Материалы-экстремалы: научный взгляд
Что делают димитровградские ученые для новейшего топлива и реакторных установок
Научный институт «Росатома» в Димитровграде — один из ключевых участников замыкания ядерного топливного цикла, над которым работает российская атомная отрасль. Ученые института изучают возможности выжигания минорных актинидов, экспериментируют с новыми топливными композициями и конструкционными материалами, а еще строят многоцелевой быстрый исследовательский реактор (МБИР) и рассчитывают, что на нем исследования будут интереснее и глубже. Об этом «Вестнику атомпрома» рассказали заместитель директора — научный руководитель института Алексей Ижутов и заместитель директора по сооружаемым объектам Сергей Киверов.
Алексей Ижутов
Заместитель директора — научный руководитель института «Росатома» в Димитровграде
Сергей Киверов
Заместитель директора института «Росатома» в Димитровграде по сооружаемым объектам
— Алексей Леонидович, расскажите, пожалуйста, в чем особенности вашего института.
— Мы проводим большой объем внутри- и послереакторных исследований материалов и элементов активных зон для перспективных реакторов различных типов и назначения. Условия их эксплуатации обещают быть значительно более экстремальными, чем действующих, поэтому конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу оборудования, а безопасность топлива должна быть экспериментально обоснована в режимах нормальной эксплуатации, ее нарушения и в условиях аварий.
Наш исследовательский комплекс — единственный в стране и один из немногих в мире, где исследовательские ядерные установки (в институте их шесть) дополнены материаловедческими и радиохимическими лабораториями. Специалисты института исследуют перспективные виды топлива при глубоких выгораниях и поведение твэлов и ТВС в переходных, циклических и аварийных режимах, решают проблемы выжигания долгоживущих изотопов, изучают перспективные конструкционные материалы для длительной эксплуатации реакторных компонентов и новые радиационно и жаростойкие материалы и стали ферритно-мартенситного класса. Эти исследования помогают подобрать материалы, работоспособные при высоких температурах, с минимальным формоизменением и высокими показателями прочности и пластичности. Их использование обеспечит долгую и безопасную эксплуатацию реакторов и улучшит экономику энергоблоков. Кроме того, институт проводит нейтронно-физические, фундаментальные и прикладные исследования и выпускает широкий спектр радиоизотопной продукции для науки, промышленности и медицины.
— Какие работы ведет институт в рамках реализации замыкания ЯТЦ? Особенно интересует выжигание минорных актинидов.
— Позвольте сначала сказать несколько слов о проблеме. Значимую долю мирового парка АЭС занимают реакторы на тепловых нейтронах. Один из их недостатков — накопление долгоживущих высокоактивных изотопов. Их надо долго хранить, и затраты на хранение постоянно растут. Единственное комплексное решение этой проблемы — технологии двухкомпонентной ядерной энергетики, включающей новые типы реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Эти технологии предполагают рециклирование делящихся нуклидов и дожигание высокоактивных отходов и в итоге замыкание ядерного топливного цикла. Для этого требуется «всего лишь» построить и эксплуатировать реакторы на быстрых нейтронах (РБН), создать технологии обращения и переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), рефабрикации из него топлива для повторной загрузки в реакторы и утилизации высокоактивных отходов. Все это, конечно, сложные задачи.
Институт давно вовлечен в работу по «быстрому» направлению. С 1968 года в институте действует исследовательский быстрый опытный реактор БОР-60, а теперь сооружается МБИР. Это важный компонент ядерной энергосистемы будущего поколения, который поможет российской атомной отрасли удержать мировое лидерство в области быстрых реакторов и замыкания ядерного топливного цикла.
— Приведите, пожалуйста, примеры исследований по «быстрой» тематике.
— В рамках федерального проекта «Новая атомная энергетика» и проекта «Прорыв» в реакторных установках института испытываются макеты твэлов с уранплутониевым нитридным топливом. В радиационно-защитных камерах материаловедческого комплекса проводятся исследования экспериментальных ТВС после облучения в реакторах на быстрых нейтронах. Мы получили данные об особенностях формоизменения твэлов и о состоянии их микроструктуры, поведении продуктов деления, характеристиках радиационного распухания нитридного топлива, механических свойствах и коррозионном состоянии оболочек твэлов. В радиохимическом комплексе института идут работы по экспериментальному обоснованию оборудования и технологических режимов пирохимической переработки ОЯТ.
