний, к которым относятся японская Sumitomo Metal Industries, французская Valinox Nucléaire, шведская Sandvik, индийская Nuclear Fuel Complex. Разработчиком и поставщиком наиболее распространенных сплавов для труб парогенераторов (Inconel 600, Inconel 690 и их модификаций) была одна из дочерних структур канадского производителя цветных металлов и платиноидов Inco — компания IAI, позднее поглощенная Special Metals Corp. Корпуса парогенераторов в большинстве случаев изготавливают предприятия тех же компаний, что и ПГ в сборе, хотя имеются примеры (как с японской IHI или российскими ОМЗ), когда корпуса поставляются компаниям других холдингов, завершающим процесс производства ПГ. Парогенераторы в сборе производят помимо упомянутых Areva и Росатома также Westinghouse, B&W, Mitsubishi Heavy Industries, Doosan Heavy Industries, Babcock-Hitachi KK (с начала нынешнего года — совместное предприятие Hitachi и Mitsubishi), Dongfang Electric Corp., Bharat Heavy Electricals (BHEL), Shanghai Electric Heavy Industries, China First Heavy Industries, Vítkovice Group, Equipos Nucleares (ENSA), Harbin Electric, Larsen & Toubro (L & T). В прошлом крупными поставщиками парогенераторов была Siemens / KWU и Combustion Engineering, однако первая передала технологии ядерного острова Areva, а вторая поглощена Westinghouse. Отдельные парогенераторы для АЭС произвели компании, выпускающие оборудование для тепловой энергетики на органическом топливе и других отраслей, например Foster Wheeler. Похожая ситуация с уникальными реакторными установками, например демонстрационными или прототипными реакторами, парогенераторы для которых иногда заказывают фирмам, неизвестным на рынке ПГ для АЭС. Подобно Foster Wheeler, которая произвела ПГ на основе проекта, созданного под координацией AECL, ряд поставщиков делает модели ПГ, разработанные другими компаниями. К таким относится ENSA, выпускавшая парогенераторы конструкций Siemens / KWU, Westinghouse, Framatome / Areva.

Некоторые из перечисленных компаний выделяются своими позициями на рынках отдельных регионов. Крупнейшие парки парогенераторов сегодня имеются у Франции и США: свыше 60 энергоблоков PWR в каждой стране, с двумя — четырьмя ПГ в каждом блоке. Исторически наиболее старый американский рынок обеспечивали парогенераторами Westinghouse, B & W и Combustion Engineering. Большинство ПГ для атомных станций Франции изготовлены Framatome / Areva. Areva произвела в общей сложности около 300 парогенераторов для французских и зарубежных АЭС. Компания обеспечила практически полный цикл производства: поковки для ПГ делает дочерняя структура Areva — Creusot Forge, а парогенераторы в сборе производятся на предприятии, расположенном в городах Шалон-сюр-Сон и Сен-Марсель.

Парогенераторы для АЭС Германии поставляли немецкие компании, прежде всего KWU. Парогенераторы для атомных станций Канады поставлены Babcock & Wilcox Canada, Ltd., — дочерней структурой B&W. Большинство парогенераторов для АЭС Японии произведены группой Mitsubishi. Южнокорейский рынок ПГ сегодня де-факто монополизирован Doosan, хотя первые парогенераторы на строящиеся АЭС поставляли другие компании.

Современный рынок парогенераторов Индии поделен между индийскими компаниями BHEL и L&T, которые являются поставщиками ПГ для строящихся в настоящее время энергоблоков АЭС «Раджастан», АЭС «Какрапар» и АЭС «Калпаккам». Однако ПГ для ряда построенных индийских блоков произвели другие компании, и не исключено, что в будущем круг поставщиков расширится, поскольку Индия предполагает внедрять целый ряд зарубежных моделей реакторов.

В России исторически ПГ выпускались на «ЗИО-Подольске» и «Атоммаше». Оба сегодня контролируются, по сути, Росатомом. Корпуса, коллекторы и другие элементы ПГ поставляют «Ижорские заводы», принадлежащие ОМЗ, и «Петрозаводскмаш», входящий в структуру Росатома. Заготовки для них делает «ОМЗ-Спецсталь» (дочернее предприятие ОМЗ) и украинская «Энергомашспецсталь» (принадлежит де-юре Росатому).

