11.10.2019

Хромовый гамбит

Безусловно, это одно из выдающихся достижений уходящего года. Ведь, как известно, создание толерантного топлива с повышенной устойчивостью к аварийным условиям Accident Tolerant Fuel (ATF) – направление, ставшее мировым трендом для всех ведущих компаний-производителей. Америка, Франция, Япония, Китай, Корея активно включились в эту работу и на какой-то стартовый момент опередили по темпам российских коллег. но в 2019 году ситуация кардинально изменилась. Учёные топливного дивизиона совместно со специалистами других предприятий росатома, а также МИФИ и МЭИ в сжатые сроки сумели провести значительную работу, совершив реальное ускорение в решении этой важной задачи. разработали концепцию, нашли научно-технические и технологические решения, изготовили образцы толерантных топливных элементов и приступили к их реакторным испытаниям. и это всего за один год! Что предстоит сделать в ближайшем будущем и каковы перспективы внедрения толерантного топлива, «Вестнику Атомпрома» в эксклюзивном интервью рассказал заместитель генерального директора по научной работе – директор научно-исследовательского и конструкторско-технологического отделения разработки твэлов с оксидным урановым топливом тепловых реакторов АО «ВНИИНМ» Владимир Новиков.

Владимир Владимирович, работы над созданием толерантного топлива сегодня – одно из важных направлений в мировой атомной энергетике. Расскажите, почему создание толерантного топлива стало общемировым трендом и в чём его принципиальное отличие от топлива, традиционно используемого уже многие десятилетия? Отправной точкой, толчком для активизации работ по созданию толерантного топлива, конечно, стала авария на АЭС «Фукусима» в Японии. Аварии не происходят по одному и тому же сценарию, у каждой свой почерк, уникальность, выраженная в цепочках наложений различных факторов, длительности протекания, особенностях внешних условий. В случае «Фукусимы» события, произошедшие в реальности, могли бы стать сюжетом для сценария фантастического фильма-катастрофы. Землетрясение, лишившее станцию внешнего энергоснабжения, огромная волна, по сути, накрывшая АЭС и нарушившая работу резервных дизель-генераторов, что привело к сбою системы охлаждения и затем к осуществлению пароциркониевой реакции, послужившей причиной скопления водорода и его взрыву. Собственно, стадия аварии, связанная с запуском неконтролируемого процесса наработки водорода, ставшего причиной взрывов на четырёх энергоблоках станции, и заставила специалистов начать поиск решений, позволяющих предотвратить саму возможность возникновения подобной химической реакции. Одним из возможных вариантов стала идея разработать топливо, которое может сопротивляться аварийной ситуации в течение достаточно длительного времени в случае потери теплоносителя в активной зоне.
Под топливом обычно подразумевают тепловыделяющую сборку (ТВС), состоящую из тепловыделяющих элементов (твэлов) и комплектующих ТВС. Твэл представляет собой оболочку из сплава циркония, снаряжённую таблетками из диоксида урана. Такие же материалы и компоненты с небольшими различиями применяют для изготовления топлива и за рубежом. Сплавы циркония в качестве конструкционного материала твэлов используют из-за их свойства слабо поглощать нейтроны. Но у циркония есть большой минус – при высоких температурах и взаимодействии с паром начинается пароциркониевая реакция. С точки зрения химии она простая: Zr + Н2О – получается оксид циркония плюс водород, то есть водород становится свободным. Подсчёты специалистов показывают, что при таких авариях в активной зоне образуется порядка одной тонны водорода.

