Загадка мерцающих стоков

Хром-никелевый сплав Бочваллой зарекомендовал себя как идеальный для транспортных реакторов

Создание толерантного топлива с повышенной устойчивостью к аварийным условиям – это задача, над решением которой бьются все ведущие мировые производители и исследовательские институты. Росатом, как один из лидеров на глобальном атомном рынке, также идёт по этому пути. Один из способов повысить безопасность – изменить конструкционные материалы, из которых изготавливают топливные сборки. Какие предложения и возможности по решению этой задачи есть у российских специалистов, «Вестнику Атомпрома» рассказали начальник научно-исследовательского отдела конструкционных материалов и изделий ВНИИНМ Мария Леонтьева-Смирнова и старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела конструкционных материалов и изделий ВНИИНМ Василий Речицкий.

Создание толерантного топлива с повышенной устойчивостью к аварийным условиям (Accident Tolerant Fuel (ATF)) идея не новая, однако настоящее осознание необходимости скорейшего перехода на AFT пришло после аварии на АЭС «Фукусима» в Японии. А последовавший за этим отказ ряда стран, таких как Германия, Швейцария, Швеция и других, от использования атомной энергии заставил ведущие мировые компании производителей и исследовательские центры сделать разработку ATF приоритетом. Были сформулированы общие требования к ATF. Топливо должно быть пригодно к использованию в существующих реакторах, технологичным и более совершенным в условиях аварии, воспринято населением и не приводить к повышению стоимости электроэнергии. В разных странах работы ведутся на протяжении последних 3–5 лет и посвящены исследованиям ряда технологических решений и выбору подходящего варианта. материаловедение 35

Сплав Бочваллой

 Росатом, как один из мировых лидеров на атомном рынке, также идёт по пути создания толерантного топлива. И у российских разработчиков есть свои преимущества. Основной фактор возможного разрушения твэлов связан с пароциркониевой реакцией, происходящей при температуре свыше 1200 градусов. Поэтому один из возможных путей повышения безопасности связан с использованием для изготовления топливных сборок сплавов, не содержащих цирконий. И такой материал в России уже есть. Он не просто разработан, но и давно и успешно используется при изготовлении топливных сборок для транспортных реакторов. Речь идёт о хром-никелевом сплаве Бочваллой, разработанном специалистами ВНИИНМ. Сплав соответствует всем требуемым параметрам, связанным с температурой эксплуатации сборки, коррозионной средой, создаваемой водой и паром, и особым требованиям по механическим характеристикам. Помимо топливных сборок для корабельных реакторов, этот материал широко используется для изготовления оболочек СУЗ реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200.

Преимущества и недостатки

Сплав Бочваллой, в отличие от других сплавов, не склонен к радиационному охрупчиванию. Иными словами, он не теряет пластичность под длительным воздействием радиационного облучения. Материал продемонстрировал свои преимущества при испытаниях на ледоколе «Ямал», оборудованном двумя реакторами, в одном из которых применялись топливные сборки из циркониевого, а в другом из хром-никелевого сплавов. Послереакторные испытания показали, что циркониевые оболочки сборок практически исчерпали деформационную способность, тогда как оболочки из сплава Бочваллой после эксплуатации в реакторе ледокола сохранили потенциал пластичности на уровне 12–15 %, что не только повышает безопасность, но и позволяет дополнительно выжигать топливо, увеличивая его ресурс. «Мы предложили использовать этот материал для толерантного топлива, – рассказывает Мария Леонтьева-Смирнова. – К этому есть ряд значимых предпосылок. Так, среда в ВВЭР – это вода высоких параметров, идентичная среде в транспортных реакторах. Аналогичны и температурные режимы эксплуатации. С точки зрения этих параметров сплав Бочваллой идеальный материал». Однако с точки зрения ядерно-физических характеристик этот материал имеет недостатки. Использование никеля меняет нейтронный фон за счёт большего захвата нейтронов, что понижает энергетическую ценность топлива, объясняет Василий Речицкий. Компенсировать этот недостаток можно двумя путями: за счёт повышения ураноёмкости топлива и за счёт утончения стенок твэла. Если же говорить о стоимости, то первые образцы будут дороже уже промышленно освоенных твэлов из циркониевого сплава. Но по мере внедрения и промышленного освоения стоимость будет оптимизироваться.

