Искусство легирования

ВНИИНМ разрабатывает материалы для обеспечения программы повышения выгорания топлива реакторов БН

Реактор БН-600 на Белоярской АЭС работает с 1980 года. В настоящее время ведутся работы по обоснованию продления срока его эксплуатации до 2040 года, при этом эксплуатационные характеристики реактора будут существенно повышены. В частности, глубина выгорания топлива увеличится с 10 до 15% т.а. (тяжелых атомов), повреждающая доза — с 80 до 115 сна (смещений на атом), длительность кампании — до ~ 1000 эфф. сут. (эффективных суток). Это станет возможным благодаря переходу на твэлы, изготовленные из новой марки стали ЭК164, позволяющей обеспечивать работоспособность и надежность эксплуатации твэлов ТВС реактора БН-600. Рассказываем об истории создания этой стали, ее особенностях и преимуществах.

В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах оболочки тепловыделяющих элементов работают в сложных условиях: большой перепад температур по высоте оболочки — от 350 до 710 °C, высокие повреждающие нейтронные дозы, изменяющиеся куполообразно (достигая своего максимума примерно в центре твэла), воздействие напряжения от газовых продуктов деления топлива, механическое взаимодействие с распухающим топливным сердечником, давление на твэл, создаваемое жидким натрием, который используется в качестве теплоносителя. Иными словами, активная зона реактора БН — это среда с жесткими нагрузками, вследствие чего к материалу, из которого изготавливают оболочки твэлов, предъявляются строгие требования.

Так совершенствовалась сталь

«С самого начала разработки быстрых реакторов для изготовления оболочек твэлов использовались аустенитные хромоникелевые стали, так как они были хорошо освоены в промышленности, — рассказывает ведущий научный сотрудник ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, одна из разработчиков стали ЭК164 Нина Митрофанова. — Первый материал (сталь ЭИ847 с основой 16% хрома и 15% никеля, легированная молибденом и ниобием) проработал в быстром реакторе с натриевым теплоносителем и хорошо себя зарекомендовал на начальных стадиях эксплуатации. Однако в дальнейшем при повышении параметров облучения было обнаружено явление распухания, приводящего к изменениям геометрических размеров оболочек».

Существуют критерии допустимого увеличения объема твэла в активной зоне реактора. Так, распухая, твэл не должен перекрывать проходные сечения, чтобы не мешать циркуляции натрия не допустить перегрева твэла. Решение этой проблемы на тот период стало одной из главных задач. Основные усилия металловедов были направлены на изучение влияния холодной деформации (это обработка металла давлением, осуществляемая при комнатной температуре) на снижение фактора распухания.

«Следующая сталь, которую разработали и применили для изготовления оболочек твэлов для реактора БН-600, была ЭП172, — рассказывает Нина Митрофанова. — В нее дополнительно к предыдущему составу был добавлен бор, причем в гомеопатических количествах, чтобы его присутствие не приводило к образованию борсодержащих фаз и охрупчиванию. Сталь ЭП172 в состоянии холодной деформации отработала достаточно долго в реакторной зоне БН-600. Следующий материал, который был разработан и предложен к использованию, — сталь ЧС68, в которую вместо ниобия добавили титан, при этом оставили бор, но в несколько иной концентрации».

После проведения ряда экспериментов в целях повышения эксплуатационных параметров реактора БН-600 было принято решение о замене штатного материала оболочек твэлов на более радиационно стойкую сталь ЧС68. Эта сталь обеспечила работу зоны реактора БН-600 со штатной глубиной выгорания топлива 10%. Однако задачи, стоявшие перед отраслью, требовали продолжать работу по развитию и улучшению характеристик металла.

«Тогда родилась мысль о дальнейшем совершенствовании этого класса материалов, и мы перешли к комплексному легированию, — рассказывает Нина Митрофанова. — Были реализованы структурные подходы для повышения радиационной стойкости известных отечественных и зарубежных оболочечных материалов аустенитного класса (стали ЭИ847, ЭП172, ЧС68, AISI 316M, 15-15 Ti, DIN 1.4970 и др.). За прототип взяли сталь ЭП172, в которую были добавлены титан, ванадий, фосфор, бор и редкоземельные металлы. Такое комплексное легирование позволяет влиять как на состояние границ зерен, так и на структурные превращения, которые претерпевает материал в процессе облучения. И у нас получилось, хотя добиться этого было непросто».

Повышая глубину

Новая сталь, получившая название ЭК164, — это материал, который позволяет осуществить перевод эксплуатации реактора БН-600 на повышенную глубину выгорания топлива. Этот процесс осуществляется в настоящее время, планируется, что он будет завершен в конце 2022 — начале 2023 года. Работы по созданию этой марки стали были начаты еще в 1991-м. За прошедшие годы было проработано много различных вариантов ее изготовления.