Можно ли пароциркониевую реакцию если не предотвратить, то хотя бы ограничить возможности для её протекания? А как ограничить? Первое решение – поставить барьер между цирконием и высокотемпературным паром – нанести на циркониевую оболочку покрытие, которое даже если и будет взаимодействовать с паром, то не даст образоваться большому количеству водорода. Какой материал использовать для покрытия? При ответе на этот вопрос все ведущие мировые производители оказались солидарны и остановились на хроме. Хромовое покрытие давно используется в технике, базовые технологии известны. Второе решение – заменить цирконий другим материалом. Мы выбрали сплав хрома, никеля и молибдена – 42ХНМ, так как уже существует положительный опыт его использования как в транспортных реакторах, так и в качестве оболочки поглощающего элемента (ПЭЛ) в энергетических реакторах. Этот высоконикелевый сплав имеет очень важную особенность: он не окисляется заметно ни в нормальных условиях, ни при высоких температурах. Есть и минусы: сплав 42ХНМ в отличие от сплавов циркония поглощает большее количество нейтронов. Этот недостаток можно нивелировать, например, уменьшив массу этого сплава, то есть уменьшить толщину оболочки или изменив обогащение топлива. При этом надо понимать, что существует ещё один не менее значимый вопрос – экономический. Важно, чтобы топливо не только было максимально иммунным к аварии, но и экономически эффективным в производстве и эксплуатации. Поэтому следующим шагом стал поиск таких топливных композиций, которые оказались бы не только более безопасны, но и более экономически эффективны, чем используемые сегодня цирконий и диоксид урана. Есть разные идеи, как этого добиться. Сегодня на российских АЭС топливный цикл составляет 18 месяцев. Один из вариантов улучшить экономику – сделать топливо, которое позволит увеличить цикл до 24 месяцев. Но и здесь есть свои сложности – сможет ли другое оборудование исправно работать два года без инспекций и ремонта? Это важный вопрос, требующий своего обоснования, так как экономическая выгода при увеличении топливного цикла очевидна и существенна. Очень серьёзным аспектом также является снижение стоимости самой топливной композиции. Например, если использовать топливо более высокой плотности, чем диоксид урана, например металлическое топливо или другое плотное топливо, то можно снизить его обогащение без потери эффективности, что, в свою очередь, положительно скажется на совокупной себестоимости топлива.

ВНИИНМ проделал серьёзную работу в этом направлении. Расскажите, каких результатов удалось добиться на сегодняшний день и что предстоит сделать в ближайшем будущем? Мы изготовили два типа оболочек: циркониевые с хромовым покрытием и оболочки из сплава 42ХНМ. При этом было принято решение также поработать с металлическим уранмолибденовым топливом. В итоге для реакторных испытаний мы собрали несколько композиций топливных элементов: цирконий-хром с диоксидом урана, цирконий-хром с уран-молибденом, 42ХНМ с диоксидом урана и 42ХНМ с уран-молибденом. Чтобы оценить их поведение в условиях, приближённых к эксплуатационным характеристикам, существующим в реакторах ВВЭР, мы поставили их на облучение в реакторе МИР, расположенном на площадке НИИАР. Месяц назад был проведён предварительный осмотр испытываемых ТВС и не выявлено ни изменений в геометрии тепловыделяющих элементов, ни повреждений поверхности оболочек, нас удовлетворили внешний вид и состояние покрытия. Первый этап испытаний показал, что выбранные инженерные и технические решения себя оправдывают. Следующий этап испытаний ТВС на площадке НИИАР предполагает проведение специальных экспериментов, моделирующих такие условия, как скачки мощности, аварийную ситуацию и другие, что позволит оценить поведение ТВС в различных условиях. Эта фаза будет очень важной, так как покажет целесообразность корректировки выбранных инженерных и технологических решений. Надеемся, что в целом за весь период облучения в реакторе МИР будут получены ответы на все те вопросы, которые мы поставили в связи с выбором указанных технических решений.
Параллельно планируется провести испытания оболочек толерантных твэлов непосредственно в реакторе Ростовской АЭС. И если твэлы, облучаемые в реакторе МИР, имели длину 50 см (что обусловлено высотой реакторной зоны), то для АЭС будут изготовлены полномасштабные твэлы. В данном эксперименте будут тестироваться твэлы с оболочками из циркониевого сплава, покрытые хромом, и оболочками из 42ХНМ. Оболочки при этом будут снаряжены традиционным топливом – диоксидом урана. Чтобы ставить новое топливо в энергетический реактор, необходимо провести весь цикл его обоснования и получить необходимое разрешение на эксплуатацию. Поэтому мы используем обычное топливо, применение которого обосновано Курчатовским институтом, главным конструктором АО «ГИДРОПРЕСС» и принято Росэнергоатомом. В феврале следующего года на энергоблоке №2 Ростовской АЭС предстоит перегрузка топлива и планируется установить три ТВС с опытными твэлами. В конце февраля – начале марта энергоблок выйдет на мощность, и мы начнём полноценный эксперимент с российским толерантным топливом в реальных условиях эксплуатации. Хочу подчеркнуть, что эксперимент будет проводиться в тесной кооперации с другими предприятиями: НЗХК – изготовитель твэлов и ТВС, МСЗ – изготовитель оболочек из сплава 42ХНМ, ЧМЗ – изготовитель циркониевых оболочек, МЭИ – нанесение хромовых покрытий на длинномерные изделия по специальной технологии, а также АО «ГИДРОПРЕСС», вместе с которыми мы приняли решение о постановке на опытную эксплуатацию полномасштабных твэлов в реактор Ростовской АЭС. Испытания позволят получить необходимый опыт по поведению полномасштабных твэлов с толерантными оболочками в условиях энергетического реактора ВВЭР-1000.