Оболочка, конструкция, топливо

 Толерантное топливо – это не только материал для оболочки, это и его конструкция, и начинка – химический состав топлива. Для ВВЭР под оболочку из сплава Бочваллой необходимо разработать особую конструкцию твэла, учитывающую особенности этого материала, подчёркивает Мария Леонтьева-Смирнова. Если говорить об атомных судах, топливные сборки для транспортных реакторов отвечают всем требованиям, предъявляемым материаловедами и конструкторами к разработчикам. В случае, если конструкторы поставят задачи по дальнейшему повышению безопасности, эффективности и других стратегических параметров, будет проведена работа по поиску новых технологических решений. Но на сегодняшний день твэлы для корабельных реакторов соответствуют всем необходимым параметрам. В случае с ВВЭР ситуация более многоплановая. Во-первых, это промышленные реакторы, по всему миру их работает сотни. В настоящее время ведётся совершенствование циркониевых материалов. Сплав Бочваллой также можно совершенствовать. Например, изменить метод выплавки для повышения функциональных свойств. Сплав уникален по своему положению в диаграмме состояния, и малейшие изменения в соотношении хрома и никеля позволяют принципиально изменить его свойства. И это тоже работа, которую могут провести металловеды в рамках его использования в толерантном топливе. У циркониевых сплавов две проблемы: коррозионное растрескивание в пароводяной среде ВВЭРа и низкотемпературное охрупчивание под воздействием облучения.

Механизм мерцающих стоков

 Главное преимущество сплава – его радиационная стойкость в заданном диапазоне температур и его несклонность к низкотемпературному охрупчиванию. Но в чём природа этого явления? «На сегодняшний день однозначного ответа нет, – объясняет Мария Леонтьева-Смирнова. – По диаграмме состояний никель-хрома в этом диапазоне существует некий участок, где наблюдается расслоение, и именно наличие этой негомогенности не позволяет происходить охрупчиванию. Возникает так называемый механизм мерцающих стоков, когда образуется большое количество радиационных дефектов, оседающих на всех несовершенствах микроструктуры, обнуляющих деформационную способность материала. Затем происходит мгновенная перестройка микроструктуры, и все накопленные радиационные эффекты аннигилируются, а дефекты начинают накапливать новые участки расслоения. Один мерцающий сток заполняется радиационными дефектами и релаксирует, другой начинает их накапливать, и как только наполняется, включается предыдущий. Этот механизм, по нашему мнению, и определяет высокую радиационную стойкость сплава Бочваллой».

У циркониевых сплавов две проблемы: коррозионное растрескивание в пароводяной среде ВВЭРа и низкотемпературное охрупчивание под воздействием облучения. Когда возникла задача создания толерантного топлива, первым шагом к его созданию стало изменение конструкционного материала. И сплав Бочваллой идеально подходит для решения задачи повышения безопасности, убеждён Василий Речицкий. Во-первых, понятно, как он себя ведёт в реакторной среде. Во-вторых, сплав технологически освоен по всем необходимым направлениям. При этом речь идёт не только об изготовлении топливной оболочки требуемого размера. Это и технология сборки, и технология герметизации, и другие. «Необходимо сказать, что не сразу все эти свойства сплава были так прекрасны, благодаря моим коллегам и соавторам изобретения сплава – сотрудникам 23-й лаборатории ВНИИНМ, экстренно разобравшимся в причинах 95% брака при выпуске первой промышленной партии труб и устранившем его, теперь при выпуске многочисленных партий брак практически отсутствует. Хочу добавить, что за всё время эксплуатации изделий из сплава Бочваллой не было ни одного случая разгерметизации сборок. И это уникальный показатель », – подчёркивает Василий Речицкий. С послеэксплутационными свойствами материала ситуация сложнее. Сплав Бочваллой нельзя отнести к малоактивированным материалам, так как никель после облучения даёт долгоживущие изотопы. Поэтому необходимо уже сейчас понимать, как будет решаться вопрос утилизации отработавших топливных сборок, а также переработки и захоронения материала. Необходимо разработать соответствующие технологии, и подобные работы ведутся. Тем не менее для решения этой задачи необходим комплексный подход. Нужно разработать «дорожную карту» охватывающую весь жизненный цикл от создания материала до его утилизации и захоронения. Изделия из сплава Бочваллой производятся на МСЗ в Электростали. Технологии производства отработаны, и в случае необходимости увеличить объёмы сложности не будет. «Вообще, технология производства, начиная от выплавки сплава и заканчивая готовым изделием, – это живой организм, – считает Мария Леонтьева-Смирнова. – И это очень хорошо, так мы можем корректировать его работу, внося различные предложения по его улучшению и оптимизации. Можно поработать над методом выплавки, над технологией производства изделий. При этом итогом становится повышение эффективности и работоспособности наших материалов в виде конкретных изделий. Это востребованная задача, над которой мы постоянно работаем».