«Не хочу хвастаться, но материал получился действительно уникальный, — констатирует Нина Митрофанова. — В нем много резервов с точки зрения эффективности работы малых добавок — элементов внедрения: бора, редкоземельных металлов и фосфора. Эти элементы распределяются в аустените, не создавая напряжения в кристаллической решетке матрицы. Содержание фосфора, можете себе представить, 0,025%, и это максимум! Первый патент по химическому составу был получен в 1994 году. Этот рубеж можно считать началом, так как мы работали в статусе опытных плавок, промышленной технологии не было. Следующий патент на способ термообработки, позволяющий получать материал с нужными свойствами, был защищен в 2003 году. В 2015 году был получен патент на материал оболочки твэла».

Реактор БН-600 при проектировании был запланирован на параметры глубины выгорания топлива до 10% т.а. Была проведена серьезная работа по расчету ресурса реактора, после чего принято решение о продлении срока его эксплуатации. Сегодня принята и реализуется программа по повышению глубины выгорания топлива реактора БН-600, утвержденная руководством Росатома. Для обеспечения конкурентных экономических показателей при продлении эксплуатации требовалось обеспечить прирост эффективности за счет повышения глубины выгорания до 15% т.а.

«Первые экспериментальные данные по облучению твэлов с оболочками из стали ЭК164 на штатные параметры появились примерно семь лет назад. Дальнейшее облучение оболочек из стали ЭК164 в составе экспериментальных ТВС на повышенные параметры эксплуатации (глубина выгорания — до 15% т.а., повреждающая доза — 108 сна, длительность кампании — 888 эфф. сут.) доказало высокую радиационную стойкость этой стали. Сегодня мы перешли к штатной загрузке реактора БН-600 твэлами с оболочками из стали ЭК164, что, согласно расчетно-экспериментальному обоснованию, позволит обеспечить выгорание в 15% т.а., а это весьма большие повреждающие дозы — не менее 110 сна, и в интервале таких доз мы никогда раньше не работали, — объясняет Нина Митрофанова. — Если бы мы не обеспечили прирост выгорания до 15% т.а., то продление эксплуатации не было бы экономически целесообразным».

Выстоять в активной зоне

Запуск реактора БН-800 на Белоярской АЭС состоялся 10 декабря 2015 года. Кроме своего основного, производственного, он имеет большое экспериментальное значение — на нем производится окончательная отработка технологий реакторов данного типа, которые предстоит применить в реакторе БН-1200. Реактор БН-800 — это новый тип реактора с точки зрения конструкции, безопасности. В нем собрано все, что было наработано в области разработки и эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах во всем мире. В настоящее время принято решение о переводе БН-800 на МОКС-топливо с оболочкой твэлов из стали ЭК164. Глубина выгорания топлива предусмотрена на уровне 12,5%, так как в активной зоне БН-800 более жесткий спектр нагрузок.

«Если описать образно, кристаллическую решетку стали при облучении в БН-800 бомбардирует в разы больше заряженных частиц за единицу времени, чем в БН-600, — объясняет Нина Митрофанова. — Иными словами, металлу оболочки в БН-800 выстоять гораздо тяжелее. Но самая большая сложность — взаимодействие стали со смешанным уран-плутониевым топливом».

В соответствии с актуализированной в 2021 году Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики, энергоблок с реактором БН-1200 на Белоярской АЭС будет введен в эксплуатацию в период 2031–2035 годов. Главным конструктором реакторов БН принято решение, что оболочки твэлов для стартовой загрузки этого реактора также будут изготовлены из стали ЭК164.

«В дальнейшем у нас будет БН-1200, это перспектива. Там также предусмотрена сталь ЭК164. Но в БН-1200 значительно более высокие дозы облучения и, главное, другая продолжительность работы зоны. Если в БН-600 мы имеем 888 эффективных суток, то в БН-1200 — 1400 суток. То есть твэлу необходимо отстоять в активной зоне реактора более 30 тысяч часов!»

К новому производству

На сегодняшний день отработана технология промышленного производства стали ЭК164 как в металлургической, так и в трубной ее части. Ближайшая задача — сохранить преимущества наработок и обеспечить в штатном исполнении загрузки активных зон реакторов БН-600, БН-800 и БН-1200. Для обеспечения реализации программы повышения выгорания топлива реакторов БН надо произвести большие объемы труб из стали ЭК164 на 2023 и 2024 годы по согласованным и утвержденным техническим условиям.

«Это не так просто — прекратить производство одной марки стали и перейти на производство другой, — объясняет Нина Михайловна. — Наладить производство нового материала, который за счет очень сложной металлургии и собственной структуры обеспечивает требуемые свойства, — это весьма дорогостоящая и сложная задача, и так просто никто ничего менять не стал бы. Штатная хромоникелевая сталь ЧС68 с молибденом, бором и титаном была рассчитана на определенные параметры. Сталь ЭК164 — это тот же состав, но с повышенным содержанием никеля, добавлением карбидообразующих элементов, фосфора и редкоземельных металлов. Плюс иная технология термообработки, что позволяет получить характеристики, ради которых стоит уйти от штатной стали с налаженным промышленным производством к новому материалу, который за счет повышения глубины выгорания топлива позволит получить действительно значительный экономический эффект».