Иностранные атомные гиганты тоже пошли по пути покрытия циркониевой оболочки хромом, а как насчёт топливной начинки? На какой стадии испытаний находятся их разработки? Решение по оболочке, принятое, например, Westinghouse, Framatome, судя по публикациям, это покрытие циркония хромом. При этом они интенсивно разрабатывают альтернативные топливные композиции и, в частности, дисилицид урана. Это более плотная топливная начинка, чем традиционный диоксид урана. Большая плотность позволяет варьировать обогащение, выходить на высокие степени выгорания или позволит проводить топливные кампании, превышающие сегодняшние полуторагодичные. Кроме этого есть ещё одно положительное качество: дисилицид урана обладает керамическими свойствами с точки зрения технологии производства. Ещё одно хорошее свойство дисилицида урана – повышенная теплопроводность, то есть этот топливный материал имеет меньше запасённой энергии, и в случае проектной аварии топливная сборка будет с меньшим темпом разогреваться. В этих отношениях дисилицид урана привлекателен, но чтобы сделать вывод о возможности и целесообразности его использования, необходимо выяснить другие свойства – теплофизические, механические, технологические в условиях реальной эксплуатации. Посмотреть, как дисилицид урана покажет себя под облучением, будет ли распухать интенсивно или фрагментироваться, как поведёт себя при внештатных ситуациях.
Требуется всё это проверить и обосновать. Поэтому зарубежные коллеги также ставят его в энергетический реактор как вторую композицию: первая сборка – циркониевая оболочка, покрытая хромом с диоксидом урана, и вторая – тот же цирконий-хром, но с дисилицидом урана. Они вышли на стадию испытания в реакторе АЭС толерантной оболочки вместе с альтернативным топливом.
Существует и другой вариант развития темы толерантного топлива – оболочка с хромовым покрытием и композиция из диоксида урана с добавкой хрома, так как хром, по мнению ряда специалистов, улучшает характеристики топлива. Дальнейшие исследования оставляют научным работникам 10–15 лет, чтобы потом можно было вернуться к практической реализации выбранных решений. Есть и другие стратегии. Например, рассматривается сразу большое количество различных разработок, но я считаю, что не всё из этих направлений имеет реальную перспективу. Тем не менее это толерантное топливо. Если резюмировать все вышесказанное, то в области создания толерантного топлива мы находимся в группе лидеров.

Насколько пристально специалисты, занимающиеся толерантным топливом, наблюдают за работами коллег из других стран? Здесь следует разделять два аспекта. Первый – научный, предполагающий наличие дискуссии и обмена опытом, как драйвер развития любой научной темы. По тематике толерантного топлива регулярно проводят международные конференции, конференции МАГАТЭ, существует специализированная программа OECD, рекомендующая странам, обладающим атомной энергетикой, заниматься разработками по толерантному топливу. Конференции позиционируют также атомную энергию, как неотъемлемый элемент чистой энергетики настоящего и будущего. Второй аспект – коммерческий, связанный с конкуренцией, он тоже имеет место. Любые страны, выходящие со своим топливом на рынок, – наши уважаемые конкуренты. Поэтому совместно с ТВЭЛ считаем, что идём в правильном направлении, развивая наше топливо. Даже если какой-либо заказчик в итоге не возьмёт новое топливо, он будет знать, что мы смогли его сделать, и сам этот факт станет показателем высокого технологического уровня продукции производителя и его разработок. А это весьма важный фактор для укрепления позиций на мировом высокотехнологичном рынке – не стоять на месте, развиваться. И дам слово аналитике: по прогнозам, опубликованным ОECD, толерантное топливо сможет доминировать на рынке через 10–20 лет. Это весьма короткий срок по меркам атомной энергетики, где только на реакторные исследования может уйти десятилетие.