Благодаря экспериментальной базе института стала возможна разработка стратегии обращения с минорными актинидами. Один из вариантов — их трансмутация в стабильные или короткоживущие нуклиды с помощью облучения в РБН. Трансмутировать минорные актиниды можно с помощью гомогенной и гетерогенной технологии.
Гомогенный вариант предполагает введение минорных актинидов (МА) в штатное топливо РБН в небольшом количестве, менее 5%. При многократном рецикле такого топлива его нуклидный состав стабилизируется, скорость накопления МА сравнивается со скоростью их уменьшения и достигается равновесный нуклидный состав ОЯТ. Возможности радиохимического комплекса института позволили отработать технологии создания такого топлива, и в настоящее время оно облучается в реакторах. Планируются послереакторные исследования, чтобы оценить эффективность гомогенного варианта.
— А что с гетерогенным вариантом?
— Он считается более перспективным направлением, так как выжигание МА в боковых экранах РБН дает высокие показатели трансмутации МА при минимальном влиянии процесса на характеристики реактора. Благодаря инертным матрицам можно избежать образования вторичных МА, а смягчение спектра нейтронов повысит эффективность трансмутации. Эксперименты в реакторе БОР-60 показали перспективность технологии. В настоящее время в реакторе БОР-60 мы испытываем специальные элементы для выжигания америция и нептуния. Если все пройдет как задумано, результаты экспериментов лягут в основу обоснования безопасности следующего эксперимента, уже в БН-800. Он должен продемонстрировать эффективность технологии гетерогенного выжигания МА в энергетическом РБН. Это позволит перейти к разработке уже промышленной технологии с последующей реализацией на перспективных реакторах БН-1200 и окончательному решению вопроса по обращению с МА в рамках двухкомпонентной ядерной энергетики.
— Перейдем к МБИР. Сергей Александрович, какие новые возможности будут у института с появлением МБИР, в том числе в сравнении с БОР?
— С появлением исследовательской ядерной установки МБИР у нас появятся дополнительные экспериментальные объемы, позволяющие проводить внутриреакторное облучение в условиях высокого потока (более 1015 н/с·см2) нейтронов жесткого спектра. Эти преимущества будут обеспечиваться за счет значительно более высокой тепловой мощности и кратного увеличения объемов экспериментальных устройств новой реакторной установки по сравнению с БОР-60. Проектом предусмотрена возможность проводить инструментованные облучательные эксперименты, которые обеспечивают вывод за пределы корпуса реактора коммуникаций датчиков контроля параметров облучательных устройств в шести каналах ИЯУ МБИР. Три канала позволят проводить исследования в различных теплоносителях в пределах одной ячейки активной зоны, а еще три канала — это полноценные автономные петлевые установки, занимающие по семь ячеек активной зоны и бокового экрана. Для сравнения: в БОР-60 есть только один внутризонный инструментованный экспериментальный канал. Дополнительно следует отметить шесть радиальных и тангенциальных горизонтальных экспериментальных каналов для прикладных и фундаментальных исследований, в том числе связанных с активационным анализом и нейтронной радиографией, а также шесть вертикальных каналов в тепловой защите реактора для ядерного легирования кремния.
— МБИР сам будет участвовать в реализации ЗЯТЦ, будучи быстрым реактором?
— МБИР будет работать именно как инструмент, обеспечивающий исследования в обоснование конструкционных материалов, поглотителей или топливных композиций в различных эксплуатационных условиях. Работы, связанные с радиохимическими процессами или переработкой топлива, на нем проводиться не будут.
— Расскажите, пожалуйста, о прогрессе на площадке МБИР.
— В течение 2026 года мы выполнили большой объем работ по монтажу технологического оборудования. В частности, начат монтаж элементов главных циркуляционных насосов первого контура, смонтированы в проектное положение аварийные теплообменники, смотровые окна исследовательских защитных камер, ряд элементов транспортно-технологической части. Кроме того, был дан старт монтажу оборудования турбинного блока. В проектное положение установлен конденсатор турбины, деаэратор и мостовой кран, обслуживающий машинный зал реакторной установки.
В настоящее время на строительной площадке МБИР выполнено более 80% общего объема строительных работ, продолжается монтаж основного и вспомогательного технологического оборудования.