Чехия, будучи еще Чехословакией, — единственная страна бывшего социалистического лагеря, создавшая собственное производство парогенераторов АЭС на Витковицком металлургическом комбинате, ставшем основой нынешней Vítkovice Group. Наиболее пестрым составом поставщиков отличается рынок парогенераторов для АЭС Китая: тут представлены конструкции Areva, Росатома, Doosan, B&W, ENSA, а также китайских холдингов (Dongfang Electric Corp., Harbin Electric Co., Shanghai Electric Heavy Industries, China First Heavy Industries), поставляющих большинство ПГ, в том числе все для реакторных установок китайской конструкции.

Как следует из описанного, для многих компаний отечественный рынок парогенераторов является основным, однако для некоторых не меньшую роль играют зарубежные рынки, например для ENSA, которая помимо Испании поставила свыше 30 ПГ во Францию, Германию, Бельгию, Индию, Китай, Южную Корею.

Некоторые компании монополизировали, полностью или почти, рынок парогенераторов для АЭС определенных конструкций. Допустим, подавляющее большинство ПГ для реакторов ВВЭР произвели предприятия, ныне подконтрольные Росатому. Альтернативный поставщик в этой же нише — Vítkovice Group — поставила ПГ в сборе для атомных станций в Чехии, Словакии, ГДР, Польше (недостроенная АЭС в Жарновце), а также компоненты ПГ для АЭС в Чехии (РУ ВВЭР-1000 на АЭС «Темелин»), Словакии (РУ ВВЭР-440 на АЭС «Моховце») и Финляндии (РУ ВВЭР-440 на АЭС «Ловииса»).

Другой пример — B&W, которая произвела почти все парогенераторы, включая замещающие, для тяжеловодных реакторов CANDU в Канаде, Южной Корее, Румынии, Аргентине, Пакистане, Китае. Исключения составляют тяжеловодные блоки АЭС «Атуча» в Аргентине с парогенераторами KWU / Areva, а также первый блок южнокорейской АЭС «Вольсон», оснащенные ПГ, произведенными Foster Wheeler.

Кроме того, имеются примеры специализации на парогенераторах определенных конструкций. Допустим, прямоточные ПГ для энергоблоков PWR разработаны и производятся B & W, но она же поставляет и ПГ с U-образными трубами. Основной рынок для прямоточных ПГ — замещение парогенераторов на атомных станциях США в процессе капремонта. Конкурентом B & W на этом рынке стала Areva, поставившая несколько таких ПГ в Америку. Другой пример — секционно-модульные парогенераторы для закрытого (БН-350), действующего (БН-600) и построенного (БН-800) быстрых реакторов с натриевым охлаждением: они разработаны и изготовлены Росатомом («ЗИО-Подольск»).

Таким образом, рынок парогенераторов очень объемен и разнообразен в плане географии, конструкций и производителей. При этом он более динамичен, чем рынок реакторов: в мире заменены сотни парогенераторов, десятки других ожидают замещения в ближайшие годы, тогда как многие работающие с ними реакторы служат, пусть и после модернизации, уже порядка четырех десятилетий, а с учетом продлений проработают еще 10-20 и более лет. В то же время к новым парогенераторам предъявляются повышенные требования: срок их службы увеличивается до проектного срока работы реактора. Кроме того, получают распространение парогенераторы-гиганты, каждый из которых в три-четыре раза мощнее конструкций прошлых десятилетий. Все это ведет к удорожанию данного компонента реакторной установки. При стоимости парогенератора в несколько десятков миллионов речь идет о рынке в сотни миллионов и миллиарды долларов в год. Учитывая твердые перспективы строительства, эксплуатации и ремонта в самые ближайшие десятилетия реакторных установок с ПГ, перспективы рынка парогенераторов не вызывают сомнения.

Ингард ШУЛЬГА