За рубежом работают над толерантным топливом достаточно долго, а мы практически за год сделали рывок, позволивший почти нивелировать это временное отставание. В чём причины, позволившие совершить такой скачок? Какие ещё есть направления, помимо тех, что вы перечислили? Существует такая поговорка: русские долго запрягают, но быстро едут. В этом есть своя правда. У нас был своего рода инкубационный период, и мы воспользовались теми наработками, тем опытом, который у нас был ранее, но не имел отношения к толерантному топливу. Этот опыт позволил нам изготовить уранмолибденовое топливо, сделать оболочки с хромом и из 42ХНМ. При этом мы смотрим в будущее и видим, что существуют перспективные, принципиально новые материалы для оболочек твэлов, например керамический карбид кремния. У него хорошие эксплуатационные и аварийные свойства, а именно – температура диссоциации составляет 2,5 тысячи градусов, он инертный к теплоносителю при эксплуатационных температурах. Помимо этого, у карбида кремния сечение поглощения нейтронов даже меньше, чем у циркония. Главная проблема с этим материалом – разработка промышленных технологий изготовления применительно к оболочкам твэлов. Помимо этого существует ряд точечных задач, требующих поиска решений, таких как герметизация керамических оболочек, нивелирование хрупкости керамики, пористости и ряда других характеристик. Полностью волшебных материалов нет. Но у керамики хорошие реакторные свойства, в том числе с точки зрения поведения при аварии. Этим материалом необходимо заниматься. И повторюсь, подобные разработки – показатель высокого технологического уровня развития отечественной промышленности.

Как бы вы оценили этап, завершающий год и включающий всю ту колоссальную работу, проделанную вами в чрезвычайно сжатые сроки? Для нас это очень значимый шаг. На этом пути было столько препятствий, что большинство даже не верило в то, что мы всё сможем и успеем сделать. Нужно было разработать конструкцию твэлов и экспериментальных ТВС совместно с ОКБМ, изготовить оболочки, организовать логистику и направить оболочки из ЧМЗ во ВНИИНМ, а затем в НЗХК, где изготовили таблетки из уранмолибденового топлива, изготовили твэлы и сборки, а затем в сибирскую зиму отвезти всё из Новосибирска в НИИАР, поставить в реактор и вывести его на мощность! И на каждом этапе возникали препятствия. Сначала не выходили таблетки, уран-молибден оказался не того качества. Для оболочек с хромовым покрытием тоже потребовалось время для отработки режимов – для нанесения покрытия важны условия, при которых атомы хрома «выстреливаются» в мишень под названием «циркониевая оболочка». Они буквально «вбиваются» в неё. И здесь немаловажное значение имеет накопленный опыт и понимание всех особенностей процесса специалистами ВНИИНМ. Необходимо было обосновывать технологию, отрабатывать на опытных образцах, и уже потом изготавливать оболочку с покрытием и твэл. Про подготовку документации, административные, договорные и закупочные проблемы я вообще не говорю. Подобный темп решения поставленной сложной задачи вызывает ассоциации с «Атомным проектом», с поправкой на условия нашего времени, разумеется. По масштабности сравнивать, конечно, нельзя. Схожесть, скорее, в том, что все участники хотели решить поставленную задачу и помогали друг другу, начиная от руководителей высшего звена, директоров предприятий, руководителей участков, лабораторий, научных сотрудников, конструкторов и технологов. Это цепочка, которая должна была обеспечить успех дела. Перефразируя известное выражение – нами был сделан небольшой, но принципиальный шаг в развитии топлива для атомной энергетики. Фактор объединения усилий сыграл решающую роль. Есть и те, кто считает иначе и не понимает, зачем нам нужно двигаться в этом направлении. Это нормально для дискуссий и учёта различных мнений, но развитие технологий не должно останавливаться.